王曉婷 陳瑞蕊 井忠旺 馮有智 姚童言 林先貴

（1 土壤與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（中國科學(xué)院南京土壤研究所），南京 210008）（2 中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）（3 中國科學(xué)院生態(tài)與環(huán)境研究中心，北京 100085）

水作和旱作是我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中重要的兩種耕作方式，以其為代表的水稻與小麥?zhǔn)俏覈鴥煞N主要農(nóng)作物類型，不僅直接影響我國糧食安全，而且關(guān)系著陸地生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定及持續(xù)性。水、旱耕作方式下土壤肥力存在明顯差異，水稻土作為一種人為土壤，長期處于淹水的厭氧條件下，通常稻田土壤有機(jī)碳累積量高于旱作小麥土壤［1］。對于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)而言，土壤有機(jī)碳主要來源于植物根際沉積碳。植物作為第一生產(chǎn)者，生長過程中根系將光合作用產(chǎn)物以小分子有機(jī)物和植物殘?bào)w的形式釋放至土壤中，為根際微生物提供碳源和能源［2］，同時微生物通過代謝活動將土壤中有機(jī)營養(yǎng)物質(zhì)分解為無機(jī)養(yǎng)分，供給根系吸收與利用，這種“植物-土壤-微生物”構(gòu)成的互作體系對維系農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)功能和生產(chǎn)力至關(guān)重要［3］。在根際微區(qū)，土壤活性組分如土壤溶解性有機(jī)質(zhì)（DOM）是土壤各組分中性質(zhì)最活躍的一部分，是土壤質(zhì)量和環(huán)境變化的“指示器”，同時土壤活性組分在微生物的參與下進(jìn)行遷移與轉(zhuǎn)化，其分布情況對土壤微生物活性、群落多樣性及演替格局變化起重要作用［4］。

植物根際積聚了大量易利用的有機(jī)物質(zhì)，其微生物數(shù)量和活性均成倍增加，進(jìn)而導(dǎo)致其養(yǎng)分狀況、微生物活性及微生物群落結(jié)構(gòu)與非根際土壤相比具有顯著差異［5-6］，Hiltner 將這種現(xiàn)象定義為“根際效應(yīng)”［7］。植物根際是根系與微生物之間相互作用下形成的微生態(tài)系統(tǒng)，是土壤圈物質(zhì)循環(huán)的重要界面，具有一定的研究復(fù)雜性［8］。根際土壤作為一個特殊的生態(tài)環(huán)境，各個土壤因子在根際與非根際土壤之間的相對變異幅度可用來表征根際效應(yīng)（rhizosphere effects）強(qiáng)弱［9］，也可用來表征根際土壤對非根際土壤的影響程度，這為定量比較水稻土和旱作小麥土壤的根際效應(yīng)差異提供了可行的方法。

