滴頭流量對再生水灌溉作物根區(qū)典型微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

李松旌，樊向陽，崔二蘋，高峰，吳海卿，李勝曙，崔丙健，胡超

滴頭流量對再生水灌溉作物根區(qū)典型微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

李松旌1,2，樊向陽1,3,4*，崔二蘋1,3,4，高峰1,3,4，吳海卿1,3,4，李勝曙1,2，崔丙健1,3,4，胡超1,3,4

（1.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)田灌溉研究所，河南 新鄉(xiāng) 453002；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 研究生院，北京 100081；3.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 農(nóng)業(yè)水資源高效安全利用重點(diǎn)開放實(shí)驗(yàn)室，河南 新鄉(xiāng) 453002；4.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院 新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站，河南 新鄉(xiāng) 453002）

【】探明再生水滴灌條件下不同滴頭流量對根區(qū)土壤典型微生物群落結(jié)構(gòu)及功能的影響和差異性。采用盆栽試驗(yàn)，以傳統(tǒng)漫灌為對照，研究了不同滴灌滴頭流量（2、4、8 L/h）下番茄根區(qū)各土層（0～5、5～10 cm和10～15 cm）微生物群落分布規(guī)律的差異性及其影響因素。滴灌處理微生物多樣性指數(shù)均高于對照組漫灌處理，且在5～10 cm土層的差異達(dá)到了顯著水平（<0.05）；不同滴頭流量處理對番茄根區(qū)門水平、屬水平優(yōu)勢菌群并無影響，但可通過影響根區(qū)土壤pH、及全磷等環(huán)境因子進(jìn)而影響微生物群落的相對豐度，如滴頭流量2 L/h處理較其他處理增加了10～15 cm土層中全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，進(jìn)而顯著增加了擬桿菌門（）相對豐度，滴灌各處理增加了0～15 cm土層pH值進(jìn)而降低了鞘脂單胞菌屬（）的相對豐度；滴頭流量為2 L/h時(shí)0～5 cm土層各功能微生物通路豐度最高。再生水滴灌條件下不同滴頭流量可通過改變土壤理化性狀，進(jìn)而改變作物根區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及分布特征，并提高部分功能菌群豐度，說明適宜滴頭流量的選擇對于再生水灌溉土壤微生物調(diào)控具有重要意義。

再生水；滴灌；滴頭流量；根區(qū)土壤；微生物群落

0 引言

【研究意義】我國是水資源嚴(yán)重短缺的國家之一，其中農(nóng)業(yè)用水供需矛盾尤為突出，正常年份缺水量達(dá)300億m3[1]。作為潛在的農(nóng)業(yè)灌溉水源，再生水具有量大（預(yù)測2030年農(nóng)業(yè)可利用再生水資源量可達(dá)164.5億m3）、面廣、質(zhì)穩(wěn)、就近可取等特點(diǎn)[2]，和海水淡化、跨流域調(diào)水等相比具有明顯的優(yōu)勢，用于農(nóng)業(yè)灌溉對于緩解水資源短缺矛盾及降低污水排放造成的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)等具有重要意義。然而，我國再生水農(nóng)業(yè)灌溉目前尚處于起步階段，在再生水的農(nóng)業(yè)利用機(jī)理研究、安全灌溉關(guān)鍵技術(shù)和設(shè)備研發(fā)、灌溉標(biāo)準(zhǔn)等方面，與發(fā)達(dá)國家和我國產(chǎn)業(yè)需求仍有較大差距。

【研究進(jìn)展】近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對再生水灌溉對作物產(chǎn)量及品質(zhì)、土壤理化性質(zhì)、環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)等相關(guān)領(lǐng)域展開了多方面研究[3-7]，并針對再生水灌溉條件下不同土壤、不同肥料施用、不同防控措施等對土壤微生物群落的影響進(jìn)行了一定研究[8-10]。有關(guān)再生水灌溉土壤環(huán)境效應(yīng)及微生物群落響應(yīng)的研究表明，因再生水富含氮、磷、鉀等營養(yǎng)物質(zhì)，其灌溉可通過改變土壤環(huán)境進(jìn)而對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)造成影響；再生水灌溉可增加土壤有機(jī)質(zhì)和有效磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并在一定程度上造成鹽分累積[11]，其中土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加可導(dǎo)致土壤微生物量的增加[12]，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加可通過改善土壤碳的有效性和pH值增加土壤微生物的生物量[13]，鹽分離子增加可抑制土壤微生物群落生長代謝并使其多樣性降低[11]。

