秸稈還田與氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻不同生育期土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

王娟娟，胡珈瑋，狄霖，劉玲玲，王桂良，錢曉晴，張振華

摘要：秸稈還田是當(dāng)前資源循環(huán)利用的重要方式。氮肥運(yùn)籌對(duì)于秸稈還田效率及土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響較大。本研究采用盆栽試驗(yàn)的方法，探究秸稈還田和不同氮肥運(yùn)籌條件下水稻主要生育期的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化。試驗(yàn)設(shè)置了常規(guī)施氮（T1）、秸稈還田+氮肥后移（T2）、秸稈還田+常規(guī)施氮（T3）、秸稈還田+氮肥前移（T4）4個(gè)處理，分別測(cè)定了水稻苗期、分蘗期、成熟期土壤部分理化性質(zhì)及細(xì)菌群落組成，并于成熟期測(cè)產(chǎn)。結(jié)果表明，各處理中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌包括Chloroflexi、Proteobacteria、Acidobacteria、Firmicutes、Actinobacteria，總占比>78%，Chloroflexi在水稻苗期和成熟期占比最高，而Proteobacteria在水稻分蘗期最多。秸稈還田+氮肥后移處理提高了水稻苗期土壤細(xì)菌的豐富度，但對(duì)其均勻度影響較小。在水稻分蘗期和成熟期，秸稈還田與否及氮肥運(yùn)籌對(duì)土壤細(xì)菌多樣性影響較小。秸稈還田提高了水稻產(chǎn)量，以秸稈還田+氮肥前移處理的增產(chǎn)效果最大，且該處理增加了水稻分蘗期土壤硝態(tài)氮、速效磷含量。在水稻成熟期，土壤中與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān)的細(xì)菌群落包括Acidobacteria和Gemmatinomadetes等。綜上所述，秸稈還田并增加氮肥基施比例可以增加水稻產(chǎn)量，并對(duì)改善水稻生長(zhǎng)后期土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生積極作用。

關(guān)鍵詞：秸稈還田;氮肥;土壤;細(xì)菌群落結(jié)構(gòu);水稻

中圖分類號(hào)：S154.3;S511文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1000-4440（2021）06-1460-11

Effects of straw returning and nitrogen management on soil microbial community structure at different rice growth stages

WANG Juan-juan1，HU Jia-wei1，DI Lin2，LIU Ling-ling1，WANG Gui-liang1，QIAN Xiao-qing1，3，ZHANG Zhen-hua3，4

（1.College of Environmental Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou 225127， China;2.Zhenjiang Agricultural and Rural Bureau， Zhenjiang 212009， China;3.Institute of Soil Health， Yangzhou University， Yangzhou 225127， China;4.Institute of Agricultural Resources and Environment， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China）

Abstract：Straw returning is an important way of resource recycling. Nitrogen （N） application has great influence on straw returning efficiency and soil bacterial community structure. In this study， a pot experiment was conducted to explore the changes of soil bacterial community structure at different rice growth stages under the treatments of straw returning combined with N management. There were four treatments in the experiment， including conventional N fertilization （T1）， straw returning with postponed N fertilization （T2）， straw returning with conventional N fertilization （T3） and straw returning with moved forward N fertilization （T4）. Soil physiochemical properties and bacterial community composition were determined at seedling， tillering and mature stage， and yield was measured at harvest stage. The results showed that the dominant bacteria phyla in all treatments were Chloroflexi， Proteobacteria， Acidobacteria， Firmicutes and Actinobacteria （together accounted for over 78% of the total sequences）. Chloroflexi represented the most dominant phylum at seedling and mature stages， while Proteobacteria was the most abundant phylum at tillering stage. Straw returning with postponed N fertilization increased the richness of soil bacteria， but had little influence on bacterial evenness at seedling stage. Straw returning and nitrogen management had little influence on soil bacterial diversity at tillering and maturity stages of rice. Straw returning increased rice yield， and the highest yield was obtained in the treatment of straw returning with moved forward N fertilization （T4）. Moreover， the contents of soil available phosphorus （P） and nitrate nitrogen were increased at tillering stage of rice in T4 treatment. The relative abundance of bacterial communities， including Acidobacteria and Gemmatinomadetes was positively correlated with the yield at ripen stage. In conclusion， straw returning combined with moved forward N fertilization can increase rice yield and improve soil microbial community structure at late growth stage.

