2023, Vol. 44
2. 内蒙古师范大学旅游学院, 呼和浩特 010022
2. Tourism College of Inner Mongolia Normal University, Hohhot 010022, China
内蒙古河套灌区是黄河中上游典型的盐渍化特大型灌区, 土壤盐渍化一直是困扰灌区农业生产发展的主要问题[1], 严重制约着灌区现代农业的可持续发展.在盐渍土改良中, 土壤微生物在生态系统中的作用日益受到关注[2].土壤盐碱化程度显著影响土壤微生物多样性, 由于气候条件、土质等差异在不同盐渍化地区呈现细菌群落多样性随土壤盐碱化程度的增加而降低[3]或随土壤盐碱度增加而增加[4]的规律.盐渍土的优势菌群亦可在一定程度上指示土壤盐渍化程度, 一定范围内pH值与酸杆菌门总丰度呈负相关[5], 鞘脂单胞菌属丰度随土壤盐碱度增加而降低[6].因此, 在盐渍土改良过程中, 揭示土壤微生物群落与土壤盐分之间互馈机制成为当前的研究热点.
枸杞是河套灌区重要的经济作物, 在枸杞园中配套改良措施可促进枸杞的生长和改善土壤环境.施加磷石膏为河套灌区有效的改土措施[7], 磷石膏为工业废弃物, 它的循环再利用减少了环境污染[8], Liu等[9]基于高通量测序得出磷石膏在堆肥过程中增加了细菌的丰富度和多样性.此外, 利用耐盐植物构建盐碱地生物改良模式是发展盐碱地的新理念和新思路[10, 11], 耐盐植物碱蓬由于其叶片肉质化结构可吸收土壤盐离子[12], 在降低盐分的同时增加土壤微生物丰度, 改善群落结构[13].磷石膏和碱蓬作用于盐渍土分别属于化学改良和生物改良, 文利军等[14]研究表明石膏与碱蓬的综合改良在新疆具有较好的应用前景, 可促进作物增产、具有较高的水分利用效率, Ben等[15]通过宏基因组分析的方法提出磷石膏和碱蓬等植物内生菌微生物组具有代谢异种生物降解能力和基因可塑性, 使其能适应极端环境, 但当前磷石膏与碱蓬综合改良盐渍化土壤微生物群落(尤其是细菌)变化规律的研究还鲜见报道, 阐明综合改良对微生物群落的影响对盐渍土改良具有重要的理论和实践指导意义.
本研究在枸杞园设置磷石膏和间种碱蓬的盐碱地改良处理, 采用高通量测序方法, 探究枸杞生育期土壤细菌多样性和群落结构对不同改良处理的响应, 揭示土壤环境因子与土壤微生物间关系, 以期为河套灌区长效改良盐渍土和维护生态健康提供重要的科学依据.
1 材料与方法 1.1 研究区概况与试验设计本试验于2018年3~10月在内蒙河套灌区下游三湖河灌域的红卫试验基地(东经108°45′~109°36′, 北纬40°30′~40°40′)展开.研究区属中温带大陆性多风干旱气候, 年平均降水量270 mm, 年平均蒸发量2 383 mm, 年平均气温7.9℃, 无霜期146 d, 积温(大于10℃)3 200 h.研究区西临新华支渠, 南有二斗沟, 具有良好的灌排条件.土壤以灌淤土、盐土为主, 颗粒组成为砂粒(0.05~2 mm)含量17.53%、粉粒(0.002~0.05 mm)含量73.40%和黏粒(< 0.002 mm)含量9.07%.试验区0~20 cm土壤平均EC值为1.25 mS·cm-1, 属于中度盐渍土.供试枸杞品种为宁杞9号, 树龄4 a, 栽培密度为1 m×1 m.生育期内分别于6月上旬、6月末和7月中旬采用当地地下微咸水(矿化度为3.84g·L-1)进行灌溉, 灌水量和施肥量采用已有地方标准[16]中数值, 每次灌水量为40 mm.施氮肥量为37 500kg·km-2, 施磷肥量为30 000kg·km-2, 施钾肥量为22 500 kg·km-2.