【切入點(diǎn)】土壤微生物作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分，在土壤結(jié)構(gòu)形成、營養(yǎng)物質(zhì)的循環(huán)、污染物的吸附與降解等方面均扮演著重要角色[14]；根區(qū)土壤是土壤-作物系統(tǒng)物質(zhì)交換的活躍界面，其養(yǎng)分、酶活性及微生物群落結(jié)構(gòu)直接決定了作物的生長狀況[15]。滴灌因其節(jié)水、高效、可有效控制再生水中污染物在土壤中的分布等特點(diǎn)，是再生水農(nóng)業(yè)灌溉的適宜方式。滴灌條件下滴頭流量的改變會造成土壤中水分分布情況、土壤理化性質(zhì)的差異性[16]。然而，再生水滴灌條件下，從灌水速率角度針對不同滴頭流量對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能的研究卻鮮見報(bào)道。【擬解決的關(guān)鍵問題】本研究采用盆栽試驗(yàn)，針對再生水滴灌條件下不同滴頭流量對作物根區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能的影響及差異性開展研究，以期探明滴頭流量對土壤微生物群落的影響規(guī)律及驅(qū)動機(jī)制，為再生水滴灌在農(nóng)業(yè)的應(yīng)用與實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)于2019年11月—2020年1月在中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測試驗(yàn)站智能人工氣候室進(jìn)行。試驗(yàn)選用千禧矮生番茄（矮湯姆）作為供試作物。試驗(yàn)用土取自試驗(yàn)站周邊農(nóng)田0～20 cm耕層土壤，土壤質(zhì)地為砂壤土。土壤取回后經(jīng)自然風(fēng)干并過5 mm篩，混合均勻后用于土箱填裝，供試土壤基本理化性狀及養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)如表1所示。試驗(yàn)用再生水取自試驗(yàn)站附近河南省新鄉(xiāng)市駱駝灣污水處理廠，污水來源主要為城市生活污水和部分工業(yè)廢水，污水處理工藝為厭氧好氧工藝法（Anoxic Oxic，A/O），供試再生水相關(guān)指標(biāo)如表2所示。

表1 供試土壤基本理化性狀及養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)

表2 供試再生水相關(guān)指標(biāo)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用隨機(jī)化區(qū)組設(shè)計(jì)，以滴頭流量為試驗(yàn)因子，設(shè)置2 L/h（DT）、4 L/h（DF）、8 L/h（DE）3個(gè)水平，以漫灌為對照（CK），每個(gè)處理設(shè)3組重復(fù)。

試驗(yàn)用土箱規(guī)格的選擇以不影響滴灌濕潤體分布為前提，長、寬、高分別為40、40、30 cm，土箱中裝土深度為25 cm。每個(gè)土箱種植1株番茄，滴灌處理采用地表滴灌的方式，布置1個(gè)滴頭在植株根部；漫灌處理采用在土箱上部均勻灌水的方式。對照處理與滴灌處理的灌水量比例為5∶3[17]，試驗(yàn)周期內(nèi)滴灌處理單個(gè)滴頭再生水灌水總量保持一致，均為68.84 L，對照組處理總灌水量為110.14 L。

人工氣候室內(nèi)設(shè)通風(fēng)、補(bǔ)光、調(diào)溫等環(huán)境控制系統(tǒng)；補(bǔ)光系統(tǒng)為飛利浦Green Power LED植株間照明模組，光照強(qiáng)度為300 μmol/(m2·s)，每天光照時(shí)段為06:00―20:00，共14 h；白天控制溫度為（28±0.5）℃，晚間溫度為（15±0.5）℃；相對濕度控制為60%。

1.3 樣品采集與測定

1）再生水水質(zhì)指標(biāo)

