2024, Vol. 45
2. 铜仁学院农林工程与规划学院, 铜仁 554300;
3. 铜仁市农产品质量安全检验测试中心, 铜仁 554300
2. College of Agroforestry Engineering and Planning, Tongren University, Tongren 554300, China;
3. Tongren Agricultural Products Quality and Safety Inspection and Testing Center, Tongren 554300, China
贵州马铃薯种植面积居全国第二位, 而平均单产仅居全国第16位左右[1], 其马铃薯低产的主要原因之一是贵州雨热同期、降雨量大于蒸发量的气候特点[2, 3]使得投入农田的植物生物质很快被氧化分解[2, 4], 加之长期大量施用化肥不但无法补偿土壤有机质的缺乏, 反而加剧了有机质的消耗[5], 进而影响土壤微生物生存, 降低土壤肥力[6]. 因此, 在化肥推荐施用量下增施有机物料, 研究二者的协同培肥效应将对缓解土壤肥力退化和可持续利用具有重要的实践意义.
生物炭是一类比表面积大、吸附性好的富碳物质, 作为一种缓效碳源和土壤改良剂近年来备受学者关注[7]. 已有研究表明, 生物炭不仅能改变土壤性质, 还能改善土壤环境, 为微生物提供良好的环境[8]从而增加细菌丰度和多样性, 改善土壤微生物群落结构[9]. 以往研究表明, 小麦[10]、水稻[11]和玉米[12]等作物施用生物炭后, 土壤的养分含量、酶活性以及团聚体稳定性均得到显著增加, 并提高作物产量. 武玉等[13]的研究发现, 生物炭能够通过改变土壤容重和pH等理化性质进而提高土壤肥力. Zhang等[14]的研究表明, 生物炭添加到土壤中有利于促进养分转化和土壤固碳, 并促进土壤微生物群落的营养循环, 特别是在低肥力的土壤和退化的土地上. 有机肥为土壤微生物提供所需的碳源、氮源和能量, 并改善土壤微生态环境的理化性状, 促进微生物的生长和繁殖, 优化土壤微生物群落的结构和功能[15, 16]. 姚丽茹等[17]的研究证实, 适量施用生物炭可以改善土壤理化性质, 提高土壤养分有效性, 改变细菌丰度. 王培欣等[18]的研究发现, 单施化肥和有机肥配施化肥均显著影响了细菌的数量和群落结构. 可见, 关于单施生物炭、有机肥和化肥对细菌群落结构的影响已取得较多的研究成果, 但关于有机肥或生物炭与化肥联合运用条件下土壤肥力和细菌群落结构差异及它们的相互关系尚不清晰. 此外, 有机肥和生物炭的土壤改良效果受原材料种类、制备工艺、土壤类型以及实施地域等诸多因素的制约[19], 导致其在生产实践中的推广应用效果差异较大. 因此, 亟需在特定施肥方式下开展定量研究, 提出培肥土壤的生物炭和有机肥添加策略.
生物炭和有机肥均是富含植物营养物质的含碳物料, 且这两种肥料中的营养元素多数呈与有机碳相结合的状态[20]. 基于此, 本研究以有机物料中的碳元素为定量研究的切入点, 在马铃薯推荐施肥的基础上分别设置了生物炭和有机肥等碳量投入的大田试验, 调查土壤肥力特性和微生物特征. 主要回答以下问题：①明晰生物炭与有机肥添加土壤特性和土壤肥力差异；②揭示生物炭与有机肥添加的土壤细菌群落结构与多样性差异及其驱动因子；③探讨生物炭与有机肥添加影响土壤肥力的潜在机制. 以上问题的解答将有利于贫瘠马铃薯田土壤培肥和关键技术推广.
1 材料与方法 1.1 研究区概况试验区设在贵州省铜仁市碧江区川硐街道唐家寨（27°47′32″ N, 109°13′08″ E）, 地处贵州省的东北部, 铜仁市的东部, 属中亚热带季风性湿润气候, 年平均气温为16.9℃, 全年无霜期291 d, 年降雨量1 265.4 mm, 常年日照时数为1 171 h, 海拔434 m. 土壤为山地黄壤, 粉质壤土质地.
1.2 试验设计大田试验包括3个处理, 分别为马铃薯氮磷钾推荐施肥（对照：NPK）、氮磷钾推荐施肥+生物炭（NPKB）和氮磷钾推荐施肥+有机肥（NPKO）. 采取随机区组试验设计, 重复3次, 小区面积为30 m2. 供试马铃薯品种为“农引2号”, 马铃薯株行距为30 cm×50 cm. 生物炭和有机肥在马铃薯播种时一次性施入垄中, 化肥用量及田间管理同一般生产田, 其中磷钾肥全部作基肥, 氮肥50%做基施, 50%做追肥. 本试验用氮肥为尿素（N 46%）, 磷肥为重过磷酸钙（P2O5 46%）, 钾肥为氯化钾（K2O 60%）. 参照并优化推荐用量为N 150 kg·hm-2, P2O5 135 kg·hm-2, K2O 135 kg·hm-2[21]. 供试生物炭为玉米秸秆炭, ω（C）为52%, ω（N）为11.2 g·kg-1, ω（P）为4.03 g·kg-1, ω（K）为14.6 g·kg-1, 推荐用量为2.0 t·hm-2[22]. 有机肥为羊粪, 含ω（C）为15.7%, ω（N）为0.75%, ω（P）为0.51%, ω（K）为0.42 g·kg-1, 与玉米秸秆炭等碳量投入折算, 羊粪添加量为6.6 t·hm-2（干基）.
