2022, Vol. 43
干旱区淡水资源匮乏严重制约农业的可持续发展, 而咸水灌溉是缓解农业水资源紧张的有效途径之一.咸水灌溉在供给作物水分的同时, 也给土壤带入大量盐分, 进而影响土壤结构以及土壤物理化学和生物学性质.适宜的盐分对作物生长可以起到一定的促进作用, 但是土壤盐分过多可能会影响土壤理化性质及养分转化过程, 同时也给作物的正常生长发育造成不良影响.有研究表明咸水连续灌溉多年后, 土壤表面钠离子积聚, 使土壤pH升高, 改变了土壤质地, 从而影响土壤透水性和导水能力, 导致养分的有效性下降[1].灌溉水盐度过高还会降低土壤团聚体的稳定性、导致土壤板结和降低土壤的入渗性能[2].土壤微生物在土壤养分循环、有机质的周转和维持植物的生产力等各个方面均起着重要的作用.土体环境的改变势必会影响生存在土壤中的微生物群落及其相关酶活性.诸多研究结果均一致认为盐分对土壤微生物活性和群落结构均有不利影响[3~5].土壤酶活性也受到盐分胁迫的影响, 土壤脲酶、蔗糖酶、纤维素酶等酶活性均随土壤盐度的不断增加而降低[6].因此如何有效地控制咸水灌溉给土壤带来的不良影响成为目前的研究热点.
新疆干旱区农田土壤地力水平低以及盐渍化严重是普遍存在的重要障碍因素.尤其是土壤有机质含量低所导致的土壤肥力低, 对新疆干旱区农业生产中的限制愈加显著.因此研究干旱区盐渍土壤改良即地力提升, 已成为提高耕地生产力的迫切需求.众所周知, 秸秆还田是提高土壤有机质最直接和有效的措施之一.我国是世界秸秆的产量大国[7], 新疆干旱区农田面积广袤和秸秆资源充足, 在我国农业生产中占据重要位置.作物秸秆中含有碳、氮、磷和钾等作物生长所必需的营养元素, 可以有效地改善土壤的理化性状(如土壤容重、孔隙度、含水量、温度、速效养分和阳离子交换量等)和生物学性状, 达到增产效果[8].秸秆还田还可以减少土壤板结, 延长土壤适耕期[9, 10].秸秆还田可以缓解土壤盐碱化, 为土壤微生物提供有力的生长环境, 以及提高农田生态系统对其它不良因素的抵抗能力[11~13].土壤微生物与酶活性是土壤中最活跃的部分[14, 15], 是表征土壤肥力的重要指标[16, 17].秸秆还田能够为土壤微生物提供适宜生存环境, 从而间接提高土壤酶活性.有研究发现秸杆还田可以增加作物产量, 原因主要是秸秆还田后释放出作物所需的养分的同时, 还可以分解出有利于作物生长发育的一些小分子物质[18].但是, 在咸水灌溉条件下, 秸秆还田对土壤的理化性质以及细菌群落结构多样性的影响鲜见报道.因此, 探究和阐明棉花秸秆的施用对咸水滴灌农田土壤微生态的影响, 对提高盐渍土土壤水肥利用效率和减轻盐分对土壤的负面环境效应具有重要的理论和实践指导意义.
因此, 本研究针对干旱地区农业生产中咸水灌溉的现实问题, 通过长期咸水灌溉田间定位试验, 探讨棉花秸秆还田对土壤理化性质、酶活性和细菌群落结构多样性的影响, 以期为咸水资源的合理利用和农业的可持续发展提供一定的理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验点概况本试验点位于石河子大学农学院试验站(44°18′N, 86°02′E)内, 该地区属于典型的干旱荒漠气候, 水资源匮乏, 年平均降水量为100.7~224.6 mm, 年平均蒸发量为1 000~1 500 mm.土壤类型为灰漠土.试验开始前(2009年)土壤基础理化性质如下：土壤盐分(EC1∶5)为0.13 dS·m-1, pH1∶2.5为7.9, ω(有机质)为16.8 g·kg-1, ω(全氮)为1.1 g·kg-1, ω(速效磷)为25.9 mg·kg-1, ω(速效钾)为253 mg·kg-1.供试作物为棉花, 品种为新陆早52号.