每次灌水采集再生水，測定水中pH值及全氮（TN）、全磷（TP）、硝態(tài)氮（NO3?-N）、銨態(tài)氮（NH4+-N）質(zhì)量分?jǐn)?shù)。水樣均通過0.45 μm濾膜過濾后進(jìn)行測定，pH值采用pH S-1型酸度計(jì)（美國Orion奧立龍公司）測定，全氮（TN）、全磷（TP）、硝態(tài)氮（NO3?-N）質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用TU-1810紫外線分光光度計(jì)（北京普析通用儀器有限責(zé)任公司）測定，銨態(tài)氮（NH4+-N）質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用納氏試劑比色法測定[18]。

2）土壤理化特性指標(biāo)

試驗(yàn)開始前及結(jié)束后采集土樣測定土壤pH、電導(dǎo)率（）和有機(jī)質(zhì)（OM）、全磷（TP）等指標(biāo)。試驗(yàn)前土樣為經(jīng)風(fēng)干過篩后的土樣，試驗(yàn)結(jié)束后土樣為采集番茄根區(qū)0～5、5～10 cm和10～15 cm土樣。土壤pH值采用pH S-1型酸度計(jì)（美國Orion奧立龍公司）測定，土壤電導(dǎo)率（）采用DDB-303A型便攜式電導(dǎo)率儀（上海儀電科學(xué)儀器股份有限公司）測定，有機(jī)質(zhì)（OM）質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定，土壤全氮（TN）、全磷（TP）質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用Seal-AA3型連續(xù)流動化學(xué)分析儀（德國SEAL）測定，有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用碳酸氫鈉提取分光光度計(jì)比色法測定，速效鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用乙酸銨提取-火焰光度法測定[18]。

3）土壤典型微生物群落結(jié)構(gòu)

土壤典型微生物群落結(jié)構(gòu)的測定為試驗(yàn)結(jié)束后通過16S rDNA序列測序方法對所取土壤樣品的細(xì)菌進(jìn)行菌種鑒定。測序步驟為：采用Fast DNA抽提試劑盒對樣本的基因組DNA進(jìn)行提取，采用瓊脂糖凝膠電泳和Nano Drop 2000檢測DNA的濃度；以基因組DNA為模板，利用通用343F正向引物（5'-TACGGRAGGCAGCAG-3'）和反向798R引物（5'-AGGGTATCTAATCCT-3'）擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA基因V3-V4高變區(qū)，使用帶barcode的特異引物進(jìn)行聚合酶鏈反應(yīng)（polymerase chain reaction，PCR）擴(kuò)增（定量PCR反應(yīng)體系為15 μL 2×Gflex 緩沖劑、上下游引物各1 μL（5 pmol/μL）、DNA模板≥1 μL、30 μL無菌蒸餾水，具體擴(kuò)增程序?yàn)?4 ℃預(yù)變性5 min、94 ℃變性30 s、56 ℃退火30 s、72 ℃延伸5 min、26個(gè)循環(huán)）；PCR產(chǎn)物使用電泳檢測，檢測后使用磁珠（AMPure XP beads）純化，純化后作為二輪PCR模板，并取50 ng第一輪產(chǎn)物進(jìn)行二輪PCR擴(kuò)增，并再次使用電泳檢測，檢測后使用磁珠純化，之后對PCR產(chǎn)物進(jìn)行Qubit定量；根據(jù)PCR產(chǎn)物濃度進(jìn)行等量混樣，并上機(jī)測序。

1.4 數(shù)據(jù)處理

1）數(shù)據(jù)分析及繪圖

單因素方差分析、Duncan多重比較和Pearson相關(guān)性分析采用SAS 9.4進(jìn)行分析；主坐標(biāo)分析（PCoA）、冗余分析（RDA）采用R語言vegan、devtools等包進(jìn)行分析；微生物群落功能采用PICRUSt進(jìn)行預(yù)測。圖形采用R語言、Excel 2019繪制。

2）微生物α多樣性計(jì)算

微生物豐度指數(shù)Chao1計(jì)算式為：

式中：為實(shí)際觀測到的OTU數(shù)；1為只含有1條序列的OTU數(shù)目；為只含有2條序列的OTU數(shù)目。

Simpson指數(shù)計(jì)算公式為：

式中：obs為實(shí)際觀測到的OTU數(shù)；n為第個(gè)OTU所含的序列數(shù)；為所有序列數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物多樣性