本试验设置施加磷石膏(LSG)、枸杞间种碱蓬(JP)及磷石膏和枸杞间种碱蓬(LSG+JP)3个改良处理及1个当地园地对照(CK), 共4个处理, 3次重复, 12个小区.各小区随机布设, 规格为2 m×10 m.小区行间设保护带, 小区间用120 cm隔水板做地下防渗隔离.生长期前清除土表杂草等杂物, 剥离表层10 cm深的土壤, 将磷石膏均匀撒入土壤, 施用量为2.25×106 kg·km-2[7], 将碱蓬种子以3 000 kg·km-2的播种量撒入枸杞树的行间.
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(a)CK, (b)LSG, (c)JP, (d)LSG+JP 图 1 不同改良处理试验小区 Fig. 1 Experimental plots under different improvement treatments |
分别于枸杞的4个关键生育期(春梢生长期：5月6日; 开花期：6月15日; 盛果期：7月31日; 落叶期：10月14日)在每小区取0~20 cm的土样, 将土样烘干, 过1 mm筛, 用于土壤理化性质分析.同时, 在相同处理的3个小区内随机取0~20 cm土壤样品, 去除杂物、细根后充分混合成一份土样, 将新鲜土样装入无菌自封袋, 放入带冰的收纳盒并迅速带回实验室, 每个生育期有4份土样(全年总计16份)用于16S高通量测序分析.
1.3 测定项目与方法 1.3.1 土壤理化性质测定参照文献[17], 采用烘干法测定土壤含水率(WT), 采用电导法测定土壤EC值, 采用电位法测定土壤pH值.参照鲍士旦[18]的测定方法：采用重铬酸钾容重法-外加热法测定土壤有机质(OM); 采用凯氏定氮法测定全氮(TN); 采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定速效磷(AP).
1.3.2 土壤细菌DNA提取与扩增称取200~500 mg土壤样品, 放入灭菌的2 mL离心管中, 加入1×PBS溶液, 振荡混匀, 在10 000 r·min-1室温离心3 min, 弃去上层液体.倒置2 mL管于吸水纸上1 min, 直至没有液体流出.采用E.Z.N.TM Mag-Bind Soil DNA Kit提取试剂盒进行DNA提取.16S rRNA基因V3-V4区序列采用引物341F(CCTACGGGNGGCWGCAG)和805R(GACTACHV GGGTATCTAATCC)进行扩增.扩增条件为94℃预变性3 min, 94℃变性30 s, 45℃退火20 s, 65℃延伸30 s, 5个循环; 94℃延伸20 s, 55℃退火20 s, 72℃延伸30 s, 20个循环.进一步采用匹配Illumina测序接头和标签引物扩增, 采用生工琼脂糖回收试剂盒(cat：SK8131)对DNA进行回收.回收产物用Qubit2.0定量, 根据测得的DNA浓度, 将所有样品按照1 ∶1的比例进行混合, 该混合样品可用于后续的测序.
1.3.3 高通量测序利用Illumina MiSeq平台进行16S rDNA基因V3~V4可变区高通量测序.将所有样本序列按照序列间的距离进行聚类, 后根据序列之间的相似性将序列分成不同的操作分类单元(OTUs).在97%的相似水平下进行OTU生物信息统计分析, 每个OTU被视为一个微生物物种, 采用Mothur(version 1.30.1)软件计算群落多样性指数(Shannon指数)、丰富度指数(Chao1指数)来评价细菌群落多样性和丰富度.基于RDP(http://rdp.cme.msu.edu/misc/resources.jsp)数据库对OTU进行注释.以上过程均委托上海生工生物工程有限公司完成.
