柳開樓，黃 晶，韓天富，黃慶海，余喜初，李大明，胡惠文，葉會財，胡志華，張會民?

長期施肥下紅壤旱地解鉀菌變化及其驅(qū)動因子*

柳開樓1，2，黃 晶1，3，韓天富1，黃慶海2，余喜初2，李大明2，胡惠文2，葉會財2，胡志華2，張會民1，3?

（1. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所/耕地培育技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，北京 100081；2. 江西省紅壤研究所/國家紅壤改良工程技術(shù)研究中心，南昌 330046；3. 祁陽農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)國家野外科學(xué)觀測研究站/中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，湖南祁陽 426182）

在南方紅壤區(qū)，研究長期施肥下土壤解鉀菌的變化規(guī)律及其驅(qū)動因素，可為該地區(qū)土壤鉀素資源管理和鉀肥合理施用提供理論依據(jù)?；诩t壤旱地長期定位施肥試驗(yàn)（始于1986年），選取不施肥（CK）、施氮磷肥（NP）、氮磷鉀肥（NPK）和氮磷鉀肥配施有機(jī)肥（NPKM）處理，分析玉米開花期根際土壤的解鉀菌類型和解鉀能力及其有機(jī)酸和激素含量，并結(jié)合玉米根系特性和根際土壤理化性質(zhì)探討影響紅壤旱地解鉀菌變化的關(guān)鍵因子。結(jié)果表明：與NPK處理相比，NPKM處理的根長、根表面積、根直徑和根體積分別增加了112.3%、174.4%、32.43%和291.5%，根際土壤pH提高了0.67個單位，有機(jī)質(zhì)、非交換性鉀和交換性鉀分別增加了29.50%、19.34%和53.89%。各施肥處理根際土壤中均存在解鉀菌，CK和NP處理的解鉀菌均為類芽孢桿菌屬，NPK和NPKM處理則均為纖維菌屬。與CK處理相比，NP、NPK和NPKM處理下根際土壤解鉀菌的解鉀效率分別增加了162.4%、139.0%和105.6%，其中NP處理解鉀菌的解鉀效率最高。偏最小二乘路徑模型的結(jié)果顯示，根系和施肥可同時調(diào)控解鉀菌的解鉀效率。冗余分析（RDA）進(jìn)一步表明，根系長度和表面積與土壤解鉀菌特性呈顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.05）。因此，紅壤旱地長期不同施肥措施不僅直接影響玉米根系發(fā)育特征和根際土壤理化性質(zhì)，還能顯著改變土壤解鉀菌群落及其解鉀能力，其中根系長度和表面積是調(diào)控玉米根際土壤中解鉀菌的關(guān)鍵因子。

解鉀菌；紅壤；長期施肥；根際土壤；玉米根系

受植物根系活動的影響，根際土壤中的鉀素周轉(zhuǎn)較為頻繁[1-2]。有研究表明，除了養(yǎng)分吸收和根系分泌物的直接影響之外[3-4]，土壤微生物也是影響根際土壤鉀素周轉(zhuǎn)的重要因素之一[5]。但是，由于根際土壤微生物的群落和功能十分復(fù)雜，大量研究證實(shí)，根際微生物之間的競爭、合作關(guān)系共同促進(jìn)了根際微環(huán)境的穩(wěn)定及養(yǎng)分循環(huán)過程，對作物的生長和健康起著重要作用[6-7]。同時，與非根際土壤微生物相比較，根際微生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對簡單卻更加穩(wěn)定[8]。因此，研究根際土壤中與鉀素周轉(zhuǎn)相關(guān)的微生物群落對于土壤鉀素的高效利用十分重要，尤其是在土壤鉀素匱缺的紅壤旱地上[9-10]。

解鉀菌是指從土壤中分離出來的一種能溶解鋁硅酸鹽類礦物的細(xì)菌，它能將礦物中不溶性鉀轉(zhuǎn)化為易于植物吸收利用的鉀，進(jìn)而增加土壤中交換性鉀含量，提高作物的鉀素吸收能力[5，9]。因此，解鉀菌作為一種轉(zhuǎn)化土壤礦物鉀的技術(shù)手段愈來愈受到研究者的重視[11]。大量研究表明，在水稻土、紫色土、紅壤等土壤類型上均可篩選到解鉀能力較強(qiáng)的解鉀菌[12-14]，雖然不同土壤類型上解鉀菌的菌種屬性差異較大，但在土壤中配施解鉀菌之后，均可顯著提高作物的吸鉀能力[15-16]。合理地配施解鉀菌可在一定程度上減少外源鉀肥的投入[17-18]，這對于實(shí)現(xiàn)鉀肥的合理減施意義重大。