不同土層土壤微生物豐度指數(shù)（Chao1）和多樣性指數(shù)（Simpson）計(jì)算結(jié)果如表3所示。0～5 cm土層微生物群落豐度指數(shù)（Chao1）滴頭流量8 L/h（DE）處理較滴頭流量4 L/h（DF）、2 L/h（DT）處理分別增加5.10%、13.89%，且差異達(dá)到顯著水平（<0.05）；5～10 cm土層DT處理較CK降低9.24%，且差異達(dá)到顯著水平（<0.05）；10～15 cm土層DT處理較CK、DE和DF處理分別降低5.72%、6.86%和6.71%，且差異達(dá)均到顯著水平（<0.05）。滴灌各處理微生物多樣性Simpson指數(shù)均高于CK，且在5～10 cm土層的差異達(dá)到顯著水平（<0.05）。

表3 不同處理下各土層微生物α多樣性指數(shù)

注 不同字母表示不同處理在各土層間存在顯著性差異（<0.05）。下同。

2.2 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)

不同處理番茄根區(qū)排名前15的土壤門水平微生物群落如圖1所示。由圖1可知，門水平微生物群落的主要優(yōu)勢群包括變形菌門（，38.75%～53.82%）、放線菌門（，14.16%～28.44%）、芽單胞菌門（，8.47%～13.55%）、擬桿菌門（，7.45%～14.21%）、酸桿菌門（，3.04%～28.44%）和厚壁菌門（，1.46%～5.73%）等；以上6個(gè)菌群相對豐度占番茄根區(qū)土壤微生物群落的98.22%以上，其中變形菌門（）占比最高。滴灌處理較CK顯著降低了0～5 cm土層中擬桿菌門（）、厚壁菌門（）的相對豐度（<0.05），顯著增加了0～5、5～10 cm和10～15 cm土層中放線菌門（）的相對豐度（<0.05）；DT處理較其他處理顯著增加了10～15 cm土層中擬桿菌門（）、厚壁菌門（）的相對豐度（<0.05）。

不同處理番茄根區(qū)排名前15的土壤屬水平微生物群落如圖2所示。由圖2可知，屬水平主要優(yōu)勢群包括鞘脂單胞菌屬（，4.90%～8.29%）、（2.68%～4.82%）、（1.10%～1.70%）、（0.19%～6.68%）、甲基嬌養(yǎng)桿菌屬（，0.09%～2.67%）和類諾卡氏屬（，0.71%～1.72%）等；微生物優(yōu)勢屬的相對豐度在不同處理間存在較大差異，滴灌處理較CK顯著降低了0～5、5～10 cm土層中、的相對豐度（<0.05），以及10～15 cm土層中鞘脂單胞菌屬（）的相對豐度（<0.05）；DF處理較其他處理顯著增加了0～5 cm土層中甲基嬌養(yǎng)桿菌屬（）的相對豐度（<0.05）。

注 各處理后的數(shù)字5表示0～5 cm土層，10表示5～10 cm土層，15表示10～15 cm土層，下同

圖2 不同處理番茄根區(qū)土壤屬水平微生物群落

不同處理番茄根區(qū)土壤微生物群落主坐標(biāo)（PCoA）分析如圖3所示。由圖3可知，PC1軸、PC2軸對結(jié)果的解釋度分別為26.38%、5.46%。試驗(yàn)因子對番茄根區(qū)土壤微生物群落的影響如表4所示。結(jié)合圖3和表4可知，各處理0～5、5～10 cm和10～15 cm土層間微生物群落結(jié)構(gòu)存在差異，且土壤深度對番茄根區(qū)土壤微生物群落組成的影響達(dá)到顯著水平（<0.05）；滴灌處理與對照組存在差異，且灌溉方式對番茄根區(qū)土壤微生物群落組成的影響達(dá)到顯著水平（<0.05）；不同滴頭流量下番茄根區(qū)土壤微生物群落組成的差異較小，滴頭流量對番茄根區(qū)土壤微生物群落組成的影響未達(dá)到顯著水平（>0.05）。