1.4 数据处理与分析数据采用SPSS软件(version SPSS 25.0)进行相关性分析和方差分析, 采用最小显著差异法(least significant difference, LSD)进行显著性检验, 显著性水平为0.05.用Origin软件(version Origin 2018)绘制生育期内土壤理化指标图及土壤细菌门水平和属水平相对丰度图; 由“Bioinformatics & Evolutionary Genomics”网站(http://bioinformatics.psb.ugent.be/webtools/Venn/)绘制Venn图; 采用R4.2.0软件的vegan和ggplot2程序包基于Bray-Curtis变异系数进行β多样性分析及相似性分析(ANOSIM).用R4.2.0的psych和reshape2程序包进行Spearman相关性分析和绘制环境因子与细菌门水平和属水平的热图, 采用R4.2.0的dplyr和ggplot2程序包进行土壤环境因子与细菌群落结构的相关性分析及绘图.
2 结果与分析 2.1 土壤盐分及养分含量变化如图 2所示, 4个生育期EC平均值由大到小依次为开花期(1.96 mS·cm-1)、落叶期(1.21 mS·cm-1)、春梢生长期(0.72 mS·cm-1)和盛果期(0.64 mS·cm-1), 土壤表层盐分在生育期内波动较大.春稍生长期各改良处理的EC值较CK均有所降低, 但不显著(P＞0.05); 开花期LSG和LSG+JP显著降低了EC值(P < 0.05), 分别降低59.08%和62.05%; 盛果期改良处理均显著降低了EC值(P < 0.05); 落叶期LSG+JP显著降低了EC值(P < 0.05), 降低了59.77%.全生育期内不同改良处理的WT无显著差异(P＞0.05), 但改良处理的WT均高于CK.相较CK, LSG+JP和LSG在开花期至落叶期显著降低土壤pH值(P < 0.05), 分别降低7.25%和7.55%.
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不同小写字母表示不同处理差异达到显著水平(P < 0.05) 图 2 生育期内不同处理对土壤水盐及养分的影响 Fig. 2 Effects of different treatments on soil water, salinity, and nutrients during growth period |
相较CK, JP显著提高了全生育期的OM含量(P < 0.05), 平均提高31.80%; 开花期JP显著降低了AP含量(P < 0.05).与CK相比, LSG在开花期显著提升了OM、TN和AP的含量(P < 0.05), 分别提高35.86%、39.65%和134.23%.与CK相比, LSG+JP显著提高了全生育期的OM和AP含量, 在全生育期平均提高81.85%和207.61%; LSG+JP显著提高了开花期和落叶期的TN含量, 分别提高60.88%和59.21%(P < 0.05).
2.2 土壤细菌多样性分析生育期内不同处理特有及共有的OTUs做Venn图, 如图 3.在春梢生长期, CK、LSG、JP和LSG+JP的OTUs总数分别为3 492、4 095、4 441和4 657, 特有OTUs数为439、529、763和786; 开花期各处理的OTUs总数为2 626、3 436、2 684和3 969, 特有OTUs数为729、894、751和1 287.相较CK, 改良处理均增加了OTUs总数和特有OTUs数.在盛果期, CK、LSG、JP和LSG+JP的OTUs总数为3 392、3 283、2 770和3 449, 特有OTUs数为778、619、529和836.在春梢生长期至盛果期, LSG+JP处理的OUTs总数及特有OUTs数最多, 高于CK及其他单一改良, 说明综合改良对细菌群落影响较大.
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图 3 不同处理OTUs的韦恩图 Fig. 3 Venn diagram of OTUs under different treatments |
表 1为不同生育期下改良处理的多样性指数和丰富度指数.在改良初期(春梢生长期和开花期), 改良处理较CK增加了Shannon指数和Chao1指数, 其中LSG+JP的Shannon指数较CK提高了3.31%和6.54%, Chao1指数较CK提高了24.95%和43.26%. 而改良后期(盛果期和落叶期), 改良处理均降低了物种Shannon和Chao1指数, 其中JP在盛果期和落叶期的多样性均低于CK, 在落叶期的丰富度低于CK, LSG+JP的多样性和丰富度在落叶期低于CK.从全生育期OTUs数目来看, 改良处理的OTUs变化范围大于CK. CK、LSG、JP和LSG+JP的OTUs数分别在2 626~3 492、2 970~4 095、1 746~4 441和2 568~4 657之间.盐渍土改良初期微生物群落分布结构发生改变, 物种数量增加, 但这种变化并不稳定, 在改良后期物种数目有所减少, 因而落叶期JP和LSG+JP的多样性和丰富度低于CK.