對于大多數(shù)植物而言，根際微域范圍狹窄，細(xì)根根毛和土壤很難分離。在一般條件下區(qū)分根土界面和采集土壤樣品存在著技術(shù)上的困難。根箱技術(shù)不僅可以區(qū)分根際和非根際，而且通過改良后還可以直接觀測根際生物學(xué)和化學(xué)過程的變化。Ye等［10］在研究菌根根際的作用范圍時，設(shè)計(jì)了三室根箱培養(yǎng)系統(tǒng)。植物種植在中室中，根系不能穿過中室兩側(cè)的尼龍網(wǎng)膜，該方法能夠有效地進(jìn)行根際土壤的采集。土壤細(xì)菌群落分布是土壤活性養(yǎng)分分布的重要反映。近年來，隨著第二代測序技術(shù)的發(fā)展，能夠克服傳統(tǒng)培養(yǎng)技術(shù)的缺點(diǎn)，獲得通量較高的樣品基因信息，進(jìn)而高效、全面地認(rèn)識土壤微生物，目前已被廣泛應(yīng)用于土壤微生物遺傳多樣性的研究［11-12］。目前單獨(dú)開展小麥或者水稻根際與非根際理化性質(zhì)、根際效應(yīng)及微生物活性的研究較多：Ma等［13］研究了根毛和根半徑對小麥和玉米根際土壤酶活性空間分布的影響，發(fā)現(xiàn)小麥的根半徑更小而酶活性更高；Fan等［14］在大空間尺度下研究華北平原小麥根際固氮菌的群落組成和多樣性，發(fā)現(xiàn)與非根際土壤相比，小麥根際土壤中固氮菌網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單卻更加穩(wěn)定；江春玉等［15］通過比較水稻根際和非根際土壤團(tuán)聚體數(shù)量及碳氮含量的變化發(fā)現(xiàn)，水稻根際土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性更高；Zhu等［16］發(fā)現(xiàn)施用氮肥能夠減弱水稻根系與微生物之間的氮素競爭以及胞外酶活性，進(jìn)而降低CO2和CH4的根際激發(fā)效應(yīng)。然而，目前在相同的土壤基質(zhì)下分別種植水稻和小麥后對土壤根際效應(yīng)以及細(xì)菌群落特征會產(chǎn)生怎樣的影響尚不明確。

本研究利用根箱體系，在同一種土壤上分別種植水稻和小麥，實(shí)現(xiàn)根際土壤和非根際土壤的分離采集，并借助高通量測序分析方法研究水稻、小麥種植體系下根際效應(yīng)、微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的差異及其規(guī)律，以期從土壤活性養(yǎng)分分布及微生物群落特征的角度揭示水稻土和旱作小麥根際效應(yīng)差異的原因，為維持和提升土壤生產(chǎn)力及其可持續(xù)性利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤樣品采自中國科學(xué)院常熟農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站（31°33′N，120°42′E），該區(qū)域?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)氣候，年平均溫度16.6°C，降雨量1 321 mm。供試土壤類型為烏柵土，長期稻麥輪作，種植年限大于10 a。采集0～20 cm土壤，去除植物殘?bào)w，過2 mm尼龍篩。取少部分風(fēng)干，用于基本理化性質(zhì)的分析。經(jīng)分析，供試土壤的有機(jī)碳含量為20.3 g·kg-1，pH 7.31，全氮1.95 g·kg-1，全磷0.71 g·kg-1，有效磷12.1 mg·kg-1，速效鉀104.5 mg·kg-1。供試植物為小麥（Triticum aestivumL）和水稻（Oryza sativaL），品種分別為揚(yáng)麥16號和南梗46號。

根箱用聚氯乙烯（PVC）板加工制成，箱體大小為 18 cm×10 cm×15 cm，包括根系生長室（或中室，20 mm）及左、右非根際土壤室（或左、右根圍，各80 mm）三區(qū)，并于緊貼根系生長室兩邊插入1張由300目尼龍網(wǎng)制成的插片，將植物根系限制于中室內(nèi)生長。

1.2 盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì)

盆栽實(shí)驗(yàn)在根箱中進(jìn)行，每盆加入相當(dāng)于2.6 kg 干土的供試土壤，并施入0.21 g·kg-1（以N計(jì)）尿素、0.07 g·kg-1（以P計(jì)）過磷酸鈣和0.12 g·kg-1（以K計(jì)）氯化鉀，混合均勻。種植水稻時，使土壤保持2 cm的淹水層；種植小麥時，土壤保持60%的田間持水量。

水稻種子于2016年7月18日浸種，兩天后播種、育苗，一周后選取生長一致的幼苗移入根際中室進(jìn)行盆栽實(shí)驗(yàn)（三盆，每盆三株）。小麥種子于2016年11月6日浸種、催芽，兩天后選取飽滿、大小均勻一致的種子均勻撒播于根際中室（三盆，每盆三株）。水稻和小麥均在出苗后40～45 d進(jìn)行土壤取樣。分別采集水稻和小麥根際和非根際土壤：根箱中室內(nèi)的土樣去除植株根系后一分為二作為根際土壤，兩側(cè)根圍室內(nèi)土壤分別充分混合后作為非根際土壤，最終根際和非根際土壤各有6個重復(fù)。采集的新鮮土壤樣品一部分過2 mm篩后于4℃保存，用于測定土壤活性組分，另一部分于-20℃保存，用于土壤DNA的提取。