1.2 试验设置本试验开始前已在试验区连续开展了10 a(2009~2018年)的不同灌溉水盐度田间滴灌试验. 10 a试验中灌溉水盐度均设2个处理, 分别为0.35 dS·m-1和8.04 dS·m-1(代表淡水和咸水, 分别用FW和SW表示), 其中淡水来源于当地深层地下水, 咸水通过在淡水中加入NaCl和CaCl2(质量比1∶1)获得.自2019年在前期试验的基础上添加秸秆处理, 秸秆添加量为6t·hm-2.分别用FW、FWST、SW和SWST表示, 试验中棉花秸秆在播种前一次性施入.本试验采用完全随机区组设计, 试验中每个处理重复3次, 合计12个试验小区, 其中每个试验小区面积25 m2.
棉花通常在4月中旬种植, 9月中下旬收获.棉花种植采用覆膜栽培, 一膜3管6行, 行距配置为(60+10)cm, 播种密度22.2万株·hm-2.棉花种植采用干播湿出法, 2019~2020年度分别于4月25日和27日播种, 为保证棉花正常出苗, 播种后每个处理滴出苗水30 mm.棉花生长期间共灌水9次, 灌水周期7~10 d, 6月中旬开始至8月下旬结束, 灌溉定额450 mm.磷肥和钾肥全部做基肥, 用量分别为P2 O5 105 kg·hm-2和K2 O 60 kg·hm-2; 氮肥(尿素N≥46.4%)做追肥, 全部随水滴施, 施用量为360 kg·hm-2, 在棉花生长期间共施肥6次.其它田间管理措施参照当地大田生产.
1.3 样品采集2020年在棉花花铃期采集耕层土壤样品(0~30 cm), 每个试验小区随机选择3个样点, 土样混合均匀并去除杂物、细根, 带回实验室, 一部分土样用于测定土壤理化性质和酶活性(室温保存), 一部分用于菌群落结构多样性的测定(土样放入冰箱-80℃保存).
1.4 样品测定土壤容重和含水量分别采用环刀法和传统烘干法测定; 土壤盐分和pH值采用MP522型电导率-pH仪测定(水土比分别为5∶1和2.5∶1); 土壤有机质和全氮分别采用重铬酸钾外加热法和凯氏定氮法测定; 速效磷含量采用0.5 mol·L-1 NaHCO3浸提, 钼蓝比色法测定; 速效钾含量采用NH4OAc浸提, 火焰光度法测定.
土壤蔗糖酶(IVN)、脲酶(URE)、过氧化氢酶(CAT)和碱性磷酸酶(ALP)活性分别采用3, 5-二硝基水杨酸比色法、pH增值法、高锰酸钾滴定法和磷酸苯二钠比色法测定[19].细菌群落多样性交由北京诺禾致源科技股份有限公司测定.
1.5 数据分析使用SPSS软件(version SPSS 21.0) 进行数据方差分析和相关性分析, 显著性水平为0.05; 各处理间差异比较采用Tukey法(P＜0.05).细菌α多样性(ACE指数、Chao1指数、辛普森指数和香农指数)使用Mothur(version v.1.30.1)软件进行分析.RDA分析(redundancy analysis)使用R语言vegan包进行并作图.文中数据均为平均值±标准差.
2 结果与分析 2.1 土壤理化性质秸秆还田对咸水滴灌棉田土壤的理化性质影响如表 1所示, 与FW处理相比, SW处理下土壤容重(BD)、电导率(EC)、全碳(TC)和速效磷(AP)含量显著增加, 但土壤速效钾(AK)含量显著降低.在FW处理下, 施用秸秆显著增加土壤速效钾和速效磷含量, 但是土壤容重显著降低.在SW处理下, 施用秸秆显著降低土壤容重与电导率, 但是土壤全碳、速效钾和速效磷的含量显著提高.