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表 1 枸杞不同生育期土壤细菌多样性指数和丰富度指数 Table 1 Diversity index and richness index of soil bacteria at different growth stages of Lycium barbarum |
对不同生育期不同改良处理的土壤微生物群落进行主坐标分析(PCoA).结果表明, 在细菌β多样性中(图 4), PC1轴和PC2轴的贡献率分别为39.85%和14.49%, 累计贡献率为54.34%.不同生育期的细菌群落组成存在显著差异(ANOSIM, R=0.630 2, P < 0.001), 可见生育期对细菌群落的影响起主导作用, 不同改良处理对微生物群落的影响受限于不同生育期, 改良处理是影响细菌群落的辅助因素.
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图 4 不同生育期改良处理的土壤细菌PCoA分析 Fig. 4 PCoA analysis of soil bacteria under improvement treatments at different growth stages |
枸杞生育期内不同处理土壤细菌门水平的群落组成结构如图 5, 土壤样品共检测到37个门的细菌.平均相对丰度超过10%的细菌门类为优势门类, 全生育期优势菌门种类未发生变化, 本文的优势菌群为变形菌门(Proteobacteria)(45.43% ~72.21%)、拟杆菌门(Bacteroidetes)(9.37% ~16.13%)、放线菌门(Actinobacteria)(4.03% ~12.57%)和酸杆菌门(Acidobacteria)(3.59% ~11.28%).除春梢生长期, 各改良处理的变形菌门相对丰度较CK增加了0.5% ~16.27%; 各处理在生育旺盛期(开花期和盛果期)的放线菌门相对丰度较CK增加了1.91% ~4.98%, 拟杆菌门相对丰度较CK降低了0.22% ~6.06%.全生育期内改良处理酸杆菌门的相对丰度较CK增加了0.47% ~4.58%.此外, JP和LSG+JP处理在开花期和落叶期的念珠菌门(Candidatus Saccharibacteria)相对丰度较CK和LSG处理增加了0.03% ~0.29%.LSG和LSG+JP处理的硝化螺菌(Nitrospirae)在春梢生长期至盛果期的相对丰度较CK和JP处理增加了0.06% ~0.54%.
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(a)春梢生长期, (b)开花期, (c)盛果期, (d)落叶期 图 5 不同处理在门水平的微生物相对丰度 Fig. 5 Relative abundance of microorganisms at the phylum level under different treatments |
分析不同生育期和不同改良处理土壤细菌属水平的相对丰度发现(图 6).不同处理在全生育期的优势菌属各有不同, CK有鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)、黄杆菌属(Flavobacterium)、硫磷属(Thioprofundum)、Gp6和溶杆菌属(Lysobacter)等, 而LSG为鞘脂单胞菌属、假单胞菌属(Pseudomonas)、溶杆菌属、Gp10和佐贝拉属(Zobellella), JP有鞘脂单胞菌属、不动杆菌属(Acinetobacter)、假单胞菌属、溶杆菌属和新鞘氨醇杆菌(Novosphingobium)等, LSG+JP有鞘脂单胞菌属、不动杆菌属、假单胞菌属、Gp10、佐贝拉属和新鞘氨醇杆菌等.
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(a)春梢生长期, (b)开花期, (c)盛果期, (d)落叶期 图 6 不同处理在属水平的微生物相对丰度 Fig. 6 Relative abundance of microorganisms at the genus level under different treatments |
全生育期内CK的优势菌属为鞘脂单胞菌属(4.97% ~12.43%), 其他改良处理的优势菌属更为复杂且各有特色.开花期LSG、JP和LSG+JP处理假单胞菌属的相对丰度分别为6.4%、4.34%和6.04%, 高于CK处理(0.09%), 此外, 开花期至落叶期LSG和LSG+JP处理假单胞菌属的相对丰度均高于CK处理; 在开花期, 不动杆菌属为JP和LSG+JP处理的优势菌属, 相对丰度分别为9.49%和5.37%; 在春梢生长期至盛果期, LSG处理的溶杆菌属相对丰度平均高于CK处理的3.43%.此外, LSG和LSG+JP还特有优势菌属佐贝拉属, 最高相对丰度达28.39%.