1.3 土壤樣品測定項(xiàng)目與方法

土壤有機(jī)碳（SOC）采用重鉻酸鉀氧化法測定，土壤脫氫酶（DHA）活性采用氯化三苯基四氮唑（TTC）比色法測定［17］。土壤微生物生物量碳（MBC）含量采用氯仿熏蒸浸提法（浸提液：0.05 mol·L-1K2SO4；土/水 = 1/4；總碳/總氮分析儀（Multi N/C analyzer 3100，Analytik Jena，德國））測定［18］。通過熏蒸土壤和未熏蒸土壤可溶性碳含量之差除以相應(yīng)的轉(zhuǎn)化系數(shù)（0.45）來計(jì)算土壤微生物生物量碳含量；以未熏蒸土壤的碳、氮測定結(jié)果作為土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）、氮（DON）含量。

1.4 土壤樣品高通量測序

1.4.1 DNA的提取 采用Soil DNA Kit 試劑盒（OMEGA公司，美國）進(jìn)行土壤DNA的提取，每個樣品取0.5 g土樣。利用Nanodrop ND-2000（Thermo Scientific，美國）測定DNA的濃度和純度。提取完成后，于-20℃保存、備用。

1.4.2 PCR擴(kuò)增 利用通用引物519F-907R對細(xì)菌16S rRNA基因的V4-V5區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增。在519F的3’加一段5 bp的前端barcode序列以區(qū)分各個樣品。PCR反應(yīng)體系為50 μL，反應(yīng)條件為：首先94℃ 10 min，然后35個循環(huán)（94℃ 30 s，55℃30 s，72℃ 45 s），最后72℃ 10 min。然后用QIAquick PCR Purification kit（Qiagen）試劑盒對PCR產(chǎn)物進(jìn)行純化，并使用NanoDrop ND-2000（Thermo Scientific，美國） 測定產(chǎn)物濃度。最后將PCR純化產(chǎn)物等摩爾數(shù)混合，利用中國科學(xué)院南京土壤研究所分析測試中心Illumina Miseq測序儀（Illumina Inc., CA，美國）進(jìn)行上機(jī)測序。

1.4.3 高通量數(shù)據(jù)分析 利用Quantitative Insights Into Microbial Ecology（QIIME） 1.7.0-dev pipeline［19］（http://www.qiime.org） 對細(xì)菌16S rRNA基因序列進(jìn)行分析；使用默認(rèn)參數(shù)，保留高質(zhì)量的序列（序列質(zhì)量大于20，長度大于300 bp），利用5 bp的barcode進(jìn)行樣品拆分。共獲得1 170 356條基因序列，每個樣品的序列數(shù)在30 103和76 245之間。進(jìn)一步利用QIIME（http://www.arb-silva.de/download/archive/qiime/）進(jìn)行分析，在97%的相似度下將每個樣品中的16S rRNA基因序列進(jìn)行分類，獲得各個分類水平下的分類單元。以最少序列數(shù)對每個樣品進(jìn)行抽平，然后進(jìn)行Alpha和Beta多樣性的計(jì)算分析［20］。

1.5 數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析

利用R軟件中的spe包進(jìn)行主坐標(biāo)分析（PCoA）。利用Canoco軟件進(jìn)行典范對應(yīng)分析（Canonical Correspondence Analysis, CCA）。采用Microsoft Excel 2010 和 SPSS 18.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析（P＜0.05）。利用單因素方差分析（One-way ANOVA）對不同處理間差異顯著性進(jìn)行檢驗(yàn)，然后用杜凱氏誠實(shí)意義測試（Turkey-HSD）進(jìn)行多重比較。圖表中數(shù)據(jù)均為平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤。