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表 1 秸秆还田对咸水滴灌棉田土壤理化性质的影响1) Table 1 Effect of straw returning on soil physical and chemical properties of cotton field under saline water irrigation |
2.2 土壤酶活性
灌溉水盐度和秸秆还田对土壤酶活性的影响如图 1所示, 灌溉水盐度、秸秆还田及二者的交互作用显著影响IVN和CAT活性, 具体表现为：在淡水灌溉下, FWST处理土壤IVN和CAT活性较FW处理显著降低, 分别降低64.49%和2.40%; 但是在咸水灌溉下, SWST处理土壤IVN和CAT活性较SW处理显著增加, 分别增加23.57%和2.18%. URE活性仅受灌溉水盐度的影响, 总体上, 咸水灌溉处理URE活性平均较淡水灌溉处理高31.34%. ALP活性受灌溉水盐度及交互作用的影响, 咸水灌溉处理ALP活性平均较淡水灌溉处理低21.86%, 交互作用的影响表现为：在淡水灌溉下, FWST处理土壤ALP活性较FW处理显著增加, 增加18.31%; 但是在咸水灌溉下, SWST处理土壤ALP活性较SW处理也显著增加, 且增加幅度较大, 增加63.03%.
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不同字母表示不同处理差异达显著水平(P＜0.05); ns表示不显著; **表示P＜0.01, ***表示P＜0.001 图 1 秸秆还田对咸水滴灌棉田土壤酶活性的影响 Fig. 1 Effect of returning straw to field on soil enzyme activity in cotton field under salt water drip irrigation |
由图 2可以看出, IVN与土壤AP呈现负相关(P＜0.05). URE与土壤TC呈现正相关(P＜0.05), 同时也与土壤EC、BD呈现正相关(P＜0.01), 但与土壤AK、pH呈现负相关(P＜0.01). ALP与土壤AK、pH值呈现正相关(P＜0.05), 与土壤EC、BD值呈现负相关(P＜0.01).CAT与土壤pH呈现正相关(P＜0.05), 与土壤EC呈现正相关(P＜0.05).
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INV: 蔗糖酶, URE: 脲酶, ALP: 碱性磷酸酶, CAT: 过氧化氢酶, AP: 速效磷, AK: 速效钾, TN: 全氮, TC: 全碳, pH: pH值, EC: 土壤盐度, BD: 土壤容重, * 表示P＜0.05, **表示P＜0.01 图 2 土壤酶活与土壤特性的相关性 Fig. 2 Correlation between soil enzyme activity and soil characteristics |
在97%的相似度下, 各处理土壤样品的覆盖度均高于0.97, 说明测序数据量较好, 序列信息能够反映样本土壤细菌群落的真实情况.由表 2可以看出, 淡水灌溉下, 较FW处理, FWST处理的Simpson指数、Shannon指数、Chao指数和ACE指数均增高, 但差异不显著.在咸水灌溉下, SWST处理的Simpson指数较SW处理有一定程度增加, 而Shannon指数、Chao指数和ACE指数均降低, 但差异不显著.
不同处理土壤样品的OTUs数在3 678~3 964, 平均为3 822(表 2).其中FWST处理的OTUs数较FW处理有一定程度的增加, 而SWST处理的OTUs数低于SW.说明在淡水灌溉下, 秸秆施用没有显著增加土壤中的细菌物种数; 但是在咸水灌溉下, 秸秆施用显著降低土壤中的细菌物种数.从不同处理土壤OTUs的相互关系来看(图 3), FWST处理与FW处理所共有的OTUs占两处理总OTUs数的61.3%. FWST处理土壤细菌群落的OTUs在FW处理中没有出现的比例为26.9%, 具有特异OTUs为354. SWST处理与SW处理所共有的OTUs占两处理总OTUs数的58.9%. SWST处理土壤细菌群落的OTUs在SW处理中没有出现的比例为21.3%, 具有特异OTUs为449.以上结果说明, 无论是淡水还是咸水灌溉下, 秸秆施用均会改变土壤的细菌群落丰度.
