山藥不同施肥管理下土壤碳氮養(yǎng)分和微生物群落分異特征

關(guān)鍵詞：山藥施肥；腐植酸；硝態(tài)氮深層累積；微生物群落；共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：S632.1；S15 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1672-2043（2025）01-0073-12 doi：10.11654/jaes.2024-0231

山藥屬于薯蕷科，是一種重要的經(jīng)濟(jì)類作物。山藥塊莖內(nèi)含有豐富的抗性淀粉、多糖、甾體皂苷、礦物質(zhì)等營養(yǎng)成分，不僅被作為食物，而且也常用作中藥，具有降血脂、降血糖以及調(diào)節(jié)脾胃等功效[1-2]。隨著市場需求量的劇增，山藥的種植面積不斷擴(kuò)大。其中，位于華北平原的河南、河北和山東三省山藥種植面積均超過1萬hm2，是我國山藥的主產(chǎn)區(qū)[3]。華北平原作為我國主要的糧食產(chǎn)區(qū)，長期以來，該地區(qū)高強(qiáng)度的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及過量氮素的投入導(dǎo)致土壤-作物體系氮素盈余和硝酸鹽淋溶現(xiàn)象普遍，造成華北地區(qū)地下水硝酸鹽含量超標(biāo)，對人群健康構(gòu)成潛在影響[4-6]。相較于一般的大田作物，山藥因其特殊的塊莖向下垂直生長特性，多種植在排水性和透氣性較好的沙質(zhì)土壤，并需進(jìn)行深翻耕，對深層土壤擾動大；加上山藥需肥量大，以及農(nóng)戶長期盲目大量施肥[3]，加劇了無機(jī)氮向深層土壤淋溶并污染地下水的風(fēng)險，同時也在一定程度上改變了土壤的微生態(tài)環(huán)境。因此，優(yōu)化山藥施肥管理措施，降低過量化肥施用帶來的生態(tài)環(huán)境影響，對促進(jìn)山藥的綠色高效種植至關(guān)重要。

作為土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，微生物在分解有機(jī)物、形成土壤團(tuán)聚體、促進(jìn)作物生長、抵抗病蟲害和不良環(huán)境條件等方面起著重要作用，提供著廣泛的生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)。土壤微生物群落的穩(wěn)定性對維持土壤生態(tài)功能和植物生產(chǎn)力等至關(guān)重要[7-9]。然而在農(nóng)業(yè)活動的干擾下，土壤微生物群落的結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性也發(fā)生著極大的變化。如有研究表明，大量施用化學(xué)肥料，特別是氮肥，可顯著降低微生物多樣性，改變細(xì)菌和真菌的群落組成[10-11]。長期過量施肥還可降低微生物網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)數(shù)和邊數(shù)，減少細(xì)菌、真菌的相互作用，使得微生物群落對環(huán)境的變化更加敏感[12]。而有機(jī)無機(jī)配施不僅能緩解土壤酸化和增加土壤養(yǎng)分含量，還能夠提高微生物活性和土壤固氮能力，并增加芽孢桿菌門（Bacilli）和黃桿菌門（Flavobacteriales）中有益菌的相對豐度，從而有效提高作物產(chǎn)量[13-14]。這些研究表明，不同的施肥管理和農(nóng)業(yè)種植方式均會對土壤的理化性質(zhì)、微生物群落多樣性及組成等產(chǎn)生直接和間接影響，并進(jìn)一步影響微生物群落的穩(wěn)定性和土壤的生態(tài)、生產(chǎn)功能。

