趙卉鑫，楊 江，王艷明，梅銳鋒，張瑞喜，馬 鑫

（1.內蒙古自治區(qū)水利科學研究院，呼和浩特010020；2.內蒙古河套灌區(qū)水利發(fā)展中心烏蘭布和分中心建設二分干渠供水所，內蒙古巴彥淖爾015200；3.內蒙古河套灌區(qū)水利發(fā)展中心烏蘭布和分中心，內蒙古巴彥淖爾015200）

0 引言

河套灌區(qū)是我國設計灌溉面積最大的灌區(qū)[1]，以黃河水畦灌為主，這不僅會導致水資源的大量浪費，而且會加深土壤鹽漬化程度，因此改良灌溉方式和改善河套灌區(qū)土壤質量是十分必要的。滴灌水肥一體化技術可顯著節(jié)約灌溉水，是提高水肥利用效率和改善土壤質量的重要技術措施[2]，因此本文通過在河套灌區(qū)試驗區(qū)進行滴灌農田灌排安全技術研究，將黃河水經過三道程序過濾，然后將水肥一體化混合后進行滴灌，可減少輸水過程中的滲漏和蒸發(fā)損失，提高水資源利用效率。外源土壤調理劑能有效改善土壤養(yǎng)分狀況及理化性質,促進土壤團粒的形成、提高肥力、改善土壤保水保肥性,對土壤問題可以起到積極的修復作用[3]。在此過程中，土壤細菌發(fā)揮著十分重要且不可忽視的作用，其不僅可以促進土壤養(yǎng)分的循環(huán)與轉化，還參與土壤有機質的礦化和土壤腐殖質的形成[4]。生物炭（BIC）擁有多孔結構、具有較強的吸附性，可與土壤黏土礦物有機質形成團聚體，其與有機碳結合可提高其氧化穩(wěn)定性[5]，可為微生物提供良好的生長與繁殖空間，從而影響了土壤微生物的多樣性及群落結構組成。聚丙烯酰胺（PAM）是一種線性水溶性高分子聚合物，其主要作用是減少徑流和土壤侵蝕，穩(wěn)定土壤結構，提高水分利用效率，減少肥料的流失[6]，并且能增加或改變某些利用PAM的菌群數量及結構[7]。保水劑（SAP）是一種化學節(jié)水技術，不僅能夠增加土壤團聚體改善土壤結構，而且能夠提高土壤吸水能力[8]。除此之外，保水劑還可以通過改善土壤微生物結構而提高植物的干旱適應能力[9]。

綜上所述，當前試驗研究多集中在土壤單獨施加BIC、PAM 和SAP，關于其中兩者或三者聯合施用對鹽漬化土壤的綜合作用研究相對較少。因此本研究在滴灌技術的基礎上，針對河套灌區(qū)保水性、質量較差的鹽漬化土壤，展開BIC、PAM 和SAP 的應用研究，并基于PE250 測序平臺，對滴灌條件下外源土壤調理劑增施對土壤細菌群落結構和多樣性進行分析，并探討細菌群落組成與環(huán)境因子之間的關系，這為滴灌條件下鹽漬化土壤的改良提供微生物方面的參考依據，同時也對當地乃至全國的鹽漬化土壤地區(qū)發(fā)展農業(yè)節(jié)水具有重要的現實指導意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗于2020年4-10月在內蒙古自治區(qū)巴彥淖爾市臨河區(qū)雙河鎮(zhèn)進步村進行。該地區(qū)地理坐標為東經107°6′E～107°44′E，北緯40°34′N～44°17′N，屬于溫帶大陸性氣候，年平均氣溫為6.8°C，年均降雨量是141.2 mm，蒸發(fā)量較大，無霜期為140 d 左右，晝夜的溫差較大。該地土壤類型為輕度鹽漬化土壤，鹽分偏高。該試驗地土壤理化性質見表1。