圖3 不同處理番茄根區(qū)土壤微生物群落PCoA分析

表4 試驗(yàn)因子對番茄根區(qū)土壤微生物群落的影響

注 ***：<0.001

2.3 微生物群落結(jié)構(gòu)與土壤環(huán)境因子的相關(guān)性

再生水滴灌條件下不同滴頭流量對土壤理化性狀指標(biāo)的影響如表5所示。由表5可知，各處理土壤pH值、值均隨土層深度的增加呈下降趨勢；較對照組（CK）而言，滴頭流量為2 L/h（DT）處理增加了0～5、5～10 cm和10～15 cm土層pH值，增幅達(dá)0.27～0.54個(gè)單位，且差異均達(dá)到了顯著水平（<0.05）；滴頭流量為4 L/h（DF）處理、DT處理較CK降低了0～5、10～15 cm土層的值，降幅達(dá)33.31%～53.65%，且差異均達(dá)到了顯著水平（<0.05）；DF處理較CK降低了0～5、5～10 cm和10～15 cm土層的OM值，降幅達(dá)9.25%～14.53%，且差異達(dá)到了顯著水平（<0.05）；DT處理顯著降低了0～5、5～10 cm土層的OM值，降幅達(dá)7.20%～10.50%，且差異均達(dá)到了顯著水平（<0.05）；不同處理下各土層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異均未達(dá)到顯著水平?？傮w來看，隨著滴頭流量的減小，土壤pH值呈增加趨勢；DT處理較其他處理增加了各土層pH值及有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

表5 不同處理土壤理化指標(biāo)

番茄根區(qū)土壤門水平及屬水平微生物群落組成與不同環(huán)境因子之間的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知，土壤pH值、值、有機(jī)質(zhì)和全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與根區(qū)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)具有相關(guān)性，說明上述土壤指標(biāo)是影響根區(qū)土壤微生物群落多樣性和組成的重要驅(qū)動因素。

圖4 土壤微生物群落與土壤環(huán)境因子的RDA分析

土壤理化指標(biāo)與番茄根區(qū)土壤門水平和屬水平微生物群落相對豐度的相關(guān)性如圖5所示。由圖5可知，土壤變形菌門（）、髕骨細(xì)菌門（）、甲基嬌養(yǎng)桿菌屬（）、、芽單胞菌屬（）與土壤pH值顯著正相關(guān)（<0.05），鞘脂單胞菌屬（）與土壤pH值顯著負(fù)相關(guān)（<0.05）；變形菌門（）與土壤值顯著正相關(guān)（<0.05），放線菌門（）、酸桿菌門（）、匿桿菌門（）、纖維桿菌門（）、1、、10、交替赤桿菌屬（）、、單核桿菌屬（）與土壤值顯著負(fù)相關(guān)（<0.05）；溶桿菌屬（）與土壤OM質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)（<0.05）；放線菌門（）、綠彎菌門（）、腸桿菌門（）、類諾卡氏屬（）、、單核桿菌屬（）與土壤全磷（TP）質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)（<0.05），擬桿菌門（）與土壤TP質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著負(fù)相關(guān)（<0.05）。相關(guān)性熱圖分析表明，再生水滴灌條件下番茄根區(qū)不同門水平、屬水平土壤微生物群落豐度受土壤理化性狀指標(biāo)的影響，這種差異與滴灌處理對土壤環(huán)境的改變程度有關(guān)。

圖5 番茄根區(qū)土壤微生物群落與土壤環(huán)境因子相關(guān)性

2.4 對土壤微生物群落功能的影響

通過Kruskal-Wallis算法將KEGG結(jié)果做統(tǒng)計(jì)差異，差異結(jié)果如圖6所示。根據(jù)基于Greengenes數(shù)據(jù)庫注釋的16S rDNA測序數(shù)據(jù)[19]，得出不同處理番茄根區(qū)土壤微生物群落的功能包括新陳代謝、其他次生代謝產(chǎn)物的生物合成、氨基酸代謝、核苷酸代謝、遺傳信息處理、運(yùn)輸和分解代謝、聚糖的生物合成和代謝等。DT處理下0～5 cm土層各功能微生物KEGG通路豐度最高，CK下10～15 cm土層各功能微生物通路豐度最低；0～5 cm土層各功能微生物KEGG通路豐度隨著滴頭流量減小呈增加趨勢，表現(xiàn)為DT處理>DF處理>DE處理>CK；5～10 cm土層除負(fù)責(zé)信號分子與相互作用的微生物豐度DE處理高于DT處理外，其他功能微生物KEGG通路豐度為DT處理>DE處理>DF處理>CK；10～15 cm土層DT處理較其他處理而言，除負(fù)責(zé)真核生物中的核糖體生物發(fā)生、醚脂類代謝、不飽和脂肪酸的生物合成的微生物通路豐度較低外，其他功能微生物KEGG通路豐度最高。