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表 2 秸秆还田对咸水滴灌棉田土壤细菌群落的α多样性的影响1) Table 2 Effects of returning straw on the α diversity of soil bacterial communities of cotton field under saline water irrigation |
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图 3 土壤细菌群落OTUs的维恩图 Fig. 3 Venn diagram of the OTUs of the soil bacterial communities |
通过非度量多维尺度(NMDS)和聚类分析比较不同处理间土壤细菌群落结构的差异(图 4).咸水灌溉显著改变细菌群落结构, FWST和SWST处理土壤细菌群落结构与FW和SW均有明显差异.聚类分析也表明, 不同盐度灌溉水处理下土壤细菌群落结构具有明显区别, 施用秸秆对土壤细菌群落结构也具有明显的影响.
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图 4 细菌群落的非度量多维尺度分析(NMDS)和UPGMA聚类分析 Fig. 4 Analysis of NMDS and UPGMA cluster in bacteria community |
通过细菌测序序列与数据库比对分析, 细菌门类占序列总数的97.7% ~99.2%(表 3).各处理土壤细菌优势门类包括：变形菌门(Proteobacteria)(平均值为21.96%)、酸杆菌门(Acidobacteriota)(平均值为13.27%)、放线菌门(Actinobacteriota)(平均值为11.77%)其相对丰度均大于10%, 平均占总序列的47.00%(42.25% ~51.88%).其次是绿弯菌门(Chloroflexi)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、疣微菌门(Verrucomicrobiota)、芽孢杆菌门(Gemmatimonadota)、粘球菌门Myxococcota、厚壁菌门(Firmicutes)、硝基螺门(Nitrospirota)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)和浮游菌门(Planctomycetota), 平均相对丰度均大于0.5%.其它细菌门类的平均相对丰度都小于0.5%, 合计为4.36%(3.23% ~6.20%).
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表 3 不同处理下土壤主要细菌门类的相对丰度1)/% Table 3 Relative abundance of dominant bacterial phyla in soil under different treatments/% |
咸水灌溉与秸秆还田处理明显影响土壤细菌门水平群落结构(表 3和图 5). 与FW处理相比, SW处理显著降低放线菌门(Actinobacteriota)、酸杆菌门(Acidobacteriota)、拟杆菌门(Bacteroidota)、疣微菌门(Verrucomicrobiota)、厚壁菌门(Firmicutes)、硝基螺门(Nitrospirota)、RCP2-54、内生菌门(Entotheonellaeota)、Methylomirabilota和Euryarchaeota的相对丰度, 但是显著增加绿弯菌门(Chloroflexi)、芽孢杆菌门(Gemmatimonadota)、粘球菌门(Myxococcota)、热微菌门(Thermoplasmatota)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)、浮游菌门(Planctomycetota)、弧菌门(Bdellovibrionota)、蓝藻门(Cyanobacteria)、脱硫杆菌门(Desulfobacterota)、浮霉菌门(Planctomycetes)、Kapabacteria和Deinococcota的相对丰度.
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图 5 不同处理土壤细菌群落门水平的聚类分析热图 Fig. 5 Heatmap of dominant bacterial phyla in soil under different treatments |
在淡水灌溉下, 与FW处理相比, FWST处理显著增加变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、内生菌门(Entotheonellaeota)、NB1-j、脱硫杆菌门(Desulfobacterota)和迟杆菌门(Latescibacterota)的相对丰度, 但是显著降低放线菌门(Actinobacteriota)、酸杆菌门(Acidobacteriota)、绿弯菌门(Chloroflexi)、疣微菌门(Verrucomicrobiota)、硝基螺门(Nitrospirota)、浮游菌门(Planctomycetota)、浮霉菌门(Planctomycetes)、Armatimonadota和Euryarchaeota的相对丰度.