表1 土壤基本化學性質Tab.1 The basic chemical properties of soil

1.2 試驗設計

在滴灌條件下，分別設置CK（對照處理），SAP+PAM（保水劑+聚丙烯酰胺處理，DSP），SAP+BIC（保水劑+生物炭處理，DSB），PAM+BIC（聚丙烯酰胺+生物炭處理，DPB）和SAP+PAM+BIC（保水劑+聚丙烯酰胺+生物炭處理，DSPB）五個不同處理，每個處理5 次重復，以下分別以DCK，DSP，DSB，DPB，DSPB 表示。每個小區(qū)面積均為72 m2，小區(qū)間保留30 cm 隔離間距，每個小區(qū)周邊設置面積大小相同的保護行，供試作物為玉米。外源土壤調理劑施入量分別為SAP：45 kg/hm2；PAM：22.5 kg/ hm2；BIC：9 000 kg/ hm2。灌溉參照當地現有灌水次數及水量，增加玉米苗期滴水2次，滴水追施磷肥（磷酸二氫鉀），用量為45 kg/hm2。CK 除不增施外源土壤調理劑，其他田間管理措施均一致。

1.3 樣品采集

于玉米灌漿期進行取樣，用土鉆取耕層0～30 cm 土壤樣品作為供試樣品。每個小區(qū)采用“S”形取樣法選5 點取樣，在已進行75%酒精棉消毒的盆中立刻混合均勻，迅速去除植物殘體與各種殘渣后，分別裝入兩個無菌自封袋，標記之后立刻放入裝有干冰的泡沫箱中。小區(qū)的取樣前均進行土鉆和手套的消毒，盡量保證在無菌條件下取得土樣。土樣取完立刻帶回實驗室，一部分樣品放在-80 ℃冰箱中冷凍保存，用于微生物群落的分析與測定；一部分土樣直接風干，過2 mm 和0.15 mm篩備用，用于測定土壤化學性質指標。

1.4 土壤微生物樣品的測定

土壤微生物樣品測序平臺為PE250。本試驗中土壤樣品的細菌16S 引物區(qū)域為V3～V4 區(qū)，目的片段長度為480bp，前引物名稱338F，前引物序列ACTCCTACGGGAGGCAGCA，后引物名稱806R，后引物序列GGACTACHVGGGTWTCTAAT。使用的試劑盒為omega M5635-02。

1.5 土壤化學性質的測定

參照《土壤農化分析》[10]的方法，土壤pH 值和電導率用pH 值計和電導儀測定；土壤速效磷采用NaHCO3-紫外分光光度法測定；土壤速效鉀采用NH4OAc-原子吸收法測定；土壤水解氮采用堿解擴散法測定。

1.6 數據處理

試驗數據分析基于上海派森諾生物科技股份有限公司所提供的云服務（https://www.genescloud.cn/login）進行，微生物使用的UPARSE 軟件，根據97%的相似度對序列進行OTUs（operational taxonomic units）聚類；土壤微生物OTU 分析使用Usearch；土壤微生物群落Alpha 多樣性指數、NMDS 分析、組間差異分析、群落組成、LEfSe 分析、隨機森林和RDA 分析（冗余分析）使用R 語言進行作圖。采用Excel 2010 進行數據整理和圖表制作，SPSS25 進行相關性分析和方差分析（P<0.05）。

2 結果與分析

2.1 外源土壤調理劑增施對滴灌玉米田土壤化學性質的影響

由表2可看出，外源土壤調理劑增施能夠改善土壤化學性質。與DCK 相比，DSP 和DSB 處理顯著增加土壤pH 值，但DPB 和DSPB 處理無顯著變化，且與本底值相比有所降低，降幅分別為：0.51%和0.76%；各處理均增加土壤電導率，且DSB處理最為顯著；DPB處理顯著增加土壤水解氮含量，增幅為24.01%；而各處理在土壤速效磷、速效鉀含量方面與DCK之間不存在顯著性差異。

表2 不同處理的土壤化學性質Tab.2 Soil chemical properties of different treatments

2.2 外源土壤調理劑增施對滴灌玉米田土壤細菌群落多樣性的影響

2.2.1 土壤細菌樣本測序結果及OTUs數

由圖1可以看出所有樣本中共有的OTUs 總數為2 917，各處理OUT 數量由多到少為：DCK>DSB>DSPB>DSP>DPB，分別為7 433、7 147、5 971、5 848和5 710。