2.4 土壤环境因子与细菌群落结构的相关性对OTUs数据进行去趋势分析(DCA), 结果显示排序轴的最大梯度长度为3.41, 选择线性模型中的冗余分析(RDA)用于后续分析.土壤环境因子与OTUs水平细菌的RDA结果如图 7, 第一主轴对门水平细菌群落方差变化的解释量为51.81%, 第二主轴的解释量为14.10%, 两轴共解释总变异的65.91%.从图 7可以看出, 与第1排序轴相关性高的环境因子为pH值(r2=0.714 2, P=0.001)、WT(r2=0.654 6, P=0.004)和AP(r2=0.493 0, P=0.016), 说明以上环境因子与细菌群落组成具有显著的相关性, 是影响细菌群落组成的重要因素.
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图 7 土壤细菌群落在OTUs水平与土壤环境因子的冗余分析 Fig. 7 RDA analysis of soil bacteria at the OTUs level with soil environmental factors |
通过Spearman相关性热图分析土壤理化性质对不同处理土壤细菌门水平群落组成的影响, 如图 8(a).结果显示, 各菌门与土壤EC值均呈负相关, 其中变形菌门和拟杆菌门与EC值呈极显著负相关(P＜0.001), 放线菌门和硝化螺菌与EC值呈显著负相关(P＜0.01), 芽单胞菌门、绿弯菌门和厚壁菌门与EC值呈显著负相关(P＜0.05); WT与疣微菌门呈极显著正相关(P＜0.001), 与厚壁菌门呈显著正相关(P＜0.01), 与变形菌门、酸杆菌门、拟杆菌门、放线菌门、芽单胞菌门和硝化螺菌呈显著正相关(P＜0.05); pH值与疣微菌门和芽单胞菌门呈显著正相关(P＜0.01和P＜0.05); AP与厚壁菌门和疣微菌门呈显著正相关(P＜0.01和P＜0.05); OM与厚壁菌门呈显著正相关(P＜0.01), 与拟杆菌门、放线菌门和绿弯菌门呈显著正相关(P＜0.05).
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(a)门水平, (b)属水平; X轴和Y轴分别为环境因子和细菌菌群, 通过计算获得相关性R值和P值; *表示0.01≤P＜0.05, **表示0.001≤P＜0.01, ***表示P＜0.001 图 8 环境因子与细菌群落组成Spearman相关性热图 Fig. 8 Spearman correlation heatmap between environmental factors and bacterial community composition |
通过Spearman相关性热图分析土壤理化性质对不同处理土壤细菌属水平群落组成的影响, 图 8(b).结果显示, Gp6与WT和pH值呈显著正相关(P＜0.01), 与AP呈显著正相关(P＜0.05); Gp10和新鞘氨醇杆菌均与WT呈显著正相关(P＜0.01), 与EC值呈显著负相关(P＜0.05), 此外Gp10与AP呈显著正相关(P＜0.01); 红杆菌属(Erythrobacter)与EC值呈显著负相关(P＜0.05), 与OM呈显著正相关(P＜0.05).
以细菌多样性(Shannon指数)、丰富度(Chao1指数)和群落结构(主成分分析一轴)与土壤环境因子进行相关性分析. 如图 9所示, 细菌多样性与WT和pH值显著相关(P＜0.05, P＜0.01), 细菌丰富度与WT(P＜0.01)、pH值(P＜0.05)和AP(P＜0.01)显著相关.
