2023, Vol. 44
2. 内蒙古旱作农业重点实验室, 呼和浩特 010031;
3. 农业农村部武川农业环境科学观测试验站, 呼和浩特 011705;
4. 农业农村部内蒙古耕地保育科学观测试验站, 呼和浩特 011705
, DUAN Yu1,2,3,4 , ZHANG Jun1,2,3,4 , REN Yong-feng1,2,3,4 , LIANG Jun-mei1,2,3,4 , JING Yu-peng1,2,3,4
, ZHAO Pei-yi1,2,3,4
2. Key Laboratory of Dry Farming, Hohhot 010031, China;
3. Wuchuan Scientific Observing and Experimental Station of Agro-Environment, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Hohhot 011705, China;
4. Inner Mongolia Cultivated Land Conservation Science Observation and Experiment Station, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Hohhot 011705, China
合理施肥是农业绿色发展和农田土壤提质增产的重要因素[1~3], 而施肥不当则会带来了一系列的生态环境问题, 如长期过量施用、滥用化肥和不均衡施肥导致土壤退化[4]、土壤水污染[5], 农田生产力降低等[6, 7], 尤以旱作地区问题较为突出[8].农牧交错带属典型的旱作农业区域, 是我国北方重要的生态屏障和农牧产品生产地[9, 10], 而长期不合理的肥料投入及对粮食产量的过度追求, 使得该区域农田土壤肥力下降、养分失衡等问题日益显现[11, 12], 如何通过土壤指标的变化来有效评估施肥效果和明确施肥策略, 对农田土壤质量的改善和生态系统的稳定具有重要意义.有研究表明, 土壤中微生物对环境的变化较为敏感[13~15].
土壤微生物被认为是土壤质量的早期预警指标, 其活动受施肥措施的影响较大. 有学者认为施肥后土壤养分的变化直接改变了微生物的多样性, 驱动了土壤微生物的群落转变[16~18].而Xun等[19]研究认为施肥主要是通过改变土壤性质间接作用于土壤微生物, 其中施氮造成的土壤pH降低是导致微生物群落变化的主要原因[20], 而一定的范围内土壤含水量的增加, 也会提高养分的可用性, 从而为更多的微生物提供繁育条件[21].此外, 施肥还可能通过影响地上部植物的生长作用于地下部微生物[22].可见, 土壤微生物群落转变受施肥的影响存在多种路径.
目前, 在北方农牧交错地区, 施肥的研究多集中于短期内的土壤培肥、作物增产和肥料效应评价等方面, 而长期持续的对施肥制度、微生物群落与农业生产之间的关系进行系统评价方面研究较少.本研究以揭示长期不同施肥对农牧交错带旱地土壤微生物群落多样性和群落的影响机制为目标, 依托农业农村部内蒙古耕地保育科学观测试验站的长期定位试验平台, 选取不施肥(CK)、单施氮肥(NF)、单施化肥(CF)和有机肥+化肥配施(CFM)这4种不同施肥管理的农田土壤, 采用高通量测序技术, 阐明和解析了微生物多样性和群落组成的演变规律, 并通过偏最小二乘路径模型(PLS-PM)将土壤化学性质、微生物群落组成及作物产量联系起来, 揭示了长期不同施肥管理模式下典型旱作农田土壤的微生物群落的构建机制, 以期为完善和确立农牧交错带旱作农田施肥管理制度和土壤可持续健康发展提供科学依据.
1 材料与方法 1.1 试验地概况本试验开始于2004年, 在内蒙古武川旱作农田生系统国家野外科学观测研究站内进行, 位于内蒙古呼和浩特市武川县上秃亥乡(41°08′22.8″N, 111°17′43.6″E), 属中温带大陆性季风气候, 海拔高度为1 570 m, 年降雨量为250~400 mm, 潜在蒸发量为1 848.3 mm, 平均气温为1.5~3.7℃, 无霜期为90~120 d, 属半干旱偏旱农牧交错区, 土壤类型为栗钙土, 初始(2004年)0~20 cm土壤理化性质见表 1, 2004~2019年作物生育期(5~9月)降雨量(195.5~414.9 mm, 平均值为300.08 mm)和生育期平均气温变化(14.6~17.9℃, 平均值为16.2℃)见图 1.