如上所述，山藥種植施肥量大，且深翻耕管理對深層土壤擾動較大，可能進(jìn)一步加劇無機(jī)氮向深層土壤遷移，增加地下水硝酸鹽污染風(fēng)險。但目前有關(guān)山藥種植地土壤碳氮養(yǎng)分在不同土壤深度上的分布特征鮮有報道。此外，由于區(qū)域農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)化的需要，山藥一直處于大規(guī)模單一種植的狀態(tài)[15]，導(dǎo)致根莖腐病、糊頭病、炭疽病和斑枯病等頻發(fā)（發(fā)病率可達(dá)30%～70%），對山藥的生產(chǎn)構(gòu)成威脅[16-18]。前期有研究通過田間小區(qū)實驗，以糧田土壤作為對照，分析山藥田土壤微生物群落分布特征，結(jié)果顯示，山藥連作后，土壤細(xì)菌數(shù)量和放線菌數(shù)量均顯著低于糧田土壤，土壤真菌數(shù)量則較糧田表現(xiàn)出明顯的增加趨勢[16]。也有研究采用高通量測序?qū)Σ『ι剿幐H微生物與健康山藥根際微生物進(jìn)行對比分析，發(fā)現(xiàn)病害土壤真菌多樣性和豐富度均高于對照組，且病害土壤真菌中含有一些如鐮刀菌等與病害發(fā)生有關(guān)的特有屬，說明土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化在一定程度上影響了山藥病害的發(fā)生[17]。但目前有關(guān)山藥種植對微生物群落組成的影響，以及不同施肥管理下不同土壤深度中微生物群落的網(wǎng)絡(luò)互作關(guān)系和穩(wěn)定性及其影響因子等的認(rèn)識均非常有限。

因此，本研究在山藥主產(chǎn)區(qū)開展田間定位試驗，選擇周邊常規(guī)種植玉米的農(nóng)田作為對照，采用土壤理化分析和高通量測序技術(shù)，研究了山藥不同施肥方式下（即常規(guī)施肥、優(yōu)化施肥和腐植酸施用）不同深度土壤的碳氮養(yǎng)分、細(xì)菌和真菌群落組成以及微生物網(wǎng)絡(luò)互作關(guān)系變化特征，評估了山藥種植和不同施肥管理方式對不同深度土壤養(yǎng)分分布特征以及微生物群落穩(wěn)定性和潛在功能的影響，旨在為優(yōu)化山藥施肥措施、降低過量施肥帶來的生態(tài)環(huán)境風(fēng)險和促進(jìn)山藥綠色健康種植提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及樣品采集

山藥施肥定位試驗位于河北省保定市蠡縣河北農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗基地（38°29′N，115°38′E），該區(qū)地處東部季風(fēng)區(qū)暖溫帶半干旱地區(qū)，年平均氣溫為11 ℃，年平均降雨量為522 mm。供試土壤類型為潮土，質(zhì)地為砂質(zhì)壤土。山藥施肥試驗始于2014年，包括3個處理：①常規(guī)施肥，當(dāng)?shù)剞r(nóng)民種植山藥化肥用量；②優(yōu)化施肥，常規(guī)施肥基礎(chǔ)上合理減少氮磷鉀肥施用量；③腐植酸處理，在優(yōu)化施肥基礎(chǔ)上施用腐植酸。每個處理3個小區(qū)重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列，每個小區(qū)面積為90 m2。各處理施肥量如表1所示，田間管理按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)民的生產(chǎn)習(xí)慣進(jìn)行。氮肥基追比為3∶7，追肥分別在甩條發(fā)棵期、根莖膨大初期和盛期進(jìn)行，3次追施比例為2∶2∶3。鉀肥基追比為2∶3，追肥分別在根莖膨大初期和盛期進(jìn)行，兩次追施量相同。磷肥作為基肥于播種前一次性施入土壤。腐植酸肥料分別在甩條發(fā)棵期、根莖膨大初期和盛期隨追肥兌水灌溉施用，追施比例為1∶1∶1。腐植酸肥料進(jìn)行兌水澆灌時，其他處理對應(yīng)澆灌同樣水量[19]。試驗田山藥連作3 a，在第3年秋季山藥收獲期采樣，在各處理小區(qū)隨機(jī)選擇3個點(diǎn)位，利用直徑5 cm的土鉆在兩株山藥間分別采集表層（0～20 cm）、亞表層（20～40 cm）和深層（40～60 cm）土壤樣品，3個樣點(diǎn)的同一層次土樣混合為一個樣品。同時，選取山藥地周邊長期種植玉米的農(nóng)田，分別在3個面積約200 m²的地塊進(jìn)行3點(diǎn)取樣，各點(diǎn)混合作為玉米地樣品。

