2025, Vol. 46
淡水资源短缺是影响干旱区农业可持续发展的重要限制因素之一[1]. 新疆属于典型的干旱区, 降水量少, 蒸发量大, 且农业灌溉用水量较大, 导致淡水资源稀缺的问题更为突出, 但新疆地区拥有较为丰富的咸水资源, 通过科学合理地使用咸水资源进行农业灌溉对弥补淡水资源不足具有重要作用[2]. 然而长期使用咸水进行灌溉会引起土壤中盐分的累积效应, 引起土壤理化指标恶化, 最终加剧微生物群落结构恶化, 导致土壤肥力下降[3], 抑制农作物对土壤养分的吸收. 棉花是中国主要经济作物, 也是典型的耐盐作物, 其产量和品质高低受控于土壤养分、盐分等多种因素影响[4]. 磷作为棉花生长的关键营养元素, 其循环过程受到土壤微生物的严格调控, 但土壤中磷素利用率较低[5]. 施用的磷肥只有少量被当季农作物吸收, 大量磷被残留在土壤中并逐渐累积[6]. 这不仅会导致大量磷素资源浪费, 影响土壤磷的有效性, 还会降低土壤质量从而能影响全球土壤环境变化[7]. 土壤中残留的磷主要以非水溶性磷酸盐的形态存在, 需通过转化才能被利用[8]. 而微生物是土壤磷循环的重要载体, 在调控磷循环和维持作物生产力等方面有重要作用[9]. 因此, 研究干旱地区长期咸水滴灌下盐离子对棉田土壤理化特性和磷循环微生物群落组成及功能基因的影响, 对于理解土壤磷素循环机制、优化农业生产具有重要意义.
当前, 关于长期咸水滴灌中盐分对土壤微生物群落结构的研究已取得了一定进展. 有研究表明, 盐离子会影响土壤中微生物种群构成[10], 降低作物对土壤磷素的吸收, 导致作物减产并对土壤微环境产生负面效应[11], 但也有研究发现盐离子能提高土壤微生物的丰富度[12]. 微生物通过磷活化、磷运输和磷调控等过程, 有效参与土壤磷素循环[13]. 土壤微生物可分泌特定的有机酸类物质, 将非水溶性磷酸盐转化为水溶性磷酸盐, 从而使其能够被植物利用[14]. 有研究发现土壤中盐离子对磷循环起着决定性作用[15], 土壤中的磷和盐分在作物生长过程中会相互作用, 植物对磷的吸收和利用均受土壤盐分影响[16]. 土壤盐度是决定phoD基因族群的关键驱动因素[17]. 磷循环微生物群落丰度和磷可利用性通过促进土壤磷的微生物溶解和矿化而对盐度的适度增加做出积极响应, 进而控制土壤功能和养分平衡[18]. 基于以上研究, 盐分对磷循环的研究多数集中在盐分对土壤各形态磷的吸附与解析过程, 且研究地点多为河口潮汐淡水沼泽湿地等地区[19], 但是在干旱地区, 土壤磷循环微生物功能潜能对长期咸水滴灌下的响应尚未明晰.
鉴于干旱地区淡水资源缺乏的严峻现实, 本文在长期咸水滴灌定位试验的基础上, 结合宏基因组学的技术手段, 深入研究长期咸水滴灌对棉田土壤磷循环微生物种群特征及其功能基因的效应, 探讨了影响土壤磷循环微生物及其功能之间关键环境因子, 在微观尺度上阐明咸水滴灌对棉田土壤磷循环机制的影响, 以期为干旱区咸水资源的合理开发和土壤磷素管理提供理论支撑.
1 材料与方法 1.1 试验区概况本试验于2022年在石河子大学农科综合试验中心开展. 供试土壤类型为灰漠土, 种植作物为棉花, 品种“新陆早74号”. 在试验开展前（2009年）土壤理化性质, 土壤pH：7.9, 电导率（水土比5∶1）：0.13 dS·m-1, ω（有机质）：16.8 g·kg-1, ω（全氮）：1.1 g·kg-1, ω（速效磷）：25.9 mg·kg-1.