圖1 不同處理細菌群落OTUs數Fig.1 OTUs number of bacterial community in different treatments

2.2.2 不同處理對土壤細菌群落α-多樣性的影響

由圖2（a）可以看出，在各處理中，Chao1（豐富度）指數最低的是DPB 處理，相比DCK 和其他處理明顯降低（P<0.05）。 各處理的Goods_coverage （覆蓋度）指數和Pielou_evenness（均勻度）指數均達到96%和0.86 以上[圖2（b）和圖2（d）]，這說明測序深度能夠滿足分析要求，能夠覆蓋土壤細菌群落的絕大部分物種，這足以反映環(huán)境中的物種多樣性。在各處理中Shannon（多樣性）指數最高的是DSB處理（10.85），其次是DSPB 處理（10.78），而最低的是DSP處理（10.68）。與DCK 相比，DSB 和DSPB 處理提高了土壤細菌群落的多樣性指數，但差異性不顯著（P>0.05），而DSP 和DPB處理則無顯著變化[圖2（c）]。

圖2 不同處理下土壤細菌群落α-多樣性分析Fig.2 Effects of different treatments on α-diversity of soil bacterial community

2.3 外源土壤調理劑增施對滴灌玉米田土壤細菌群落結構（門水平）的影響

不同處理的土壤細菌優(yōu)勢門均為變形菌門（Proteobacteria），分別占總物種的32.37% （DCK），29.98%（DSP），33.73%（DSB），31.85%（DPB）和32.77%（DSPB）；其次為放線菌門（Actinobacteria），分別占總物種的15.85%，17.17%， 17.97%， 21.44% 和18.25%；以及酸桿菌門（Acidobacteria）分別占總物種的18.62%，19.42%，16.43%，13.65%和16.98%。與DCK 相比，DSB 和DSPB 處理的變形菌門分別提高了4.20%和1.24%，DPB 和DSPB 處理的放線菌門分別提高了35.29%和15.20%，而酸桿菌門則分別降低了26.71%和8.80%（圖3）。

圖3 門水平細菌群落的相對豐度Fig.3 Relative abundance of bacterial communities at the phylum level

2.4 外源土壤調理劑增施對滴灌玉米田土壤細菌群落結構（屬水平）的影響

不同處理的土壤細菌優(yōu)勢屬均為Subgroup_6 屬，分別占總物種的8.83% （DCK），9.01% （DSP），7.64% （DSB），6.70%（DPB）和7.90%（DSPB）；其次為Skermanella 屬，分別占總物種的2.26%，3.85%，3.76%，4.80%和3.86%；以及RB41 屬，分別占總物種的4.57%，4.68%，3.64%，2.94%和3.79%。與DCK 相比，DSP 處理的Subgroup_6 屬和RB41 屬分別提高了70.45% 和2.41%，而DSB、DPB 和DSPB 處理的Subgroup_6 屬的相對豐度分別降低了13.55%、24.14% 和10.57%，RB41 屬分別降低了20.42%、35.60% 和17.03%，Skermanella 屬分別提高了 66.29%、112.35% 和70.81%（圖4）。

圖4 屬水平細菌群落的相對豐度Fig.4 Relative abundance of bacterial communities at the genus level

2.5 外源土壤調理劑增施對滴灌玉米田土壤細菌群落結構的分析

基于Bray–Curtis 距離對不同處理的土壤樣本微生物群落組成進行非度量多維尺度（Non-metric multidimensional scaling analysis，NMDS）分析（圖5），細菌群落NMDS 分析stress 為0.067 6，說明NMDS 分析的結果更可靠。其中，DPB 處理與其他處理的距離較遠，說明這個處理與其他處理的土壤細菌群落組成豐度存在差異，其他4 個處理樣本點的距離較近，說明這些處理的土壤細菌群落結構組成豐度相似。

圖5 基于不同處理下細菌群落的NMDS分析Fig.5 NMDS analysis of bacterial community under different treatments

2.6 外源土壤調理劑增施對滴灌玉米田土壤細菌種群的差異性分析

在圖6（a）中不同顏色的條形表示在不同處理組別中豐度較高的差異物種，且DCK 和DSB 處理的差異性更為顯著。 紫色條表示在DPB 處理中顯著增加的種群是o_Soilrubrobacterales目和綠彎菌綱（c_Chloroflexia）；綠色條表示在DSB 處理中顯著增加的種群是o_Betaproteobacteriales 和g_Subgroup_10；紅色條表示在DSP 處理中顯著增加的種群是o_Actinomarinales 和擬桿菌目（o_Bacteroidales）；青色條表示在DSPB 處理中顯著增加的種群是桿狀菌屬（g_Maricaulis）和多孢菌屬（g_Thermopolyspora）。在圖6（b）中，如圖例所示，這36個物種是具有顯著差異的標志物種。