Key words：straw returning;nitrogen fertilization;soil;bacterial community structure;rice

農(nóng)作物秸稈是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中主要的副產(chǎn)品，數(shù)量巨大，中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，秸稈資源也非常豐富，但傳統(tǒng)的不合理利用方式不僅會(huì)導(dǎo)致資源嚴(yán)重浪費(fèi)，還會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境問題。秸稈中富含有機(jī)質(zhì)、氮、磷、鉀以及多種中、微量元素，能較好地平衡土壤有機(jī)碳與土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)，因而被廣泛用于可持續(xù)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中[1]，秸稈還田利用已成為當(dāng)前研究的熱點(diǎn)[2]。秸稈腐解后可有效提高土壤養(yǎng)分，同時(shí)也可以改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤水熱狀況[3]。土壤性質(zhì)的改變則會(huì)進(jìn)一步影響土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)以及相關(guān)功能的表達(dá)。

土壤微生物是農(nóng)田系統(tǒng)重要的組成部分，對(duì)調(diào)控土壤中各類養(yǎng)分循環(huán)、土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成、土壤碳庫動(dòng)態(tài)變化以及作物產(chǎn)量形成等均有深刻影響[4-6]。秸稈還田可能通過直接提供養(yǎng)分或間接改變土壤理化性質(zhì)而影響土壤細(xì)菌組成，而土壤微生物則決定著秸稈腐解過程，并進(jìn)一步影響土壤養(yǎng)分和植物生長(zhǎng)。大量研究結(jié)果表明，秸稈還田后土壤微生物組成及功能均有一定變化[5，7-8]。例如，秸稈還田引起的土壤pH變化，可能對(duì)土壤細(xì)菌群落改變起到關(guān)鍵作用[9]。然而，土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、代謝以及活動(dòng)對(duì)秸稈還田的反饋影響因秸稈、土壤類型、作物品種、輪作方式、肥料運(yùn)籌等不同而異[10-11]，如在土壤有機(jī)碳充足的條件下，大部分細(xì)菌的生長(zhǎng)可能受秸稈的影響較小[12]。此外，秸稈還田對(duì)土壤不同營(yíng)養(yǎng)型細(xì)菌群落豐度的影響也有差異[13]。

秸稈還田對(duì)水稻產(chǎn)量的影響受還田量、耕作方式、水稻品種及肥料運(yùn)籌等多方面因素影響[14]。不合理的秸稈施用不僅不會(huì)提高水稻產(chǎn)量，還可能帶來負(fù)面效應(yīng)[15]。過多的秸稈施用可能會(huì)影響作物根系生長(zhǎng)，降低土壤養(yǎng)分，如氮素水平，甚至可能引起雜草、病蟲為害[16]，其主要原因在于秸稈施用后土壤的碳氮比并不一定能滿足水稻植株和土壤微生物對(duì)該類營(yíng)養(yǎng)的需要[17]。秸稈還田帶來的大量有機(jī)碳促進(jìn)土壤微生物繁殖，而要求更多的氮源，導(dǎo)致土壤微生物與植物的爭(zhēng)氮現(xiàn)象[18]，尤其是秸稈剛腐解時(shí)需要消耗大量的氮營(yíng)養(yǎng)，因此，秸稈還田時(shí)通常會(huì)配合施用一定量的氮肥，用以減輕微生物固持無機(jī)氮對(duì)水稻生長(zhǎng)的不良影響[19]。有研究結(jié)果表明，秸稈還田配施氮肥可以有效改善土壤生態(tài)環(huán)境，從而增加作物產(chǎn)量[20]。

水稻氮肥施用包括基肥和追肥，氮肥的運(yùn)籌方式對(duì)水稻生長(zhǎng)及肥料利用效率至關(guān)重要，同時(shí)，施肥方式也影響到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率[21-22]。有研究發(fā)現(xiàn)，氮肥的合理運(yùn)籌可直接決定秸稈和氮肥的利用率，以及作物產(chǎn)量、品質(zhì)[23]。氮肥對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成、優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落相對(duì)豐度的影響甚至要大于秸稈的作用[24]。秸稈還田條件下，氮肥的不同運(yùn)籌方式對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響較為復(fù)雜。本研究擬探究秸稈還田配合氮肥不同運(yùn)籌方式對(duì)水稻產(chǎn)量以及不同水稻生育時(shí)期土壤細(xì)菌群落組成的影響，明確秸稈還田條件下氮肥運(yùn)籌是否在一定程度上通過影響土壤微生物而最終影響水稻產(chǎn)量，以期為水稻生產(chǎn)中秸稈還田與否以及氮肥合理運(yùn)籌方式的選擇提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