1.2 试验设计试验为田间小区定位试验, 在已持续试验了13 a（2009~2021年）的咸水滴灌试验基础上进行. 试验共设2个处理, 淡水（FW, 0.35 dS·m-1）和咸水（SW, 8.04 dS·m-1）灌溉处理, 其中淡水为地下水, 咸水是由淡水加入同等比例的NaCl和CaCl2调配而成, 2种灌溉水质的离子浓度如表 1所示. 试验为随机区组试验, 每个处理3个重复, 共6个试验区, 每个区面积25 m2.
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表 1 灌溉水的离子浓度/g·L-1 Table 1 Ion concentrations of irrigation water /g·L-1 |
棉花种植采用“干播湿出”的覆膜栽培技术, 种植模式为1膜3管6行, 行距和株距分别为70 cm和10 cm, 播种密度为22.2万株·hm-2. 棉花于2022年4月27日播种, 为确保棉花出苗, 播种后滴灌出苗水30 mm. 在整个生育期共进行9次灌溉, 6月中旬至8月中旬期间每7~10 d灌溉一次, 共计灌水450 mm, 灌水方式为滴灌. 试验中氮肥（尿素, 氮含量≥46.4%）用量为360 kg·hm-2, 在棉花生长期内分5次随水滴施, 钾肥（硫酸钾, K2O 60 kg·hm-2）和磷肥（重过磷酸钙, P2O5 105 kg·hm-2）均作基肥一次性施入. 其他田间管理措施同当地大田管理.
1.3 样品采集与分析在花铃期取0~20 cm耕层土壤, 各处理均取3个样点, 土样充分混合并除去杂质. 将一部分新鲜土样置于冰盒, 带回即刻存放于-80℃的冰箱, 以便进行土壤微生物宏基因组测序；另一部分带回实验室晾干, 研磨过筛（1 mm）, 用于测定土壤理化性质和土壤无机磷组分. 并在采集土壤同时, 各处理均取3株棉花, 带回实验室, 将棉花各器官分别置于不同牛皮纸袋中进行杀青, 烘干, 称重, 记录棉花干物质重, 后将烘干的植株粉碎, 用于测定棉花植株各器官含磷率以及磷素的吸收量. 在棉花收获期测定棉花籽棉产量.
1.4 样品测定 1.4.1 棉花干物质重、含磷率、磷素吸收及产量测定棉花干物质重采用烘干法测定；棉花含磷率用硫酸-双氧水消煮, 钼锑抗比色法测定；棉花磷素的吸收量（kg·hm-2）=棉花干物质重×含磷率. 棉花产量以单位面积内籽棉的产量来计算, 采摘棉花样品晾干至恒重, 称重得到棉花籽棉产量.
1.4.2 土壤理化性质和无机磷组分的测定土壤理化性质测定方法参考《土壤农化分析》[20]. 土壤EC1：5和pH测定（水土比为2.5：1）分别用MP522型电导仪和pH仪；土壤含水量用烘干法测定；速效磷用NaHCO3-钼锑抗比色法测定；全磷用高氯酸-硫酸消煮法测定. 土壤无机磷分级测定采用顾益初等的测定方法[21].
1.4.3 土壤微生物群落宏基因组测定使用Illumina NovaSeq Reagent Kits试剂盒进行DNA提取. 用琼脂糖凝胶电泳将分离出的基因片段进行质量检测, 选取合格的基因片段进行保存. 使用超声波粉碎仪器Covaris M220和建库试剂盒NEXTFLEX Rapid DNA-Seq Kit进行粉碎（400bp）和建库.
宏基因组测序工作是由上海阿趣生物科技有限公司高通量测序平台完成, 使用Illumina测序平台测序. 测序完成后, 筛选出高质量的读数, 使用拼接软件MEGAHIT将筛选出的高质数据拼接并组装成重叠群, 然后构建De-Brujin graph, 获得Contigs. 进一步筛选长度大于400bp以上的Contigs作为最终组装结果. 使用生物信息学软件Prodigal对Contigs序列进行预测, 将其准确解码为氨基酸序列. 用特定的CD-HIT软件工具筛选出非冗余的初始基因目录. 依据identity 95%和coverage 90%进行聚类, 并从每个聚类中选取最长的序列作为典型序列. 为进一步揭示这些基因的功能和特性, 结合KEGG数据库进行物种注释和基因预测.