土樣置于4 ℃移動冰箱運(yùn)輸?shù)綄嶒炇液螅糠滞翗釉?～2 d內(nèi)過2 mm篩后一份保存于4 ℃冰箱，用于銨態(tài)氮（NH⁺₄ -N）、硝態(tài)氮（NO^-₃ -N）測定；另一份保存于-40 ℃用于DNA提取和微生物群落組成分析。其余的土樣風(fēng)干后用于土壤pH、電導(dǎo)率（EC）、有機(jī)碳（SOC）和總氮（TN）的測定。

1.2 土壤理化性質(zhì)分析

土壤理化性質(zhì)測定方法參照《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》[20]進(jìn)行。土壤含水量采用烘干法測定；土壤pH在土水比為1∶2.5的條件下利用pH計（DELTA-320，中國）測定；土壤電導(dǎo)率在土水比為1∶5的條件下利用電導(dǎo)率儀（DDS-3307A，LEICI，中國）測定；有機(jī)碳采用重鉻酸鉀氧化-還原容量法測定；土壤總氮采用元素分析儀（Vario EL III-Elementar，德國）測定；土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮用1 mol·L-1 KCl溶液浸提（土水比1∶5）后利用連續(xù)流動分析儀（AA3，Bran+Luebbe，德國）測定。

1.3 土壤DNA提取、高通量測序及數(shù)據(jù)處理

稱取0.5 g 土壤，選用DNeasy PowerSoil 試劑盒（QIAGEN GmbH，德國）進(jìn)行土壤DNA 提取。用Nanodrop 分光光度計（ND-2000c，Thermo scientific，美國）測定提取出的DNA 的濃度和純度，并保存于-40 ℃?zhèn)溆?。用引物?99F（5′-AACMGGATTAGA?TACCCKG-3′）/1115R（5′ -AGGGTTGCGCTCGTTG-3′）對細(xì)菌16S rRNA基因V5～V6區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增[21]。熱循環(huán)擴(kuò)增條件為：94 ℃預(yù)變性2 min；94 ℃變性30s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸45 s，30個循環(huán)；72 ℃延伸10 min。選用引物對fITS7（5′-GTGARTCATCGAATC?TTTG-3′）和ITS4（5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′）對真菌ITS2區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增[22]。熱循環(huán)擴(kuò)增條件為：94 ℃預(yù)變性5 min；94 ℃變性30 s，56.5 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，35個循環(huán)；72 ℃延伸7 min。每個樣品進(jìn)行3 次PCR 擴(kuò)增后將產(chǎn)物混合，并用瓊脂糖凝膠DNA 純化試劑盒（TaKaRa Bio，日本）進(jìn)行純化。純化后的PCR產(chǎn)物以等摩爾濃度混合并構(gòu)建文庫后，利用Illumina Miseq PE250平臺測序，文庫構(gòu)建與測序均由上海派森諾公司完成。

在QIIME 1.9.0軟件平臺利用USEARCH 對原始序列進(jìn)行處理[23-24]，先將引物序列和質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于30的核苷酸末端序列進(jìn)行裁剪。對裁剪后的序列兩端進(jìn)行合并，并去除合并后錯誤值大于0.5的序列。用UNIOSE3方法去除序列中的嵌合體，并按照100%的序列相似值降噪以形成“零半徑OTUs”（Zero-radiusOTUs，ZOTUs）[25]。采用Blast 方法，基于SILVA_132和UNITE_7.2數(shù)據(jù)庫分別對細(xì)菌和真菌ZOTU的代表性序列進(jìn)行物種注釋。