1.3 样品采集于马铃薯盛花期在每个小区内去除边行, 以“S”形布点确定5株长势相近的马铃薯植株, 采用抖根法收集根际土壤, 同一小区内的土样混合均匀作为一个混合样, 共采集9个根际样品. 混匀的土样一部分风干保存, 测定土壤化学性质, 另一部分-80 ℃冰箱保存用于提取微生物总DNA进行高通量测序.
1.4 土壤细菌高通量测序土壤细菌高通量测序由上海派森诺生物科技股份有限公司完成, 包括基因组DNA提取、PCR扩增、测序以及序列处理与分析等流程, 具体操作如下.
（1）DNA提取 采用DNA抽提试剂盒（OMEGA M5635-02, 美国）提取土样DNA, 之后采用琼脂糖凝胶电泳和NanoDrop2000检测DNA的浓度.
（2）PCR扩增 以基因组DNA为模板, 采用343F：5'-TACGGRAGGCAGCAG-3'；798R：5'-AGGG TATCTAATCCT-3'特异引物（Takara公司的Tks Gflex DNA Polymerase）对细菌的16S rRNA基因V3-V4区域进行扩增.
（3）基因测序 基于16S rRNA序列对PCR产物进行纯化、定量和均一化构建文库并在LabChip上进行质检, 质检合格的文库用Illumina MiSeq进行高通量测序.
（4）序列处理与分析 采用DADA2方法对原始测序序列进行引物去除、质量过滤、去噪、拼接和去嵌合体等步骤来构建ASV表（amplicion sequence variant）. 首先对DADA2进行去重, 得到ASV代表序列, 然后对于不同类别的序列, 分别采用Silva数据库（Release 132, http://www.Arb-silva. De）作为ASV分类地位鉴定的模板序列进行鉴定.
1.5 土壤化学性质土壤pH值是用pH计（Mettler Toledo Delta 320）测定, 采用无CO2去离子水体积∶土质量为5∶1的浸提液[23]. 土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）用重铬酸钾氧化法测定[24]；土壤碱解氮（available nitrogen, AN）采用碱解扩散法测定；土壤有效磷（available phosphorus, AP）和总磷（total phosphorus, TP）用EdgeLight UV754分光光度计（上海, 中国）通过Mo-Sb比色法检测；土壤速效钾（available potassium, AK）和全钾（total potassium, TK）通过ICP-OES火焰光度计（PerkinElmer, 美国）进行分析；土壤全氮（total nitrogen, TN）用凯氏定氮仪（KDN-812, 上海, 中国）在浓硫酸消化后测定. 上述测试方法参见《土壤农化分析》[25]. C/N、C/P和N/P分别用SOC与TN、SOC与TP和TN与TP的含量比值计算得出.
1.6 数据统计分析采用内梅罗综合指数法计算土壤综合肥力指数[26], 采用单因素方差分析（one-way ANOVA）计算不同施肥措施对土壤综合肥力指数、土壤特性和土壤微生物多样性指数的影响（SPSS 27.0）, LEfSe（http://huttenhower.sph.harv-ard.edu/lefse/）分析判别不同施肥措施的显著差异类群. 利用非度量多维标度（nonmetric multidimensional scaling, NMDS）排序和置换多元方差分析（permutational multivariate analysis of variance, PERMANOVA）对不同施肥措施间细菌群落组成进行比较, 用Kruskal-Wallis test和Wilcoxon signed-rank tests判别不同施肥措施间细菌Bray-Curtis相异性指数的高低. 利用冗余分析（redundancy analysis, RDA）探讨影响细菌群落的因子, 方差分解分析评估土壤全量养分、有效养分和土壤pH对细菌群落影响的大小, Pearson相关性分析判定细菌α多样性指数与土壤特性的相关关系.
采用结构方程分析施肥间接和直接影响土壤综合肥力水平的途径. 由于不同施肥措施都增加了土壤肥力和微生物多样性, 因此, 本研究利用所有处理数据构建结构方程. 根据以往研究结果, 土壤特性和土壤微生物可直接影响土壤肥力, 土壤特性也可以通过作用土壤微生物多样性影响土壤肥力. 因此, 据此构建微生物多样性影响根际土壤肥力的结构方程. 模型的拟合效果采用Fisher'C和P > 0.05来判定, 在模型开始, 通过主成分分析（principal component analysis, PCA）判定PCA1为与土壤pH相关的土壤性质, PCA2为与土壤TP和N/P相关的土壤性质；然后用PCA1和PCA2两轴来代替土壤特性与土壤微生物Shannon指数构建结构方程模型, 结构方程基于R（V.4.2.1）的piecewiseSEM包构建.
2 结果与分析 2.1 不同施肥措施的土壤特征及综合肥力指数差异性分析图 1是氮磷钾推荐施肥（NPK）、增施生物炭（NPKB）和增施有机肥（NPKO）这3种施肥措施多重比较的Tukey HSD事后检验结果. 从中可知, 施肥措施未能显著影响土壤TP含量、TK含量、C/P和N/P；在3种施肥措施上土壤AP、AK、TN、C/N和土壤综合肥力指数在3种施肥措施上差异均显著（P < 0.05）；土壤综合肥力水平表现为：NPKO处理最高, NPKB次之, NPK最低.