本文中根際效應(yīng)（RE, Rhizosphere effect）大小采用如下公式進(jìn)行計(jì)算［21］：

式中，Crs和Cbs分別表示特定土壤微生物與理化指標(biāo)在植物根際與非根際土壤的數(shù)值大小。

2 結(jié) 果

2.1 水稻和小麥土壤活性組分及脫氫酶活性

試驗(yàn)結(jié)束后，水稻和小麥根際土壤pH分別為6.74和6.75，而非根際土壤pH分別為7.07和6.81。圖1結(jié)果表明，水稻和小麥根際土壤DOC、MBC含量和脫氫酶活性均高于非根際，并且MBC和脫氫酶活性在根際非根際間差異顯著。水稻和小麥土壤DON含量均表現(xiàn)為根際顯著低于非根際土壤。其中，水稻的根際土壤DOC、MBC含量和脫氫酶活性與非根際土壤相比分別提高了1.13 mg·kg-1、28.0 mg·kg-1和1.49 mg·kg-1·h-1（以TPF計(jì)，下同）；而小麥的根際土壤DOC、MBC含量和脫氫酶活性與非根際土壤相比分別提高了3.23 mg·kg-1、72.5 mg·kg-1和2.44 mg·kg-1·h-1。水稻與小麥的根際土壤DON含量與非根際土壤相比分別降低了20.4 mg·kg-1和 36.4 mg·kg-1。而且小麥根際土中各指標(biāo)相對于非根際的變化量均高于水稻土中的變化量。結(jié)果進(jìn)一步表明，水稻和小麥的根際效應(yīng)均顯著促進(jìn)了根際土壤可溶性有機(jī)碳、微生物生物量碳和脫氫酶活性的增加，同時導(dǎo)致DON含量降低。此外，水稻土壤DOC含量顯著高于小麥，而水稻根際MBC含量和脫氫酶活性均顯著小于小麥。水稻非根際DON含量顯著低于小麥非根際，但其在根際土壤中無差異。

圖1 根際和非根際土壤可溶性有機(jī)碳（DOC, A）、微生物生物量碳（MBC, B）和可溶性有機(jī)氮（DON, C）含量和脫氫酶活性（DHA, D）Fig. 1 Contents of dissolved organic carbon (DOC) (A), microbial biomass carbon (MBC) (B), dissolved organic nitrogen (DON) (C)and dehydrogenase activity (DHA) (D) in the rhizosphere and non-rhizosphere soils relative to crop (rice and wheat)

2.2 水稻和小麥細(xì)菌群落組成及優(yōu)勢微生物的比較

高通量測序結(jié)果表明，供試土壤微生物主要隸屬于12個門，如圖2所示。其中，變形菌門（Proteobacteria）和擬桿菌門（Bacteroidetes）這兩類在土壤中占主導(dǎo)，二者在種植水稻的土壤中所占比例超過40%，在種植小麥的土壤中所占比例超過50%。門水平的微生物種群豐度在水稻、小麥根際和非根際間有明顯不同。無論種植水稻還是小麥，根際土壤中變形菌門的相對豐度顯著高于非根際土壤（P＜0.05），體現(xiàn)出根際的促生效應(yīng)；擬桿菌門在兩種作物之間的差異不顯著，根際與非根際之間差異也不顯著。