2.7 外源土壤調理劑增施對滴灌玉米田土壤細菌群落結構的隨機森林分析

由圖7 可以看出，假諾卡氏菌屬（Pseudonocardia）、孢囊菌屬（Sorangium）和IMCC26256 屬是增施外源土壤調理劑后微生物變化的標志性物種（Biomaker）。

圖7 屬水平土壤細菌群落結構隨機森林分析Fig.7 Random forest Analysis of soil bacterial community structure at genus level

2.8 RDA冗余分析

在門水平上，冗余分析（redundancy analysis，RDA）分析顯示[圖8（a）]，RDA1 和RDA2 分別解釋細菌群落結構總差異的18.06%和1.22%。土壤環(huán)境因子pH 對細菌群落結構組成的影響最大，其次是HN 和EC。pH 被認為是土壤細菌群落結構變化的重要預測因子。放線菌門（Actinobacteria）與土壤pH 和速效磷含量呈正相關關系；芽單胞菌門（Gemmatimondetes）與土壤pH 和電導率為正相關關系；酸桿菌門（Acidobacteria）與土壤pH 呈正相關關系；綠彎菌門（Chloroflexi）與土壤水解氮含量呈正相關關系；變形菌門（Proteobacteria）與土壤水解氮、速效鉀和速效磷含量呈正相關關系。在屬水平上，冗余分析（redundancy analysis，RDA）分析顯示[圖8（b）]，RDA1 和RDA2 分別解釋細菌群落結構總差異的19.72%和RDA2。土壤環(huán)境因子EC 對細菌群落結構組成的影響最大，其次是pH 和AP。Skermanella 屬與土壤pH、電導率和水解氮含量呈正相關關系；Subgroup_6屬、己科河菌屬（Rokubacteriales）、RB41屬與土壤pH 為正相關關系；鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）與土壤速效鉀、速效磷含量呈正相關關系。因此，外源土壤調理劑增施可能通過改變鹽漬化土壤化學性質，進而提高土壤細菌群落多樣性和影響土壤微生物群落結構，最終優(yōu)化土壤結構。

圖8 土壤細菌群落結構與化學性質的相關性分析（RDA）Fig.8 Correlation analysis of soil bacteria structure with chemical properties(RDA)

2.9 不同處理對玉米產量相關指標的影響

由表3可以看出，DPB 處理的玉米行數最多、禿尖長的值最大；DSB 處理的玉米行粒數和穗長值最大；但無顯著變化（P>0.05）。但是玉米穗粗和脫粒重在各處理之間存在顯著差異（P<0.05），DSP 處理的穗粗是最高的，DPB 處理的脫粒重最高。綜合來看，DPB 處理對玉米行數、禿尖長和脫粒重影響最大，對玉米產量的提高起一定作用。

表3 不同處理的玉米產量相關指標Tab.3 Related indexes of corn yield under different treatments

2.10 土壤細菌對玉米產量指標的影響

放線菌門與脫粒重呈正相關關系，而酸桿菌門、Subgroup_6屬和己科河菌屬與脫粒重呈負相關關系（P<0.05），RB41屬與脫粒重呈極顯著負相關關系（P<0.01），見表4。

表4 土壤細菌與玉米產量指標的相關性Tab.4 Correlation between soil bacteria and maize yield index

3 討論

3.1 外源土壤調理劑增施對滴灌玉米田土壤細菌群落的影響

外源土壤調理劑增施可改變土壤細菌群落多樣性。與對照相比，DSB 和DSPB 處理提高了土壤細菌群落的多樣性指數。這可能是因為外源土壤調理劑可為微生物提供生長發(fā)育的能量，進而增加某一種或幾種物種，最終使得細菌群落多樣性增加，這與前人[11]的研究結果一致。