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纵坐标是3种施肥措施的分组组别, 横坐标是组别间某一测定指标值的均值差；线段阈值是均值的实际绝对差值减去HSD（达到显著时的差异）的值, 线段被竖直虚线穿过表示组差异间不显著（P > 0.05）, 未穿过则组间差异显著（P < 0.05） 图 1 3种施肥措施Tukey HSD事后检验的分组结果 Fig. 1 Grouping results of the Tukey HSD post-hoc test for the three fertilization measures |
所有土壤样本共得到8 214个ASVs（图 2）, 属于26门、75纲、165目、176科和251个属（不包括unidentifiedfungi）. NPKO土壤样品具有最多ASVs数（6207个）, 子囊菌门和担子菌门为优势门, 鞘氨醇单胞菌科和芽单胞菌科为优势科；NPKB土壤样品共得到ASVs数为1 646个, 子囊菌门为优势门, 鞘氨醇单胞菌科和黄色单胞菌科为优势科；NPK土壤样品ASVs数最少, 为861个, 子囊菌门和担子菌门为优势门, 鞘氨醇单胞菌科和黄色杆菌科为优势科. LEfSe分析显示, NPK土壤样品显著差异类群为柄杆菌目（Caulobacterales）、假单胞菌目（Pseudomonadales）、黄杆菌科（Xanthobacteraceae）、柄杆菌科（Caulobacteraceae）、慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）、雷尔氏菌属（Ralstonia）和柄杆菌属（Caulobacter）；NPKB土壤样品显著差异类群为γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria）、红螺菌目（Rhodospirillales）、弗兰克菌目（Frankiales）、地嗜皮菌科（Geodermatophilaceae）和溶杆菌属（Lysobacter）；δ-变形菌纲（Deltaproteobacteria）、黏球菌目（Myxococcales）、类固醇杆菌目（Steroidobacterales）、热微菌目（Thermomicrobiales）、糖霉菌目（Glycomycetales）、类固醇杆菌科（Steroidobacteraceae）、糖霉菌科（Glycomycetaceae）、黄色杆菌属（Pseudolabrys）、马赛菌属（Steroidobacter）、糖霉菌属（Glycomyces）和生丝微菌属（Hyphomicrobium）是NPKO土壤样品的显著差异类群（图 3）.
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图 2 土壤细菌16S rRNA基因ASVs分组Venn图 Fig. 2 Venn diagram of ASVs grouping of 16S rRNA genes in soil bacteria |
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LDA阈值为3.0 图 3 3种施肥措施土壤细菌LEfSe分析 Fig. 3 LEfSe analysis of soil bacteria for the three fertilization practices |
从门水平的分类来看[图 4（a）], 土壤细菌主要来自变形菌门（Proteobacteria）、担子菌门（Actinobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）、酸杆菌门（Acidobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）和髌骨细菌（Patescibacteria）. 其中, Proteobacteria、Actinobacteria和Chloroflexi占所有微生物总数的80%以上, 且相对丰度均超过2%, 是所测土壤的优势菌群. 整体而言, 在门分类水平上, 3种施肥处理之间土壤细菌群落的相对丰度存在差异性.针对优势菌群, NPKB的Proteobacteria显著高于NPKO（P < 0.05）, 但与NPK之间差异不显著, NPKO的Actinobacteria显著高于NPKB（P < 0.05）, Chloroflexi在NPK与NPKB之间差异不显著, 但均显著低于NPKO（P < 0.05）[图 4（b）]. Proteobacteria的相对丰度为42.47%~74.36%（NPKB > NPK > NPKO）, Actinobacteria为13.27%~25.51%（NPKO > NPK > NPKB）, Chloroflexi为2.07%~12.12%（NPKO > NPKB > NPK）.
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Nitrospirae：硝化螺旋菌门, Planctomycetes：浮霉菌门；不同小写字母表示不同施肥处理同一物种间的显著性差异（P < 0.05） 图 4 不同施肥处理土壤细菌门水平上群落结构特征 Fig. 4 Soil bacterial community structure at the phylum level in soils of different fertilization treatments |
多样性分析结果表明, 施肥措施能显著影响细菌Shannon指数[图 5（a）]和细菌丰富度指数[图 5（b）]. NPKO处理中细菌丰富度和Shannon指数显著高于NPK和NPKB处理（P < 0.05）, 尤其是细菌丰富度差异更大[图 5（b）], NPKO处理细菌丰富度指数分别是NPK和NPKB处理的6.9倍和3.6倍.
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不同小写字母表示不同施肥处理间的显著性差异（P < 0.05） 图 5 3种施肥措施土壤细菌群落多样性 Fig. 5 Diversity of soil bacterial communities for the three fertilization practices |
NMDS分析结果显示细菌群落组成在不同施肥措施间存在差异[图 6（a）], PERMANOVA揭示了相同的结果（F = 2.725, P = 0.001）. 此外, Bray-Curtis相异性指数[图 6（b）]在3种施肥措施间存在极显著差异（P < 0.001）, 且在NPKO处理最高, NPKB次之, NPK处理最低. 表明细菌群落组成在推荐施肥样本间具有最高相似性, 其次是增施生物炭处理, 增施有机肥处理的相似性最低, NMDS分析也印证了该结果.