1.5 数据处理试验数据用Excel 2016进行数据的计算和分析. 用SPSS 21.0邓肯法（P < 0.05）进行显著性分析. 采用Origin 2021做相关性分析热图, 得到显著影响物种和功能基因变化的重要环境因子. 用R语言（R-4.1.3）绘制各处理的优势物种和功能丰度柱状图.
2 结果与分析 2.1 棉花干物质重、产量、含磷率以及磷素累积量咸水滴灌显著降低棉花干物质重和籽棉产量（表 2）, 较FW处理分别降低31.2%和22.3%. 进一步分析棉花植株不同器官含磷率（表 3）, 总体上SW较FW处理显著增加棉花植株的含磷率, 其中棉花茎的含磷率显著降低, 而棉花叶和铃的含磷率显著增加, 最终表现为显著增加趋势. 从棉花植株磷素积累量来比较（表 3）, 总体上SW较FW处理显著降低棉花植株的磷素累积量, 其中棉花茎和叶的磷素累积量均显著降低, 分别降低36.8%和16.6%, 而棉花铃的磷素累积量无显著差异.
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表 2 淡水和咸水滴灌条件下棉花的干物质重和产量1） Table 2 Dry matter weight and yield of cotton under freshwater and saline drip irrigation conditions |
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表 3 淡水和咸水滴灌条件下棉花不同器官的含磷率和磷素积累量 Table 3 Phosphorus content and accumulation in different organs of cotton under freshwater and saline drip irrigation conditions |
2.2 土壤理化性质和无机磷组分含量
表 4结果显示, SW较FW处理显著增加土壤SWC、EC1∶5和AP含量, 分别增加27.3%、581%和128%；但土壤pH却显著降低4.0%. 表 5结果表明, SW较FW处理显著增加土壤Ca2-P和Ca10-P含量, 分别增加56.0%和28.9%；但显著降低Ca8-P、Al-P、Fe-P和O-P含量, 分别降低23.4%、30.6%、18.6%和39.8%. 不同处理土壤无机磷组分中Ca10-P含量最高, 其次是Fe-P、Ca8-P、Al-P、O-P和Ca2-P含量.
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表 4 淡水和咸水滴灌条件下土壤理化性质 Table 4 Soil physical and chemical properties under freshwater and saline drip irrigation conditions |
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表 5 淡水和咸水滴灌条件下土壤无机磷组分/mg·kg-1 Table 5 Inorganic phosphorus components in soil under freshwater and saline drip irrigation conditions /mg·kg-1 |
2.3 土壤磷循环微生物物种分布
土壤磷循环微生物门水平的韦恩图如图 1所示. FW处理特有的物种数为2, 占总物种数的5.7%, 分别为Candidatus Omnitrophica（62.50%）和节肢动物门（37.50%）[图 2（a）]. SW处理特有的物种数为16, 占总物种数的45.7%, 主要为绿菌门（22.47%）、装甲菌门（20.22%）、Candidatus Eisenbacteria（12.36%）、candidate division Zixibacteria（6.74%）和异常球菌-栖热菌门（4.49%）[图 2（b）]. FW和SW处理共有的物种数为17, 占总物种数的48.6%, 主要为变形菌门（30.50%）、放线菌门（24.42%）、酸杆菌门（12.56%）、芽单胞菌门（10.93%）、绿弯菌门（9.24%）和拟杆菌门（5.12%）, 以上物种分布均大于5%[图 2（c）].
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图 1 淡水和咸水滴灌条件下土壤微生物群落OTUs数 Fig. 1 OTUs of soil microbial community under freshwater and saline drip irrigation conditions |
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（a）、（b）和（c）分别表示在门水平上FW处理特有的、SW处理特有的以及FW与SW处理共有的物种分布 图 2 淡水和咸水滴灌条件下土壤特有微生物物种分布 Fig. 2 Distribution of soil specific microbial species under freshwater and saline drip irrigation conditions |
土壤磷循环微生物群落主成分分析如图 3所示. 主成分PCA1和PCA2的贡献率分别为60.57%和16.14%, 累计贡献率为76.71%. FW和SW处理在PCA1轴上显著分离, 表明长期咸水滴灌对微生物群落结构有显著影响.