前人研究表明，在解鉀菌的解鉀機(jī)理中，有機(jī)質(zhì)水平和pH變化等均是影響其解鉀能力的關(guān)鍵因素[5，19]。但是，目前的相關(guān)研究主要集中在優(yōu)勢解鉀菌群落的篩選[12-14]和配施解鉀菌促進(jìn)作物吸鉀的作用[15-16]及機(jī)制[20-21]等方面，而有關(guān)解鉀菌解鉀能力的影響因素尚缺乏深入研究。施肥措施作為農(nóng)田系統(tǒng)中重要的人為影響因素，其在改變土壤有機(jī)質(zhì)和pH的同時[22-23]，也可能顯著影響根際土壤解鉀菌等微生物的群落組成[24]。因此，本研究以長期施肥定位試驗(yàn)為平臺，針對鉀素缺乏的紅壤旱地，選取不施肥、氮磷肥配施、氮磷鉀肥和氮磷鉀肥配施有機(jī)肥處理，采集玉米開花期的根際土壤并篩選解鉀菌株，分析和比較不同施肥處理對解鉀菌屬性和解鉀效率的影響，并結(jié)合根系特性和土壤理化性質(zhì)探討影響紅壤旱地解鉀菌變化的關(guān)鍵因子，以期為紅壤旱地鉀素高效利用提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

紅壤旱地長期施肥試驗(yàn)地位于江西省進(jìn)賢縣張公鎮(zhèn)江西省紅壤研究所水稻實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)（116o17′23″E，28o35′15″N），地處中亞熱帶，年均氣溫18.1℃，大于等于10℃積溫6 480℃，年降水量1 537 mm，年蒸發(fā)量1 150 mm，無霜期約為289 d，年日照時數(shù)1 950 h。供試土壤為紅壤，成土母質(zhì)為第四紀(jì)紅黏土。本長期試驗(yàn)從1986年開始，初始時耕層土壤基本性質(zhì)為：有機(jī)碳9.39 g·kg–1，全氮0.98 g·kg–1，堿解氮60.30 mg·kg–1，全磷0.62 g·kg–1，有效磷5.60 mg·kg–1，全鉀12.80 g·kg–1，交換性鉀70.25 mg·kg–1，非交換性鉀202.2 mg·kg–1，pH 6.0。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計

本研究共選取4個施肥處理：（1）不施肥（CK）；（2）氮磷肥（NP）；（3）氮磷鉀肥（NPK）；（4）氮磷鉀肥+有機(jī)肥（NPKM）。每個處理重復(fù)三次，小區(qū)面積22.2 m2，隨機(jī)排列，各小區(qū)之間用60 cm深水泥埂隔開。種植方式為春玉米—秋玉米—冬閑制，其中春玉米生育期為4月至7月，秋玉米生育期為8月至11月，其余時間為冬閑期。自1986年開始，玉米品種均為掖單13號。具體肥料用量見表1。磷肥、鉀肥和有機(jī)肥均在玉米種植前一次性施用，氮肥分基肥（70%）和追肥（30%）施用。有機(jī)肥為鮮豬糞，其含水率為70.8%，烘干基的有機(jī)碳含量為340.0 g·kg–1，氮磷鉀含量分別為12.0 g·kg–1、9.0 g·kg–1和10.0 g·kg–1。

1.3 土壤樣品采集與理化指標(biāo)分析

于2017年5月中旬春玉米開花期采集玉米根際土壤。根際土壤采集方法為抖根法，選取代表性的玉米植株，用鐵鍬挖出根系，輕輕抖下非根際土壤，收集根系表面的土壤，同時保留玉米根系，留待進(jìn)行根系掃描。根際土壤和根系樣品均為每個小區(qū)采集3個點(diǎn)，其中根際土壤樣品在除去根系、石頭等雜質(zhì)后將3個點(diǎn)土樣混合，裝入無菌袋，貼上標(biāo)簽，帶回實(shí)驗(yàn)室，將樣品一分為二，一部分置于冰箱內(nèi)4℃保存，一部分風(fēng)干過篩后測定理化指標(biāo)。