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图 6 细菌群落的NMDS和Bray-Curtis相异性指数 Fig. 6 Nonmetric multidimensional scaling (NMDS) and Bray-Curtis dissimilarity index of bacterial community composition |
以土壤特性（pH、AN、AP、AK、TN、TP、TK、SOC、C/N、C/P和N/P）与细菌显著差异类群构建RDA模型[图 7（a）]. 结果发现, 土壤pH、TN和SOC是引起细菌类群差异的显著因子（P < 0.05）. 方差分解分析进一步揭示土壤pH、土壤全量养分（TN、TP和TK）和土壤SOC对细菌显著差异类群的影响[图 7（b）], 发现土壤全量养分（70.59%）是影响细菌群落的首要因子, 其次是土壤SOC（49.42%）, 土壤pH（27.08%）影响最小.
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NE：土壤全量氮磷钾养分；Residuals：未解释变差 图 7 土壤特性与细菌显著差异类群关系的RDA和方差分解分析 Fig. 7 RDA and ANOVA of the relationship between soil properties and significantly different taxa of bacteria |
相关性分析表明, 细菌丰富度和Shannon指数与土壤AN、AP、AK、SOC、TN和IFI呈显著（P < 0.05）或极显著（P < 0.01）正相关, 而与土壤pH呈负相关, 但未达显著水平（图 8）.
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*为P < 0.05, **为P < 0.01；红色表示正相关, 蓝色表示负相关, 颜色越深相关性越大, 反之则越小 图 8 土壤特性与细菌α多样性指数的相关性分析 Fig. 8 Correlation analysis of soil properties and bacterial alpha diversity index |
首先, 将土壤特性因子做PCA分析[图 9（a）], 判定PCA1轴为土壤pH相关的土壤性质（解释率为68%）, PCA2轴为土壤TP和N/P相关的土壤性质（解释率为16%）；然后, 用PCA1和PCA2两轴来代替土壤理化性质构建结构方程模型（Fisher's C = 0.506, P = 0.777, df=2）. 模型显示, PCA1通过两条途径影响土壤综合肥力水平：第一条为PCA1直接影响土壤综合肥力水平（通径系数为1.02）, 第二条为PCA1通过增加细菌Shannon多样性来间接提高土壤综合肥力水平（通径系数为0.55）. PCA1和细菌Shannon多样性共解释土壤肥力水平的90%；PCA1可解释75%的细菌Shannon多样性[图 9（b）].
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（b）中线上数字表示路径系数, 线条粗细表示相关性大小, 实线表示显著相关（P < 0.05）, 虚线表示不显著（P > 0.05）, 红色线条表示正影响, 蓝色线条表示负影响 图 9 土壤特性及土壤微生物多样性影响土壤综合肥力水平的结构方程模型 Fig. 9 Structural equation modeling of soil properties and soil microbial diversity affecting the level of integrated soil fertility |
自然土壤中生存的大量微生物菌群在土壤有机质分解和养分循环等土壤培肥过程中起着关键作用[27, 28]. 本研究结果表明, 土壤细菌群落在门水平上的优势物种为变形菌门、担子菌门和绿弯菌门[图 4（b）], 这与聂扬眉等[29]的研究结果一致. 其中, 变形菌门丰度是土壤营养丰富和高碳底物富集的表征[29], 还可促进富含养分的易降解组分分解[29]和促进土壤氮素的转化[30]. 也有研究结果表明, 固定CO2的细菌以厚壁菌门最多（34.4%）, 其次是变形菌门（18.3%）、放线菌门（17.2%）和拟杆菌门（16.1%）[28]. 本研究结果表明, 添加生物炭使得隶属于富营养型细菌的变形菌门[31]的相对丰度显著提高, 添加有机肥使得隶属于寡养型细菌类群的拟杆菌门[32]和厚壁菌门[33]的丰度均显著提高[图 4（a）]. 说明增施生物炭有益于促进富含养分的易降解组分分解, 而增施有机肥导致土壤微生物类群由富养型微生物主导变转为寡养型微生物主导.
