童彤，紀(jì)榮婷，許秋瑾*，王建國，李小鷗，張悅

1.湖泊水污染治理與生態(tài)修復(fù)技術(shù)國家工程實(shí)驗(yàn)室，中國環(huán)境科學(xué)研究院

2.生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所

3.中農(nóng)國盛(北京)環(huán)境生態(tài)工程科技有限公司

4.中國土木工程學(xué)會(huì)水工業(yè)分會(huì)

隨著我國城市化的發(fā)展，城市生活污水產(chǎn)生量不斷增長?；钚晕勰喾ㄊ钱?dāng)前應(yīng)用最廣泛的生活污水處理技術(shù)之一，我國現(xiàn)有城鎮(zhèn)污水處理廠80%以上采用該工藝進(jìn)行污水處理[1]。污水處理過程中，微生物利用自身活性通過轉(zhuǎn)化和降解，降低污水中污染物濃度，同步產(chǎn)生副產(chǎn)物活性污泥[2]。未經(jīng)良好處置的污泥直接進(jìn)入自然環(huán)境中，會(huì)對環(huán)境造成二次污染[3]。為了保證污水處理廠正常運(yùn)行和防止產(chǎn)生二次污染，必須對污泥進(jìn)行處理處置。因此，如何經(jīng)濟(jì)有效地利用生活污水處理過程中產(chǎn)生的高回收價(jià)值的活性污泥受到廣泛關(guān)注[4]。活性污泥是由多種好氧微生物、兼性厭氧微生物（少量厭氧微生物）與廢水中的有機(jī)、無機(jī)固體物混合在一起形成的絮狀體，具有較高的生物多樣性和微生物活性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，活性污泥中的細(xì)菌數(shù)量為1010～1012個(gè)/L[5]。自然界中，大部分微生物均以凝聚體的形式存在，并通過胞外聚合物聚集在一起。胞外聚合物由細(xì)胞代謝產(chǎn)生，成分與微生物的胞內(nèi)成分相似，主要由高分子物質(zhì)組成，如多糖、蛋白質(zhì)、核酸等聚合物，占活性污泥總有機(jī)物的80%[6]。同時(shí)，活性污泥中還包含豐富的有機(jī)碳源，如蛋白質(zhì)、多糖、核酸、脂類、腐殖酸等，有著巨大的資源回收價(jià)值[7]。利用堿性熱水解法從活性污泥中制備農(nóng)業(yè)上可利用的養(yǎng)分是活性污泥農(nóng)用資源化的一種方式，已有研究顯示堿熱水解法可從活性污泥中制備出高活性植物生長促進(jìn)物質(zhì)[8]，其中植物激勵(lì)素（吲哚-3-乙酸和羥基苯基乙酸）和化感化學(xué)物質(zhì)（吲哚啉衍生物和芳香族羧酸）等能促進(jìn)植株生長，改良土壤環(huán)境，前期研究通過活性污泥萃取液的重金屬測定與種子萌發(fā)和根伸長試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，適宜濃度的活性污泥萃取液可安全農(nóng)用，同時(shí)促進(jìn)水稻種子萌發(fā)和苗期生長[9]。