表1 紅壤旱地不同施肥處理的每季施肥量

注：CK：不施肥，NP：氮磷肥配施，NPK：氮磷鉀肥配施，NPKM：氮磷鉀肥和豬糞配施。下同Note：CK：No fertilizer，NP：Chemical nitrogen and phosphorus fertilizers，NPK：NP and potassium fertilizers，NPKM：NPK plus pig manure. The same below

土壤pH采用pH計（PHSJ-5，雷磁，上海）測定；土壤有機(jī)質(zhì)采用濃硫酸-重鉻酸鉀外加熱法測定；土壤全鉀測定用氫氧化鈉熔融浸提，交換性鉀采用1 mol·L–1NH4OAc浸提，非交換性鉀采用1 mol·L–1HNO3煮沸浸提量減去交換性鉀含量，所有浸提液或消煮待測液中的鉀含量均用火焰分光光度計（FP640，奧析，上海）測定。具體分析方法根據(jù)《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[25]進(jìn)行。

1.4 根系特征分析

將抖完根際土壤的玉米根系置于紗網(wǎng)袋中，用NaOH溶液浸泡3 h，便于黏性土壤的分散；然后將根系置于清水中沖洗。根系形態(tài)采用根系掃描儀（LA-S，萬深，浙江）進(jìn)行掃描，然后利用LA-S根系分析系統(tǒng)（V2.0）進(jìn)行處理，得到相關(guān)根系指標(biāo)（根長、根表面積、根直徑和根體積）。

1.5 根際土壤中解鉀菌篩選和鑒定

采用土壤微生物稀釋平板法[14]，獲取具有透明、凸出、呈玻璃珠狀典型特征的單菌落，同時記錄各處理解鉀菌的菌落數(shù)，計算結(jié)果均以每克干土中的菌落數(shù)（CFU·g–1）表示。然后進(jìn)行純化保種。純化獲得的菌株采用16S rDNA鑒定，利用專用基因抽取試劑盒（MinkaGene Bacterial DNA Kit）進(jìn)行各解鉀菌菌株DNA的提取，16S rDNA PCR擴(kuò)增采用的是細(xì)菌通用引物，引物由北京奧科鼎盛生物科技有限公司合成，通用引物 F27（5′-AGAGTT TGATCATGGCTCAG-3′）和 R1492（5′-TAGGGTTA CCTTG TTACGACTT-3′），以基因組DNA為模板，根據(jù)測序區(qū)域的選擇，使用帶條形碼（Barcode）的引物及Premix Taq（TaKaRa）進(jìn)行PCR擴(kuò)增。然后將聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)擴(kuò)增產(chǎn)物經(jīng)凝膠回收試劑盒純化，送至生工生物工程股份有限公司進(jìn)行16S rDNA 測序，最后利用NCBI（美國國立生物技術(shù)信息中心）網(wǎng)站，選取同源性較高的序列進(jìn)行比對。

1.6 解鉀菌解鉀效率測定

將各處理獲得的純化菌株在Luria-Bertani培養(yǎng)基中進(jìn)行活化培養(yǎng)，然后將菌液按5%（體積比）的接種量接種于50 mL·250 mL–1發(fā)酵培養(yǎng)基，該培養(yǎng)基成分為：蔗糖10 g，MgSO4·7H2O 0.5 g，CaCO31.0 g，（NH4）2SO41.0 g，NaCl 0.1 g，酵母膏0.5 g，Na2HPO42.0 g，鉀長石粉10 g，pH 7.4，去離子水1.0 L。同時設(shè)加等量滅活菌液的對照，3次重復(fù)。28℃、180 r·min–1搖床連續(xù)培養(yǎng)24 h后采集上清液[14]，４℃、10 000 r·min–1離心10 min后，采用火焰分光光度計（FP640，奧析，上海）測定離心后上清液中鉀離子含量。然后計算出解鉀效率，具體公式如下：

式中，KE為解鉀效率，%；KCT為接正常菌的樣品中鉀離子含量，mg·L–1；KC0為接滅活菌的樣品中鉀離子含量，mg·L–1。

1.7 解鉀菌的激素和有機(jī)酸測定

將純化的解鉀菌置于發(fā)酵培養(yǎng)基（與解鉀效率測定中的發(fā)酵培養(yǎng)基成分一致）中，30℃、180 r·min–1搖床連續(xù)培養(yǎng)24 h，采集上清液[26]。采用間接酶聯(lián)免疫儀（318C+，珂淮，上海）法測定玉米素、赤霉素、激動素和生長素含量[26]；采用高效液相色譜儀（Waters 2690，譜質(zhì)，上海）測定草酸、酒石酸、蘋果酸、乳酸、乙酸、檸檬酸和琥珀酸的含量[26]。