本研究结果表明, NPKO中马铃薯根系细菌具有最高的α多样性, 其次为NPKB, NPK处理细菌α多样性最低（图 5）. 这种差异结果主要与化肥、有机肥和生物炭的特性差异有关, 其中有机肥富含活性碳源, 可为土壤微生物提供充足的能源物质, 有益于改善土壤微生物繁殖和提高微生物多样性[34]；生物炭可为微生物提供栖息场所, 固持养分和水分, 但生物炭多为惰性炭[35], 不是微生物的良好碳源；化肥虽能为微生物提供营养物质, 但在土壤微生物栖息场所和碳源供给等方面不及有机肥和生物炭. 此外, 增施生物炭或有机肥引起的细菌群落组成的改变有助于细菌群落功能的转变. 通过LEfSe分析探讨了3种施肥措施根际细菌的显著差异类群（图 3）并基于细菌生理功能分析发现, 雷尔氏菌属是重要的病原菌[35], 慢生根瘤菌属、柄杆菌目、柄杆菌科、柄杆菌属和假单胞菌目是氮相关的功能菌[36], 其中柄杆菌目、柄杆菌科、柄杆菌属具有反硝化脱氮功能, 在NPK处理中丰度增加不利于土壤固氮. 另外, NPKB土壤样品的γ-变形菌纲、红螺菌目、地嗜皮菌科和溶杆菌属丰度显著高于NPK和NPKO处理. 有研究表明, 变形菌纲是土壤细菌中的优势菌种, 在土壤有机物质分解、循环和能量转化中起重要作用[37]；红螺菌目是富营养菌, 对于土壤碳氮循环具有重要作用[38]；弗兰克菌目是具有强烈固氮能力的菌种[38], 这可能是本研究中NPKB处理土壤全氮含量[图 1（e）]较高的原因之一. 朱成之等[39]研究表明, 溶杆菌属是一类具有生防潜力的新型生防菌, 还是同化玉米秸秆碳的主要微生物. 本研究NPKB土壤中溶杆菌属丰度的增加对揭示土壤中秸秆炭分解的微生物学机制具有重要意义. 以往研究表明, δ-变形菌纲、热微菌目、黏球菌目和糖霉菌属均是促进作物增产或品质提升的有益功能菌[35, 40~43], 其中黏球菌目与尿素水解有关[41], 热微菌目可增加土壤磷转运和抑制作物对铝和锰的吸收[35]. 因此, 增施有机肥（NPKO）热微菌目丰度的增加可能有益于缓解研究区地带性黄壤对磷的化学固定和对植物的铝、锰毒害, 这一发现将对研究区土壤质量提升具有重要意义. 另外, 类固醇杆菌科、黄色杆菌属和马赛菌属均是碳相关的功能菌[39, 41], 且类固醇杆菌科的细菌具有无机碳固定的关键基因, 黄色杆菌属除参与碳循环外, 还主要参与硝酸盐还原和纤维素降解[36]. 上述结果说明推荐施肥、增施有机肥、增施生物炭均能使细菌功能类群产生显著差异, 且增施有机肥和生物炭在驱动具有土壤碳氮循环及其固定功能的有益菌上优于推荐施肥处理（NPK）. 本研究表明, 以上细菌类群的显著差异主要是土壤特性驱动的, 其中土壤pH、TN和SOC是细菌类群差异的显著因子[图 7（a）], 土壤全量养分能解释细菌类群差异的70.59%, 土壤SOC能解释49.42%, 土壤pH解释率最小, 为27.08%[图 7（b）].
尽管增施有机肥和生物炭有益于土壤固氮, 但是研究区土壤ω（AN）（10.5 ~28 mg·kg-1）仍极为缺乏, 处在极缺乏水平[26]. 这主要与马铃薯长期连作, 研究区降雨多, 氮淋失严重有关, 生产上应注意及时补施氮肥. 重视有机肥的施用, 提升农业废弃物的利用效率, 推广有机无机肥配施技术是提升土壤肥力的必然趋势[44]. 本研究中增施生物炭和有机肥均显著提高了基础土壤肥力水平[图 1（l）]. 为了反映出作物对土壤属性的要求不是越高越好的实际, 本研究采用内梅罗综合指数法[26]综合评价土壤肥力水平发现, NPK、NOKB和NPKO处理的IFI值分别为0.65、1.21和1.34, 说明增施有机肥或生物炭能将研究区土壤由瘦瘠肥力水平提升至一般肥力水平[26], 其中NPKO处理培肥效果最优. 为了揭示土壤特性和土壤微生物对土壤肥力的直接影响和间接影响, 本研究构建了结构方程模型, 结果显示pH相关的土壤特性和细菌Shannon多样性是土壤综合肥力水平的关键因素[图 9（b）]. 其可能原因如下：①土壤pH对土壤养分有效性的直接影响作用. 例如, 氮在土壤pH < 6或pH > 8时, 其有效性较低；磷在土壤pH < 6.5时, 随着pH值的降低或在pH < 7.5时, 随着pH值的升高, 磷的有效性降低, 当pH > 8.5时, 其有效性又增大；钾在土壤pH≤5时, 因钾的淋失而能使土壤缺钾[45]. 本研究中, NPKO处理土壤pH值（6.92~7.03）最接近中性[图 1（a）], 氮磷钾元素的有效性最大, 土壤综合肥力水平也最高[图 1（l）], 也充分验证了土壤pH对土壤培肥的重要作用. ②土壤pH对细菌多样性的重要影响作用. 本研究中, AN、AP、AK、SOC和TN与土壤细菌多样性呈显著正相关（图 8）, 而土壤pH对土壤AN、AP、AK、SOC和TN等土壤特性的影响均为负[图 9（a）]. 说明土壤pH值是根际细菌多样性的重要影响因子, 结构方程模型也印证了该结果, 解释率为75%[图 9（b）]. 此外, 以往研究表明土壤微生物可直接关系到土壤肥力, 土壤微生物多样性降低, 土壤肥力会退化[46], 这与本研究中细菌多样性对土壤综合肥力具有直接正向影响（通径系数为0.55）的结论相一致.
4 结论（1）增施有机肥可以通过改变土壤AP、AK、TN和C/N等为代表的土壤肥力指标, 增加土壤综合肥力水平；通过增加土壤pH、TN和SOC含量, 有效提升细菌多样性和功能类群数.
（2）结构方程表明：土壤pH相关的土壤特性和细菌Shannon多样性是土壤综合肥力的直接影响因素, 土壤pH相关的土壤特性还可通过影响细菌Shannon多样性间接影响土壤综合肥力.