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A表示细菌多样性, B表示细菌丰富度, C表示细菌群落结构 图 9 微生物群落结构特征与土壤指标的相关性分析 Fig. 9 Correlation analysis between microbial community and soil properties |
本研究发现土壤表层EC值在生育期内波动较大, 灌溉总量的不同导致了土壤盐分的差异.春梢生长期至开花期进行了一次微咸水灌溉, 此时微咸水中盐分被带入土壤, 增加了土壤盐分; 开花期至盛果期进行了两次灌水(单次灌水定额相同), 灌水量的增加使微咸水发挥了淋洗土壤盐分的作用; 而盛果期至落叶期无灌溉, 土壤水分蒸发较大, 且碱蓬枯萎后植物蒸腾减弱, 相较于前3个生育期加剧了土壤蒸发, 落叶期深层土壤盐分返回表层, 因此EC值有所增加.本研究发现磷石膏在开花期和盛果期均显著降低了土壤EC值, 而张济世等[19]认为磷石膏本身含有大量钙离子因而会增加土壤盐分, 与本文观点不一致.灌排条件不同是导致石膏施用后土壤脱盐效果差异的主要原因[20], 本试验在春稍生长期和盛果期之间进行了灌溉, 将盐离子淋洗至深层土壤[21], 试验区旁有斗沟, 提供了良好的排水排盐条件, 故表层土壤EC值显著降低.本研究表明, 碱蓬在春梢生长期和开花期未显著降低EC值, 在盛果期显著降低了EC值, 随着碱蓬的生长和数量增多, 碱蓬通过表覆土壤增强植物蒸腾、减少土壤水分蒸发, 降低了土壤盐分[22], 这说明碱蓬的改良效果随生育期发展逐渐显现.本研究发现磷石膏与碱蓬综合改良在开花期至落叶期均显著降低了土壤EC值, 优于单独施加化学改良剂和单独种植耐盐植物, 分析其原因为碱蓬根系深入土壤的钙积层, 利于磷石膏中Ca2+充分接触土壤.此外, 当磷石膏发生置换反应将土壤中NaCl变成更易溶的Na2SO4后, 仍需配合水利措施淋洗Na+, 叶片肉质化植物碱蓬起到了吸收Na+的作用[12].磷石膏、碱蓬和综合改良处理的WT在全生育期均高于CK, 说明改良处理降低土壤蒸发和减少水分消耗[23], 起到一定的保水效果.此外, 磷石膏及综合改良处理均在后3个生育期显著降低了土壤pH值, 原因在于磷石膏中Ca2+与土壤中游离的碱性Na+发生置换反应降低土壤碱性[7], 磷石膏产自硫酸分解磷矿粉的残渣, 它保留了一部分硫酸或磷酸, 呈酸性, 降低了盐渍土的pH值.
碱蓬生长过程促进了根部微生物的活性, 通过微生物分解增加了OM[24], 故碱蓬显著提高了全生育期OM含量.但碱蓬在开花期显著降低了AP含量, 原因是碱蓬处于生长发育阶段需从土壤中吸收大量磷素[24].本研究发现磷石膏显著提高了开花期OM、TN和AP含量, 由于磷石膏通过中和碱性土壤改善了土壤结构, 中和反应生成的钙胶体促进土壤形成团聚体[25], 利于OM的积累; 磷石膏在降低pH值的同时改善了土壤理化性质, 对TN含量等均有贡献[8]; 由于磷石膏本身含磷, 因此显著提高了AP含量.本研究中综合改良处理显著提高了OM、TN和AP, 全生育期内综合改良的OM较CK提升了81.85%, 而碱蓬单一改良处理下OM较CK提升了31.80%; 开花期综合改良的TN较CK显著提高了60.88%, 而磷石膏单一改良处理下TN较CK提高了39.65%, 由此可见综合改良不仅在降低土壤EC值上优于单一改良处理, 还在OM和TN等指标上优于单一改良.
3.2 盐渍土改良处理对群落结构的影响土壤微生物在盐碱地生态系统中起重要作用, 挖掘和利用盐渍化土壤中耐盐碱的功能微生物, 可以促进土壤的物质转化, 改善盐碱土壤结构及土壤肥力, 降低pH值及含盐量, 从而有利于盐碱土的改良[2].