根土界面是土壤微生物和作物根系發(fā)育最活躍的區(qū)域，不同的養(yǎng)分物質(zhì)輸入首先會(huì)影響作物根際土壤中生態(tài)系統(tǒng)組成成分的功能，進(jìn)而影響作物地上部的生長發(fā)育[10]。根際作為植物-土壤-微生物相互作用的微區(qū)域，既是養(yǎng)分從土壤進(jìn)入植物體內(nèi)參與物質(zhì)循環(huán)的重要門戶，又是土壤微生物活躍的關(guān)鍵場所，也是養(yǎng)分生物有效性研究關(guān)注的焦點(diǎn)[11]。根土界面微生物廣泛分布在根際和非根際土壤中，其多樣性和豐富度在調(diào)節(jié)有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)等生態(tài)系統(tǒng)功能中發(fā)揮著關(guān)鍵作用[12]，其中土壤根際微生物更是參與作物生長發(fā)育必不可少的碳氮等元素的循環(huán)、有機(jī)化合物的分解以及能量傳輸?shù)榷鄠€(gè)過程[13]。根際微生物群落多樣性與土壤生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能密切相關(guān)，在維持土壤肥力和土壤生態(tài)平衡中發(fā)揮著重要作用[14]。根際微生物易受土壤理化性質(zhì)影響，同時(shí)也是評價(jià)植物根際土壤質(zhì)量的重要生物學(xué)指標(biāo)[15]。前期試驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)施用活性污泥萃取液可以促進(jìn)作物種子萌發(fā)和苗期生長、提高土壤質(zhì)量，但根際微生物對萃取液施用下水稻植株生長和土壤質(zhì)量的影響機(jī)理尚待進(jìn)一步研究。筆者研究活性污泥萃取液施用對水稻苗期生長和土壤的影響，以及根土界面中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化特征，旨在從根際微生物角度闡釋萃取液對作物生長和土壤性質(zhì)的調(diào)控機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試水稻品種為粳稻“南粳9108”。供試土壤采自生態(tài)環(huán)境部南京環(huán)境科學(xué)研究所黃山野外試驗(yàn)基地，土壤類型為水稻土。土壤基本理化性質(zhì)：pH，5.7；可溶性有機(jī)碳含量，2.7 mg/kg；電導(dǎo)率，105 μS/cm；硝態(tài)氮含量，3.58 mg/kg；銨態(tài)氮含量，14.52 mg/kg?；钚晕勰噍腿∫河芍修r(nóng)國盛（北京）環(huán)境生態(tài)工程科技有限公司提供，前期研究[8]已通過種子發(fā)芽試驗(yàn)證實(shí)適宜濃度的萃取液能促進(jìn)水稻種子萌發(fā)。萃取液重金屬濃度均遠(yuǎn)低于NY 1429—2010《含氨基酸水溶肥料》標(biāo)準(zhǔn)限值，符合相關(guān)農(nóng)用標(biāo)準(zhǔn)。本試驗(yàn)中活性污泥萃取液在30 倍稀釋狀態(tài)下施用。氮、磷、鉀肥分別采用尿素、磷酸二氫鉀和氯化鉀。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用多區(qū)室的定制根箱，根箱由聚氯乙烯灰色塑料板制成，大小為17 cm×15 cm×20 cm。每個(gè)分區(qū)間以尼龍網(wǎng)相隔成多區(qū)室種植環(huán)境，尼龍網(wǎng)可以避免根系組織生長時(shí)進(jìn)入相鄰區(qū)域，還可確保根系分泌物、微生物、水分、營養(yǎng)等物質(zhì)的無障礙遷移。根系生長室和距離根室0～5、5～70 mm 的區(qū)域分別為根際（rhizosphere，簡稱R）、近根際（nearrhizosphere，簡稱NR）和遠(yuǎn)根際（far-rhizosphere，簡稱FR）的土壤取樣區(qū)域，每個(gè)根箱用土為5 kg 風(fēng)干土。根箱試驗(yàn)于2021 年夏季進(jìn)行，設(shè)置5 個(gè)試驗(yàn)組，包括空白對照（T1，不施用任何肥料），常規(guī)施肥對照（T2，僅施用化肥處理，施用量參考當(dāng)?shù)亓?xí)慣），低量活性污泥萃取液（T3，化肥減氮30%配施0.2 mg/kg 萃取液），高量活性污泥萃取液（T4，化肥減氮30%配施0.4 mg/kg 萃取液），全量活性污泥萃取液（T5，無化肥氮施用，8 mg/kg 萃取液提供25%氮肥施用量，即減氮75%）。每個(gè)試驗(yàn)組設(shè)置4 個(gè)平行，各處理的磷、鉀肥養(yǎng)分施用量一致，分別為0.13 g/kg P2O5和0.19 g/kg K2O。水稻育苗至三葉一心后，選取長勢一致的幼苗移栽至根箱中（每箱4 株），生長30 d 后進(jìn)行植株和多區(qū)域（根際、近根際和遠(yuǎn)根際區(qū)域）土壤樣品采集。各區(qū)室分別隨機(jī)選取3 個(gè)采樣點(diǎn)，去除其中的石塊、細(xì)根等雜質(zhì)，采集50.0 g 土壤樣品。樣品一部分于?80 ℃儲存，用于土壤微生物DNA 的提??；一部分于4 ℃儲存，用于土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮的測定；剩余土壤風(fēng)干后用于測定基本理化性質(zhì)。