（3）基于土壤培肥效果和细菌功能类群考虑, NPKO是土壤培肥最佳协同效应的推荐组合, 即N 150 kg·hm-2+P2O5 135 kg·hm-2+K2O 135 kg·hm-2+有机肥6.6 t·hm-2.
| [1] | 刘振业. 贵州马铃薯产业现状和发展优势与潜力[J]. 贵州农业科学, 2005, 33(3): 5-8. |
| [2] |
邢存芳, 侯建伟, 杨莉琳. 不同秸秆炭在黄壤中降解特征的比较研究[J]. 西南师范大学学报(自然科学版), 2023, 48(6): 81-87. Xing C F, Hou J W, Yang L L. Comparative study on degradation characteristics of different straw biochar in Yellow Soil[J]. Journal of Southwest China Normal University (Natural Science Edition), 2023, 48(6): 81-87. |
| [3] |
张恒, 周忠发, 黄静, 等. 岩溶洞穴滴水δ13CDIC季节变化特征及其环境意义[J]. 环境科学与技术, 2022, 45(5): 135-144. Zhang H, Zhou Z F, Huang J, et al. Seasonal variation characteristics of δ13CDIC of drip water in karst cave and environmental significance[J]. Environmental Science & Technology, 2022, 45(5): 135-144. |
| [4] |
李杰, 范东明, 游为. 利用GRACE监测中国区域干旱及其影响因素分析[J]. 大地测量与地球动力学, 2019, 39(6): 587-595. Li J, Fan D M, You W. Using GRACE to monitor regional drought in China and its influencing factors[J]. Journal of Geodesy and Geodynamics, 2019, 39(6): 587-595. |
| [5] |
王鸣燕, 宿顺顺, 冯浩, 等. 节水灌溉与有机肥配施对关中地区夏玉米氮肥利用的影响[J]. 玉米科学, 2023, 31(4): 165-172. Wang M Y, SU S S, Feng H, et al. Effects of water-saving irrigation and combined application of organic fertilizer on nitrogen utilization of summer maize in Guanzhong area[J]. Journal of Maize Sciences, 2023, 31(4): 165-172. |
| [6] |
杨亚红, 薛莉霞, 孙波, 等. 解淀粉芽孢杆菌生物有机肥防控土壤氨挥发[J]. 环境科学, 2020, 41(10): 4711-4718. Yang Y H, Xue L X, Sun B, et al. Bacillus amyloliquefaciens biofertilizer mitigating soil ammonia volatilization[J]. Environmental Science, 2020, 41(10): 4711-4718. |
| [7] |
邓正昕, 高明, 熊子怡, 等. 有机肥配施生物炭对果园土壤反硝化微生物和酶活性的影响[J]. 环境科学, 2023, 44(12): 6955-6964. Zheng Z X, Gao M, Xiong Z Y, et al. Effects of organic fertilizer combined with biochar on denitrifying microorganisms and enzyme activities in lemon orchard soil[J]. Environmental Science, 2023, 44(12): 6955-6964. |
| [8] | Gul S, Whalen J K, Thomas B W, et al. Physico-chemical properties and microbial responses in biochar-amended soils: mechanisms and future directions[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2015, 206: 46-59. |
| [9] |
范声浓, 王烁衡, 于良君, 等. 生物炭对杧果根系生长、土壤养分和微生物群落的影响[J]. 云南农业大学学报(自然科学), 2022, 37(4): 692-702. Fan S N, Wang S H, Yu L J, et al. Effects of biochar on mango root growth, soil nutrients and microbial communities[J]. Journal of Yunnan Agricultural University (Natural Science), 2022, 37(4): 692-702. |
| [10] |
郭书亚, 尚赏, 汤其宁, 等. 不同轮耕方式与生物炭对土壤酶活性、土壤养分及小麦和玉米产量的影响[J]. 作物杂志, 2022(3): 211-217. Guo S Y, Shang S, Tang Q N, et al. Effects of different rotation tillage methods and biochar on soil enzyme activity, soil nutrients and yield of wheat and maize[J]. Crops, 2022(3): 211-217. |
| [11] | 石吕, 薛亚光, 韩笑, 等. 不同土壤类型条件下生物炭施用量对水稻产量、品质和土壤理化性状的影响[J]. 江苏农业科学, 2022, 50(23): 222-228. |
| [12] |
王钰皓, 庞津雯, 卫婷, 等. 旱作农田覆膜和秸秆碳投入对土壤团聚特性及作物产量的影响[J]. 土壤学报, 2023, 1-15. Wang Y H, Pang J W, Wei T, et al. Coupled effects of film mulching and straw-derived carbon inputs on soil aggregate characteristics and crop yields in semiarid areas[J]. Acta Pedologica Sinica, 2023, 1-15. DOI:10.11766/trxb202203230129 |
| [13] |
武玉, 徐刚, 吕迎春, 等. 生物炭对土壤理化性质影响的研究进展[J]. 地球科学进展, 2014, 29(1): 68-79. Wu Y, Xu G, Lv Y C, et al. Effect of biochar amendment on soil physical and chemical properties: Current status and knowledge gaps[J]. Advances in Earth Science, 2014, 29(1): 68-79. |
| [14] | Zhang C, Zhao X, Liang A J, et al. Insight into the soil aggregate-mediated restoration mechanism of degraded black soil via biochar addition: Emphasizing the driving role of core microbial communities and nutrient cycling[J]. Environmental Research, 2023, 228. DOI:10.1016/j.envres.2023.115895 |
| [15] |
吴宪, 王蕊, 胡菏, 等. 潮土细菌及真菌群落对化肥减量配施有机肥和秸秆的响应[J]. 环境科学, 2020, 41(10): 4669-4681. Wu X, Wang R, Hu H, et al. Response of bacterial and fungal communities to chemical fertilizer reduction combined with organic fertilizer and straw in Fluvo-aquic soil[J]. Environmental Science, 2020, 41(10): 4669-4681. |
| [16] |