3 討論

3.1 滴頭流量對再生水滴灌條件下不同土層微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

不同處理通過改變土壤環(huán)境，進(jìn)而影響微生物群落結(jié)構(gòu)。由相關(guān)性分析可知擬桿菌門（）豐度與土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著負(fù)相關(guān)（<0.05），結(jié)合不同處理下各土層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)（表5）可知，在10～15 cm土層滴頭流量為2 L/h（DT）處理較其他處理降低了全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)是造成該處理下擬桿菌門（）相對豐度增加的原因之一。同理可知，在10～15 cm土層DT處理較其他處理降低了值是造成該處理下厚壁菌門（）相對豐度顯著增加的原因之一（<0.05），但在該土層DT處理下的值并不是最低的，因此其他因素對厚壁菌門（）相對豐度的影響仍需進(jìn)一步探索。已有研究表明小滴頭流量作物根系分布范圍窄而深，根系結(jié)構(gòu)緊湊[20]，擬桿菌門（）重要類群為噬胞菌屬（），該菌屬可與厚壁菌門（）參與分解碎屑及異養(yǎng)營養(yǎng)素的循環(huán)過程[21]，二者可以通過降解作物根部的纖維素為自身提供養(yǎng)分，進(jìn)而增加了DT處理10～15 cm土層中的相對豐度。滴灌處理較CK顯著降低了10～15 cm土層中鞘脂單胞菌屬（）的相對豐度（<0.05），由表5可知，在10～15 cm土層滴灌各處理下土壤pH值均高于CK，其中流量為4 L/h（DF）處理、DT處理差異達(dá)到了顯著水平，相關(guān)性分析可以得出鞘脂單胞菌屬（）與土壤pH值顯著負(fù)相關(guān)（<0.05），因此可以推測滴灌處理增加了pH值進(jìn)而增加了鞘脂單胞菌屬（）的相對豐度。DF處理較其他處理顯著增加了0～5 cm土層中甲基嬌養(yǎng)桿菌屬（）的相對豐度（<0.05），相關(guān)性分析可以得出甲基嬌養(yǎng)桿菌屬（）與土壤pH值顯著正相關(guān)（<0.05），但DF處理下土壤pH值處于中間水平，因此可以推測有其他因素決定了甲基嬌養(yǎng)桿菌屬（）的相對豐度，仍需進(jìn)一步探索。

本文主要分析了土壤pH值、值和有機(jī)質(zhì)、全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與土壤微生物群落的相關(guān)性。已有研究表明，微生物豐度與土壤有機(jī)質(zhì)和pH值正相關(guān)關(guān)系[22]，本文中變形菌門（）、髕骨細(xì)菌門（）、甲基嬌養(yǎng)桿菌屬（）、、芽單胞菌屬（）與土壤pH值均顯著正相關(guān)（<0.05），但鞘脂單胞菌屬（）與土壤pH值顯著負(fù)相關(guān)，這可能是因?yàn)橥寥乐械陌痹诘蚿H值條件下傾向于轉(zhuǎn)變成銨，使鞘脂單胞菌屬（）中的氨氧化細(xì)菌對氨的利用受到了影響[29]。溶桿菌屬（）與土壤有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)（<0.05），但其他菌群與有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)無顯著相關(guān)關(guān)系，這可能是由于供試土壤中有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，未對土壤微生物產(chǎn)生主導(dǎo)效應(yīng)。電導(dǎo)率可間接表示土壤中的含鹽量，土壤含鹽量的升高，可造成土壤中有機(jī)碳活性降低，從而降低土壤細(xì)菌群落多樣性[11]。由本文相關(guān)分析可知，土壤值與多數(shù)微生物群落顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（<0.05），但相關(guān)分析中變形菌門（）與土壤值顯著正相關(guān)（<0.05），這可能是土壤鹽分增加抑制其他微生物群落豐度及活性，由于變形菌門（）專性厭氧和異養(yǎng)生活的特性進(jìn)而增加了自身的豐度。磷作為作物的營養(yǎng)物質(zhì)，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加可提高土壤微生物的豐度[23]，本文相關(guān)性分析中多數(shù)微生物群落與全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著正相關(guān)關(guān)系（<0.05），但擬桿菌門（）與土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著負(fù)相關(guān)（<0.05），這可能是因?yàn)樽冃尉T（）和擬桿菌門（）均為消耗磷的優(yōu)勢微生物種群[23]；且由圖1可知變形菌門（）的相對豐度為擬桿菌門（）的3～5倍，由于二者的競爭關(guān)系，導(dǎo)致擬桿菌門（）的相對豐度隨土壤全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而降低。