本研究发现变形菌门、拟杆菌门、放线菌门和酸杆菌门是该盐碱地的优势菌门.其他学者[3, 26, 27]在河套灌区、黄河三角洲和宁夏盐碱地也监测出变形菌门、拟杆菌门和放线菌门为优势菌门.变形菌门可适应各种复杂环境, 是盐碱土中最常见的微生物类群[3], 变形菌门相对丰度在富营养水平下增加[28], 本研究中改良处理均显著增加了OM含量, 较CK增加了变形菌门的相对丰度.放线菌门适合在弱碱性土壤中生存, 能有效降低土壤pH[29], 参与OM转化、土壤结构形成、植物生长素和抗生素分泌[30, 31].改良处理增加了生育旺盛期放线菌门的丰度, 使放线菌门成为优势菌门之一.本文发现改良处理增加了酸杆菌门的丰度, 原因是酸杆菌可通过代谢产酸作用实现对碱性土壤的中和调控[32], 是植物抗盐机制中的有益细菌[33], 这与董梦阳等[34]研究观点类似.由此可见, 改良处理通过优化细菌群落结构的方式调节土壤.此外, 本文发现碱蓬改良处理(JP和LSG+JP)的念珠菌门高于CK和LSG处理, 相关研究报道碱蓬较裸地会多出念珠菌目[35].磷石膏改良处理(LSG和LSG+JP)的硝化螺菌高于CK和JP处理, 王晓岑等[36]研究表明磷石膏可降低肥料中氨的挥发, 本文进一步推测磷石膏影响了氨的挥发, 从而进一步影响了硝化反应, 所以磷石膏处理的硝化螺菌高于CK和JP处理.
虽然门水平的物种组成基本相同, 但不同改良处理的优势菌属有明显差异.本研究发现, 鞘脂单胞菌属为该盐碱区域的优势菌属, 这与当地常年在作物生育期前施有机肥做为底肥的施肥习惯有关, 有机肥补充了土壤的碳库和氮库, 从而刺激了变形菌门中鞘脂单胞菌属相对丰度的增加[37].此外, 鞘脂单胞菌属适应性强, 在不同盐碱地作为优势菌属广泛存在[38, 39].本研究发现, 改良处理增加了土壤细菌群落结构的复杂性, 优势菌属更加丰富, 这与土壤细菌多样性的结果相一致.和CK相比, 改良处理使土壤微生物中增加了假单胞菌属, 假单胞菌属是耐盐植物的优势菌属[40], 在固氮环节中假单胞菌属等可将空气中的分子氮转化为有机氮, 增加了土壤的氮素营养[27], 这从土壤微生物角度解释了改良处理较CK提高了土壤养分的原因.开花期至落叶期磷石膏改良处理的假单胞菌属相对丰度高于CK, 这是因为添加磷石膏后假单胞菌属能将土壤中难溶性磷转化为可被利用的有效磷等[41], 促进养分转化和植物生长.碱蓬处理增加了开花期的不动杆菌属, 不动杆菌是碱蓬内生细菌的优势菌属[42], 不动杆菌常与假单胞菌属和芽孢杆菌等一起作为植物促生长剂[43], 可在生育旺盛期为植物生长提供必需的养分.郑敏娜等[44]在综合改良中发现添加化学改良剂后溶杆菌属为优势菌属, 本文得出LSG处理的溶杆菌属相对丰度高于CK处理, 认为溶杆菌属的增多可能与施用改良剂有关.佐贝拉属是变形菌门下反硝化细菌, 磷石膏处理出现较多的佐贝拉属, 认为是由磷石膏影响氨挥发进而影响硝化反应引起的.