1.3 測定方法

植株葉面積采用直接測量法測定；植株生物量（地上、地下）采用烘干稱重法測定；植株葉綠素含量采用無水乙醇浸提法測定。

土壤pH 采用電位法（土水比為1∶2.5）測定；土壤電導(dǎo)率采用的飽和泥漿法（土水比為1∶1）測定；土壤可溶性有機(jī)碳（DOC）用蒸餾水提取后利用TOC 儀（德國，耶拿Multi N/C2100）測定其含量；土壤全氮含量采用H2SO4-混合催化劑消煮-凱氏定氮法測定，硝態(tài)氮含量采用KCl 浸提-紫外分光光度法測定，銨態(tài)氮含量采用KCl 浸提-靛酚藍(lán)比色法測定。

采用DNA 提取試劑盒（FastDNA SPIN Kit for Soil，MP）進(jìn)行土壤DNA 的提取。采用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA 提取質(zhì)量，鑒定DNA 的濃度和純度。擴(kuò)增程序：預(yù)變性（95 ℃，3 min），變性（95 ℃，30 s），退火（55 ℃，30 s），延伸（72 ℃，30 s），延伸（72℃，10 min）。土壤細(xì)菌采用具有特征性引物F341（5′-CCT ACG GGN GGC WGC AG-3′）和R806（5′-GGA CTA CHV GGG TAT CTA AT-3′）擴(kuò) 增16S rRNA V3+V4 區(qū)，在每個(gè)樣品的上游引物5′端添加Barcode 序列區(qū)分樣品。使用AMPure XP Beads 對第二輪擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行純化，采用ABI StepOnePlus RealTime PCR System（Life Technologies，美國）進(jìn)行定量，根據(jù)Novaseq 6000 的PE250 模式pooling 上機(jī)測序，測序服務(wù)委托廣州基迪奧生物科技公司完成。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2019 軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理，利用DPS 軟件的LSD 法（P＜0.05）進(jìn)行處理間差異性分析，結(jié)果以平均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示。選擇97%相似度的OTU 進(jìn)行α多樣性分析，采用LEfSe 軟件根據(jù)分類學(xué)組成對樣本按照不同的分組條件進(jìn)行線性判別分析（LDA），Qiime 軟件計(jì)算β多樣性距離矩陣，利用R 語言工具進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和作圖。

2 結(jié)果與討論

2.1 萃取液對水稻植株生長的影響

水稻葉面積和葉綠素含量的增加有利于提高葉片光合作用，可有效反映作物生長狀況。地上部生物量與地下部生物量的積累可以反映水稻生長的發(fā)育情況。由圖1 可知，與T1 相比，施用萃取液后，T3、T4、T5 處理的葉面積顯著增加13.67%、20.70%、21.12%（P＜0.05）；地上部生物量顯著增加15.49%、33.80%、46.48%（P＜0.05），地下部生物量顯著增加25.53%、34.04%、57.45%（P＜0.05）；葉綠素含量顯著增加18.07%、24.10%、30.12%（P＜0.05）。與T2 相比，T3、T4、T5 處理的葉面積顯著增加11.91%、18.84%、19.25%（P＜0.05），地上部生物量顯著增加10.81%、28.38%、40.54%（P＜0.05），地下部生物量顯著增加18%、26%、48%（P＜0.05）；葉綠素含量顯著增加16.67%、22.62%、28.57%（P＜0.05）。