1.4 微生物群落網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與可視化

利用Cytoscape 3.7.1中的CoNet插件在屬水平上對細(xì)菌和真菌進(jìn)行共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分析[26-27]。為避免可能的偏差，在超過80% 的樣本中存在的屬被保留用于后續(xù)網(wǎng)絡(luò)分析。通過Pearson 相關(guān)、Spearman 相關(guān)、Mutual information算法、Bray_Curtis距離和Kullback-Leibler距離5種方法計算配對關(guān)聯(lián)得分[26]，并將前5%的相關(guān)性進(jìn)行進(jìn)一步分析。之后，進(jìn)行100次迭代的排序（Permutation）以避免假陽性相關(guān)，以及1 000次置換檢驗（Bootstrap）將結(jié)果重新分布。最后使用Brown檢驗將這5種方法產(chǎn)生的P值合并，并通過Benjamini-Hochberg方法進(jìn)行多重檢驗校正（Plt;0.05）。將網(wǎng)絡(luò)文件導(dǎo)出后，利用gephi_0.9.2將網(wǎng)絡(luò)可視化，并計算網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋮?shù)[28]。將高連接度和高中心度的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)識別為網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)（Keystone hub）[29]。

1.5 統(tǒng)計分析

采用SPSS 24.0 中的單因素方差分析（One-wayANOVA）進(jìn)行顯著性檢驗，并基于Duncan 方法進(jìn)行兩兩比較。使用R 4.3.0軟件的EcolUtils包執(zhí)行置換多元方差分析（PERMANOVA），檢驗不同處理或不同深度土壤樣品兩兩之間的微生物群落結(jié)構(gòu)差異（https：//rdrr.io/github/GuillemSalazar/EcolUtils/f/RE?ADME.md）。利用R 4.3.0 軟件的vegan 包進(jìn)行基于Bary_Curti距離的主坐標(biāo)分析（PCoA），以評估不同土壤間的微生物群落差異，并進(jìn)行冗余分析（RDA）以檢驗土壤理化因子對微生物群落的影響[30]。利用R4.3.0軟件的ggplot2包進(jìn)行屬水平上的ZOTU火山圖分析，以鑒定山藥地和玉米地之間，以及優(yōu)化施肥或腐植酸處理與常規(guī)施肥之間的差異微生物種類。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同深度土壤理化性質(zhì)的變化

不同處理下各深度土壤的層次理化性質(zhì)如圖1所示。就表層土壤而言，土壤pH在常規(guī)施肥山藥地和玉米地間無顯著差異，分別為（7.81±0.07）和（7.77±0.02），而山藥優(yōu)化施肥和腐植酸施肥較常規(guī)施肥土壤pH 顯著降低（Plt;0.05），分別為（7.32 ± 0.09）和（7.61±0.08）。玉米地土壤pH隨土壤深度變化較小，而3種施肥處理的山藥地土壤pH在不同土壤深度間有較大波動（圖1a）。土壤電導(dǎo)率總體隨土壤深度增加而逐漸增大，且山藥常規(guī)施肥處理的亞表層和深層土壤電導(dǎo)率顯著高于同一深度下的其他處理土壤（Plt;0.05，圖1b）。3種施肥處理的山藥地表層土壤有機(jī)碳和總氮含量均顯著低于玉米地表層土壤（Plt;0.05）；隨土壤深度增加，玉米地有機(jī)碳和總氮含量迅速下降，而不同施肥處理山藥地有機(jī)碳和總氮含量呈緩慢下降趨勢（圖1c和圖1d）。玉米地表層土壤銨態(tài)氮含量顯著高于山藥地（Plt;0.05），并隨著土壤深度增加快速下降。相反地，常規(guī)施肥山藥地土壤銨態(tài)氮含量隨土壤深度增加急劇上升，在亞表層和深層分別達(dá)到（37.57±0.32）mg·kg^-1和（54.42±0.19）mg·kg^-1，是表層的2.09倍和3.03倍，且顯著高于同一深度層的玉米地土壤（Plt;0.05，圖1e），而優(yōu)化施肥和腐植酸處理下的山藥地深層土壤銨態(tài)氮含量比常規(guī)施肥的相同深度土壤分別低79.55%和66.06%。類似地，常規(guī)施肥處理的山藥地土壤硝態(tài)氮含量在亞表層急劇增加，達(dá)到（50.86±0.58）mg·kg^-1，并高于深層土壤（[28.67±0.40）mg·kg^-1]，而優(yōu)化施肥和腐植酸處理的山藥地亞表層硝態(tài)氮含量顯著低于同層的常規(guī)施肥土壤（Plt;0.05），分別低74.14%和78.39%（圖1f）。