1材料與方法

1.1土壤采集

盆栽試驗(yàn)所用土壤采自江蘇省鎮(zhèn)江市丹徒區(qū)榮炳鎮(zhèn)（31°53′36.70″N，119°24′2.81″E），該區(qū)域長(zhǎng)期用作鎮(zhèn)江市農(nóng)業(yè)農(nóng)村局現(xiàn)代農(nóng)業(yè)（稻麥）科技綜合示范項(xiàng)目。土壤為潴育型水稻土，質(zhì)地為黏質(zhì)壤土，試驗(yàn)所用土樣取自稻麥輪作的小麥成熟期。采集0～20 cm耕層土壤，隨機(jī)選擇10個(gè)樣點(diǎn)，樣點(diǎn)間距離不少于5 m，每點(diǎn)取長(zhǎng)、寬、高分別為40 cm、40 cm、20 cm的土塊，破碎混勻，自然風(fēng)干后過孔徑30 mm篩，以用于盆栽試驗(yàn)。另從上述混合土樣中隨機(jī)取20點(diǎn)，每點(diǎn)約50 g土，磨碎過20目篩和100目篩，測(cè)定土壤的基本理化性質(zhì)（表1）。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

秸稈還田盆栽試驗(yàn)于2019年6月在揚(yáng)州大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院的試驗(yàn)大棚中進(jìn)行。試驗(yàn)共設(shè)4個(gè)處理：T1處理，常規(guī)施氮（基蘗肥、穗肥、粒肥的尿素施用量分別為1盆0.87 g、1.01 g、1.01 g）;T2處理，秸稈還田+氮肥后移（秸稈的施用量為1 kg土壤2 g秸稈，基蘗肥、穗肥、粒肥的尿素施用量分別為1盆0 g、1.45 g、1.45 g）;T3處理，秸稈還田+常規(guī)施氮（秸稈的施用量為1 kg土壤2 g秸稈，基蘗肥、穗肥、粒肥的尿素施用量分別為1盆0.87 g、1.01 g、1.01 g）;T4處理，秸稈還田+氮肥前移（秸稈的施用量為1 kg土壤2 g秸稈，基蘗肥、穗肥、粒肥的尿素施用量為1盆1.45 g、0.73 g、0.73 g）。秸稈為小麥秸稈，其總C、N、P2O5、K2O含量分別為460.00 g/kg、3.17 g/kg、0.38 g/kg和14.60 g/kg。

盆栽使用圓柱形塑料盆缽，直徑為20 cm，高度為30 cm。每缽用土總量為10 kg。裝盆前，按各處理方案將風(fēng)干過篩后的土壤與不同用量的秸稈及氮肥（尿素）混勻。除此之外，每盆施用的其他營(yíng)養(yǎng)元素肥料包括磷肥0.39 g（P2O5）、鉀肥0.52 g（K2O）、硫酸鎂1.30 g、硫酸鋅0.13 g、硫酸錳0.13 g、氯化鈣1.30 g、三氯化鐵0.67 g、硼酸0.07 g、鉬酸銨0.01 g。采用逐步擴(kuò)大法將上述成分與土壤混均后裝入塑料盆中，淹水平衡3 d后移栽水稻幼苗。水稻品種為南粳9108，選擇長(zhǎng)勢(shì)一致的三葉期水稻幼苗移栽至各處理土壤中，每盆3穴，每穴4株。每個(gè)處理3盆，隨機(jī)擺放，且每隔21 d調(diào)整一次盆缽位置。水稻生長(zhǎng)期視蒸發(fā)情況及時(shí)補(bǔ)充水分，觀測(cè)水稻生長(zhǎng)情況，并于收獲期測(cè)定產(chǎn)量。

分別于水稻苗期（移栽后7 d）、分蘗期（移栽后30 d）及成熟期（移栽后112 d）采集土壤樣品，用于分析測(cè)定。采樣選用直徑為1.5 cm的自制土鉆采集各處理表層（0～20.0 cm）土壤樣品，每盆隨機(jī)取3個(gè)樣點(diǎn)的土壤樣品進(jìn)行混勻?；靹蚝蟮耐寥罉悠贩殖?份，一份自然風(fēng)干用于測(cè)定樣品理化性質(zhì)，另一份于-80 ℃冰箱中冷凍用于土壤微生物高通量測(cè)序分析。

1.3土壤養(yǎng)分測(cè)定

不同處理下水稻苗期、分蘗期、成熟期的土壤樣品理化性質(zhì)測(cè)定參照文獻(xiàn)[25]的方法。其中，土壤電導(dǎo)率和pH采用純水浸提法（水∶土為5∶1，體積質(zhì)量比）測(cè)定;土壤速效磷含量采用鉬藍(lán)比色分光光度法（0.5 mol/L NaHCO3浸提）測(cè)定;土壤速效鉀含量采用火焰光度法（NH4OAc浸提）測(cè)定;土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定;土壤全氮含量采用半微量開氏法測(cè)定;土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量分別采用KCl浸提靛酚藍(lán)比色法、紫外分光光度法測(cè)定;土壤堿解氮含量采用擴(kuò)散法測(cè)定。