圖1 活性污泥萃取液對水稻幼苗生長性狀的影響Fig.1 Effect of activated sludge extracts on growth traits of rice seedlings

施用萃取液能顯著促進(jìn)水稻幼苗葉面積、葉綠素含量、地上部生物量和地下部生物量的增長，可見，萃取液對水稻苗期生長具有顯著促進(jìn)作用。原因可能是萃取液中包含豐富的有機(jī)碳源，如蛋白質(zhì)、多糖、核酸、脂類、腐殖酸等，這些豐富的有機(jī)碳源能夠?yàn)樗居酌绲纳L提供充分的營養(yǎng)物質(zhì)[7-8]。與已有研究相比，萃取液促進(jìn)水稻生長的效果和煙稈生物炭、秸稈還田等施用效果相似。如煙稈生物炭施用能夠顯著促進(jìn)煙草株高、莖圍、葉片生長和生物量增加[16]；秸稈還田后玉米的株高、莖圍、生物量等指標(biāo)均有增加[17]，萃取液作用效果與上述物質(zhì)相比類似或更加顯著，表明萃取液可作為一種潛在的植物生長促進(jìn)物質(zhì)。

2.2 萃取液對水稻土壤理化性質(zhì)的影響

由圖2 可知，與T2 相比，無論是根際、近根際還是遠(yuǎn)根際，T3、T4、T5 處理的pH 顯著增加，增加幅度為0.54%～14.97%（P＜0.05）。與T2 相比，T3、T4、T5 處理各根區(qū)電導(dǎo)率顯著降低，降幅為28.77%～66.27%（P＜0.05）。與T2 相比，各根區(qū)土壤中，T3、T4、T5 處理組DOC 含量均顯著增加（P＜0.05），增幅為8.29%～68.03%?？梢姡腿∫菏┯每娠@著影響土壤理化性質(zhì)，且根際和近根際區(qū)域土壤DOC 含量、降低土壤含量和質(zhì)子的凈產(chǎn)量，增加土壤pH[18]。與常規(guī)施肥相比，萃取液配施后土壤電導(dǎo)率pH 及電導(dǎo)率變化較遠(yuǎn)根際區(qū)域更為顯著。經(jīng)過堿性穩(wěn)定化手段后的萃取液呈堿性，因此施入土壤后會(huì)使土壤pH 略增加，但和空白對照相比沒有顯著性差異，這可能是由于化肥氮肥添加后土壤中尿素的氨化和硝化均會(huì)釋放大量質(zhì)子，降低土壤pH，而配施萃取液后，一方面其本身的堿性可以提高土壤pH，另一方面萃取液添加可提高氮素的利用率，從而顯著下降，這是由于萃取液的施用降低了速效養(yǎng)分的投入，同時(shí)提高了植物對養(yǎng)分離子的利用率，該結(jié)果與其他有機(jī)水溶肥施用的效果[19]相似，表明萃取液配施可降低土壤鹽分，減少鹽漬化可能。土壤DOC 含量的提高對碳水化合物、氨基酸和多聚化合物等物質(zhì)的利用能力具有一定的促進(jìn)作用[20]，因此，萃取液的施用既可以充當(dāng)土壤DOC 的來源，也可以促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)的溶解，使土壤DOC 含量顯著增加。

圖2 活性污泥萃取液對土壤理化性質(zhì)的影響Fig.2 Effect of activated sludge extracts on soil physicochemical properties