1.8 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，統(tǒng)計分析采用SAS 9.1進(jìn)行，各處理的根系特征、土壤理化性質(zhì)、解鉀菌解鉀效率、激素和有機(jī)酸等指標(biāo)的差異采用最小顯著差異法（LSD）進(jìn)行顯著性分析；采用偏最小二乘路徑模型（The partial least squares path mode，PLS-PM）解析施肥、根系、解鉀菌之間的相互關(guān)系（R語言），并結(jié)合冗余分析（Redundancy analysis，RDA）量化解鉀菌特性與根系特征和根際土壤理化性質(zhì)的相互關(guān)系（R語言），PLS-PM和RDA結(jié)果采用Sigma Plot 12.0進(jìn)行作圖，其余圖件采用Origin 8.1進(jìn)行制作。

2 結(jié) 果

2.1 長期施肥下玉米根系特征

紅壤旱地上，長期不同施肥顯著改變玉米根系的發(fā)育特征（表2）。施肥（NP、NPK和NPKM）處理的根長、根表面積和根體積均顯著高于不施肥（CK）處理，且以有機(jī)無機(jī)肥配施（NPKM）處理的根系發(fā)育最好。與CK處理相比，NP、NPK和NPKM處理的根長分別增加了186.9%、258.7%和661.4%，根表面積分別增加了157.0%、282.0%和800.1%，根體積分別增加了151.1%、204.2%和1090.7%。根直徑則呈現(xiàn)出NPKM處理顯著高于其他處理，而NP、NPK與CK處理的根直徑無顯著差異。與NPK處理相比，NPKM處理的根長、根表面積、根直徑和根體積分別增加了112.3%、174.4%、32.43%和291.5%。

表2 長期施肥下玉米根系生長指標(biāo)

注：所有的數(shù)值均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（=3）表示。同列不同小寫字母表示不同處理存在顯著差異（<0.05）。下同。Note：All the values are represented by mean ± SD（=3）. Different lowercase letters indicate significant difference between treatments at<0.05 level. The same below.

2.2 長期施肥下玉米根際土壤pH、有機(jī)質(zhì)和鉀變化

與CK相比，除了NPK處理下土壤pH顯著下降和全鉀無顯著差異之外，NPK處理下根際土壤的有機(jī)質(zhì)、非交換性鉀和交換性鉀含量均顯著增加（表3）。在所有處理中，根際土壤的pH、有機(jī)質(zhì)、非交換性鉀和交換性鉀含量均呈現(xiàn)出NPKM 處理顯著高于NPK、NP和CK處理的趨勢。與CK處理相比，NPKM處理下根際土壤pH增加了0.42個單位，土壤有機(jī)質(zhì)、非交換性鉀和交換性鉀分別增加了44.57%、38.50%和280.3%；與NPK處理相比，NPKM處理下根際土壤pH增加了0.67個單位，土壤有機(jī)質(zhì)、非交換性鉀和交換性鉀分別增加了29.50%、19.34%和53.89%。與NP處理相比，NPKM處理下根際土壤pH增加了0.51個單位，土壤有機(jī)質(zhì)、非交換性鉀和交換性鉀分別增加了20.82%、45.78%和310.2%；而NPK處理下根際土壤交換性鉀和非交換性鉀分別較NP處理提高了22.15%和166.5%，但土壤pH和有機(jī)質(zhì)則表現(xiàn)出NPK和NP處理間無顯著差異（>0.05）。

表3 長期施肥下根際土壤pH、有機(jī)質(zhì)和鉀含量

2.3 長期施肥下根際土壤解鉀菌的變化

紅壤旱地上，各處理根際土壤中均存在解鉀菌（表4）。平板計數(shù)結(jié)果顯示，NPKM處理的解鉀菌數(shù)量顯著高于其他處理，而CK、NP和NPK則無顯著差異。純化培養(yǎng)的結(jié)果則顯示，各處理間的純化菌株數(shù)無顯著差異（>0.05）。

對各處理的純化菌株進(jìn)行16S rDNA 的PCR 擴(kuò)增和測序，進(jìn)而與NCBI中的序列進(jìn)行比對，結(jié)果表明（表5），CK、NP處理根際土壤中的解鉀菌均為類芽孢桿菌屬，而NPK和NPKM處理則均為纖維菌屬。