1.4細(xì)菌多樣性測(cè)定與數(shù)據(jù)分析

不同處理土壤樣品的細(xì)菌DNA提取使用PowerSoil DNA提取試劑盒（Qiagen公司產(chǎn)品）操作，詳細(xì)步驟參照說明書。所用引物為通用引物338F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′）和806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′），擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA基因的V3～V4區(qū)域。所得PCR擴(kuò)增產(chǎn)物的回收、純化采用AxyPrepDNA Gel Extraction試劑盒（Axygen公司產(chǎn)品）進(jìn)行，并用QuantiFluorTM-ST試劑盒（Promega公司產(chǎn)品）依據(jù)公司提供的標(biāo)準(zhǔn)程序?qū)兓腜CR產(chǎn)物進(jìn)行定量，最后于Illumina MiSeq平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序，測(cè)序工作由上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司完成。

高通量數(shù)據(jù)的生物信息學(xué)分析在上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司提供的生物云平臺(tái)（http：//www.i-sanger.com）上進(jìn)行。根據(jù)97%的序列相似度，將測(cè)定結(jié)果中有效序列聚類為不同的分類操作單元（OTUs）。采用RDP classifier貝葉斯算法對(duì)97%相似水平的OTU代表序列進(jìn)行分類，參照細(xì)菌16S rRNA對(duì)比庫Silva（http：//www.arb-silva.de）對(duì)各OTU進(jìn)行物種注釋，并獲得各樣本的細(xì)菌分類學(xué)信息，以及不同分類水平上的群落物種組成。按照各樣品細(xì)菌物種注釋及豐富度繪制群落柱狀圖，并計(jì)算細(xì)菌多樣性指數(shù)。采用Student’s t檢驗(yàn)方法比較各土壤樣品的細(xì)菌群落多樣性及物種相對(duì)豐度的差異。采用冗余分析（RDA）對(duì)主要環(huán)境因子和樣品群落組成之間的相關(guān)性進(jìn)行分析。最后采用相關(guān)性Heatmap圖分析各土壤樣品中不同物種與環(huán)境變量以及產(chǎn)量各因素之間的關(guān)系。

1.5統(tǒng)計(jì)分析

土壤理化性質(zhì)和水稻產(chǎn)量等的統(tǒng)計(jì)分析采用SPSS 26軟件的單因素方差（ANOVA）分析，差異性比較采用最小顯著性差異（LSD）法。

2結(jié)果與分析

2.1不同處理下水稻不同生育期的土壤性質(zhì)及水稻產(chǎn)量

土壤基本理化性質(zhì)和水稻產(chǎn)量的分析結(jié)果（表2）顯示，土壤pH在苗期以T4處理為最低，在分蘗期，秸稈還田3個(gè)處理（T2、T3、T4）的pH均顯著低于常規(guī)施氮（T1）處理，秸稈還田配合基施氮肥處理（T3、T4處理）則使土壤pH進(jìn)一步下降。秸稈還田+氮肥前移（T4）處理下，水稻苗期、分蘗期的土壤硝態(tài)氮含量和速效磷含量在4個(gè)處理中均最高。在水稻分蘗期，T4處理下的土壤硝態(tài)氮含量顯著高于T1處理、T2處理。此外，各處理間土壤速效鉀含量和有機(jī)質(zhì)含量的差異未達(dá)到顯著水平。在水稻成熟期，各處理的土壤養(yǎng)分含量之間差異不顯著。秸稈還田總體上增加了水稻產(chǎn)量，T3、T4處理下水稻產(chǎn)量分別為1盆54.2 g和58.4 g，均顯著高于T1處理（1盆35.5 g）。

2.2不同處理下土壤細(xì)菌群落動(dòng)態(tài)變化

2.2.1細(xì)菌多樣性本試驗(yàn)共采集水稻苗期、分蘗期、成熟期不同處理的盆栽土壤樣品36個(gè)，高通量測(cè)序獲得通過質(zhì)量控制的優(yōu)質(zhì)16S rRNA基因序列1 361 200個(gè)，平均每個(gè)土壤樣品獲得約37 811個(gè)優(yōu)質(zhì)序列，其平均長(zhǎng)度為463個(gè)堿基對(duì)。按97%的相似度對(duì)序列進(jìn)行聚類分析，共獲得4 435個(gè)OTU。Chao指數(shù)表示一個(gè)樣品中物種的豐富度，而Shannon指數(shù)則表示物種的均勻度。對(duì)各土壤樣品的細(xì)菌多樣性進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果（表3）顯示，水稻苗期T2處理的土壤細(xì)菌豐富度顯著高于T1處理和T3處理，分別增加了8.3%和4.6%。然而在分蘗期和成熟期，各處理土樣的細(xì)菌豐富度之間差異均不顯著。土壤細(xì)菌均勻度的分析結(jié)果表明，在水稻苗期，秸稈還田處理的細(xì)菌Shannon指數(shù)與T1處理相比均有所增加;在水稻分蘗期，秸稈還田處理的細(xì)菌Shannon指數(shù)與T1處理相比均有所下降，但各處理之間的差異沒有達(dá)到顯著水平。