2.2 不同深度土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)及環(huán)境影響因子

各處理各深度土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主坐標(biāo)分析結(jié)果表明，PCoA1 和PCoA2 分別解釋了細(xì)菌群落26.16%和13.01%的方差變異（圖2a）。PERMANOVA分析結(jié)果表明：常規(guī)施肥山藥地與玉米地土壤的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)顯著不同（Plt;0.01），而優(yōu)化施肥和腐植酸處理山藥地與玉米地土壤細(xì)菌群落沒有顯著性差異；在山藥地3個處理間，腐植酸處理和優(yōu)化施肥與常規(guī)施肥土壤的細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)均有顯著差異（Plt;0.05，表2）。PCoA1 和PCoA2 分別解釋了真菌群落21.14% 和11.94% 的方差變異（圖2b），PERMANOVA 分析結(jié)果顯示所有施肥處理山藥地與玉米地的真菌群落結(jié)構(gòu)均有顯著差異（Plt;0.001），且腐植酸處理與常規(guī)施肥處理的山藥地土壤真菌群落組成也有顯著差異（Plt;0.05，表2）。針對山藥地3個土層的PERMANOVA分析進(jìn)一步表明，表層和亞表層土壤細(xì)菌、真菌群落與深層土壤細(xì)菌、真菌群落均具有顯著差異（Plt;0.05），而表層和亞表層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)間沒有顯著差異（表3）。

對土壤微生物群落與土壤理化指標(biāo)進(jìn)行冗余分析，結(jié)果表明，土壤理化性質(zhì)對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響的總解釋量達(dá)到了63.11%，土壤總氮（Plt;0.01）、有機(jī)碳（Plt;0.01）、電導(dǎo)率（Plt;0.01）、銨態(tài)氮（Plt;0.01）、硝態(tài)氮（Plt;0.01）和pH（Plt;0.05）均對土壤細(xì)菌群落產(chǎn)生顯著影響（圖3a）。土壤理化性質(zhì)對真菌群落結(jié)構(gòu)的影響總解釋量為44.21%，其中，土壤總氮（Plt;0.01）、有機(jī)碳（Plt;0.01）、銨態(tài)氮（Plt;0.01）和電導(dǎo)率（Plt;0.05）對真菌群落結(jié)構(gòu)具有顯著影響（圖3b）。

2.3 土壤微生物群落的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)

為探討不同種植模式和施肥方式對細(xì)菌-真菌跨界互作的影響，將同一處理不同土壤深度的樣品進(jìn)行合并，通過網(wǎng)絡(luò)分析評估了不同處理下土壤微生物群落的共現(xiàn)關(guān)系。結(jié)果表明，常規(guī)施肥山藥地土壤的微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度明顯低于其他土壤（圖4）。微生物網(wǎng)絡(luò)邊和節(jié)點(diǎn)數(shù)在玉米地中最高（2 397條邊，399個節(jié)點(diǎn)），其次為優(yōu)化施肥山藥地（1 485條邊，411個節(jié)點(diǎn)）和腐植酸處理山藥地（1239條邊，399個節(jié)點(diǎn)），常規(guī)施肥山藥地最低（492條邊，302個節(jié)點(diǎn)）（表4）。玉米地的網(wǎng)絡(luò)平均度也最高（12.051），其次由高到低依次為優(yōu)化施肥山藥地（7.226）、腐植酸處理山藥地（6.211）和常規(guī)施肥山藥地（3.258）。此外，腐植酸處理山藥地的微生物網(wǎng)絡(luò)互斥數(shù)最高（31.48%），其次由高到低依次為玉米地（27.74%）、優(yōu)化施肥山藥地（19.53%）和常規(guī)施肥山藥地（13.21%）（表4）。