周学丽, 史德军, 刘汉江, 等. 有机肥改变了退化人工草地微生物群落网络结构和潜在功能[J]. 草地学报, 2023, 31(9): 2693-2702. Zhou X L, Shi D J, Liu H J, et al. Organic fertilizer application changed the structure and potential functions of microbial communities networks in degraded artificial grasslands[J]. Acta Agrestia Sinica, 2023, 31(9): 2693-2702. |
| [17] |
姚丽茹, 李伟, 朱员正, 等. 施用生物炭对麦田土壤细菌群落多样性和冬小麦生长的影响[J]. 环境科学, 2023, 44(6): 3396-3407. Yao L R, Li W, Zhu Y Z, et al. Effects of biochar application on soil bacterial community diversity and winter wheat growth in wheat fields[J]. Environmental Science, 2023, 44(6): 3396-3407. |
| [18] |
王培欣, 杨亚东, 王占海, 等. 施肥制度对水稻土壤nosZ型反硝化细菌群落的影响[J]. 生态学杂志, 2019, 38(7): 2072-2079. Wang P X, Yang Y D, Wang Z H, et al. Responses of the nosZ-denitrifying bacterial communities to fertilization regimes in paddy soils[J]. Chinese Journal of Ecology, 2019, 38(7): 2072-2079. |
| [19] | Rahman G K M M, Rahman M M, Alam M S, et al. Biochar and organic amendments for sustainable soil carbon and soil health[M]. Singapore: Springer, 2020: 45-85. |
| [20] | Pyakurel A, Dahal B R, Rijal S. Effect of molasses and organic fertilizer in soil fertility and yield of spinach in Khotang, Nepal[J]. International Journal of Applied Sciences and Biotechnology, 2019, 7(1): 49-53. |
| [21] |
张萌, 徐永康, 马智黠, 等. 施肥枪分次追施对贵州春马铃薯产量、结薯性状及土壤肥力的影响[J]. 灌溉排水学报, 2017, 36(9): 35-40. Zhang M, Xu Y K, Ma Z X, et al. Effect of top-dressing fertilizer with fertilizer applicator on yield, tuber traits of spring potato and soil fertility in Guizhou province[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2017, 36(9): 35-40. |
| [22] |
罗松平. 喀斯特黄壤养分化学计量和微生物群落对生物炭添加的响应[D]. 重庆: 西南大学, 2021. Luo S P. Response of nutrient stoichiometry and microbial community of karst yellow soil to biochar addition[D]. Chongqing: Southwest University, 2021. |
| [23] |
杨莉琳, 唐书达, 朱向梅, 等. 生物炭与土壤调理剂对滨海荒芜重盐碱地先锋作物的影响[J]. 中国生态农业学报(中英文), 2023, 31(3): 487-494. Yang L L, Tang S D, Zhu X M, et al. Effects of biochar and conditioner on pioneer crops planted in coastal barren severe saline-alkali soil[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2023, 31(3): 487-494. |
| [24] |
李毅, 梁嘉平, 王小芳, 等. 改善土壤理化性质和作物出苗率的最佳生物炭施用量[J]. 土壤学报, 2024, 1-12. Li Y, Liang J P, Wang X F, et al. The most appropriate biochar application rate for improving soil physicochemical properties and crop germination rates[J]. Acta Pedologica Sinica, 2024, 1-12. DOI:10.117766/trxb202202250080 |
| [25] | 鲍士旦. 土壤农化分析[M]. 北京: 中国农业出版社, 2000, 第三版. |
| [26] |
陈芬, 余高, 孙约兵, 等. 汞矿区周边农田土壤微生物群落结构特征及其环境驱动因子[J]. 环境科学, 2022, 43(8): 4342-4352. Chen F, Yu G, Sun Y B, et al. Characteristics of microbial community structure in the surrounding farmlands of a mercury mining area and its environmental driving factors[J]. Environmental Science, 2022, 43(8): 4342-4352. |
| [27] |
靳玉婷, 李先藩, 蔡影, 等. 秸秆还田配施化肥对稻-油轮作土壤酶活性及微生物群落结构的影响[J]. 环境科学, 2021, 42(8): 3985-3996. Jin Y T, Li X F, Cai Y, et al. Effects of straw returning with chemical fertilizer on soil enzyme activities and microbial community structure in rice-rape rotation[J]. Environmental Science, 2021, 42(8): 3985-3996. |
| [28] |
张鑫, 周卫, 艾超, 等. 秸秆还田下氮肥运筹对夏玉米不同时期土壤酶活性及细菌群落结构的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(2): 295-306. Zhang X, Zhou W, Ai C, et al. Effects of nitrogen management on soil enzyme activities and bacterial community structure in summer maize growing stages under straw incorporation[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2020, 26(2): 295-306. |
| [29] |
聂扬眉, 步连燕, 陈文峰, 等. 高量秸秆还田配施芽孢杆菌对沙化土壤细菌群落及肥力的影响[J]. 环境科学, 2023, 44(9): 5176-5185. Nie Y M, Bu L Y, Chen W F, et al. Effect of high-volume straw returning and applying bacillus on bacterial community and fertility of desertification soil[J]. Environmental Science, 2023, 44(9): 5176-5185. |
| [30] | Liu X Y, Shi Y, Kong L Y, et al. Long-term application of bio-Compost increased soil microbial community diversity and altered its composition and network[J]. Microorganisms, 2022, 10(2). DOI:10.3390/MICROORGANISMS10020462 |
| [31] |