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表 1 试验地初始土壤理化性质 Table 1 Physico-chemical properties of initial soil in test site |
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图 1 试验期间降雨量和气温变化 Fig. 1 Variation in precipitation and temperature during the trial |
长期施肥试验共设8个不同施肥处理, 本研究选取不施肥(CK)、单施氮肥(NF)、单施化肥(CF)和有机肥+化肥(CFM)这4个处理, 以CK为对照, 采用3次重复的随机完全区组设计, 小区面积50 m2(5 m×10 m).肥料用量及配比由国际植物营养研究所(International Plant Nutrition Institute, IPNI)根据测土结果设计推荐.所用肥料氮肥为尿素, 磷肥为过磷酸钙, 钾肥为氯化钾, 有机肥为羊粪, 2004~2005年和2007~2011年有机肥用量为7 500 kg ·hm-2, 2006年和2013~2019年有机肥用量为15 000 kg ·hm-2, 2004~2019年具体施肥方案见表 2, 其中已包括羊粪中的N、P2O5和K2O折纯养分量.有机肥于每年作物播种前均匀撒在地表, 人工翻入土中, 化肥在播种时开沟测施, 所有肥料均做基肥一次施入.采用马铃薯-油菜-燕麦3种作物轮作, 2004、2007、2010、2013、2016和2019年种植作物为马铃薯, 5月上旬种植, 9月下旬收获.试验在雨养条件下进行, 其他田间管理措施, 如病虫草害防治, 遵循标准耕作措施.
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表 2 不同处理折纯施肥量/kg ·hm-2 Table 2 Pure fertilization rates of different treatments/kg ·hm-2 |
1.3 土壤样品采集
土壤样品采集：于2019年马铃薯成熟期每小区选择3个点取样, 分取0~10 cm和10~20 cm土层土样.将采集的土壤样品去除杂质和马铃薯根系残体后分为两部分, 一部分装入自封袋带回实验室自然风干过2 mm筛, 用于测定土壤化学性质; 另一部分装入50 mL离心管中, 用冰盒保存土样, 带回实验室保存于-80℃, 用于土壤微生物分析.
1.4 测定指标和方法 1.4.1 土壤化学性质测定土壤有机质采用重铬酸钾容量外加热法测定; 土壤全氮采用半微量凯氏定氮法测定; 土壤碱解氮采用碱解扩散法测定; 土壤有效磷采用碳酸氢钠浸提钼锑比色法测定; 土壤速效钾采用乙酸铵浸提火焰光度计法测定[23]; 土壤酸碱度(pH)用复合电极(PE-10, 德国Sartorius公司)测量(水∶土=2.5 ∶1).
1.4.2 土壤DNA提取、PCR扩增及测序采用CTAB法从0.5 g样品土壤中进行基因组DNA的提取, 在1%琼脂糖凝胶上检测DNA浓度和纯度.使用引物515F (5′-GTGCCAGCMGCCG CCGTAA-3′) 和806R (5′-GGACTACHVGGGTWTC TAAT-3′) 扩增细菌16S rRNA基因, 引物ITS5F (5′-GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG-3′)和ITS2R (5′TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′) 扩增真菌ITS基因.PCR产物使用2%浓度的琼脂糖凝胶进行电泳检测: 根据PCR产物浓度进行等量混样, 充分混匀后使用2%的琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物, 对目的条带使用Qiagen公司提供的胶回收试剂盒回收产物, 使用TruSeq® DNA PCR-Free Sample Preparation Kit建库试剂盒进行文库构建, 构建好的文库经过Qubit和Q-PCR定量, 文库合格后, 使用HiSeq2500 PE250进行上机测序, 测序服务委托北京诺禾致源科技有限公司完成.
1.4.3 马铃薯产量测定于每年9月下旬马铃薯成熟时, 对各小区中间2垄马铃薯进行全部收获测产.