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图 3 淡水和咸水滴灌条件下土壤微生物群落的PCA分析 Fig. 3 PCA analysis of soil microbial communities under freshwater and saline drip irrigation conditions |
在门水平分类上, 相对丰度≥1%的优势菌门类共筛选到12个（图 4）, 主要为变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、芽单胞菌门、绿弯菌门、硝化螺旋菌门和拟杆菌门等, 约占两个处理磷循环途径总序列的96%以上. 其中变形菌门在两个处理中的相对丰度最高, 其相对丰度达30%以上. 较于FW处理, SW处理增加土壤磷循环各个途径中变形菌门和芽单胞菌门等的相对丰度, 但降低放线菌门和酸杆菌门等的相对丰度；绿弯菌门相对丰度在无机磷增溶途径、有机磷矿化途径、调控和转运途径中增加, 而在多聚磷酸盐合成和降解途径中降低. 变形菌门在有机磷矿化途径中的相对丰度最高, 放线菌门在转运途径中的相对丰度最高, 酸杆菌门和芽单胞菌门在无机磷增溶途径中的相对丰度最高.
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图 4 淡水和咸水滴灌条件下土壤磷循环微生物群落相对丰度（门水平） Fig. 4 Relative abundance of soil phosphorus cycling microbial communities under freshwater and saline drip irrigation conditions (phylum level) |
在纲水平分类上, 相对丰度≥1%的优势菌纲类共筛选到20个（图 5）, 主要为α-变形菌纲、放线菌纲、β-变形菌纲、嗜热油菌纲、γ‐变形菌纲和δ-变形菌纲等, 约占两个处理磷循环途径总序列的96%以上. 较于FW处理, SW处理增加土壤磷循环各个途径中α-变形菌纲和γ‐变形菌纲等的相对丰度, 但降低放线菌纲和β-变形菌纲等的相对丰度. α-变形菌纲、放线菌纲、β-变形菌纲和γ‐变形菌纲均在转运途径中的相对丰度最高, 而嗜热油菌纲和δ-变形菌纲均在多聚磷酸盐合成途径中的相对丰度最高.
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图 5 淡水和咸水滴灌条件下土壤磷循环微生物群落相对丰度（纲水平） Fig. 5 Relative abundance of soil phosphorus cycling microbial communities under freshwater and saline drip irrigation conditions (class level) |
将土壤中涉及磷循环途径的功能基因进行逐一筛选, 6个磷循环途径的功能基因相对表达量如图 6所示. 在棉田土壤中, 转运途径和多聚磷酸盐降解途径所涉及的功能基因相对表达量较高, 其次是无机磷增溶、调控、有机磷矿化和多聚磷酸盐合成途径. 与FW相比, SW处理的6个循环途径（调控、转运、无机磷增溶、有机磷矿化、多聚磷酸盐合成和降解）的基因相对表达量均显著提高, 分别提高21.5%、31.0%、28.9%、27.0%、28.1%和29.0%. 说明长期咸水滴灌会促进土壤磷循环功能基因的相对表达量.