在咸水灌溉下, 与SW处理相比, SWST处理显著增加变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)、拟杆菌门(Bacteroidota)、疣微菌门(Verrucomicrobiota)、厚壁菌门(Firmicutes)、蓝藻门(Cyanobacteria)、弯曲杆菌门(Campilobacterota)、脱铁杆菌门(Deferribacteres)和Kapabacteria的相对丰度, 但是显著降低芽孢杆菌门(Gemmatimonadota)、浮游菌门(Planctomycetota)、弧菌门(Bdellovibrionota)、浮霉菌门(Planctomycetes)和Deinococcota的相对丰度.
2.5 秸秆还田对细菌群落属水平的影响秸秆还田对咸水滴灌棉田土壤细菌属水平相对丰度的影响见图 6.通过序列比对获得各处理土壤样品中细菌群落相对丰度较高的前10个菌属, 其中6个菌属的平均相对丰度>1%, 占样品总序列的14.08%(12.38% ~15.69%).平均相对丰度较高的6个属分别为RB 41 (6.01%)、鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)(1.80%)、亚硝化螺旋菌属(Nitrosospira)(1.74%)、斯克尔曼氏菌属(Skermanella)(1.63%)、Dongia属(1.54%)和类固醇杆菌属(Steroidobacter)(1.31%).其次为MND 1 (0.92%)、Subgroup_ 10 (0.87%)、UTCFX 1 (0.59%)和不动杆菌属(Acinetobacter)(0.29%).
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图 6 不同处理土壤细菌群落属水平的相对丰度 Fig. 6 Relative abundance of bacterial genera in soil under different treatments |
灌溉水盐度和秸秆还田下土壤主要细菌属的相对丰度有明显差异(图 7).与FW处理相比, SW处理显著降低RB 41、Skermanella、MND1、苔藓杆菌属(Bryobacter)、Chryseolinea、Peptoclostridium、Ellin 6055、链霉菌属(Streptomyces)、Ellin6067、类诺卡氏菌属(Nocardioides)、冷杆菌属(Cryobacterium)、Blautia和芽球菌属(Blastococcus)的相对丰度, 但是显著增加Subgroup_ 10、类固醇杆菌属(Steroidobacter)、不动杆菌属(Acinetobacter)、UTCFX 1、芽单胞菌属(Gemmatimonas)、Haliangium、乳酸菌属(Lactobacillus)、Candidatus_Nitrososphaera、Salinimicrobium和海洋杆菌属(Pontibacter)的相对丰度.
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图 7 土壤细菌群落属水平的聚类热图 Fig. 7 Cluster heat map of soil bacterial community at genus level |
在淡水灌溉下, 与FW处理相比, FWST处理显著增加鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)、Dongia、类固醇杆菌属(Steroidobacter)、MND 1、不动杆菌属(Acinetobacter)、Chryseolinea、溶杆菌属(Lysobacter)、Haliangium、Niastella、乳酸菌属(Lactobacillus)和芽孢杆菌属(Bacillus)的相对丰度, 但是显著降低RB 41、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)、Gaiella、苔藓杆菌属(Bryobacter)、Peptoclostridium、链霉菌属(Streptomyces)、Blautia和类诺卡氏菌属(Nocardioides)的相对丰度.
在咸水灌溉下, 与SW处理相比, SWST处理显著增加鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)、Dongia、Peptoclostridium、Niastella、Ellin6055、链霉菌属(Streptomyces)和芽孢杆菌属(Bacillus)的相对丰度, 但是显著降低RB 41、Subgroup_10、芽单胞菌属(Gemmatimonas)、Gaiella、Haliangium、Candidatus_Nitrososphaera、冷杆菌属(Cryobacterium)和芽球菌属(Blastococcus)的相对丰度.
2.6 土壤细菌主要属与酶活性相关性分析细菌主要属类与土壤酶活的相关关系见表 4. RB41和类固醇杆菌属(Steroidobacter)与INV酶活性呈显著正相关关系; 鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)和Dongia属与ALP酶活性呈显著正相关关系; 亚硝化螺菌属(Nitrosospira)与URE酶活性酶活性呈显著正相关关系, 但是与ALP酶活性呈显著负相关关系; 斯克尔曼氏菌属(Skermanella)与URE酶活性酶活性呈极显著负相关关系.