1.5 数据处理使用QIIME对序列进行优化和数据质控, 之后使用Usearch软件平台对所有序列进行OTU在97%的相似度水平下进行划分, 生成OTU表格.采用RDP classifier贝叶斯算法对97%相似水平的OTU代表序列进行分类学分析.使用Mothur软件计算细菌和真菌群落的α多样性指数(Chao1和Shannon指数).
土壤养分、土壤微生物的α多样性指数等数据的多重比较、方差分析和相关性分析用SPSS 25.0软件完成, 用Canoco 5.0软件进行冗余分析评价环境因子对土壤细菌和真菌群落组成变化的影响.采用偏最小二乘法路径模型(PLS-PM)来模拟土壤化学性质、微生物多样性、微生物群落和产量之间的关系, 路径模型中的路径系数和决定系数(R2)由R 4.0.3的plspm软件包来计算.
2 结果与分析 2.1 不同施肥对土壤化学性质的影响连续施肥16 a后, 旱地耕层(0~20 cm)土壤化学性质发生了显著变化(表 3).与初始土壤(8.41~8.45)相比, CK和NF处理土壤pH分别降低了0.40~0.42和1.28~1.29, NF处理土壤pH显著降低, 而CF处理土壤pH与CFM处理间无显著性差异, 碱性土壤上长期施用化肥(CF)仍保持了较高的pH值.与CK相比, CFM处理土壤有机质和全氮含量均显著增加, 土壤碱解氮、有效磷和速效钾含量对施肥的响应更加敏感, 分别提高了131.9% ~174.7%、216.9% ~283.3%和103.3% ~109.3%, 而NF处理对土壤肥力的提升效果微弱.
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表 3 不同施肥处理对土壤化学性质的影响1) Table 3 Effects of different fertilization treatments on soil chemical properties |
2.2 不同施肥对土壤微生物群落多样性的影响
采用操作分类单元(OTU)水平方法计算不同施肥处理下微生物群落丰富度和多样性可知(表 4), 与NF和CF处理相比, CFM处理0~20 cm土壤细菌的OTU、Chao1指数和Shannon指数均显著增加, 而CF处理与CK处理间未表现出显著差异, NF处理土壤细菌Chao1和Shannon指数显著降低.真菌丰富度和多样性对施肥方式的响应不同, 与CK相比, NF、CF和CFM处理0~20 cm土壤真菌的OTU均无显著性差异, CFM处理0~20 cm土壤Shannon指数显著增加, CF处理仅10~20 cm土壤Shannon指数显著增加; 在土壤真菌Chao1指数方面, 仅10~20 cm土壤CFM处理显著增加, NF和CF处理在0~10 cm和10~20 cm土壤与CK处理均差异不显著, 长期有机无机肥料配施提高了土壤微生物多样性.
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表 4 不同施肥处理对土壤微生物多样性的影响1) Table 4 Effects of different fertilization treatments on soil microbial diversity |
2.3 土壤微生物群落多样性与土壤环境因子的关系
Pearson分析表明(图 2), 在细菌方面, 土壤有机质与细菌OTU数量、Chao1和Shannon指数均呈显著正相关, 土壤全氮与细菌OTU数量呈显著正相关, 土壤速效钾与细菌Shannon指数呈显著正相关.在真菌方面, 土壤有机质与真菌OTU数量达到极显著正相关水平、与Chao1和Shannon指数呈显著正相关.土壤有机质含量的变化是影响土壤微生物多样性的重要环境因子.