圖6 KEGG差異結(jié)果聚類

3.2 滴頭流量對再生水滴灌條件下不同土層微生物群落功能的影響

變形菌門（）包含多種代謝種類，多數(shù)營兼性或?qū)Ｐ詤捬跫爱愷B(yǎng)生活，大部分類群具有固氮作用[24]；放線菌（）多為好氧性腐生菌，能促使土壤中的動、植物遺骸腐爛，可產(chǎn)生、提煉抗菌素和維生素，同時(shí)參與自然界的氮素循環(huán)[25]；芽單胞菌門（）可適應(yīng)低濕度的環(huán)境，但無法抵抗干濕循環(huán)引起的水分波動[26]；酸桿菌門（）屬于異養(yǎng)型種群，可分解單糖到更復(fù)雜的底物，如半纖維素、纖維素和幾丁質(zhì)，擁有纖維素合成基因、大量新型高分子量排泄蛋白、聚酮合成酶和大環(huán)內(nèi)酯糖基化基因表明其對土壤抗干燥性、生物膜形成以及對土壤結(jié)構(gòu)的改變和新型抗菌化合物發(fā)揮了潛在作用[27]；擬桿菌門（）能夠分泌分解土壤中聚糖的多種碳水化合物活性酶，并利用基因組的節(jié)能系統(tǒng)，將它們大部分酶轉(zhuǎn)化為多糖利用位點(diǎn)[28]；厚壁菌門（）可以抵抗脫水和極端環(huán)境，富含細(xì)胞壁生物合成和膜運(yùn)輸相關(guān)基因，并對肥料來源的碳水化合物的利用潛力較低[29]。本文滴頭流量為2 L/h（DT）處理較其他處理顯著增加了10～15 cm土層中擬桿菌門（）、厚壁菌門（）的相對豐度（<0.05），增加了負(fù)責(zé)果糖和甘露糖代謝、淀粉和蔗糖代謝等功能的微生物KEGG代謝通路豐度。以上6個(gè)菌群相對豐度占作物根區(qū)土壤微生物群落的98.22%，在微生物功能表達(dá)上起重要作用。本文的預(yù)測結(jié)果與以上研究中優(yōu)勢微生物群落功能類似，驗(yàn)證了本次試驗(yàn)微生物群落功能預(yù)測的正確性，但本文研究過程中對微生物的功能冗余特性關(guān)注較少，將在今后的研究中加以探索。

再生水滴灌一方面可改變土壤的理化性狀，另一方面還可保持土壤表層的疏松狀態(tài)、增加土壤通透性，有利于土壤中好氧微生物的生理活動，因此滴灌處理在0～5、5～10 cm和10～15 cm土層微生物KEGG通路豐度高于CK。本文中對不同滴頭流量下微生物群落功能進(jìn)行了預(yù)測，但再生水滴灌條件下不同土壤類型、不同作物類型與根區(qū)土壤微生物群落的協(xié)同作用仍需進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

1）再生水灌溉條件下，滴灌處理土壤微生物多樣性指數(shù)均高于CK，且在5～10 cm土層差異達(dá)到了顯著水平（<0.05）；滴灌條件下，番茄根區(qū)0～5、10～15 cm土層微生物群落豐度指數(shù)隨滴頭流量增加呈上升趨勢。