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表 4 细菌优势属类与土壤酶活之间的相关关系1) Table 4 Correlation between bacterial dominant phyla and soil enzyme activity |
2.7 冗余分析
细菌群落结构与环境因子间的关系见图 8.细菌门水平与环境因子的RDA分析结果显示[图 8(a)], 轴1和轴2共解释总变异的68.00%.FW和FWST与SW和SWST在轴1上分开, FW和SW与FWST和SWST在轴2上分开.土壤含水量和盐分指向SHN360处理, 土壤pH, 全氮, 有机质指向SFN0, SFN360处理.灌溉水盐度和秸秆还田也显著改变细菌属水平群落结构[图 8(b)], 轴1和轴2共解释总变异的40.87%.FW和FWST与SW和SWST在轴1上分开, FW与FWST在轴2上分开.环境因子方面, 土壤速效钾和pH与盐分、容重、全氮、全碳和速效磷呈负相关关系.细菌门属水平群落与土壤盐分(门水平：P=0.005; 属水平：P=0.039)和容重(门水平：P=0.003; 属水平：P=0.047)存在显著相关关系, 而受其他环境因子的影响较小.
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AP: 速效磷, AK: 速效钾, TN: 全氮, TC: 全碳, pH: pH值, EC: 土壤盐度, BD: 土壤容重; (a)门水平：1. Proteobacteria, 2. Actinobacteriota, 3. unidentified_Bacteria, 4. Acidobacteriota, 5. Bacteroidota, 6. Chloroflexi, 7. Gemmatimonadota, 8. Verrucomicrobiota, 9. Firmicutes, 10. Thermoplasmatota, 11. Myxococcota, 12. Nitrospirota, 13. Planctomycetota, 14. Gemmatimonadetes, 15. Cyanobacteria, 16. Bdellovibrionota, 17. RCP2-54, 18. Entotheonellaeota, 19. Methylomirabilota, 20. NB1-j, 21. Campilobacterota, 22. Kapabacteria, 23. Desulfobacterota, 24. Deferribacteres, 25. Planctomycetes, 26. Latescibacterota, 27. Nanoarchaeota, 28. Armatimonadota, 29. Deinococcota, 30. Euryarchaeota; (b)属水平：1. RB41, 2. Sphingomonas, 3. Nitrosospira, 4. Skermanella, 5. Dongia, 6. Subgroup_ 10, 7. Steroidobacter, 8. MND 1, 9. Acinetobacter, 10. UTCFX 1, 11. Gemmatimonas, 12. Gaiella, 13. Bryobacter, 14. Chryseolinea, 15. Lysobacter, 16. Haliangium, 17. Peptoclostridium, 18. Niastella, 19. Ellin6055, 20. Streptomyces, 21. Lactobacillus, 22. Blautia, 23. Ellin6067, 24. Candidatus_Nitro, 25. sosphaera, 26. Bacillus, 27. Salinimicrobium, 28. Cryobacterium, 29. Nocardioides, 30. Pontibacter 图 8 土壤细菌群落与土壤环境因子的冗余分析 Fig. 8 RDA analysis of soil bacterial communities and soil environmental factors |
干旱区淡水资源匮乏, 为维持作物生长, 生产上往往采用咸水和微咸水进行农业灌溉.但是长期的咸水灌溉会加剧土壤盐渍化风险, 给农业的发展造成严重的不利影响.干旱区土壤地力水平低以及盐渍化严重是普遍存在的重要障碍因素.尤其是, 土壤有机质含量低所导致的土壤肥力低对干旱区农业生产中的限制愈加显著.秸秆还田是公认的一种培肥地力的土壤改良措施.本研究发现, 秸秆还田显著降低土壤容重, 增加土壤全碳、全氮、速效钾和速效磷的含量.因此, 秸秆还田能够改善土壤理化性质, 提高土壤养分[20], 其原因在于秸秆还田可有效提高土壤有机质含量, 为土壤微生物的活动提供碳源.