在屬水平，對測序結(jié)果進(jìn)行韋恩圖分析（圖3），結(jié)果表明，水稻和小麥根際土壤共有的屬有43個，豐度最高的三個屬依次為：Massilia、Pedobacter和Herpetosiphon；水稻和小麥根際土壤中特有的屬分別有71和13個。水稻和小麥非根際土壤共有的屬有20個，豐度最高的前三個為：Massilia、Pontibacter和Gaiella；水稻和小麥非根際土壤特有的屬分別有83和17個。比較作物的根際和非根際土壤，可以發(fā)現(xiàn)水稻根際和非根際共有的屬有93個，根際有23個特有的屬，豐度最高的前三個分別為：Hydrogenophage、Pseudomonas和Zoogloea；而水稻非根際無特有的屬。小麥根際和非根際共有的屬為59個，根際特有的屬有15個，豐度最高的前三個分別為：Hydrogenophage、Acidovorax和Pseudomonas，非根際特有的屬有4個。從上述結(jié)果不難看出，根際特有的微生物種群多于非根際土壤，而種植水稻的土壤中特有的微生物種類明顯多于種植小麥的土壤。

圖2 水稻、小麥根際和非根際土壤細(xì)菌群落的相對豐度（門水平）Fig. 2 Relative abundances of bacterial community in rhizosphere and non-rhizosphere soils relative to crop (rice and wheat) (at phyla level)

圖3 基于16S rRNA基因的水稻、小麥根際及非根際土壤微生物群落韋恩圖（屬水平）及特有、共有微生物Fig. 3 Venn diagram of microorganisms in rhizosphere and non-rhizosphere soils based on 16S rRNA gene (genus level) and specific and common microorganisms relative to crop (rice and wheat)

2.3 水稻和小麥細(xì)菌群落的阿爾法（Alpha）和貝塔（Beta）多樣性比較

選取Chao 1和香農(nóng)（Shannon）指數(shù)來表征土壤細(xì)菌群落的Alpha多樣性。結(jié)果顯示，水稻、小麥根際土壤細(xì)菌群落的多樣性均低于非根際土壤，小麥根際和非根際土壤多樣性均顯著低于水稻土（表1）。

表1 水稻、小麥根際和非根際土壤Alpha多樣性Table 1 Alpha diversity indices of rhizosphere and non-rhizosphere soils relative to crop (rice and wheat)

根據(jù)各土壤樣品的細(xì)菌物種組成數(shù)據(jù)（OTUs）計(jì)算布雷柯蒂斯（bray_curtis）距離，基于bray_curtis距離矩陣進(jìn)行了主坐標(biāo)（PCOA）分析（圖4），對細(xì)菌群落的Beta多樣性進(jìn)行可視化。結(jié)果表明，主坐標(biāo)1（PCoA1）解釋了總方差的71.4%，主坐標(biāo)2（PCoA2）解釋了8.9%，二者總共解釋了總變異的80.3%。四組土壤樣品細(xì)菌群落分布于不同象限，彼此間差異顯著（P＜0.0001，非參數(shù)的多元方差分析（Permanova）。其中，水稻與小麥土壤細(xì)菌群落主要在第一主坐標(biāo)上分異，根際土壤與非根際土壤細(xì)菌群落在第二主坐標(biāo)分異。兩種作物體系下，根際和非根際細(xì)菌群落在主坐標(biāo)2分布規(guī)律一致，說明根際對群落的影響在兩種土壤類型中具有一致性。而在主坐標(biāo)1上小麥根際與非根際之間的差異顯著大于水稻（（0.061 ± 0.013） ＞（0.015 ± 0.009）），說明小麥根際與非根際土壤間細(xì)菌群落的變異顯著大于水稻?？傮w而言，土壤類型主導(dǎo)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變異，而根際和非根際對細(xì)菌群落的影響也同樣是顯著且不可忽視的。

圖4 水稻、小麥根際和非根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主坐標(biāo)分析Fig. 4 Principal coordinates analysis (PCoA) of bacterial community compositional structure in rhizosphere and nonrhizosphere soils relative to crop (rice and wheat)