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pH：酸碱度; SOM：有机质; TN：全氮; AN：碱解氮; AP：有效磷; AK：速效钾; OTU：操作分类单元; Shannon：香农指数; Chao1：Chao1指数, 下同; 彩色圆圈深浅和大小表示相关性程度, *表示P < 0.05, **表示P < 0.01 图 2 土壤微生物多样性与土壤环境因子的Pearson分析 Fig. 2 Pearson analysis of soil microbial diversity and soil environmental factors |
由图 3可见, 门水平下, 将平均相对丰度≥1%类群归类为优势菌群, 0~10 cm和10~20 cm土壤的细菌优势菌类群及相对丰度分别为: 变形菌门(Proteobacteria)[(28.51% ~32.92%)和(33.00% ~34.96%)]、放线菌门(Actinobacteria)[(24.77% ~33.43%)和(24.68% ~29.17%)]、酸杆菌门(Acidobacteria)[(10.75% ~14.54%)和(10.61% ~13.66%)]、拟杆菌门(Bacteroidetes)[(7.22% ~12.10%)和(8.30% ~9.54%)]、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)[(4.43% ~6.71%)和(5.44% ~9.23%)]及绿弯菌门(Chloroflexi)[(5.32% ~6.44%)和(3.96% ~5.90%)], 见图 3(a)和3(b).施肥对0~10 cm土壤的细菌群落结构影响显著, CFM处理变形菌门(F=8.333, P=0.008)、拟杆菌门(F=14.409, P=0.001)和硝化螺旋菌门(F=6.814, P=0.014)的相对丰度显著提高, 放线菌门(F=12.693, P=0.002)、酸杆菌门(F=6.929, P=0.013)和绿弯菌门(F=4.307, P=0.044)的相对丰度在CFM处理中显著降低, CK、NF和CF处理放线菌门和酸杆菌门的相对丰度均较高, 而不同施肥处理对10~20 cm土壤细菌优势菌类群的影响未达到显著差异水平(P＞0.05).
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(a)和(b)为细菌, (c)和(d)为真菌, (a)和(c)为0~10 cm, (b)和(d)为10~20 cm; 星号表示不同处理中的相对丰度差异显著, *表示P＜0.05, **表示P＜0.01 图 3 不同施肥处理土壤微生物门水平的相对丰度 Fig. 3 Relative abundance of soil microbial phylum levels in different fertilization treatments |
在土壤真菌群落方面, 0~10 cm和10~20 cm土壤真菌优势菌类群及相对丰度分别为: 子囊菌门(Ascomycota)[(36.08% ~52.23%)和(16.70% ~37.29%)]、被孢霉门(Mortierellomycota)[(3.69% ~9.44%)和(16.73% ~20.71%)]及担子菌门(Basidiomycota)[(2.34% ~10.33%)和(1.22% ~9.18%)], 见图 3(c)和3(d).长期不同施肥显著改变了0~10 cm土层土壤的真菌群落结构, CFM处理被孢霉门(F=9.214, P=0.006)的相对丰度显著提高, 子囊菌门(F=13.590, P=0.002)和担子菌门(F=5.577, P=0.023)的相对丰度显著降低, CK、NF和CF处理子囊菌门和担子菌门的相对丰度均较高, 而施肥对10~20 cm土壤真菌优势菌群落的影响未达到显著差异水平(P＞0.05).长期不施肥和不均衡施肥土壤中病原菌数量提高, 作物侵染土传病害的风险增加.
2.5 土壤微生物群落组成与土壤环境因子的关系Pearson相关分析表明土壤化学性质显著影响了微生物群落组成(表 5).在细菌群落组成中, 变形菌门与土壤AN和AK呈显著正相关, 放线菌门与土壤TN、AN、AP和AK呈显著负相关; 拟杆菌门与全部的土壤环境因子均呈显著正相关; 对于真菌群落来说, 仅子囊菌门与土壤TN和AK呈显著负相关.从Pearson系数和相关度可知, 土壤氮素含量是改变微生物群落结构的主要因素.
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表 5 土壤微生物门水平优势菌与土壤环境因子的Pearson分析1) Table 5 Pearson analysis of dominant soil microorganism and soil environmental factors |
为进一步分析不同土壤化学性质对微生物群落结构的影响, 对微生物群落结构与土壤理化性质进行冗余分析(图 4).结果显示, 土壤TN(F=5.6, P=0.012)、AK(F=3.5, P=0.035)和SOM(F=2.6, P=0.022)是细菌群落变异的最重要的3个环境贡献因子.土壤AK(F=5.0, P=0.025)、TN(F=3.2, P=0.014)和pH(F=3.1, P=0.022)是真菌群落变异最重要的3个环境贡献因子.NF和CF处理细菌的群落组成不分离, 说明两者群落结构相似; CK、NF和CF处理真菌的群落组成不分离, 说明三者群落结构相似, 而CFM处理中细菌和真菌的群落组成与其他处理明显分离, 说明长期有机肥配施化肥显著改变了微生物的群落结构.