作为土壤的重要组成部分, 土壤酶参与许多重要的土壤生物化学过程, 土壤酶活性通常被作为评价土壤质量的重要指标[21, 22].目前, 通常使用蔗糖酶、脲酶、碱性磷酸酶和过氧化物酶等土壤酶活性来反映土壤质量[23].有研究表明, 使用高盐度的咸水灌溉土壤, 会降低土壤关键酶活性[24].较淡水灌溉处理, 咸水灌溉下土壤中IVN、CAT和ALP的活性显著降低, 这与刘春成等[25]和毛志刚等[26]的研究结果相似, 原因可能是盐分改变了土壤微生物群落结构与数量, 产生渗透胁迫降低土壤酶活性[27], 在本研究中, 淡水灌溉下施用秸秆导致土壤IVN、URE和CAT的活性降低, 而增加ALP的活性.在咸水灌溉下施用秸秆显著增加土壤INV、ALP和CAT的活性, 原因可能是秸秆施入后, 带来了丰富的矿质养分和有机碳, 促进微生物活动, 刺激微生物生长繁殖为调控酶活性提供了重要的物质条件[28].而URE活性显著降低, 原因可能是由于秸秆C/N相对较高, 分解时消耗过多的氮素造成的[29, 30].
作为土壤养分循环的主要驱动力, 土壤微生物作为土壤质量的重要评价指标, 在维持土壤生态功能方面的作用举足轻重.干旱区淡水资源短缺, 咸水灌溉对土壤环境的生态影响目前正受到越来越多的关注.有研究发现土壤盐分会抑制土壤微生物活性, 原因主要是盐分影响土壤水分的可利用性, 导致土壤微生物的群落结构和活性发生改变[31].本研究发现咸水灌溉下, 细菌群落ACE、Chao1、Shannon和Simpson指数增加. Chen等[32]的研究也发现随着灌溉水盐度的增加, 细菌的Chao1指数和ACE指数增加.Chao1指数和ACE指数的增加说明盐分胁迫增加了细菌群落的丰富度[33]. 此外, Yang等[33]的研究也表明细菌群落的Shannon指数随着灌溉水盐度的增加而增大, 原因可能是细菌对高盐环境产生适应性, 从而增加了细菌的多样性.本研究发现, 秸秆施用在淡水灌溉下增加土壤细菌群落的ACE、Chao1和Shannon指数, Simpson指数有一定程度的增加, 但差异不显著, 说明秸秆施用增加细菌的丰富度和多样性; 张婷婷等[34]的研究也发现秸秆施用增加土壤细菌的Shannon、Simpson和Chao1指数.而在咸水灌溉下, 秸秆的施用显著降低ACE指数和Chao1指数, 说明秸秆施用降低土壤细菌的丰富度.