2.4 水稻和小麥各指標(biāo)根際效應(yīng)的比較

Alpha多樣性指標(biāo)的規(guī)律和趨勢一致（表1），選取Chao 1指數(shù)作為細(xì)菌Alpha多樣性的代表指數(shù)進(jìn)行根際效應(yīng)的計(jì)算，同時計(jì)算了土壤養(yǎng)分和酶活（圖5）的根際效應(yīng)。結(jié)果表明，與水稻土壤DOC、MBC、DHA、DON和Chao 1指數(shù)對應(yīng)的根際效應(yīng)大小分別為2.07%、8.61%、41.11%、61.07%和7.62%，小麥的分別為3.37%、22.62%、44.48%、71.43%和16.59%（圖5）。總體而言，小麥以上5個指標(biāo)的根際效應(yīng)均大于水稻，其中，MBC、DON和Chao 1對應(yīng)的根際效應(yīng)在水稻和小麥間顯著不同（圖4）。

2.5 環(huán)境因子與微生物群落的相關(guān)性

圖5 水稻和小麥各指標(biāo)根際效應(yīng)的比較Fig. 5 Comparison between rice and wheat in rhizosphere effect

將5個環(huán)境因子（DOC、DON、MBC、pH和DHA）與水稻、小麥根際和非根際土壤樣品OTU數(shù)據(jù)進(jìn)行CCA分析。如圖6所示，DOC對水稻和旱作小麥土壤細(xì)菌群落組成的影響最大，pH與DHA夾角接近180°，說明兩者呈顯著負(fù)相關(guān)；脫氫酶活性和MBC之間夾角呈銳角，兩者之間具有較好的正相關(guān)關(guān)系。水稻根際細(xì)菌群落與DOC呈正相關(guān)關(guān)系，非根際細(xì)菌群落與pH呈正相關(guān)關(guān)系。小麥根際細(xì)菌群落與DHA和MBC呈正相關(guān)關(guān)系，而非根際細(xì)菌群落與DON呈正相關(guān)關(guān)系。

圖6 土壤細(xì)菌群落與土壤因子的典范對應(yīng)分析（CCA）Fig. 6 Canonical correspondence analysis (CCA) of soil factors and soil bacterial community

3 討 論

土壤可溶性養(yǎng)分是土壤微生物的直接營養(yǎng)來源，土壤微生物生物量是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)的動力，是表征土壤活性碳庫的重要指標(biāo)。土壤微生物生物量碳和土壤酶活性在一定程度上可以表征土壤肥力，一般地，土壤酶活性是土壤生物與非生物活性的總和，不僅受土壤微生物的影響，還受環(huán)境中非生物因素的影響。本研究結(jié)果顯示，水稻和小麥根際DOC、MBC和脫氫酶活性均高于非根際土壤，這與劉新志和李旭霞［22］的研究結(jié)果一致。主要原因是根際土壤受根際效應(yīng)的影響，植物根系向根際土壤中分泌較多從簡單的碳水化合物、氨基酸到較為復(fù)雜的生長物質(zhì)的有機(jī)物質(zhì)，為微生物提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)和能量，促進(jìn)微生物的生長增殖，導(dǎo)致根際土壤微生物相對活躍［23］。根系分泌物中的低分子量有機(jī)酸可以活化根際養(yǎng)分和螯合重金屬，植物可以通過改變體內(nèi)有機(jī)酸代謝及根際有機(jī)酸的分泌來適應(yīng)環(huán)境脅迫。水稻和小麥因?yàn)樽魑锓N類以及水分條件的不同，根系有機(jī)酸的分泌也存在差異。研究表明，水稻根系有機(jī)酸以酒石酸、酚酸、檸檬酸、草酸、蘋果酸、琥珀酸和氨基酸為主［24］；小麥根際土壤中有機(jī)酸種類主要由乳酸、乙酸、檸檬酸和富馬酸組成，有機(jī)酸總量隨著生育期的推移而呈上升趨勢，在灌漿期達(dá)到峰值［25］。水稻和小麥根際有機(jī)酸種類和含量的差異較大，可能是造成根際效應(yīng)差異的一部分原因，但是對水稻和小麥有機(jī)酸根際生態(tài)效應(yīng)缺乏系統(tǒng)研究，尚需深入探討。土壤有機(jī)氮（SON）是土壤微生物氮的源和庫，土壤有機(jī)氮和微生物氮均為DON的重要來源［26］。水稻、小麥根際DON含量均低于非根際土壤，土壤中的DON可以直接或者經(jīng)過間接轉(zhuǎn)化后被作物和菌根吸收, 導(dǎo)致根際可溶性有機(jī)氮含量降低，這與Chu等［27］對根際可溶性氮素的研究結(jié)果一致。一方面，水稻、小麥根際微生物生物量和土壤脫氫酶活性顯著高于非根際土壤，并且小麥根際和非根際土壤這兩個指標(biāo)均顯著高于水稻（P＜ 0.05），這可能是因?yàn)楹档赝寥赖耐鉅顩r更好。另一方面，根際土壤具有較充分的營養(yǎng)源，有利于土壤微生物活性的產(chǎn)生和維持，因此，水稻、小麥根際微生物生物量和土壤脫氫酶活性顯著高于非根際土壤（P＜ 0 .05）。