由圖2 可知，與T2 相比，T3、T4、T5 處理各根區(qū)銨態(tài)氮含量均顯著減少，且T4、T5 處理組減少更明顯，最多減少了88.22%（P＜0.05）；T3、T4、T5 處理各根區(qū)硝態(tài)氮含量均顯著減少，最多減少了94.54%（P＜0.05），但總氮含量僅根際土壤中T5 處理顯著減少19.03%（P＜0.05）。上述研究結(jié)果顯，示施用萃取液后土壤總氮含量基本無明顯變化，銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量顯著降低，說明萃取液施用可以促進(jìn)土壤氮素轉(zhuǎn)化為有機(jī)氮，有利于土壤中氮元素的積累。原始活性污泥中存在大量和氮代謝有關(guān)的菌群，故而萃取液中會(huì)含有大量和氮元素形態(tài)轉(zhuǎn)化相關(guān)的微生物代謝產(chǎn)物[4]。在萃取液施用過程中，這些代謝產(chǎn)物可能會(huì)傳遞化學(xué)和生物信息，起到促進(jìn)氮的轉(zhuǎn)化利用功能，這和一些微生物菌劑的作用效果類似。微生物菌劑可有效提高土壤有機(jī)碳含量，提高氮肥農(nóng)學(xué)效率和氮素吸收效率[21]。近根際土壤可溶性有機(jī)碳、全氮含量均顯著高于根際和遠(yuǎn)根際土壤。根際效應(yīng)會(huì)促使微生物菌群向近根際區(qū)域靠近，植物根產(chǎn)生的分泌物和脫落物為近根際區(qū)土壤微生物提供有效碳和氮源[22]。遠(yuǎn)根際區(qū)域銨態(tài)氮含量遠(yuǎn)高于根際和近根際區(qū)域，可能由于pH 由酸性向堿性過渡時(shí)，土壤有機(jī)質(zhì)由螺旋態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性態(tài)的過程會(huì)為銨態(tài)氮提供了大量吸附點(diǎn)位[23]，這與遠(yuǎn)根際區(qū)域pH 高于根際及近根際區(qū)域的試驗(yàn)結(jié)果吻合。在本研究中硝態(tài)氮含量顯著高于銨態(tài)氮含量，這可能是由于相對硝態(tài)氮，水稻更喜歡吸收利用銨態(tài)氮，進(jìn)而導(dǎo)致根際和近根際土壤中銨態(tài)氮含量減少[24]。

2.3 萃取液對土壤微生物群落多樣性的影響

2.3.1α多樣性分析

由表1 可知，根際區(qū)域內(nèi)，與對照組T1、T2 相比，各處理組土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的多樣性和豐富度無顯著性差異。在近根際區(qū)域，Sobs、Chao、Ace 指數(shù)顯示，T5 的α多樣性指數(shù)顯著大于T1、T2（P＜0.05）；Shannon 指數(shù)顯示，T4 和T5 的α多樣性指數(shù)分別較T1 顯著提高10.34%、8.05%（P＜0.05）；T4、T5 的Simpson 指數(shù)顯著大于T1（P＜0.05）。遠(yuǎn)根際區(qū)域內(nèi)，Sobs、Chao、Ace 指數(shù)顯示，T4 的α多樣性指數(shù)較T1 顯著提高8.41%～10.19%（P＜0.05）。研究結(jié)果顯示，在活性污泥萃取液配施化肥處理中，隨著萃取液施用量的增加，總體上菌群豐富度和均勻度均會(huì)逐漸提高，但全量萃取液組有所下降。不同種類或基因型植物的根系均會(huì)在土壤中招募大量特定種屬的微生物，調(diào)節(jié)根際微生物群落的多樣性和群落結(jié)構(gòu)，以促進(jìn)自身的生長并增強(qiáng)抗逆性[25]。有研究表明，氮肥減施不僅能促進(jìn)水稻優(yōu)良生長，還能增加根際分泌物，為微生物生長繁殖提供更為適宜的生長條件[26]。本研究處理組不僅減氮，而且還配施了萃取液，萃取液本身含有腐殖酸、氨基酸、糖類、蛋白質(zhì)等物質(zhì)，可為微生物提供大量的碳源，以促進(jìn)細(xì)菌α多樣性指數(shù)的提高[8]。