進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，施肥能夠顯著影響解鉀菌的解鉀效率（圖1）。在所有處理中，NP處理的解鉀效率最高，其次為NPK和NPKM處理，CK 處理最低。與CK處理相比，NP、NPK和NPKM處理下根際土壤解鉀菌的解鉀效率分別增加了162.4%、139.0%和105.6%。

2.4 長期施肥下根際土壤解鉀菌分泌激素和有機(jī)酸的種類與含量

長期施肥條件下，不同處理根際土壤中解鉀菌分泌的激素存在顯著差異（表6）。在所有處理的解鉀菌中，激素總量呈現(xiàn)出CK（類芽孢桿菌屬）、NPK（纖維菌屬）和NPKM（纖維菌屬）顯著高于NP（類芽孢桿菌屬）處理。在不同激素種類之間，則表現(xiàn)出赤霉素的含量明顯高于玉米素、激動素和生長素。不同處理的解鉀菌之間，玉米素和生長素的規(guī)律一致，均呈現(xiàn)出NPK（纖維菌屬）和NPKM（纖維菌屬）顯著高于CK（類芽孢桿菌屬）和NP（類芽孢桿菌屬）處理；而赤霉素和激動素則呈現(xiàn)出CK（類芽孢桿菌屬）處理顯著高于其他處理。

表4 長期施肥下土壤解鉀菌群落和純化菌株

表5 長期施肥下土壤解鉀菌的菌種鑒定

表6 長期施肥下根際土壤解鉀菌分泌的激素

注：所有的數(shù)值均用平均值±標(biāo)準(zhǔn)差（n=3）表示。不同小寫字母表示不同處理存在顯著差異（P<0.05）。下同Note：All the values are represented by mean ± SD（n=3）. Different lowercase letters indicate significant difference between treatments at P <0.05 level. The same below

在解鉀菌分泌的有機(jī)酸種類中，各處理大體呈現(xiàn)出酒石酸、乳酸和乙酸含量明顯高于其他有機(jī)酸的趨勢（圖2）。各處理解鉀菌分泌的酒石酸和琥珀酸規(guī)律一致，即CK（類芽孢桿菌屬）和NP（類芽孢桿菌屬）處理顯著高于NPK（纖維菌屬）和NPKM（纖維菌屬）；草酸、蘋果酸、檸檬酸則呈現(xiàn)出NP（類芽孢桿菌屬）處理顯著高于其他處理的趨勢；乳酸和乙酸則表現(xiàn)為NPK（纖維菌屬）和NPKM（纖維菌屬）顯著高于CK（類芽孢桿菌屬）和NP（類芽孢桿菌屬）處理。

2.5 長期施肥下根際解鉀菌特性變化的驅(qū)動因子

PLS-PM結(jié)果（圖3）顯示，施肥、根系和土壤理化性質(zhì)可通過影響解鉀菌分泌的激素和有機(jī)酸含量進(jìn)一步調(diào)控解鉀菌的解鉀效率（2=0.74）。解鉀菌分泌的激素（路徑系數(shù)為1.17）和有機(jī)酸（路徑系數(shù)為2.81）可直接影響解鉀菌的解鉀效率，且激素和有機(jī)酸對解鉀效率的直接影響主要受施肥（路徑系數(shù)分別為–0.891和1.10）和根系（路徑系數(shù)分別為0.968和–0.416）的調(diào)控，而根系又同時與土壤理化性質(zhì)密切相關(guān)（路徑系數(shù)為0.962）。

圖2 長期施肥下土壤解鉀菌分泌的有機(jī)酸

RDA結(jié)果表明，在根際土壤中，軸1和軸2分別解釋了土壤解鉀菌特性變異程度的70.7%和19.3%（圖4）。在土壤理化性質(zhì)和根系特性中（表7），根長（RL）和根表面積（RSA）與土壤解鉀菌特性呈顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.05），而其他指標(biāo)則與土壤解鉀菌特性無顯著相關(guān)（>0.05）。這說明，紅壤旱地上，根長和根表面積是影響根際土壤中解鉀菌的關(guān)鍵因子。

注：黑色實(shí)線和虛線分別表示直接影響和間接影響；灰色實(shí)線和虛線表示影響不顯著（P>0.05）。線旁的數(shù)值表示路徑系數(shù)。Note：The black solid line and dashed line represents indirect and direct effect respectively，and both the gray dotted line and solid line mean no significant effect（P>0.05）. The values attached to each line mean path coefficients.