2.2.2細(xì)菌群落組成及變化對(duì)所獲得的OTU進(jìn)行分類，共得到細(xì)菌種類49個(gè)門，124個(gè)綱，233個(gè)目，404個(gè)科，735個(gè)屬。圖1顯示，相對(duì)豐度（即序列占比）較高的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門有Chloroflexi（22.5%）、Proteobacteria（22.1%）、Acidobacteria（17.8%）、 Firmicutes（9.4%）和Actinobacteria（6.5%）。其中，在水稻生長(zhǎng)苗期、成熟期，平均豐度最高的為Chloroflexi;在分蘗期，土壤中細(xì)菌則以Proteobacteria最多。

同一生育期不同處理下土壤細(xì)菌群落的組間差異顯著性測(cè)定結(jié)果（圖1）表明，在水稻苗期，T4處理下土壤中Bacteroidetes的相對(duì)豐度顯著高于其他處理（P<0.05），而T3處理下Saccharibacteria的相對(duì)豐度則顯著低于其他處理（P<0.001）。在水稻分蘗期，T2處理下Firmicutes和Actinobacteria的相對(duì)豐度分別顯著高于T4處理和T1處理。在水稻成熟期，T1處理下Armatimonadetes的相對(duì)豐度顯著高于其他處理（P<0.001），T2處理下Nitrospirae的相對(duì)豐度顯著高于T1處理。

秸稈還田后同一處理下土壤細(xì)菌門水平的組成在水稻苗期、分蘗期、成熟期有較大變化。其中，T2處理下土壤中Nitrospirae的相對(duì)豐度在分蘗期低于苗期、成熟期（P<0.05）;T2處理下土壤中Saccharibacteria的相對(duì)豐度在分蘗期低于苗期、成熟期（P<0.01）。T3處理下土壤中Firmicutes、Actinobacteria的相對(duì)豐度在苗期顯著高于分蘗期和成熟期（P<0.05）。T4處理下水稻苗期土壤中Chloroflexi的相對(duì)豐度顯著低于成熟期（P<0.05），而水稻苗期土壤中Firmicutes的相對(duì)豐度則顯著高于其他2個(gè)生育時(shí)期（P<0.05）。T1處理下土壤細(xì)菌在門水平上水稻不同生育期間沒有顯著變化。

在屬水平上，所有處理中相對(duì)豐度最高的5個(gè)優(yōu)勢(shì)細(xì)菌屬為norank_c__SBR2076、norank_c__Acidobacteria、norank_o__Subgroup_7、Anaeromyxobacter和norank_f__Anaerolineaceae（圖2）?？傮w而言，屬于Chloroflexi的未分類的norank_c__SBR2076在水稻不同生育期的平均占比均為最高，占5.4%～8.0%，其他細(xì)菌屬的相對(duì)豐度隨水稻生育期變化而波動(dòng)較大。在水稻苗期，T2處理下norank_p__Saccharibacteria的相對(duì)豐度高于T3處理（P<0.001），其他處理各細(xì)菌屬相對(duì)豐度差異不顯著（圖2A）。在水稻分蘗期，T4處理下Bryobacter的相對(duì)豐度高于T2處理（P<0.05），其他處理各細(xì)菌屬相對(duì)豐度差異均不顯著（圖2B）。在水稻成熟期，T1處理下norank_f__Anaerolineaceae的相對(duì)豐度高于T2、T3、T4處理（P<0.001），而Nitrospira、Bryobacter和norank_f__Acidobacteriaceae__Subgroup_1這3個(gè)細(xì)菌屬的相對(duì)豐度則低于T2、T3、T4處理（P<0.05）（圖2C）。