在土壤微生物多樣性方面，本研究通過對16S rRNA 的V4～V5區(qū)進(jìn)行高通量測序，分析了水稻、小麥根際和非根際土壤細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)和多樣性。水稻、小麥根際土壤細(xì)菌多樣性均低于非根際土壤，這與王曉雯等［28］的結(jié)果相一致。水稻根際和非根際細(xì)菌Alpha多樣性均顯著高于小麥，可能是由于在淹水條件下氧氣匱乏，微生物代謝的電子傳遞過程需要更多樣的電子受體（如鐵離子和乙酸等）來代替氧氣，因此與旱地土壤相比，淹水土壤中的微生物群落需要較高的微生物多樣性來維持正常代謝功能［29］。水稻土的優(yōu)勢細(xì)菌類群為變形菌門，其次為擬桿菌門、酸桿菌門、綠彎菌門等，從門的分類水平來看，變形菌門的豐度在根際和非根際之間有較大差異。種植水稻的土壤中微生物的多樣性，尤其是厭氧微生物，如Desulfuromonadales、Rhodocyclales的豐度顯著高于種植小麥的土壤，這與種植水稻時土壤淹水、缺氧有關(guān)，微生物需要利用更多類型的電子受體完成物質(zhì)、能量代謝。水稻根際和非根際共有的微生物更多，并且其非根際特有物種為零，暗示了水稻根際和非根際土壤性質(zhì)的趨同。表明由于土壤水分的作用，土壤物質(zhì)交換和轉(zhuǎn)運(yùn)的作用更充分，導(dǎo)致水稻土的表觀根際效應(yīng)更弱，而水稻根際對非根際的影響和作用更大。此外，水稻、小麥根際和非根際微生物群落結(jié)構(gòu)組成受土壤養(yǎng)分和微生物活性等多種環(huán)境因素（DOC、MBC、DON、pH和DHA）的影響，整體結(jié)構(gòu)具有顯著性差異。土壤中的活性碳組分更容易被微生物利用，因此，DOC 對水稻和小麥的微生物群落影響最大，該結(jié)果與Darrah［30］的研究結(jié)果一致，該研究表明根際微生物的種群分布與沿根的可溶性碳分布有關(guān)。土壤pH的變化同樣影響了微生物群落分布，因此，合理的水分管理措施是改善土壤微生物群落的必要條件。