注：RL、RSA、RD、RV分別表示根長、根表面積、根直徑和根體積；pH、SOM、TK、EK、NEK分別表示土壤pH、有機(jī)質(zhì)、全鉀、交換性鉀和非交換性鉀；KDE為解鉀效率，OA、TA、MA、LA、AA、CA和SA分別表示草酸、酒石酸、蘋果酸、乳酸、乙酸、檸檬酸和琥珀酸；GB為赤霉素。Note：RL，RSA，RD and RV stands for root length，root surface area，root diameter and root volume，respectively，pH，SOM，TK，EK and NEK for soil pH，soil organic matter，total potassium，exchangeable potassium，non-exchangeable potassium，respectively，KDE for potassium- dissolving efficiency，OA，TA，MA，LA，AA，CA and SA for oxalic acid，tartaric acid，malic acid，lactic acid，acetic acid，citric acid and succinic acid，respectively，and GB for gibberellin

表7 土壤解鉀菌特性與土壤及根系指標(biāo)的相關(guān)性

3 討 論

3.1 長期施肥對紅壤旱地解鉀菌特性的影響

紅壤旱地上，不同施肥措施下玉米的根系發(fā)育存在顯著差異。施肥處理的根長、根表面積和根體積均顯著高于不施肥處理，且以有機(jī)無機(jī)肥配施處理的根系發(fā)育最好（表2）。同時，有機(jī)無機(jī)肥配施還顯著提高了根際土壤的pH、有機(jī)質(zhì)、交換性鉀和非交換性鉀含量（表3）。這主要與有機(jī)無機(jī)肥配施處理能夠顯著培肥土壤、改善土壤物理結(jié)構(gòu)和微生物群落結(jié)構(gòu)[27-28]，從而為玉米根系生長提供了良好的土壤環(huán)境有關(guān)。

雖然各處理的玉米根際土壤均可篩選出優(yōu)勢的解鉀菌菌株，但各處理的解鉀菌屬性和解鉀效率差異較大。本研究結(jié)果表明，長期不施肥或不施鉀肥處理下，玉米根際土壤的解鉀菌均為類芽孢桿菌屬，而長期氮磷鉀配施和有機(jī)無機(jī)肥配施處理的解鉀菌則屬于纖維菌屬（表5）。這表明，不同的培肥措施導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響解鉀菌的菌種屬性。土壤養(yǎng)分脅迫條件可能促進(jìn)了具有抗逆功能的類芽孢菌屬的生長[29]，而在養(yǎng)分充足條件下，長期氮磷鉀配施和有機(jī)無機(jī)肥配施處理帶來的土壤有機(jī)碳增加則可能促進(jìn)了纖維菌屬的生長[30]，但具體機(jī)理尚有待繼續(xù)解析。

長期氮磷肥配施下解鉀菌的解鉀效率顯著高于其他處理，其次為氮磷鉀肥配施和有機(jī)無機(jī)肥配施處理，而長期不施肥處理的解鉀效率最低（圖1）。這一方面與解鉀菌的菌株屬性有關(guān)，李新新等[14]在紅壤旱地上篩選出的高效解鉀菌也屬于類芽孢桿菌。同時，土壤理化性質(zhì)也顯著影響解鉀菌的解鉀能力，表3顯示，與不施肥相比，有機(jī)無機(jī)肥配施提高土壤有機(jī)質(zhì)和pH，而氮磷鉀化肥和氮磷化肥處理降低了土壤pH，酸化趨勢明顯。因此，不同施肥處理下土壤pH和有機(jī)質(zhì)差異改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[24，28]，最終導(dǎo)致不同處理中解鉀菌分泌的激素和有機(jī)酸含量存在差異，而激素和有機(jī)酸分泌水平與解鉀菌的解鉀過程密切相關(guān)[5]。另一方面，解鉀效率與土壤鉀素含量和根系發(fā)育（表2和表3）有關(guān)，雖然氮磷肥配施下土壤速效鉀含量與不施肥不存在顯著差異，但氮磷肥配施處理的玉米根系發(fā)育顯著高于不施肥處理，而為滿足根系的鉀素吸收，長期缺鉀處理引發(fā)的逆境脅迫促進(jìn)了土壤-植物系統(tǒng)的適應(yīng)性馴化[31]，進(jìn)而提升了解鉀菌的解鉀效率。此外，雖然長期氮磷鉀配施和有機(jī)無機(jī)肥配施處理的解鉀菌均為纖維菌屬，但由于氮磷鉀配施處理的鉀肥投入量低于有機(jī)無機(jī)肥配施處理，而較高的玉米吸鉀量[10]可能增強(qiáng)了土壤解鉀菌的解鉀效率，這可能是氮磷鉀配施處理的解鉀效率與有機(jī)無機(jī)肥配施處理無顯著差異的主要原因。長期氮磷肥配施處理可在一定程度上通過解鉀菌和根系分泌物提高根際土壤的交換性鉀含量，但由于其鉀素供應(yīng)較低，導(dǎo)致玉米的吸鉀量顯著低于氮磷鉀肥配施處理和有機(jī)無機(jī)肥配施處理[2，10]?？傊租浄侍幚砗陀袡C(jī)無機(jī)肥配施處理能夠在外源鉀肥投入的情況，結(jié)合解鉀菌的解鉀作用顯著提升玉米對鉀素的吸收[10]，為保障玉米高產(chǎn)奠定了基礎(chǔ)。因此，在紅壤旱地上，氮磷鉀配施和有機(jī)無機(jī)肥配施是提高紅壤鉀素高效利用的有效途徑之一，在未來的農(nóng)業(yè)發(fā)展中，建議進(jìn)一步發(fā)揮解鉀菌的解鉀能力，從而實(shí)現(xiàn)化學(xué)鉀肥減施增效的目標(biāo)。