在本研究中，變形菌門是最為優(yōu)勢的土壤細菌門，其次優(yōu)勢菌門依次為：放線菌門和酸桿菌門。該試驗田土壤為鹽漬化土壤，由此推測變形菌門是鹽漬化土壤中的主要優(yōu)勢群落，這與多位學者的研究結果相似[12-14]。變形菌門屬于有益菌群[15]，且DSB 和DSPB 處理均提高了其相對豐度，這說明外源土壤調理劑增施可增多有益細菌的比例。有研究發(fā)現，放線菌門可產生大量的多種抗生素[16]，放線菌門作為第二大優(yōu)勢細菌門，表明該試驗田鹽漬化土壤有利于放線菌的生長繁殖。而且放線菌門具有絲狀形態(tài)，有降解和利用有機物料的潛在能力[17]，因此將外源土壤調理劑施入鹽漬化土壤后，可為放線菌門提供較多營養(yǎng)物質，使其在鹽漬化土壤中生長具有優(yōu)勢，成為優(yōu)勢菌群。在屬水平上，其他未知菌屬占全部菌屬的60%左右，說明該研究區(qū)土壤中依然存在著大量未被挖掘利用的屬水平細菌。不同處理的土壤細菌優(yōu)勢屬均為Subgroup_6屬，其次依次為Skermanella 屬和RB41 屬。除了DSP 處理，其

他處理均降低Subgroup_6 屬和RB41 屬的相對豐度；各處理均提高Skermanella 屬的相對豐度，Skermanella 屬為典型的生物固氮菌[18]，在鹽漬化土壤中，生物固氮極其重要，固氮微生物的增加可使得土壤氮素養(yǎng)分含量提高，且在其中起著一定的重要作用。

3.2 土壤化學性質對細菌群落的影響

在NMDS 分析中表明，DPB 處理與其他處理的距離較遠，說明這個處理與其他處理的土壤細菌群落組成結構存在差異，這表明通過增施外源土壤調理劑可改變土壤細菌群落結構。而且土壤化學性質也影響著土壤微生物群落的變化[19,20]，在本研究中，土壤環(huán)境因子pH 和電導率是影響土壤細菌群落的主要因素。 放線菌門 （Actinobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）、Skermanella 屬、Subgroup_6 屬和RB41 屬與pH 有較強的正相關性；Skermanella 屬與電導率有較強的正相關性。其中，pH 和電導率對酸桿菌門的影響與張萍等的研究一致[21]。因此，pH 值是影響細菌群落的重要因素，與其具有顯著的相關關系，而且有學者研究證明pH 被認為是土壤細菌群落結構變化的重要預測因子[22]，pH 已被發(fā)現在多個地理尺度上與一般微生物群落組成高度相關[23]。因此，外源土壤調理劑增施可能通過改變鹽漬化土壤化學性質，提高土壤細菌群落多樣性和影響土壤微生物群落結構，進而提高農田生態(tài)系統(tǒng)的生產力、優(yōu)化土壤結構。

4 結論

外源土壤調理劑增施改變了土壤細菌群落多樣性及其結構組成，DSB（保水劑+生物炭）和DSPB（保水劑+聚丙烯酰胺+生物炭）處理提高了土壤細菌群落的多樣性指數；各處理的土壤細菌優(yōu)勢類群為變形菌門（Proteobacteria）和Subgroup_6 屬。假諾卡氏菌屬（Pseudonocardia）、孢囊菌屬（Sorangium）和IMCC26256屬是增施外源土壤調理劑后細菌群落變化的標志性物種。不同外源土壤調理劑增施顯著改變了土壤pH 和電導率，DPB 處理的水解氮含量顯著增加，但對其他土壤速效養(yǎng)分影響不顯著。冗余分析表明土壤pH 和電導率是影響土壤細菌群落結構的主要環(huán)境因子。在滴灌條件下各處理均可不同程度地提高有益細菌菌群的相對豐度，如放線菌門、芽單胞菌門和Skermanella 屬，降低部分不適宜在該地生長的菌群，如酸桿菌門和Subgroup_6 屬，DPB 和DSPB 處理尤為顯著。DPB 處理對玉米行數、禿尖長和脫粒重的影響最大，對玉米產量的提高起一定作用，且放線菌門對玉米脫粒重起正向促進作用。綜上，短期實驗結果表明DPB 處理改善土壤細菌群落結構和化學性質、提高玉米產量的效果較好，可在當地推廣示范。