2.4 山藥地不同施肥處理土壤細(xì)菌和真菌差異物種

為了探究不同種植模式和施肥方式間的土壤微生物種類組成差異，在屬水平上進(jìn)行了差異物種分析。結(jié)果表明，與玉米地相比，常規(guī)施肥山藥地細(xì)菌有94個ZOTU上調(diào)，155個ZOTU下調(diào)，其中豐度上調(diào)最顯著的細(xì)菌ZOTU 對應(yīng)屬分別有錐桿菌（Conexi?bacter）、芽單胞菌（Gemmatimonas）、土壤紅桿菌（Soli?rubrobacterales）等（圖5a）；真菌有72個ZOTU上調(diào)，53個ZOTU下調(diào)，豐度上調(diào)最顯著的真菌ZOTU對應(yīng)屬分別有球梗孢（Kabatiella）、卡緬斯基貍藻（Kamien?skia）、分枝孢子霉（Cladosporium）等（圖5b）。

優(yōu)化施肥山藥地相較于常規(guī)施肥山藥地土壤，細(xì)菌有104個ZOTU上調(diào)，88個ZOTU下調(diào)，其中豐度上調(diào)最顯著的細(xì)菌ZOTU對應(yīng)屬有土源芽孢桿菌（Soli?bacillu）、芽孢桿菌（Bacillus）、節(jié)桿菌（Arthrobacter）等（圖5c）；真菌有42個ZOTU上調(diào)，35個ZOTU下調(diào)，豐度上調(diào)最顯著的真菌ZOTU 對應(yīng)屬分別為格孢腔菌（Pleosporaceae）、暗殼腔菌（Phaeosphaeriaceae）、白僵菌（Beauveria）等（圖5d）。

腐植酸處理山藥地相較于常規(guī)施肥山藥地土壤，細(xì)菌有67個ZOTU上調(diào)，106個ZOTU下調(diào)，豐度上調(diào)最顯著的細(xì)菌ZOTU 對應(yīng)屬有細(xì)桿菌（Parviterrib?acter）、土源紅桿菌（Solirubrobacterales）、節(jié)桿菌（Ar?throbacter）等（圖5e）；真菌有58 個ZOTU 上調(diào)，31 個ZOTU 下調(diào)，豐度上調(diào)最顯著的真菌ZOTU 對應(yīng)屬分別為格孢腔菌（Pleosporaceae）、枝鼻菌屬（Cladorrhi?num）、球囊霉菌（Glomus）等（圖5f）。