3.2 長期施肥下紅壤旱地解鉀菌解鉀效率的驅(qū)動因子

在根際土壤中，解鉀菌的解鉀效率與土壤理化指標(biāo)和根系發(fā)育特性密切相關(guān)[5，11]，而進(jìn)一步開展影響解鉀菌的關(guān)鍵驅(qū)動因子研究對于發(fā)揮解鉀菌的解鉀能力意義重大。本研究利用PLS-PM發(fā)現(xiàn)，施肥、根系和土壤理化性質(zhì)均可通過影響解鉀菌分泌的激素和有機(jī)酸含量進(jìn)一步調(diào)控解鉀菌的解鉀效率，但解鉀菌的解鉀效率主要受施肥和根系的調(diào)控（圖3）。何冰等[3]研究表明，不同的有機(jī)酸種類和濃度參與土壤鉀素釋放的過程機(jī)理不同，因此，關(guān)于驅(qū)動解鉀菌的解鉀效率變化的激素或有機(jī)酸種類和用量尚有待進(jìn)一步研究。進(jìn)一步采用RDA分析表明，根系長度和表面積是影響長期施肥條件下根際土壤中解鉀菌及其解鉀能力的關(guān)鍵因子（圖4，表7），這與根系長度和表面積是玉米響應(yīng)外界鉀素含量高低的關(guān)鍵指標(biāo)有關(guān)[32-33]。原因可能是，作為表征植物根系的重要指標(biāo)，根系長度和表面積的增加有利于為解鉀菌等微生物提供更多的活動場所，且較長的根系和較高的根表面積還有利于根系分泌物的增加，從而為解鉀菌等微生物提供更多的底物和營養(yǎng)[34]。劉宇等[35]研究也表明，根長和表面積是篩選玉米耐低鉀品種的關(guān)鍵指標(biāo)。這為該地區(qū)通過調(diào)控根系發(fā)育來促進(jìn)紅壤鉀素高效利用提供了理論依據(jù)。然而，由于本研究的作物是對于鉀素需求十分敏感的玉米[36]，紅壤旱地作物種類（花生、油菜、芝麻、大豆、紅薯等）復(fù)雜[37]，且不同作物的根系和需鉀能力差異較大[38]。因此，影響不同種植模式下紅壤旱地解鉀菌的關(guān)鍵因素尚有待深入探討。

4 結(jié) 論

在紅壤旱地上，不同施肥處理玉米根際土壤中均存在解鉀菌，但各處理的解鉀菌菌株屬性存在差異。同時，與玉米根系特性和根際土壤的理化性質(zhì)不同，不同處理中以氮磷配施處理下解鉀菌的解鉀效率最高，其次為氮磷鉀肥配施和有機(jī)無機(jī)肥配施處理，而不施肥處理最低。進(jìn)一步分析表明，玉米根系長度和表面積是長期施肥下影響根際土壤中解鉀菌以及解鉀能力的關(guān)鍵因子。

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Variation of Potassium-Solubilizing Bacteria in Red Soil under Long-term Fertilization and Its Driving Factors

LIU Kailou1, 2, HUANG Jing1, 3, HAN Tianfu1, HUANG Qinghai2, YU Xichu2, LI Daming2, HU Huiwen2, YE Huicai2, HU Zhihua2, ZHANG Huimin1, 3?