表1 各處理不同根區(qū)土壤微生物α 多樣性指數(shù)Table 1 α diversity index of soil microorganisms in different rhizosphere regions for each treatment

2.3.2β多樣性分析

PCoA 主成分分析可將不同組樣品的微生物多樣性差異反映在二維坐標(biāo)圖上，主成分軸用來解釋差異。圖3 顯示，施用萃取液對水稻根際、近根際和遠(yuǎn)根際微生物的影響存在差異。對根際微生物而言〔圖3（a）〕，第1 主成分（PCo1）和第2 主成分（PCo2）分別解釋差異的31.78%和22.17%，合計(jì)貢獻(xiàn)率為53.95%；對近根際微生物而言〔圖3（b）〕，PCo1 和PCo2 分別解釋差異的58.67%和11.19%，合計(jì)貢獻(xiàn)率為69.86%；對遠(yuǎn)根際微生物而言〔圖3（c）〕，PCo1 和PCo2 分別解釋差異的31.21%和16.96%，合計(jì)貢獻(xiàn)率為48.17%。Anosim 檢驗(yàn)結(jié)果顯示（圖4），在根際、近根際和遠(yuǎn)根際土壤區(qū)域內(nèi)R的范圍為[0,1]，P分別為0.001、0.001 和0.002，說明組間差異大于組內(nèi)差異，且差異顯著（P＜0.05）。遠(yuǎn)根際細(xì)菌變異解釋率和P均低于根際、近根際，表明萃取液的施用使得根際與近根際細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變異更大。有研究表明土壤pH、電導(dǎo)率和有機(jī)質(zhì)均是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化的主要因素[27]。本研究證實(shí)施用萃取液后，根際和近根際區(qū)域土壤DOC 含量、pH 及電導(dǎo)率變化較遠(yuǎn)根際區(qū)域更為顯著，這可能是遠(yuǎn)根際區(qū)域菌群結(jié)構(gòu)變化較小的原因。

圖3 各處理不同根際區(qū)域細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)主坐標(biāo)分析Fig.3 Principal coordinate analysis of bacterial community structure in different rhizosphere regions for each treatment

圖4 各處理不同根際區(qū)域組間細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)Anosim 檢驗(yàn)箱線圖Fig.4 Anosim test box plots of bacterial community structure in different rhizosphere regions for each treatment

β多樣性結(jié)果表明，在根際與近根際土壤中，組間距離顯著大于組內(nèi)距離，不同處理組與對照組之間微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著差異，說明不同處理組與對照組間的物種多樣性存在顯著差異（P＜0.05），外源養(yǎng)分添加后土壤原有的生態(tài)平衡會(huì)被打破，土壤微生物豐度及群落結(jié)構(gòu)也會(huì)隨之改變。該結(jié)果與Paz-Ferreiro 等[28]的研究結(jié)果相似，即在土壤中添加污泥生物炭后，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生顯著改變。