2）再生水滴灌不同滴頭流量處理未造成番茄根區(qū)土壤門水平、屬水平優(yōu)勢菌群變化。門水平優(yōu)勢群包括變形菌門（）、放線菌門（）、芽單胞菌門（）、擬桿菌門（）、酸桿菌門（）和厚壁菌門（），屬水平優(yōu)勢群包括鞘脂單胞菌屬（s）、1、、、甲基嬌養(yǎng)桿菌屬（）和類諾卡氏屬（）等。

3）滴灌各處理增加了番茄根區(qū)0～15 cm土層土壤pH值，并降低了鞘脂單胞菌屬（）的相對豐度；滴頭流量2 L/h處理較其他處理增加了10～15 cm土層全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，并顯著增加了擬桿菌門（）相對豐度。

4）滴頭流量的改變可影響各功能微生物KEGG通路豐度，再生水滴灌條件下番茄根區(qū)0～5、5～10 cm和10～15 cm土層各功能微生物KEGG通路豐度均高于對照組處理，其中滴頭流量2 L/h時(shí)在0～5 cm土層各功能微生物KEGG通路豐度最高。

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Effects of Dripping Rate with Reclaimed Water on Typical Microbial Community Structure in the Root Zone Soil of Tomato

LI Songjing1,2, FAN Xiangyang1,3,4*, CUI Erping1,3,4, GAO Feng1,3,4,WU Haiqing1,3,4, LI Shengshu1,2, CUI Bingjian1,3,4, HU Chao1,3,4

(1. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China; 2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3. Key Laboratory of High-efficient and Safe Utilization of Agriculture Water Resources, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China; 4. Agricultural Water Soil Environmental Field Research Station of Xinxiang, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China)

【】Rhizosphere is the interface of soil and plant housing a unique microbial community which not only mediates carbon and nutrient cycles but is also the underlying drivers of soil structure genesis. Soil microorganisms self-restructure following environmental change, which has a consequence for all biogeochemical processes. The purpose of this study is to investigate if and how dripping rate affects the microbial community of the rhizosphere of tomato drip-irrigated using reclaimed water.【】Pot experiment was conducted in an intelligent artificial climate chamber. It compared three dripping rates: 2, 4 and 8 L/h, with traditional flood irrigation taken as the control. After harvesting the plants, microbial community in the different root zone soil layers (0～5, 5～10, and 10～15 cm) of each treatment was analyzed using the 16S rDNA microbial diversity sequencing method.【】Microbial diversity index under drip irrigation was higher than that under the control, regardless of the dripping rate, and their difference was most significant in the 5～10 cm soil layer (<0.05). Dripping rate did not show a significant impact on dominant flora at phylum and genus level, but the relative abundance of microbial community changed with edaphic factors such as pH,, total phosphorus. Dripping at the rate of 2 L/h increased the total phosphorus content in the 10～15 cm soil compared with other treatments, and it also significantly increased the relative abundance of. Compared with the control, the drip irrigations increased pH and reduced the relative abundance ofin the 10～15 cm soil. When the dripping rate was 2 L/h, the abundance of each functional microbial pathway was the highest in the top 0～5 cm soil.【】Dripping rate in using reclaimed water to irrigate tomato altered the physical and chemical properties of soil, thereby shifting microbial community and microbial distribution in the rhizosphere. It also reshaped the distribution of the abundance of some functional flora in soil profile. Our finding implicates that selecting an appropriate drip irrigation rate could have a significant consequence for carbon and nutrient cycles in drip-irrigated crops using reclaimed water due to its impact on microbial community and the associated functions.

reclaimed water irrigation; drip irrigation; dripping rate;root soil; microbial community

1672 - 3317（2021）12 - 0026 - 10

X172

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021077

李松旌, 樊向陽, 崔二蘋, 等. 滴頭流量對再生水灌溉作物根區(qū)典型微生物群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 灌溉排水學(xué)報(bào), 2021, 40(12): 26-35.

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2021-02-26

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51479201）；“十三五”國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFC0403503）；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)（FIRI202003-01）；河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（192102110094）

李松旌（1996-），男。碩士研究生，研究方向?yàn)檗r(nóng)業(yè)水資源安全高效利用。E-mail: 627888123@qq.com

樊向陽（1974-），男。研究員，主要從事農(nóng)業(yè)水資源與水環(huán)境方面的研究。E-mail: fxy0504@126.com

責(zé)任編輯：陸紅飛