2.3不同處理下土壤中細(xì)菌群落組成與環(huán)境因子的相關(guān)性

冗余分析結(jié)果（圖3）表明，總體而言，在水稻苗期、分蘗期和成熟期，秸稈還田處理的土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與秸稈不還田處理差異均較小。氮肥調(diào)控對(duì)各土壤樣品的細(xì)菌群落組成有一些影響，具體表現(xiàn)為，在水稻苗期，T2處理（秸稈還田+氮肥后移）與其他處理土壤微生物群落結(jié)構(gòu)能區(qū)分開來;在水稻分蘗期，T2處理與T4處理，即秸稈還田+氮肥后移處理與秸稈還田+氮肥前移處理土壤微生物群落結(jié)構(gòu)之間可以區(qū)分。秸稈不還田處理的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)在水稻成熟期相對(duì)于苗期更集中一些。在水稻苗期，土壤銨態(tài)氮含量對(duì)細(xì)菌群落組成影響顯著（P<0.05），影響最大的處理為T1和T4;在水稻分蘗期，土壤電導(dǎo)率對(duì)土壤細(xì)菌群落組成的影響達(dá)到顯著水平（P<0.05），影響最大的是T3處理;在水稻成熟期，土壤銨態(tài)氮含量對(duì)細(xì)菌群落組成的影響達(dá)到顯著水平（P<0.05），其他土壤理化因子則對(duì)細(xì)菌群落組成沒有顯著影響。

各處理下土壤細(xì)菌類群相對(duì)豐度與環(huán)境因子之間的相關(guān)性可采用Spearman秩相關(guān)來進(jìn)行分析，表4只列舉了與環(huán)境因子顯著相關(guān)的細(xì)菌門或細(xì)菌屬。表4顯示，土壤中有2大類細(xì)菌群容易受到環(huán)境因子影響，Actinobacteria、Firmicultes、Saccharibacteria與速效磷含量、速效鉀含量、土壤電導(dǎo)率、硝態(tài)氮含量均呈顯著正相關(guān)，與pH均呈極顯著負(fù)相關(guān);而Nitrospirae、Chloroflexi和Latescibacteria則與速效鉀含量、土壤電導(dǎo)率和銨態(tài)氮含量均呈顯著負(fù)相關(guān)。土壤有機(jī)質(zhì)含量與細(xì)菌門水平上各細(xì)菌類群之間沒有顯著相關(guān)性。

各土壤細(xì)菌屬相對(duì)豐度與環(huán)境因子的相關(guān)性分析結(jié)果（表4）表明，相對(duì)豐度排名前15的細(xì)菌屬中只有norank_c__SBR2076、norank_f__Anaerolineaceae、Nitrospira、Pseudarthrobacter、Massilia等受環(huán)境因子影響顯著。其中，Pseudarthrobacter的相對(duì)豐度與各環(huán)境因子主要呈正相關(guān)，而其他則主要為負(fù)相關(guān)。

2.4水稻產(chǎn)量及其構(gòu)成因素與各細(xì)菌類群的關(guān)系

對(duì)水稻成熟期各處理下土壤不同細(xì)菌門相對(duì)豐度與產(chǎn)量及其構(gòu)成因素的相關(guān)性進(jìn)行分析，表5只列出具有顯著相關(guān)性的細(xì)菌類群，Acidobacteria、Chlorflexi、Gemmatimonadetes的相對(duì)豐度與水稻每穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)，Acidobacteria和Gemmatimonadetes的相對(duì)豐度與產(chǎn)量呈正相關(guān)，而Nitrospirae的相對(duì)豐度則與千粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)。在屬水平上，相對(duì)豐度與每穗粒數(shù)呈正相關(guān)的細(xì)菌屬最多，包括Gemmatimonas、norank_c_Acidobacteria和4個(gè)未知屬（norank_c__SBR2076、norank_o__Subgroup_7、norank_c__KD4-96和norank_o__SC-I-84）。水稻產(chǎn)量與Gemmatimonas、norank_c_Acidobacteria、norank_c_SBR2076和nonrank_o_Subgroup_7的相對(duì)豐度呈正相關(guān)。其中，主要細(xì)菌屬norank_c_SBR2076、norank_c_Acidobacteria和nonrank_o_Subgroup_7的相對(duì)豐度均與水稻產(chǎn)量及每穗粒數(shù)呈顯著正相關(guān)。