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不同小写字母表示各处理平均值之间存在显著性差异（P < 0.05） 图 6 淡水和咸水滴灌条件下土壤磷循环功能基因的相对表达量 Fig. 6 Relative expression levels of soil phosphorus cycling functional genes under freshwater and saline drip irrigation conditions |
对土壤磷循环6个途径的关键功能基因进行进一步分析（图 7）. 相较于FW处理, SW处理降低了多聚磷酸盐降解相关基因（relA、PK2、spoT、ppnK、surE）、转运相关基因（pit、ugpA、ugpB、ugpE、pstB、pstS、pstC、pstA）、多聚磷酸盐合成相关基因（ppaC、ppk1）、调控相关基因（phoU）、无机磷增溶相关基因（ppx、ppa、gcd）和有机磷矿化相关基因（phnA、phnX、opd、phoN、phoD、appA、phnO）等26个基因的相对丰度, 但增加了多聚磷酸盐降解相关基因（HDDC3、ppgK、ndk）、有机磷矿化相关基因（ppnN、ppnL、ppnM、ppnH、phnP、phoA、phnG、phnW、phnI、phnJ）、调控相关基因（phoB、phoR）和转运相关基因（ppnD、ppnE、phnF、ppnC、ppnK、ugpC、ugpQ）等22个基因的相对丰度. 可见, 长期咸水滴灌对土壤磷循环功能基因相对丰度影响较为明显.
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图 7 淡水和咸水滴灌条件下土壤磷循环功能基因的相对丰度 Fig. 7 Relative abundance of soil phosphorus cycling functional genes under freshwater and saline drip irrigation conditions |
在门分类水平下（图 8）, 变形菌门、绿弯菌门和浮霉菌门与土壤AP和Ca2-P呈显著正相关, 但与土壤Fe-P显著负相关, 其中变形菌门还和Ca10-P呈显著正相关. 酸杆菌门和放线菌门与土壤pH和Al-P呈显著正相关, 但与土壤EC呈显著正相关, 其中酸杆菌门还和O-P呈显著正相关关系. 土壤SWC与芽单胞菌门呈显著正相关, 土壤Ca8-P和Fe-P均与芽单胞菌门呈显著负相关.
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*表示P < 0.05, **表示P < 0.01；1.SWC, 2.EC, 3.pH, 4.TP, 5.AP, 6.Ca2-P, 7.Ca8-P, 8.Fe-P, 9.Al-P, 10.O-P, 11.Ca10-P, 下同 图 8 门水平上前10种微生物与环境因子的相关分析 Fig. 8 Correlation analysis between the top ten microorganisms and environmental factors at the phylum level |
不同处理土壤磷循环具有显著差异的前20个功能基因与环境因子的相关性分析如图 9所示. 土壤SWC和Ca10-P含量与ndk、phoB、phnW、phnP、phnC和phnH呈显著正相关, 但与ppaC呈显著负相关关系, 另外, SWC还与phnE、phnM呈显著正相关；Ca10-P与phnG呈显著正相关, 与phnA呈显著负相关. 土壤EC和AP与HDDC3、phnN和phnG呈显著正相关, 但土壤EC与phnA和ppk1呈显著负相关, 土壤AP与pit呈显著负相关. 土壤pH和Al-P与phnA和ppk1呈显著正相关, 但与phnD、phnE、phnL、phnM、phnK和ndk呈显著负相关. 土壤Ca8-P和Fe-P与phnH、phnC、phnP、phnW和phoB呈显著负相关, 但与ppaC呈显著正相关. 土壤Ca2-P与phnM、phnP、phnC、phnH、phnG、phnW和phoB呈显著正相关, 但与ppaC呈显著负相关关系. 土壤O-P与HDDC3、phnE、phnL、phnM、phnK和phoA呈显著负相关, 但与pit呈显著正相关关系.
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图 9 土壤磷循环功能基因与环境因子间的相关分析 Fig. 9 Correlation analysis between soil phosphorus cycling functional genes and environmental factors |
长期咸水滴灌会提升土壤盐离子含量, 盐分不仅破坏土壤结构, 还显著降低作物生产力, 成为影响农田生产的关键因素[22]. 盐分引起土壤养分缺乏是导致含盐区作物产量下降的一个重要原因[23]. 有研究发现, 盐分会抑制微生物生长繁殖, 减缓作物对养分的吸收速率, 导致作物减产[24]. 本研究也发现, 长期咸水滴灌会显著降低棉花干物质重和籽棉产量, 这是因为长期咸水滴灌引入大量的盐基离子, 土壤中盐分的含量超出了棉花对盐分的最适耐受域[19], 抑制棉花生长, 故棉花干物质重和产量均出现了显著降低趋势, 这是棉花遭受盐胁迫最直观的表现[25]. 作物磷素累积量是反映作物对土壤磷素吸收的直接指标. 有研究发现, 微咸水灌溉后植株对磷的吸收显著降低[12], 这跟本研究结果相一致, 但本文进一步研究棉花不同器官的含磷率, 却发现长期咸水滴灌显著增加棉花植株的含磷率, 这可能是因为在盐胁迫下, 溶磷菌能够分泌一些有机化合物, 通过螯合和酸化等过程将土壤中不易被作物吸收的磷转变为易吸收的形态, 进而增强作物对磷的吸收, 减轻了盐胁迫对棉花植株的损伤[26].