同一土壤采用不同的土地利用方式后，受到植物根系、土壤水分等因素的影響，其土壤活性養(yǎng)分分配和土壤微生物活性存在很大差異，導(dǎo)致根際和非根際土壤理化性質(zhì)及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)顯著不同，最終形成不同強(qiáng)度的根際效應(yīng)。通常，過去的研究傾向于用根際效應(yīng)表征植物對土壤，尤其是根際土壤的影響，并認(rèn)為根際效應(yīng)的值越大，植物輸入土壤的有機(jī)物質(zhì)越多，微生物活性越強(qiáng)［31］。從這一認(rèn)識出發(fā)，無論從土壤活性組分、脫氫酶活性還是微生物群落多樣性的角度，小麥的根際效應(yīng)均大于水稻。然而，本研究發(fā)現(xiàn)水稻根際和非根際之間各項(xiàng)指標(biāo)的差異均小于旱作小麥土壤，這說明水稻根際對非根際的影響程度更大，根際的作用范圍更大，因而減小了根際非根際之間的差異。這可能與水稻土壤中可溶性物質(zhì)能更容易、更有效地在根際與非根際之間進(jìn)行轉(zhuǎn)運(yùn)有密切關(guān)系。有研究表明，分蘗期的水稻和小麥的根際分泌物輸入量并無太大的差異［32］，與旱地土壤相比，水稻土處于持續(xù)淹水狀態(tài)，土壤可溶性養(yǎng)分在根際非根際之間物質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)更為容易，導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)在根際非根際之間產(chǎn)生的梯度被縮小，根際效應(yīng)強(qiáng)度較弱，因此，造成小麥和水稻根際效應(yīng)強(qiáng)度差異的原因更多的是來自于兩種土壤中物質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)能力的不同。有研究［33］表明，旱地土壤的根際激發(fā)效應(yīng)顯著高于淹水土壤，根際有機(jī)碳的礦化作用更強(qiáng)，這可能與旱作小麥土壤的根際積累了更多的有機(jī)碳有關(guān)。一方面，旱地土壤通氣狀況好于淹水土壤，微生物呼吸作用較強(qiáng)，微生物生物量和活性均高于淹水土壤［34］，根際較高的微生物活性和呼吸不利于小麥根際土壤有機(jī)碳的長期累積；另一方面，由于旱地土壤水分含量較低，可溶性物質(zhì)的流動性較小，小麥根系分泌物大量滯留在根系附近的區(qū)域，促進(jìn)了土壤微生物的增殖，產(chǎn)生了較高活性微生物生物量，進(jìn)一步加強(qiáng)了根際效應(yīng)，不利于土壤有機(jī)質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)和累積。以上兩點(diǎn)分析可能是水稻土有機(jī)質(zhì)含量高于旱地土壤的一個原因。此外，小麥根際和非根際土壤之間DON濃度差顯著高于水稻，說明旱作小麥土壤中非根際氮素?zé)o法及時轉(zhuǎn)運(yùn)至根際，對根際氮素虧缺的補(bǔ)償效應(yīng)低于水稻土，這可能會導(dǎo)致旱作土壤中肥料利用率降低。因此，不能簡單地認(rèn)為根際效應(yīng)越大，土壤環(huán)境質(zhì)量越好，在未來的研究中對根際效應(yīng)的解讀需要從多方面綜合衡量。

4 結(jié) 論

“植物根系-土壤-微生物”三者之間的相互作用共同影響了土壤養(yǎng)分含量、微生物活性及微生物群落分布，進(jìn)而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)健康、穩(wěn)態(tài)和功能。無論水稻還是小麥，其根際和非根際理化性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)均存在顯著差異，其中可溶性有機(jī)碳對水稻和旱作小麥土壤細(xì)菌群落組成的影響最大。水稻、小麥兩種種植體系下，根際效應(yīng)表現(xiàn)為小麥大于水稻。從根際和非根際土壤相互作用的角度，水稻根際土壤與非根際土壤的差異較小，體現(xiàn)出水稻的根際有更廣的延伸，根際的作用范圍較廣。本研究從新的角度解釋了根際土壤養(yǎng)分分布與根際效應(yīng)之間的聯(lián)系，這對于將來的研究中深入探討淹水土壤和旱作土壤有機(jī)碳的累積差異，解釋水田、旱地土壤肥力演變規(guī)律，以及實(shí)際生產(chǎn)中土壤生產(chǎn)力可持續(xù)性的維持方面具有重要意義。