3討論

秸稈還田是提高土壤養(yǎng)分、減少資源浪費(fèi)最有效的途徑之一。有研究結(jié)果表明，秸稈還田能增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量，并且在一定程度上提高土壤中有效養(yǎng)分（如氮、磷、鉀等）的含量[26-27]。本研究中，秸稈還田對(duì)苗期、分蘗期、成熟期土壤養(yǎng)分含量的影響比較復(fù)雜。就氮素而言，秸稈還田配合常規(guī)施氮（T3）處理下土壤硝態(tài)氮含量在苗期顯著低于常規(guī)施氮（T1）處理，在分蘗期顯著高于T1處理，成熟期則差異不顯著，這可能與水稻生長(zhǎng)對(duì)有效養(yǎng)分的吸收利用有關(guān)。此外，秸稈還田還可能引起土壤中氮的反硝化損失[28]。在秸稈還田配合不同氮肥運(yùn)籌的幾個(gè)處理中，氮肥前移處理提高了水稻苗期和分蘗期的土壤硝態(tài)氮含量，表明增加氮肥基施有利于水稻生育早期土壤養(yǎng)分的供應(yīng)和積累。與常規(guī)施氮處理相比，秸稈還田配施氮肥處理降低了水稻分蘗期的土壤pH。前人研究發(fā)現(xiàn)秸稈分解過程可能產(chǎn)生大量有機(jī)酸和酰胺態(tài)氮或銨態(tài)氮，進(jìn)入土壤后發(fā)生硝化作用釋放氫離子，導(dǎo)致土壤酸化[28-29]。

土壤微生物多樣性對(duì)維持土壤肥力與生態(tài)系統(tǒng)平衡起著重要作用，但秸稈還田處理對(duì)不同土壤微生物的影響各異。Yan等[30]發(fā)現(xiàn)，秸稈還田可以提高土壤細(xì)菌豐富度，但對(duì)其均勻度沒有影響。同樣，本試驗(yàn)中水稻苗期各秸稈還田處理的土壤細(xì)菌豐富度與T1處理相比有所提高，秸稈還田+氮肥后移處理的細(xì)菌豐富度最高，這可能與初期的秸稈投入導(dǎo)致一些異養(yǎng)的細(xì)菌大量生長(zhǎng)有關(guān)，而氮肥添加可能更有利于優(yōu)勢(shì)菌的生長(zhǎng)，這種差異在其他生育期有所降低。Zhao等[29]研究發(fā)現(xiàn)，秸稈還田降低了土壤細(xì)菌OTU、豐度和均勻度，可能是因?yàn)橥寥兰?xì)菌群落受土壤原來的基本理化性質(zhì)影響更大。秸稈還田+氮肥前移處理的細(xì)菌豐富度和均勻度在成熟期均高于其他處理，在一定程度上說明氮肥前移可能更有利于水稻生長(zhǎng)后期土壤細(xì)菌多樣性的提高。

秸稈還田后，土壤主要細(xì)菌類群組成有所變化，并且在水稻不同生育期表現(xiàn)不同。在所有處理中，Chloroflexi、 Proteobacteria、Acidobacteria、Firmicutes和Actinobacteria為主要優(yōu)勢(shì)菌門。其中，Chloroflexi、Proteobacteria和Firmicutes均為典型的富營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌類群，而Acidobacteria則為貧營(yíng)養(yǎng)細(xì)菌類群。秸稈腐解需要各種細(xì)菌類群的參與，Chloroflexi、Proteobacteria和Firmicutes等直接參與秸稈的降解，而放線菌和真菌等則利用降解產(chǎn)物，在后期生長(zhǎng)更快[27]。

比較各處理間細(xì)菌群落組成的差異，在苗期，T4處理下Bacteroidetes的相對(duì)豐度顯著高于其他處理，表明秸稈還田+氮肥前移處理可以提高該細(xì)菌門的相對(duì)豐度。擬桿菌門是農(nóng)田利用的一個(gè)重要生物學(xué)指標(biāo)[31]，前人研究發(fā)現(xiàn)肥沃農(nóng)田的擬桿菌門相對(duì)豐度要高于貧瘠草地，且該細(xì)菌門的相對(duì)豐度與土壤pH呈正相關(guān)[30，32]。本試驗(yàn)同樣證明了在養(yǎng)分供應(yīng)充足的條件下Bacteroidetes的相對(duì)豐度較高，但與前人不同的是，其豐度并不受pH影響。在水稻分蘗期，秸稈還田+氮肥后移處理的Firmicutes和Actinobacteria相對(duì)豐度均高于常規(guī)施氮處理和秸稈還田+氮肥前移處理。厚壁菌門被認(rèn)為與有機(jī)碳降解關(guān)系較大[33]，可能T2處理的氮肥后移減緩了秸稈降解速率，到了分蘗期仍有大量可利用于碳源，而T4處理的秸稈因氮肥前移而秸稈在較短時(shí)間內(nèi)得到較充分的降解，因此在水稻分蘗期厚壁菌門相對(duì)豐度較其他細(xì)菌群落低，這與前人研究結(jié)果相近[34]。此外，F(xiàn)irmicutes和Actinobacteria的相對(duì)豐度均與土壤pH呈負(fù)相關(guān)，這也能進(jìn)一步解釋兩者在T2處理中相對(duì)豐度遠(yuǎn)高于T1處理。在水稻成熟期，T2處理下Nitrospirae的相對(duì)豐度顯著高于T1處理。硝化螺旋菌門的活動(dòng)與土壤氮素相關(guān)，有研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田處理會(huì)增加硝化螺旋菌門的相對(duì)豐度[35]，同時(shí)配合氮肥后移可能使得該細(xì)菌門的細(xì)菌在水稻生長(zhǎng)后期更加活躍。而在本研究秸稈還田條件下，氮肥運(yùn)籌對(duì)于硝化螺旋菌門的影響較小。