3.3 盐渍化土壤细菌群落与环境因子的关系盐渍化土壤环境改变会导致土壤微生物群落的变化, 同时土壤各菌属数量也会因土壤境况不同而发生改变.Cheng等[45]得出驱动西北干旱区盐碱地的主要因素是土壤pH值和EC值, He等[46]得出影响黄河三角洲土壤微生物的主要因素有WT, 本文RDA结果表明, 驱动盐渍化土壤细菌群落结构变化的主要因素有pH值、WT和AP.AP驱动细菌群落变化的主要原因是改良过程中施加磷石膏显著增加了AP, 对土壤微生态起到了积极作用.
在高盐环境中关键氮代谢(如氨化、固氮作用、硝化和反硝化过程)被抑制[47], 变形菌门和EC值呈极显著负相关; 研究表明拟杆菌门是中度嗜盐菌, 与土壤EC值呈正相关[48], 也有研究表明拟杆菌门生长在适宜的盐分范围内, 盐分过高或过低均不利于其生长繁殖[49], 本文得出拟杆菌门和土壤EC值呈显著负相关, 可能试验区土壤盐分处在不利于拟杆菌门生长的范围内.细菌菌门与土壤环境因子间的关系受土壤类型不同而有差异.黄雅丽等[50]认为放线菌门与WT呈正相关, 与本文研究结果一致; 郑兰香等[51]得出放线菌门和EC值呈正相关, 而本研究显示放线菌门与EC值呈极显著负相关, 产生不同相关性规律在于郑兰香等的研究对象是受水体影响的岸边带, 而本文的研究对象为内陆盐渍化土壤.张仲富等[52]认为湿地系统的酸杆菌门与WT呈负相关, 而本文得出盐渍化农田的酸杆菌门与WT呈显著正相关, WT增加利于土壤盐分随水分流动, 进而将盐分排出土壤, 利于盐碱地改良, 表现为酸杆菌门增加.此外, 本文得出芽单胞菌门与EC呈显著负相关, 与WT和pH值呈显著正相关, 但张晓兰等[53]基于青藏高原多年冻土区得出pH值与芽单胞菌门显著负相关, 不同的土壤条件导致了菌群与环境因子相关性差异.有研究表明酸杆菌的百分比随着pH值的降低而增加[54], 尽管在本研究中酸杆菌门与pH值无显著相关性, 但酸杆菌亚群的Gp6和土壤pH值呈显著正相关, 与Jones等[55]研究的结果一致.
相关性分析表明细菌多样性、丰富度显著影响WT、pH值和AP(图 9), 但微生物群落结构对土壤盐分和养分等环境因子影响较小, RDA结果表明WT、pH值和AP是影响细菌群落组成的重要因素(图 7).胡志娥等[56]研究表明长期覆膜条件下微生物群落结构和多样性的变化并不是调节土壤养分的主要因素, 而是由于微生物的功能冗余性, 通过调节土壤中特异性功能微生物物种来实现对土壤养分元素周转的调控, 本研究进一步表明盐渍化土壤改良条件下通过调节土壤特异性功能微生物物种来调控主要环境因子(WT、pH值和AP), 进而影响其他土壤指标.
4 结论(1) 生育期内综合改良处理(LSG+JP)的土壤EC值和pH值较传统枸杞种植(CK)降低了9.86% ~54.22%和3.01% ~8.35%, OM、TN和AP平均提高了81.85%、48.91%和207.61%.
(2) 改良初期综合改良较传统枸杞种植提高了细菌丰富度和多样性, Shannon指数较CK提高了3.31%和6.54%, Chao1指数较CK提高了24.95%和43.26%.试验区盐碱地的主要优势菌门为变形菌门、拟杆菌门、放线菌门和酸杆菌门, 优势菌属为鞘脂单胞菌属.
(3) pH值、WT和AP是影响细菌群落组成的重要因素.变形菌门和放线菌门与土壤EC值呈显著负相关, 开花期至落叶期改良处理的变形菌门相对丰度较CK增加了0.50% ~16.27%, 放线菌门相对丰度在开花期和盛果期较CK增加了1.91% ~4.98%.改良处理优化了群落结构, 利于盐渍土的正向演替.
(4) 适宜当地盐渍化枸杞园的改良方案为施加磷石膏和枸杞间种碱蓬的综合措施(LSG+JP).
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