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百分数表示环境变量对样本间微生物群落的解释度 图 4 土壤微生物群落结构与土壤化学特性的冗余分析(RDA) Fig. 4 Redundancy analysis of soil microbial community structure and soil chemical properties |
由图 5可知, 不同施肥处理对马铃薯产量影响显著.其中, CF和CFM处理马铃薯产量不同年际间变化较大, 随施肥年限(2004~2019年)的增长产量逐渐增加, 从施肥第10 a(2013年)开始显著增加.NF、CF和CFM处理马铃薯平均产量较CK分别提高22.80%、84.66%和121.25%, 各处理马铃薯产量的大小顺序为：CFM＞CF＞NF＞CK, 有机肥配合化肥施用马铃薯产量的增幅最高.
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不同小写字母表示差异显著(P＜0.05) 图 5 不同施肥处理对马铃薯产量的影响 Fig. 5 Effects of different fertilization treatments on potato yield |
PLS-PM分析进一步探究了不同施肥模式下土壤化学性质、微生物群落特征与马铃薯产量之间的作用关系(图 6).结果显示, CK→NF模式下, 土壤NPK和SOM含量对微生物的群落结构和马铃薯产量无影响, 而土壤pH对土壤NPK含量(0.698)、真菌多样性(0.449)和真菌群落(0.474)有显著的直接正向影响, 对细菌群落无显著影响, 但对马铃薯产量(-0.339)有直接显著的负向影响; CK→CF模式下, 土壤NPK含量对细菌群落有显著的负向影响(-0.450), 而对马铃薯产量(0.467)有显著的正向影响, 土壤pH虽对产量没有影响, 但直接影响了土壤NPK含量(0.814); CK→CFM模式下, 土壤pH对土壤NPK含量(0.921)和马铃薯产量(0.203)有显著的正效应, 而对土壤真菌群落(-0.328)有显著的负向影响, 土壤SOM含量对NPK含量(1.109)和马铃薯产量(0.188)有显著的正向影响, 土壤NPK含量对马铃薯产量(0.453)有直接的正向影响, 而对细菌群落(-2.398)有直接强烈的负效应.综合分析, 长期施氮(NF), 土壤pH是微生物群落改变和产量提升的主要驱动因子; 长期施化肥, 土壤NPK含量则是主要的驱动因子; 长期有机肥配施化肥(CFM), 形成了环境多因子(土壤pH、SOM和NPK含量)共同驱动微生物群落的转变.
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GOF＞0.600：表示模型具有较好的拟合度; pH：酸碱度; SOM：有机质; NPK：氮、磷和钾含量; Bacterial diversity：细菌多样性; Fungal diversity：真菌多样性; Bacterial community：细菌群落结构; Fungal community：真菌群落结构; Yield：马铃薯产量; 绿色箭头表示有显著正向影响, 红色箭头表示有显著负向影响, 箭头线粗细表示模型中路径系数的大小, 虚线表示无显著影响; *表示P < 0.05, **表示P < 0.01, ***表示P < 0.001 图 6 长期施用氮肥、化肥和有机肥-化肥配施这3种施肥模式下的马铃薯产量与土壤特性的偏最小二乘路径模型(PLS-PM)分析 Fig. 6 PLS-PM analysis of potato yield and soil properties in three fertilization modes of long-term nitrogen fertilizer, chemical fertilizer, and organic-chemical fertilizer combined application |