2.4 土壤根際微生物屬水平群落分析

由圖5 可知，相比較遠(yuǎn)根際，施用萃取液對水稻根際、近根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著的影響，尤其以近根際效果最為明顯。屬水平差異分析顯示：施用活性污泥萃取液配合氮肥減施，在根際和近根際富集的主要菌群為黃色土源菌（Flavisolibacter）、Candidatus_Udaeobacter、鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）。與T2 相比，T3、T4、T5各處理組根際區(qū)域黃色土源菌相對豐度分別增加了319%、217%、138%，Candidatus_Udaeobacter相對豐度分別增加了232%、320%、93%，鞘氨醇單胞菌屬相對豐度分別增加了181%、115%、55%；近根際區(qū)域黃色土源菌相對豐度分別增加了541%、336%、151%，Candidatus_Udaeobacter相對豐度分別增加了151%、181%和26%，鞘氨醇單胞菌屬相對豐度分別增加了266%、364%、105%。其中黃色土源菌是一種植物根際促生菌，能高密度定殖在植物根際，兼有抑制植物病原菌、根際有害微生物的作用，可有效增強(qiáng)作物對非生物脅迫的耐受性和防御反應(yīng)以及促進(jìn)植物生長并增加作物產(chǎn)量。Candidatus_Udaeobacter屬于厭氧異養(yǎng)微生物，擁有豐富的種群、相對較小基因組的和多個(gè)假定的營養(yǎng)缺陷型，擅長使用替代策略犧牲代謝多功能性以提高在土壤環(huán)境中的主導(dǎo)地位，該菌群可以利用有限的碳源如葡萄糖、丙酮酸、殼二糖等進(jìn)行代謝活動(dòng)[29]，同時(shí)可使其他釋放出抗生素的菌群裂解，避免抗生素的有害影響。鞘氨醇單胞菌屬是一類豐富的新型微生物，對多環(huán)芳烴、除草劑、農(nóng)藥等有害大分子物質(zhì)有生物降解作用。研究顯示植物根際的選擇性招募會(huì)導(dǎo)致土壤中的功能微生物含量發(fā)生改變[30]，本研究結(jié)果顯示，萃取液配施化肥的處理中根際和近根際黃色土源菌、Candidatus_Udaeobacter、鞘氨醇單胞菌群豐度顯著增加，說明施用萃取液對土壤微生物也有一定的選擇性招募作用，可促使植物根際促生菌和具有降解污染物功能的微生物含量增多。

圖5 各處理間不同根際區(qū)域土壤屬水平菌群落結(jié)構(gòu)組成分析Fig.5 Structural composition analysis of genus level bacteria in different rhizosphere regions for each treatment

2.5 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與理化因子耦合分析

土壤理化因子可影響土壤內(nèi)的微生物組成。土壤的pH、電導(dǎo)率、氮、磷、有機(jī)質(zhì)等物理特性會(huì)對土壤中的微生物群落產(chǎn)生一定作用[31]。運(yùn)用Pearson相關(guān)性分析，可解釋環(huán)境因子對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)影響。由于萃取液施用對近根際土壤中的微生物影響最顯著，因此聚焦分析土壤理化因子對近根際土壤中生物群落的影響。由圖6 可知，pH 與HSB_OF53-F07 和Candidatus_Solibacter菌群豐度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。電導(dǎo)率與Candidatus_Koribacter菌群豐度呈極顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.01）。DOC 含量與Candidatus_Koribacter菌群豐度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.001）。銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量均與Candidatus_Solibacter菌群豐度呈極顯著正相關(guān)（P＜0.01）。總氮含量與HSB_OF53-F07 和Candidatus_Solibacter菌群豐度呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），與Anaeromyxobacterr菌群豐度呈顯著負(fù)相關(guān)（P＜0.05）。以上結(jié)果和Yuan 等[32]得出的土壤理化因子差異使靠近植物根部的土壤微生物趨于多樣性和差異分布的結(jié)論相似。

圖6 土壤理化因子與土壤微生物耦合分析熱圖Fig.6 Heat map of coupled soil physicochemical factors and soil microbial analysis

2.6 土壤微生物功能預(yù)測

采用FAPROTAX 微生物功能預(yù)測軟件對根際、近根際和遠(yuǎn)根際土壤細(xì)菌群落分別進(jìn)行功能注釋。由圖7 可見，土壤細(xì)菌功能種群豐度較高的主要有化能異養(yǎng)（chemoheterotrophy）、有氧化能異養(yǎng)（aerobic chemoheterotrophy）、發(fā)酵作用（fermentation）、鐵呼吸（iron_respiration）、芳香化合物降解（aromatic_compound_degradation）、細(xì)菌掠奪性或外寄生（predatory_or_exoparasitic）等。其中，與空白和常規(guī)施肥對照相比，近根際菌群功能變化最為顯著。與T2 相比，施用萃取液的T3、T4、T5 處理組，化能異養(yǎng)功能分別顯著增加32.90%、54.28%、37.92%，有氧化能異養(yǎng)功能分別顯著增加57.11%、89.95%、51.72%，芳香化合物降解功能分別顯著增加115.38%、273.08%、219.23%。