土壤盐分会影响土壤微生物群落的组成.本研究发现, 不同处理土壤细菌优势门类为变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteriota)和放线菌门(Actinobacteriota).这与Ma等[35]和Wang等[36]的研究结果一致, 变形杆菌和放线菌都是盐碱土壤中最丰富的嗜盐细菌的代表.有研究发现变形菌门(Proteobacteria)具有较好的耐盐性[37], 尤其变形菌门(Proteobacteria)的γ-变形菌纲的不动杆菌属(Acinetobacter)属于耐盐细菌[38].本研究也发现, 在属水平上, 咸水灌溉处理土壤不动杆菌属(Acinetobacter)和Salinimicrobium属的相对丰度较淡水灌溉处理显著增加.本研究发现咸水灌溉会降低细菌酸杆菌门(Acidobacteriota)和放线菌门(Actinobacteriota)的相对丰度, 无论是淡水灌溉还是咸水灌溉, 秸秆的施用均增加土壤细菌中变形菌门(Proteobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)和厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度, 这与王晶等[39]的研究结果基本一致.本研究发现咸水灌溉下放线菌门(Actinobacteria)和硝基螺门(Nitrospirota)显著减少, 这与Campbell等[40]的研究结果相同.Zheng等[38]的研究认为硝化螺旋菌对盐分比较敏感, 高盐环境下显著减少.有研究报道酸杆菌门(Acidobacteria)在高盐条件下降低[38, 41], 这与本研究结果的趋势一致.芽单胞菌门(Gemmatimonodates)的很多成员在生物地球化学转化过程中都具有很活跃的作用, 尤其是在高盐土壤中[42].有研究发现高盐土壤中芽单胞菌门(Gemmatimonodates)的相对丰度明显高于低盐度土壤[43], 本研究中咸水灌溉下芽孢杆菌门(Gemmatimonadota)和芽单胞菌门(Gemmatimonodates)的相对丰度也最高.以上结果表明长期咸水灌溉改变了土壤细菌群落结构, 由于对盐分的耐受力不同, 不同细菌门对盐分增加的表现不一.
本研究发现不同处理土壤细菌优势属类为RB41、鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)、斯克尔曼氏菌属(Skermanella)、Dongia属和类固醇杆菌属(Steroidobacter), 这与Guo等[44]的研究结果一致.其中RB41属于酸杆菌门(Acidobacteria), 其它5个优势属均属于变形菌门(Proteobacteria).鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)适应性强, 可以分解复杂有机物(芳香化合物)[45], 本研究发现无论是淡水灌溉或咸水灌溉, 秸秆还田均增加鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)和Dongia属的相对丰度, 原因可能是秸秆还田带来的有机物料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(Sphingomonas)和Dongia属种群相对丰度的增加.在淡水灌溉下, 秸秆还田处理降低亚硝化螺菌属(Nitrosospira)的相对丰度, 原因可能是秸秆还田后增加了土壤的碳氮比, 微生物需要从土壤中争夺氮源对秸秆进行分解, 影响了硝化微生物的生长, 从而影响土壤的正常硝化作用.斯克尔曼氏菌属(Skermanella)属于变形菌门, 本研究发现, 咸水灌溉较淡水灌溉显著降低斯克尔曼氏菌属(Skermanella)的相对丰度.但是秸秆还田会降低酸杆菌门(Acidobacteria)中RB41的相对丰度.土壤酶主要由土壤微生物、动植物和残体分泌而来, 且土壤细菌又是土壤酶的主要来源之一, 可见土壤酶活性与细菌存在直接相关关系[46], 与本研究的结果相印证.对于6个优势细菌属类与4种土壤酶活的相关性研究, 鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)、Dongia属、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)、RB41和类固醇杆菌属(Steroidobacter)和斯克尔曼氏菌属(Skermanella)的相对丰度与土壤酶的活性(IVN、URE和ALP)均存在显著的正相关或负相关关系, 但是和CAT活性无显著相关, 原因可能是该类酶活性的主要影响因素为真菌或者其它因素, 也可能因为不同细菌门类的作用方式存在很大差异[19].本研究表明, 土壤酶活性与土壤细菌的关系是多元的, 内在原因还需要深入到每一类细菌门的性质和功能以及土壤酶活性本身的作用机制等方面的研究.
4 结论秸秆还田能增加土壤养分, 同时显著增加土壤中蔗糖酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性, 降低脲酶活性.土壤养分和理化性质的变化, 促进了土壤细菌群落结构多样性的变化.在咸水灌溉下, 秸秆还田显著增加变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteriota)、拟杆菌门(Bacteroidota)、疣微菌门(Verrucomicrobiota)和厚壁菌门(Firmicutes)的相对丰度, 同时显著增加鞘脂单胞菌属(Sphingomonas)和Dongia属的相对丰度.可见秸秆在调控土壤微生态方面具有重要的生态学意义, 咸水灌溉和秸秆还田改变了细菌群落结构, 影响细菌群落结构主要环境因素为土壤盐分和容重.
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