本研究中, 有机无机配施土壤(CFM)的有机质和养分含量均显著提高(表 3), 二者的叠加效应既很好地改善了土壤性状, 又为土壤补充输入了当季和后续营养物质来源[24~26].多数研究认为, 施用无机肥并不直接增加土壤养分含量, 而主要是通过增加植物根茬、根系和根系分泌物来增加土壤养分的积累, 同时刺激原有土壤养分的分解[27, 28].因此, 平衡施用无机肥(CF)也增加了土壤养分, 但增幅低于CFM土壤.在土壤pH方面, 普遍的结论是施用无机肥耗尽了土壤中的交换性钙镁离子, 增加了交换性氢铝离子, 而且作物收获后带走了土壤中大量的碱性阳离子, 土壤需要产生等量的质子来保持电荷的守恒, 从而导致了土壤酸化[22, 29].在本研究中, 单施氮肥(NF)显著降低了土壤pH, 土壤酸化趋势明显, 施氮引起的质子不足而导致的低pH也降低了土壤养分[29], NF处理对土壤肥力的提升效果微弱, 限制了作物产量的提高, PLS-PM分析(CK →NF中)也表明, 土壤pH对作物产量有直接负向影响.在CFM土壤中, 有机肥的配合施用增加了土壤中的碱性阳离子, 有助于中和土壤酸度, 所以CFM处理保持了较高的土壤pH, 有机阴离子质子化形成中心分子是抵抗土壤酸化的主要机制[30].而在CF处理, 土壤pH并未显著降低, 长期平衡施用无机肥也保持了较高的土壤pH, 这与诸多前人研究得出的施用无机肥酸化土壤的结论有所差异, 这种差异的原因可能与土壤酸碱度本身有关.Ning等[31]通过对中国7个长期定位施肥25 a以上的田间试验表明, 在酸性土壤(pH＜7.0)施用化肥土壤pH显著降低, 而碱性土壤(pH＞7.0)合理的施用化肥土壤pH的降幅最多仅为0.29个单位, 这与本试验的结果类似, 而且本试验区属栗钙土区, 土壤碳酸钙含量较高, 可降低施用化肥造成的土壤酸化风险[32].另外, 本研究还发现, CF和CFM土壤的pH均略有下降, 推断土壤的pH略有下降的机制可能与碱性土壤初始pH偏高有关.
3.2 长期施肥对土壤微生物多样性的影响刘晶鑫等[33]研究表明, 施肥显著改变了0~20 cm土壤微生物的丰富度和多样性.于冰等[34]研究表明有机肥的长期施用, 细菌和真菌的种群丰度和多样性均显著增加, 单施化肥只增加了真菌的种群丰度与多样性, 对细菌的种群丰度与多样性影响不大, 而刘佳等[20]研究表明, 长期单施氮肥和化肥显著降低了细菌的多样性, 降幅达10.3% ~49.4%.本研究中, 有机肥配施化肥0~20 cm土壤微生物的OTU、Chao1和Shannon指数均提高, 土壤细菌和真菌的Shannon指数在0~10 cm和10~20 cm均达到显著差异水平, 长期有机无机肥配施显著提高了土壤有机质和N、P、K含量, 促进了微生物的生长代谢, 提高了微生物利用土壤中养分元素的能力和其代谢功能[35, 36], 从而提高了微生物的多样性, 而长期单施氮肥细菌的OTU、Chao1和Shannon指数均降低, 这与刘佳等的研究结果类似[20], 但与杨亚东等[21]和于冰等[34]的研究结果不一致, 可能是由于不同地区土壤性质和作物品种差异造成, 也可能是土壤pH的显著降低导致土壤微生物的多样性降低, 刘子涵等[37]研究表明, 旱地土壤pH的变化对微生物的多样性影响更加敏感, 本研究中, PLS-PM分析(CK→NF中)也表明, 土壤pH对真菌群落多样性产生了显著的影响(图 6).