米扬, 郭蓉, 王媛, 等. 宁夏荒漠草原土壤细菌与真菌群落对降水变化的响应[J]. 草业学报, 2023, 32(11): 81-92. Mi Y, Guo R, Wang Y, et al. Responses of soil bacterial and fungal communities to precipitation in the desert steppe ecosystem of Ningxia[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2023, 32(11): 81-92. |
| [32] |
郑慧珍, 王慧琳, 高江婧, 等. 窖泥优势拟杆菌纲微生物Petrimonas sulfuriphila的分离及其功能解析[J]. 微生物学报, 2022, 62(9): 3373-3386. Zheng H Z, Wang H L, Gao J J, et al. Isolation and functional analysis of the dominant Bacteroidia species Petrimonas sulfuriphila in pit mud[J]. Acta Microbiologica Sinica, 2022, 62(9): 3373-3386. |
| [33] |
周妍, 王丽娜, 张美珍, 等. 盐碱土加沙后接种溶磷菌对绿豆根际土壤细菌多样性的影响[J]. 山东农业科学, 2022, 54(6): 73-81. Zhou Y, Wang L N, Zhang M Z, et al. Effects of innoculating phosphorus-solubilizing bacteria on bacterial diversity of mung bean rhizosphere soil mixed with sands in saline alkaline soil[J]. Shandong Agricultural Sciences, 2022, 54(6): 73-81. |
| [34] | Bolan N, Hoang S A, Beiyuan J, et al. Multifunctional applications of biochar beyond carbon storage[J]. International Materials Reviews, 2022, 67(2): 150-200. |
| [35] | Wang J L, Liu K L, Zhao X Q, et al. Microbial keystone taxa drive crop productivity through shifting aboveground-belowground mineral element flows[J]. Science of the Total Environment, 2022, 811. DOI:10.1016/j.scitotenv.2021.152342 |
| [36] |
宋佳承. 轮作及连作对马铃薯生长发育及根际微环境的影响[D]. 兰州: 甘肃农业大学, 2020. Song J C. Effects of rotation and continuous cropping on potato growth and rhizospheric microenvironment[D]. Lanzhou: Gansu Agricultural University, 2020. |
| [37] | Matimba H H, Joachim A, Mizinduko M M, et al. Genetic relatedness, virulence factors and antibiotics susceptibility pattern of Vibrio cholerae isolates from various regions during cholera outbreak in Tanzania[J]. PLoS One, 2022, 17(3). DOI:10.1371/JOURNAL.PONE.0265868 |
| [38] |
施宇森, 王杉杉, 方伟, 等. 基于Meta分析研究毛竹入侵致土壤pH提升及养分和微生物群落结构的变化[J]. 土壤学报, 2023, 1-17. Shi Y S, Wang S S, Fang W, et al. Bamboo invades surrounding forest increased soil pH, changed soil chemical nutrient and microbial community: a meta-analysis[J]. Acta Pedologica Sinica, 2023, 1-17. DOI:10.11766/trxb202208210462 |
| [39] |
朱成之, 段旭, 张娜, 等. 青枯病不同发病率土壤对番茄植株氮素吸收效率的影响[J]. 土壤, 2022, 54(3): 446-454. Zhu C Z, Duan X, Zhang N, et al. Effects of soils with different bacterial wilt disease incidences on nitrogen absorption efficiency of tomato plants[J]. Soils, 2022, 54(3): 446-454. |
| [40] |
邱文静, 栾璐, 郑洁, 等. 秸秆还田方式对根际固氮菌群落及花生产量的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2021, 27(12): 2063-2072. Qiu W J, Luan L, Zheng J, et al. Effects of different types of straw returning on nitrogen-fixing bacteria community in rhizosphere and peanut yield[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2021, 27(12): 2063-2072. |
| [41] | Ouyang Y, Norton J M. Short-term nitrogen fertilization affects microbial community composition and nitrogen mineralization functions in an agricultural soil[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2020, 86(5). DOI:10.1128/AEM.02278-19 |
| [42] |
黄子粤, 刘文君, 覃仁柳, 等. 不同品种南瓜内生细菌多样性及PICRUSt基因功能预测分析[J]. 中国农业科学, 2021, 54(18): 4018-4032. Huang Z Y, Liu W J, Qin R L, et al. Endophytic bacterial community composition and PICRUSt gene functions in different pumpkin varieties[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2021, 54(18): 4018-4032. |
| [43] | Wan Z H, Sun Y Q, Tsang D C W, et al. Customised fabrication of nitrogen-doped biochar for environmental and energy applications[J]. Chemical Engineering Journal, 2020, 401. DOI:10.1016/j.cej.2020.126136 |
| [44] | Yang Q L, Zheng F X, Jia X C, et al. The combined application of organic and inorganic fertilizers increases soil organic matter and improves soil microenvironment in wheat-maize field[J]. Journal of Soils and Sediments, 2020, 20(5): 2395-2404. |
| [45] | 黄云. 植物营养学[M]. 北京: 中国农业出版社, 2014. |
| [46] | Tayyab M, Yang Z Q, Zhang C F, et al. Sugarcane monoculture drives microbial community composition, activity and abundance of agricultural-related microorganisms[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2021, 28(35): 48080-48096. |