3.2 咸水滴灌对棉田土壤理化性质和无机磷组分的影响长期咸水滴灌会导致土壤盐分表聚, 损害土壤理化平衡, 加剧土壤盐化威胁[27], 最终影响作物正常生长. 本研究发现, 长期咸水滴灌会显著增加土壤含水量, 一方面是因为土壤盐分的增加会使土壤结构被破坏, 从而导致土壤蒸散率降低[28], 另一方面是因为土壤中大量的盐分离子降低了土壤水势, 棉花根系受到了盐胁迫, 从而影响根系对水分的吸收[29]. 本研究中土壤电导率显著升高是因为长期咸水滴灌引入大量盐离子, 使土壤质地变得黏重从而增加电导率[30]. 而土壤pH显著降低主要是因为长期咸水滴灌引入了大量钠离子、钙离子和氯离子等无机离子, 促进植物对水分的吸收, 在进行一系列生理代谢过程中会释放出大量H+和有机酸等[31]. 本研究还发现长期咸水滴灌显著增加了土壤速效磷养分的含量, 这可能是因为土壤盐分的变化能够显著影响微生物的功能活性, 加速其对磷的溶解与矿化过程, 从而提高有效磷的占比[32].
无机磷各组分含量是表征土壤磷循环情况最直接的指标之一[33]. 在石灰性土壤中Ca-P起主导作用, 其稳定性强烈依赖于土壤pH[34]. 本研究结果显示, 长期咸水滴灌增加土壤Ca-P的含量, 这可能与长期咸水滴灌降低土壤pH有一定的关系, 咸水滴灌土壤中的Ca2+跟溶解的二氧化碳反应生成方解石, 进而吸附土壤中的P形成Ca-P[35], 这也就使得Ca-P的含量显著增加. 本研究还发现长期咸水滴灌显著降低土壤Al-P和Fe-P含量, 而Al-P和Fe-P的含量与土壤中铁离子及磷酸根离子的含量相关[19], 当土壤中盐分增加时, 土壤铁离子矿物在形成的过程中会固定磷酸根离子, 形成Al-P和Fe-P, 而长期咸水滴灌由于植物生物量降低, 使得根系泌氧活动达到较低值, 土壤中Fe3+矿物转化为Fe2+矿物, 抑制了土壤Al-P和Fe-P的形成[36]. 本研究中O-P的变化趋势和Al/Fe-P相似, 长期咸水滴灌显著降低O-P含量, 主要是因为土壤O-P主要由铁离子复合物的难溶性胶体层包覆磷酸盐而成, 受生物总量和根系主要活动作用显著[19].