3 討論

3.1 山藥地不同施肥措施下土壤不同深度養(yǎng)分變化特征

研究發(fā)現(xiàn)，玉米地土壤有機(jī)碳、全氮和銨態(tài)氮含量均在表層顯著高于亞表層和深層，并隨土壤深度增加迅速下降，而3種施肥處理的山藥地土壤全氮和有機(jī)碳含量隨土壤深度的變化較為緩慢，表明山藥種植過中深翻耕以及山藥收獲等農(nóng)事操作使得土壤均質(zhì)化，導(dǎo)致亞表層和深層土壤養(yǎng)分較高。值得注意的是，常規(guī)施肥山藥地土壤銨態(tài)氮含量隨著土壤深度增加而迅速上升，而優(yōu)化施肥和腐植酸處理土壤銨態(tài)氮在土壤不同深度上無明顯變化。類似地，常規(guī)施肥山藥地土壤硝態(tài)氮含量在亞表層（[ 50.86±0.58）mg·kg^-1]顯著高于其他施肥處理和玉米地（[ 10.99±0.25）～（14.08±1.10）mg·kg^-1]，在深層土壤高達(dá)（28.67±0.40）mg·kg^-1，表現(xiàn)出明顯的亞表層和深層土壤硝態(tài)氮累積。河北欒城農(nóng)田長期肥料定位試驗的研究結(jié)果也表明，隨著施氮量增加，各土層累積的硝態(tài)氮含量增加，最多有30.9%的肥料氮積累在了0～4 m土體中[31]。類似地，有研究表明，在華北地區(qū)小麥-玉米輪作中，硝態(tài)氮的淋失約占氮肥的12.1%～21.3%[32]，而優(yōu)化水肥管理可比傳統(tǒng)施肥管理降低氮素淋失量達(dá)35%，有效降低深層土壤硝態(tài)氮的含量[33]。這些結(jié)果表明，華北地區(qū)大田作物及山藥種植體系土壤硝態(tài)氮淋溶較為普遍，相較于玉米地，山藥種植常規(guī)施肥進(jìn)一步增加亞表層和深層土壤銨態(tài)氮含量和硝態(tài)氮累積，而通過優(yōu)化施肥或施用腐植酸肥料可以有效地減少硝態(tài)氮向深層淋溶。本研究結(jié)果進(jìn)一步表明優(yōu)化山藥種植體系中的施肥管理對減少華北地區(qū)硝酸鹽淋溶阻控具有重要意義。

3.2 山藥地不同施肥措施下土壤微生物群落變化

微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)能量輸送和養(yǎng)分循環(huán)的主要參與者和貢獻(xiàn)者，也是指示土壤健康的重要指標(biāo)[34]。相較于玉米地，種植山藥顯著改變了土壤細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)，這可能與山藥種植過程中施肥量大、深耕等改變了土壤物理結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分組成，進(jìn)一步影響了微生物群落組成有關(guān)。同時，山藥連作以及塊莖和根系的分泌物也可能對微生物群落產(chǎn)生影響。此外，山藥地優(yōu)化施肥和腐植酸處理的細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)與常規(guī)施肥土壤間具有顯著差異，表層和亞表層土壤與深層土壤的微生物群落也明顯不同，這與不同施肥處理和不同深度土壤理化性質(zhì)（如有機(jī)碳、總氮、電導(dǎo)率、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量）變化有較大關(guān)系。也有許多研究表明，不同施肥處理方式導(dǎo)致的土壤理化性質(zhì)變化對微生物群落結(jié)構(gòu)組成有顯著影響[11-12，35]。除土壤養(yǎng)分外，不同深度土壤通氣狀況的變化也是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的關(guān)鍵因素[35-36]。本研究發(fā)現(xiàn)山藥地表層和亞表層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)無顯著性差異，僅深層土壤表現(xiàn)出明顯差異，表明山藥種植由于對亞表層土壤擾動較大，改變了亞表層土壤的養(yǎng)分和通氣狀況，使得表層和亞表層微生物群落也更為相似。對土壤微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的分析表明，相較于玉米地，常規(guī)施肥山藥地明顯降低了微生物網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，而優(yōu)化施肥和配施腐植酸處理下微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度有所增加。此外，土壤微生物網(wǎng)絡(luò)互斥數(shù)在腐植酸處理山藥地最高，在常規(guī)施肥山藥地最低。這可能是由于優(yōu)化施肥減少了化肥大量施用對微生物群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的干擾，配施腐植酸可以改良土壤性質(zhì)和為土壤微生物提供更多維持活性所必需的碳源，從而有助于提高微生物群落的穩(wěn)定性[37-39]。有研究表明，土壤微生物網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性是生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和功能維持（如植物健康、營養(yǎng)和產(chǎn)量等）的重要特征之一[25]，微生物網(wǎng)絡(luò)具有更高的互斥數(shù)比例，更能增加微生物群落間的合作與聯(lián)系，使得微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度增強(qiáng)[40]。與連通性較低的簡單網(wǎng)絡(luò)相比，具有較高連通性的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)可增加微生物成員間的合作與聯(lián)系，對環(huán)境擾動的魯棒性更強(qiáng)[41]，并能進(jìn)一步提高土壤生物驅(qū)動的碳氮循環(huán)和植物生長促進(jìn)等功能的穩(wěn)定性[42]。