圖7 基于FAPROTAX 的各處理間不同區(qū)域土壤微生物功能預(yù)測Fig.7 Prediction of soil microbial functions in different areas between treatments based on FAPROTAX

化能異養(yǎng)、有氧化能異養(yǎng)與碳循環(huán)相關(guān)，被認(rèn)為是最廣泛的生態(tài)系統(tǒng)功能，并由大多數(shù)微生物執(zhí)行[33]，如酸桿菌門（Acidobacteria）、變形菌門（Proteobacteria）和疣微菌門（Verrucomicrobia）等?；墚愷B(yǎng)型和好氧化能異養(yǎng)微生物所需能源來自有機(jī)物的氧化分解，萃取液中含有大量的有機(jī)碳以及微生物活性物質(zhì)，這和一些有機(jī)肥類似，不僅能提供大量的有機(jī)物，而且有利于促進(jìn)土壤原有有機(jī)質(zhì)的溶解和利用[34]。芳香化合物是環(huán)境中廣泛分布、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的難降解污染物，施用萃取液后顯著增加的鞘氨醇單胞菌屬菌株是降解芳香化合物的主要菌株。芳香化合物降解菌功能表達(dá)的增強(qiáng)有利于污染土壤修復(fù)。施用萃取液后，土壤中菌群固氮作用、硝化作用等與氮循環(huán)相關(guān)的功能表達(dá)增強(qiáng)，據(jù)此可以推測，生長在降水充沛、酸性土壤上的水稻植株，可通過根內(nèi)和根際菌群的硝化作用、固氮作用，促進(jìn)氮素的吸收和利用，降低硝態(tài)氮的淋溶，這可能和T3、T4、T5 處理下土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量降低有關(guān)。雖然通過功能預(yù)測分析能部分反映萃取液施用對土壤根際微生物功能表達(dá)的改變，但土壤中大量細(xì)菌功能仍未知，因此，還需對該變化機(jī)理開展深入研究。

3 結(jié)論

（1）施用活性污泥萃取液可顯著促進(jìn)水稻苗期葉面積的增長、地上和地下部生物量的積累及葉綠素含量的增加。

（2）施用萃取液能夠顯著提高土壤pH，減少過量施用氮肥導(dǎo)致的土壤酸化。此外，可增加土壤DOC 含量，降低土壤硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量，促進(jìn)土壤碳氮循環(huán)。

（3）施用萃取液可使根際與近根際土壤的菌群多樣性顯著增加。土壤pH、電導(dǎo)率、DOC 含量和氮含量與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化存在密切關(guān)系。

（4）近根際土壤中全量萃取液配施磷鉀肥組α多樣性各指數(shù)顯著高于空白對照與常規(guī)施肥對照組，遠(yuǎn)根際土壤中高量萃取液組α多樣性各指數(shù)較空白對照組顯著提高8.41%～10.19%。β多樣性結(jié)果顯示，萃取液對土壤微生物性質(zhì)的影響主要作用在根際及近根際土壤中，不同萃取液處理組與空白及常規(guī)施肥對照組間細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性存在顯著差異。屬水平細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析結(jié)果顯示，施用萃取液后，根際與近根際土壤中與碳代謝及植物根際促生菌相關(guān)的黃色土源菌、Candidatus_Udaeobacter、鞘氨醇單胞菌屬菌群相對豐度分別增加151%～541%、26%～320%和55%～364%。功能預(yù)測分析顯示土壤微生物群落與碳循環(huán)相關(guān)的化能異養(yǎng)、有氧化能異養(yǎng)、發(fā)酵作用功能表達(dá)加強(qiáng)，與氮循環(huán)相關(guān)的固氮作用、反硝化作用等功能表達(dá)加強(qiáng)，與降解有機(jī)污染物有關(guān)的芳香化合物降解作用功能表達(dá)加強(qiáng)。