3.3 咸水滴灌对棉田土壤磷循环微生物群落的影响微生物群落在调节土壤磷循环过程中扮演着至关重要的角色, 在与土壤环境因子互相作用下可以维持土壤肥力[37]. 土壤磷循环过程是个复杂而动态的过程, 其中包括土壤有机磷矿化、无机磷增溶、调控、转运、多聚磷酸盐合成和降解途径等, 均是由微生物主要驱动的. 土体环境与土壤磷循环微生物群落之间存在密切的互馈关系, 土体环境的变化, 如温度、湿度、pH值等因素的变化, 都会直接或间接影响微生物活性. 反过来, 这些微生物通过其生物过程, 如分解、转化等, 也会对土壤环境产生影响, 从而维持土体环境平衡 [38]. 本研究发现, 土壤磷循环微生物优势菌门为变形菌门、放线菌门和酸杆菌门等, 这与Liu等[39]对锑矿区土壤中磷循环微生物的研究中得出的结论相似, 且有大量研究发现, 变形菌门在不同土壤环境中均为微生物群落的优势门类, 且相对较为稳定, 对土壤微环境变化不敏感[40]. 本研究中长期咸水滴灌能够提升土壤磷循环各个途径中芽单胞菌门、变形菌门和拟杆菌门等的相对丰度. 其中变形菌门是盐土中的重要类群, 会对土壤生物多样性和健康产生影响, 且随土壤盐分的增加, 变形菌门可以通过累积甘氨酸和谷氨酸来应对盐胁迫和抵抗外界的高渗透压[41]. 芽单胞菌门均属于典型的嗜盐菌类群, 通过渗透调节可以有效抵抗盐胁迫, 对盐土改良和生态修复产生积极影响. 据报道, 芽单胞菌作为一种解磷微生物, 具备分泌有机酸等物质的能力, 这一特性使得芽单胞菌可以降低土壤酸碱度, 进而减轻盐分对作物生长造成的损害[42]. 同样, 有研究发现, 拟杆菌门具有耐盐性, 在高盐度土壤中可大量存活, 这些微生物不仅具备产生抗生素的能力, 能有效抑制盐土中病原菌的生长, 保护植物免受病害侵扰, 而且能够降解盐土中的部分有机污染物, 显著降低土壤的污染程度[43]. 此外, 拟杆菌门还具备溶磷能力, 通过促进磷素的转化和利用, 为土壤供应丰富的磷素养分, 促进根系养分吸收, 确保其与周边环境之间的稳定[44]. 本研究还发现咸水滴灌降低土壤磷循环放线菌门和酸杆菌门的相对丰度, 说明不同菌门对盐离子的适应力表现不同. 土壤中放线菌门的相对丰度和潜在代谢功能途径均受盐度增加的影响, 某些耐盐或嗜盐放线菌可能逐渐占据优势, 而一些对盐度较为敏感的放线菌则可能受到抑制, 这与Campbell等[45]的研究结果相似. Liu等[46]研究东北农田黑土酸杆菌群落发现酸杆菌的数量与土壤有机质成显著正相关关系, 而不同亚门酸杆菌与土壤酸碱度正负关系相互抵消从而导致土壤酸杆菌和土壤pH值负相关关系不显著. 所以本研究中咸水滴灌降低酸杆菌门的相对丰度可能是因为长期咸水滴灌导致土壤有机质含量减少, 影响酸杆菌门的生长和繁殖. 综上所述, 长期咸水滴灌会显著影响土壤磷循环微生物群落结构, 而微生物又可以通过调节其物种组成和相对丰度来适应长期咸水滴灌导致的盐胁迫.
3.4 咸水滴灌对棉田土壤磷循环功能基因的影响土壤磷循环微生物功能基因是土壤磷循环的关键, 其表达量是反映磷循环各个过程强度的最直接指标. 本研究通过对土壤进行宏基因组测序发现, 长期咸水滴灌土壤中参与有机磷矿化、无机磷增溶、转运、调控、多聚磷酸盐降解和合成途径的功能基因相对表达量均高于淡水滴灌土壤, 说明咸水滴灌会驱动土壤磷循环功能基因进行相应的表达来应对盐胁迫, 这可能是咸水滴灌增加棉花植株含磷率的主要内在机制. 本研究发现长期咸水滴灌降低了多聚磷酸盐合成相关基因ppk1, 增加了多聚磷酸盐降解相关基因ppgK相对丰度. 多聚磷酸盐激酶基因ppk1可促进核苷酸上磷酸基因连接形成多聚磷酸盐微粒[47]. 本研究中长期咸水滴灌降低转运基因pit、ugpA、ugpB、ugpE、pstB、pstS、pstC和pstA相对丰度, 其中pstB、pstS、pstC、pstA为高亲和力磷酸盐转运基因, 在土壤磷的同化过程中有积极的促进作用. phoD基因通常作为有机磷矿化的生物标志物, 携带phoD基因的微生物通过碱性磷酸酶调控土壤有机磷矿化的机制已经得到证实[48], 本研究中phoD基因相对丰度降低, 说明咸水滴灌抑制了phoD基因调控的微生物活性. gcd基因在无机磷增溶途径中起着至关重要的作用, 因为它使用辅基辅因子叱咯隆咻配催化葡萄糖分子转化为葡萄糖酸, 从而调节并增强土壤中捕获的无机磷的溶解[49]. 综上所述, 长期咸水滴灌会促进一部分土壤磷转化的功能基因进行表达来抵抗盐胁迫, 但盐分也会抑制一部分功能基因进行表达. 总体上, 土壤磷循环微生物功能基因会通过促进土壤磷的相关微生物溶解和矿化进而对盐分的增加做出积极响应, 进而维持土壤功能和养分平衡[18].