3.3 长期施肥对土壤微生物群落结构组成的影响施肥措施的改变对微生物群落组成影响较大.变形菌门、拟杆菌门和芽单胞菌门属富营养类群, 对养分要求较高[38].本研究中, 变形菌门、拟杆菌门和芽单胞菌门在高有机质和养分含量的CFM处理中相对丰度显著增加, 有机肥的施用有利于富营养类群微生物的生长, 同时富营养类群微生物的高丰度也反映了土壤的高肥力[39].酸杆菌门是典型的贫营养类群, 可消耗难降解的有机碳库, 具有更高的养分亲和力[40], 因此, 在低养分含量的CK处理中表现出较高的相对丰度, 长期不施肥导致的低肥力使细菌群落向贫营养型类群转变, 而高土壤肥力的CFM处理则驱动细菌群落向富营养型类群转变[41].放线菌门和疣微菌门多为致病细菌[42], 在NF和CF中相对丰度较高, 长期施用化肥和不均衡施肥导致土壤养分失衡, 致病菌增多, 土壤细菌性病害的侵染风险增加.此外, 厚壁菌门与植物病原菌的拮抗活性有关[43], 该类群在CFM处理中的高丰度也表明有机肥化肥配施增加了土壤中的有益细菌群落.
在施肥对真菌群落影响方面, 子囊菌门和未鉴定的真菌占绝大部分, 真菌以有机质为能源和养分, 参与有机质矿化, 分解进入土壤的作物残体和有机肥中的有机质, 供给植物营养, 但多数真菌也同为植物病原菌[44].本研究中, 子囊菌门在CK、NF和CF处理中的相对丰度均较高, 增加了马铃薯真菌性土传病害的发生风险.如马铃薯根腐病、早疫病和晚疫病, 易造成植物产量降低和品质变劣[13], 而子囊菌门的相对丰度在CFM处理中显著降低, 表明施用有机肥减少了土壤中病原真菌菌群.在0~10 cm土壤中, CFM处理被孢霉门的相对丰度较高, 而在10~20 cm土壤中各处理被孢霉门的相对丰度均有提高, 造成这种差异的原因可能与马铃薯的根系分布有关, 马铃薯植株是须根系, 一般分布在较深土层, 而被孢霉门与促进植物根系对矿质元素的吸收有关[45], 导致被孢霉门的相对丰度在离根更近的10~20 cm土层更高.长期施用化肥和单施氮肥提高子囊菌门、担子菌门和壶菌门的相对丰度, 增加了病原真菌的数量, 病害侵染风险增加, 有机肥化肥配施降低了真菌病原菌, 增加了有益真菌群落.
3.4 土壤微生物群落与土壤化学性质的关系土壤化学性质是影响微生物群落组成的重要因素.CFM处理中的优势微生物区系受到土壤养分的显著影响, 长期有机肥化肥配施, 土壤肥力得到提高, 因此变形菌门、拟杆菌门、芽单胞菌门和被孢霉门这些富营养性种群在具有高有机质和养分可用性的土壤中得到了大量的生长繁殖, 而低土壤有机质和矿质养分减少了有益微生物群落, 导致CK处理土壤中微生物病原体的大量繁育[46].RDA分析表明, CFM处理的优势细菌和真菌类群与土壤养分均呈正相关, 而CK处理的优势细菌类群与土壤养分呈负相关.PLS-PM分析阐明, 随着施肥模式的改变, 驱动土壤中微生物群落转变和产量提升的关键土壤环境因子的作用机制也在变化.长期单施氮肥模式由于仅提供了微生物生长所需的N源, 因此施氮造成的土壤pH的变化是导致微生物群落的主要原因[20], 而长期单施化肥模式由于提供了微生物更多地易利用底物, 土壤养分成为影响微生物群落演替和产量提升的关键环境因子[14], 而长期有机-无机肥配施的平衡施肥模式则提供了相对均衡的营养环境, 而受环境多因子的调控.
4 结论(1) 16 a的化肥施用和有机肥配施化肥2种施肥方式均显著提高了旱地耕层(0~20 cm)土壤有机质和养分含量, 作物产量显著增加, 后者效果明显优于前者, 而长期单施氮肥土壤酸化风险增加.
(2) 长期有机肥配施化肥显著提高了微生物多样性, 并驱使土壤微生物群落组成向有益微生物菌群增加方向转变, 而单施氮肥和化肥土壤中病原微生物丰度提高, 增加了作物受土传病害侵染的风险.
(3) 随着施肥模式CK→NF→CF→CFM的转变, 影响微生物群落组成演替和产量提升的主要环境驱动因子也由土壤pH→土壤NPK含量→土壤pH、SOM和NPK含量的环境多因子调控转变.
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