(1. Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences / National Engineering Laboratory for Improving Quality of Arable Land, Beijing 100081, China; 2. Jiangxi Institute of Red Soil, National Engineering and Technology Research Center for Red Soil Improvement, Nanchang, 330046, China; 3. National Observation Station of Qiyang Agri-ecology System, Institute of Agricultural Resources and Regional Planning, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Qiyang, Hunan 426182, China)

It is very important to study how soil K-solubilizing bacteria (KSB) vary and its driving factors in the red soil of South China under long-term fertilization, so as to lay down a certain theoretical basis for management of soil potassium (K) resources and rational application of K fertilizer in the region.Based on a long-term fertilization field experiment in red soil that started in 1986, which was designed to have four treatments, that is CK (no-fertilization), NP (nitrogen and phosphorus fertilizers applied), NPK (nitrogen, phosphorus and potassium fertilizers applied), NPKM (NPK fertilizers plus organic manure). Soil samples were collected from the rhizosphere of the maize plants in the plots of the treatments during their florescence for analysis of strains of K-dissolving bacteria and their K-dissolving abilities and organic acids and hormones contents, and for exploration of key factors affecting KSB in upland red soils in relation to properties of the maize root system and physico-chemical properties of the rhizosphere soils.Results show that Treatments NP, NPK and NPKM were significantly higher than CK in root length, root surface area and root volume, and so in content of soil organic matter, non-exchangeable K and exchangeable K. Treatment NPKM was the most significant in the effect and 112.3%, 174.4%, 32.43% and 291.5% higher than Treatment NPK in root length, root surface area, root diameter and root volume, respectively; and 0.67 unit, 29.50%, 19.34% and 53.89% higher in pH and content of soil organic matter, Non-exchangeable and exchangeable K, respectively, in rhizosphere soil. KSBs were found in the rhizosphere soils of all the treatments. The KSBs in CK and Treatment NP were of, while those in Treatments NPK and NPKM were of. Compared with CK, Treatment NP, NPK and NPKM was 162.4%, 139.0% and 105.6%, respectively, higher in K-dissolving efficiency, showing obviously that Treatment NP was the highest. Moreover, analysis with the the partial least squares path model shows that root and fertilization are that two factors that regulate simultaneously KSB K-dissolving efficiency. Furthermore, redundancy analysis shows that soil KSB characteristics are closely and positively related to root length and root surface area (<0.05).In the upland red soil, long-term fertilization can not only affect development of the maize root system and physico-chemical properties of the rhizosphere soil, but also alter soil KSB communities and their K-dissolving abilities. Within the root system, root length and root surface area are the two key factors regulating KSB in the rhizosphere soil of maize.

Potassium-solubilizing bacteria; Red soil; Long-term fertilization; Rhizosphere soil; Maize root

S156.6

A

10.11766/trxb201903070649

柳開樓，黃晶，韓天富，黃慶海，余喜初，李大明，胡惠文，葉會財，胡志華，張會民. 長期施肥下紅壤旱地解鉀菌變化及其驅(qū)動因子[J]. 土壤學(xué)報，2020，57（1）：183–194.

LIU Kailou，HUANG Jing，HAN Tianfu，HUANG Qinghai，YU Xichu，LI Daming，HU Huiwen，YE Huicai，HU Zhihua，ZHANG Huimin. Variation of Potassium-Solubilizing Bacteria in Red Soil under Long-term Fertilization and Its Driving Factors[J]. Acta Pedologica Sinica，2020，57（1）：183–194.

* 國家自然科學(xué)基金項目（41671301，41371293），國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目（2016YFD0300901）和中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項（161032019035，161032019020）資助 Supported by the National Natural Science Foundation of China（Nos. 41671301 and 41371293），the National Key Research and Development Program of China（No. 2016YFD0300901）and the Fundamental Research Funds for Central Non-profit Scientific Institution of China（Nos.161032019035 and 161032019020）

，E-mail：zhanghuimin@caas.cn

柳開樓（1984―），男，河南滑縣人，博士研究生，主要從事土壤培肥與改良研究。E-mail：liukailou@163.com

2019–03–07；

2019–05–10；

2019–06–06

（責(zé)任編輯：陳榮府）