3.5 长期咸水灌滴灌对棉田土壤磷循环微生态影响机制分析长期咸水滴灌会增大土壤盐化倾向, 对土壤物理化学性质产生负面效应, 加剧土壤微生物区系恶化, 导致土壤肥力下降, 影响农作物对土壤养分的吸收, 最终影响作物产量[4]. 本研究通过比较长期淡水和咸水滴灌条件下棉花磷素养分吸收情况, 进一步分析棉田土壤理化性质以及无机磷组分的差异, 并从微生物学和宏基因组学角度分析土壤磷循环微生物群落差异以及功能基因变化趋势, 探索并推测土壤磷在咸水滴灌下的的循环调节机制（图 10）, 即长期咸水滴灌会改变棉田土壤理化性质和无机磷组分含量, 促进土壤磷循环微生物活性, 驱动土壤磷循环相关功能基因进行表达来适应盐胁迫, 对盐胁迫下棉花磷素吸收产生了正向效应, 这和本研究中长期咸水滴灌显著增加棉花植株含磷率结果相对应, 但本研究中长期咸水滴灌棉花植株磷素吸收量以及籽棉产量均显著降低, 这说明长期咸水滴灌中盐分抑制作物磷素吸收和产量的因素有很多, 不一定通过抑制棉花植株含磷率来降低产量. 且值得注意的是, 宏基因组学分析是在特定条件、特定时间对微生物基因序列进行分析. 本研究虽然从土壤磷循环角度解释了长期咸水滴灌对土壤微环境和作物产量的影响, 但相关研究仍存在缺陷. 后续可以结合土壤碳、氮、硫循环等进行综合分析研究, 找出长期咸水滴灌盐分影响作物产量的内在机制. 本研究可为今后进一步开发微生物制剂调整盐土环境, 缓解长期咸水滴灌带来的问题以及提高棉花产量奠定理论基础.
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图 10 长期咸水滴灌对棉田土壤磷循环微生态环境调控作用机制示意 Fig. 10 Schematic of the mechanism of long-term saline drip irrigation on the regulation of soil phosphorus cycling and microecological environment in cotton fields |
（1）长期咸水滴灌给棉田土壤带来大量盐分, 改变了土壤理化性质和无机磷组分含量, 其中土壤pH、Ca2-P和Ca10-P含量显著降低, 而土壤含水量、电导率、速效磷、Ca8-P、Al-P、Fe-P和O-P含量显著增加；长期咸水滴灌显著降低棉花植株干物质重、磷素吸收和籽棉产量, 但显著提高棉花植株含磷率.
（2）长期咸水滴灌会改变土壤磷循环微生物群落组成, 其中放线菌门、酸杆菌门、硝化螺旋菌门和Candidatus Rokubacteria等的相对丰度均明显降低, 而变形菌门、芽单胞菌门、绿弯菌门、拟杆菌门和疣微菌门等的相对丰度均明显升高.
（3）长期咸水滴灌促使土壤磷循环各途径（调控、转运、无机磷增溶、有机磷矿化、多聚磷酸盐合成和降解）的功能基因进行表达来应对盐胁迫, 其中促进phnG、phnK、HDDC3、phoA、phnL、phnM、phnH、phnE、phnC、phnD、phnN、phoB、phnP和phnW等基因的相对丰度, 抑制ppaC、phnA和pit等基因的相对丰度.
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