秸稈還田后，各處理下水稻不同生育期的土壤細(xì)菌群落組成均有一定變化，而不加秸稈的常規(guī)施氮處理下土壤細(xì)菌群落組成在整個(gè)生育期比較穩(wěn)定，可見秸稈還田對(duì)土壤微生物還有季節(jié)性的影響，這與Liu等[27]提出的秸稈降低過程通常伴隨著土壤細(xì)菌組成的季節(jié)性變化的結(jié)論相一致。冗余分析結(jié)果表明，土壤理化因子對(duì)細(xì)菌群落分布的影響在不同生育期表現(xiàn)不同，主要是銨態(tài)氮含量和土壤電導(dǎo)率這2個(gè)因子，銨態(tài)氮含量在苗期、成熟期均與細(xì)菌群落組成顯著相關(guān)。有研究結(jié)果表明，土壤微生物群落受氮肥影響較大，且因環(huán)境條件而異[36]。尿素的添加會(huì)改變土壤中銨態(tài)氮含量，而水稻土壤中與氮循環(huán)有關(guān)的微生物往往占優(yōu)勢(shì)地位[37]，一些相關(guān)細(xì)菌則很容易受到影響[38]，從而進(jìn)一步影響細(xì)菌群落組成。土壤電導(dǎo)率受秸稈分解產(chǎn)生的一些有機(jī)酸等化合物影響[39]，對(duì)水稻分蘗期的細(xì)菌群落組成有顯著影響。

有研究結(jié)果表明，秸稈還田可以改善土壤養(yǎng)分、水稻產(chǎn)量和品質(zhì)[6]。水稻成熟期，土壤中Acidobacteria和Gemmatimonadetes與產(chǎn)量呈顯著正相關(guān);Chloroflexi、Acidobacteria、Gemmatimonadetes與每穗粒數(shù)呈正顯著或極顯著相關(guān)，Nitrospirae與千粒質(zhì)量呈顯著正相關(guān)。

4結(jié)論

秸稈還田且氮肥后移處理提高了水稻苗期土壤細(xì)菌的豐富度，但對(duì)其均勻度影響較小。秸稈還田與否以及氮肥運(yùn)籌對(duì)水稻分蘗期、成熟期土壤細(xì)菌豐富度和均勻度影響較小;水稻各生育期，對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成有顯著影響的土壤理化因子不同，苗期、成熟期以銨態(tài)氮影響最大，而分蘗期以土壤電導(dǎo)率的影響最為顯著。相對(duì)豐度（即序列占比）較高的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌門有Chloroflexi、Proteobacteria、Acidobacteria、Firmicutes和Actinobacteria。其中，在水稻生長(zhǎng)苗期、成熟期，平均豐度最高的為Chloroflexi;在分蘗期，土壤中細(xì)菌則以Proteobacteria最多;Chloroflexi的未分類屬norank_c__SBR2076在水稻苗期、分蘗期、成熟期的相對(duì)豐度均最高。秸稈還田增加了水稻產(chǎn)量，各處理中以T4處理的增產(chǎn)效果最大。相對(duì)豐度與水稻產(chǎn)量顯著正相關(guān)的細(xì)菌包括Acidobacteria和Gemmatimonadetes，與千粒質(zhì)量正相關(guān)的為Nitrospirae，norank_o_Subgroup_7的相對(duì)豐度與水稻千粒質(zhì)量、每穗粒數(shù)、產(chǎn)量均呈顯著正相關(guān)。因此，秸稈還田并增加氮肥基施比例可以明顯增加水稻產(chǎn)量，并對(duì)改善水稻生長(zhǎng)后期土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生有益的影響。

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（責(zé)任編輯：王妮）

收稿日期：2021-08-24

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)青年科學(xué)基金項(xiàng)目（41701093）;中國(guó)博士后基金項(xiàng)目（2017M611928）;國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題項(xiàng)目（2017YFD0200107）

作者簡(jiǎn)介：王娟娟（1979-），女，江蘇泗洪人，博士，副教授，主要從事環(huán)境微生物學(xué)研究。（E-mail）wangjuanjuan@yzu.edu.cn

通訊作者：張振華，（E-mail） zhenhuaz70@hotmail.com