差異物種顯著性分析結(jié)果進(jìn)一步顯示：與山藥常規(guī)施肥相比，優(yōu)化施肥和施用腐植酸顯著富集了芽孢桿菌（Bacillus）、節(jié)桿菌（Arthrobacter）、芽單胞菌（Gem?matimonas）等屬的ZOTU。許多研究表明，這些細(xì)菌能夠在土壤生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用，能夠參與有機(jī)物的分解和循環(huán)，從而促進(jìn)土壤肥沃化及植物生長。例如，Jiang等[43]的研究發(fā)現(xiàn)，節(jié)桿菌屬細(xì)菌能夠在植物根系定殖并產(chǎn)生吲哚乙酸（IAA），并具有解鉀和固氮等能力，顯著提高人參根系鮮質(zhì)量，并對土壤脲酶、過氧化氫酶等酶活性有提升作用。芽孢桿菌因具有強(qiáng)適用性、強(qiáng)抗逆性和廣譜抗菌效果，并且能夠分泌生長激素等，是微生物肥料中常用的一類有益微生物，可有效提高土壤中有益細(xì)菌的豐度，并抑制病原菌的生長[44]。此外，與山藥常規(guī)施肥相比，優(yōu)化施肥和施用腐植酸顯著富集了白僵菌（Beauveria）和球囊霉菌（Glomus）等真菌。白僵菌是一類重要的生防真菌，具有防治蟲害、抑制青枯病菌等功能[45]；而球囊霉屬真菌多為能與植物形成共生互惠關(guān)系的菌根真菌，具有促進(jìn)作物氮磷吸收的功能，還可以分泌球囊霉素，間接提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、改善土壤通氣和透水等條件，進(jìn)而提高作物對養(yǎng)分的利用[46]。這些結(jié)果表明，通過優(yōu)化施肥和施用腐植酸能夠顯著增加山藥地土壤中有益細(xì)菌和真菌的豐度，從而有利于山藥的生長，提高山藥產(chǎn)量。這與山藥產(chǎn)量結(jié)果一致，相較于常規(guī)施肥，優(yōu)化施肥方式下山藥產(chǎn)量提高了4.6%，配施腐植酸后山藥產(chǎn)量提高了7.1%（表1）。這些研究結(jié)果表明：山藥種植會對土壤細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)以及微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性產(chǎn)生顯著影響，而通過調(diào)整施肥方式如減量施肥或配施腐植酸等，能夠減少對土壤生態(tài)環(huán)境的干擾，提高微生物群落穩(wěn)定性及其驅(qū)動的生態(tài)功能穩(wěn)定性，有利于山藥的可持續(xù)生產(chǎn)。

4 結(jié)論

（1）常規(guī)施肥情況下種植山藥增加了土壤無機(jī)氮在深層土壤的累積，而優(yōu)化施肥或腐植酸施用可有效降低亞表層和深層土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量，優(yōu)化施肥可使山藥地深層土壤銨態(tài)氮減少79.55%，施用腐植酸可使山藥地亞表層土壤硝態(tài)氮減少78.39%。

（2）與玉米地相比，常規(guī)施肥山藥種植顯著改變了土壤細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)，而優(yōu)化施肥和腐植酸處理對細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)無顯著影響，但對真菌群落有顯著影響；此外，山藥常規(guī)施肥顯著降低了土壤微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度和網(wǎng)絡(luò)互斥數(shù)，而優(yōu)化施肥或施用腐植酸可有效提高微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，并顯著富集芽孢桿菌屬、節(jié)桿菌屬、白僵菌屬和球囊霉屬等有益菌群。

（3）通過優(yōu)化山藥施肥量并結(jié)合腐植酸肥料施用，可有效減少山藥種植過程中因過度施肥和強(qiáng)烈擾動導(dǎo)致的無機(jī)氮向下遷移和累積，降低對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性的影響，有利于山藥的可持續(xù)綠色生產(chǎn)。