加氣灌溉改善干旱區(qū)葡萄根際土壤化學(xué)特性及細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

趙豐云，楊 湘，董明明，蔣 宇，于 坤，郁松林

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加氣灌溉改善干旱區(qū)葡萄根際土壤化學(xué)特性及細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)

趙豐云，楊 湘，董明明，蔣 宇，于 坤※，郁松林

（石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院/特色果蔬栽培生理與種質(zhì)資源利用兵團(tuán)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石河子 832003）

為探討地下穴貯滴灌條件下根際注氣對干旱區(qū)葡萄根際土壤化學(xué)性質(zhì)、細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)影響。該研究以3a箱栽‘紅地球’葡萄為試驗(yàn)材料，以自行設(shè)計(jì)的地下穴貯滴灌“水肥氣”一體化設(shè)備作為注氣裝置，16S高通量基因組測序作為研究土壤細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)手段。結(jié)果表明地下穴貯滴灌根際注氣可有效提高土壤pH值，顯著增加土壤速效磷（40～50 cm除外）和速效鉀含量，促進(jìn)土層深度20～30 cm土壤有機(jī)質(zhì)分解；對氮磷鉀相關(guān)菌屬的分析表明，根際注氣可促進(jìn)與硝化作用相關(guān)的亞硝化螺菌屬，磷鉀代謝相關(guān)的假單胞菌屬、芽孢桿菌屬，抑制與反硝化相關(guān)的羅爾斯通菌屬，表明加氣灌溉能促進(jìn)植株對氮磷鉀的吸收與能提高硝化作用、解磷解鉀相關(guān)菌群數(shù)量有關(guān)。chao1、shannon指數(shù)分析表明地下穴貯滴灌根際注氣可有效改變細(xì)菌群落豐度，但對細(xì)菌群落多樣性影響較??；對于細(xì)菌門，注氣處理增加了放線菌門和硝化螺旋菌門的豐度，其中在40～50 cm土層注氣處理放線菌門和硝化螺旋菌門分別比未注氣高16.7%與22.7%，達(dá)到極顯著水平；典型相關(guān)分析及相關(guān)分析表明，地下穴貯滴灌注氣條件下土壤pH值、速效磷和硝酸鹽含量是影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的重要指標(biāo)。該研究結(jié)果可為干旱區(qū)地下穴貯滴灌條件下科學(xué)合理注氣提供理論依據(jù)。

土壤；細(xì)菌；灌溉；地下穴貯滴灌；注氣；化學(xué)性質(zhì)

0 引 言

在傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)灌溉中植物根部吸水與呼吸是相對矛盾的，當(dāng)滿足水分條件時(shí)，有氧呼吸則不能充分進(jìn)行；當(dāng)根際呼吸充分時(shí)，則水分條件不能滿足。在地下滴灌的基礎(chǔ)上結(jié)合注氣，既保證了植物對水分的需要，又能有效防止植物根區(qū)缺氧。Benjamin等[1]研究發(fā)現(xiàn)增加根部O2含量會促進(jìn)根系對水分和養(yǎng)分的吸收。Heuberger等[2]和Brzezinska等[3]認(rèn)為根際通氣能夠提高植株根系的有氧呼吸，增強(qiáng)根區(qū)土壤酶活性，提高根系的水肥吸收效率，利于作物生長發(fā)育，從而提高產(chǎn)量。

由于地下滴灌可在不增加較多成本的情況下實(shí)現(xiàn)根際注氣，目前成為耕作模式改革的研究方向之一。但相關(guān)研究較多集中在注氣對植株生長、產(chǎn)量和水分利用效率的提高方面[4-5]，對地下滴灌加氣灌溉對土壤微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)的影響研究比較少。土壤微生物是土壤生態(tài)環(huán)境中的一個(gè)關(guān)鍵因素，土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和多樣性對保持土壤系統(tǒng)健康具有重要作用[6-7]，土壤微生物能夠促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)，直接關(guān)系到土壤養(yǎng)分的有效性[8]。因此開展根際注氣對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響對驗(yàn)證根際注氣的有效性及可持續(xù)性具有一定的理論價(jià)值和實(shí)踐意義。

地下穴貯滴灌“水肥氣”一體化技術(shù)是根據(jù)干旱區(qū)林果生產(chǎn)實(shí)際需求，為有效解決地表滴灌導(dǎo)致的根系上浮及傳統(tǒng)地下滴灌根區(qū)浸潤范圍小，對果樹等多年生作物不適用等問題，將滴灌技術(shù)與“穴貯肥水技術(shù)”有機(jī)結(jié)合而開發(fā)出的一項(xiàng)新的節(jié)水滴灌方法[9-10]。前期研究表明該技術(shù)在促進(jìn)根系下扎、節(jié)水、提高果實(shí)產(chǎn)量等方面具有一定優(yōu)勢，但關(guān)于地下穴貯滴灌根際注氣對干旱區(qū)葡萄土壤化學(xué)性質(zhì)及細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)影響的研究還未見報(bào)道。

本研究中，我們以3 a‘紅地球’葡萄為研究試材，通過溫室箱栽試驗(yàn)探討地下穴貯滴灌根際注氣對土壤環(huán)境及土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響，以為地下穴貯滴灌條件下科學(xué)合理注氣及進(jìn)一步優(yōu)化改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2016年4－10月在新疆石河子市石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站（44°26′N，85°95′E）日光溫室中進(jìn)行，試驗(yàn)過程中最低氣溫和最高氣溫分別是17 ～33 ℃，溫室空氣相對濕度保持60%～80%。

試驗(yàn)采用箱栽法，設(shè)置注氣和對照（CK）2個(gè)處理，供試葡萄品種為紅地球葡萄。試驗(yàn)用長、寬均為35 cm，高為60 cm的硬質(zhì)PVC箱做栽培箱（圖1）。定植前將組裝好的栽培箱排放于深60 cm的方形土坑中，箱子間距20 cm，9個(gè)為一小區(qū)，共3小區(qū)。土壤取自石河子大學(xué)農(nóng)學(xué)院試驗(yàn)站葡萄園0～20 cm的表層土，土壤為灰漠土，土質(zhì)為粘質(zhì)土壤，過孔徑為0.425 mm網(wǎng)篩。箱土pH值是6.56，含有機(jī)質(zhì)13.61 g/kg，全氮1.22 g/kg，銨態(tài)氮2.63 mg/kg，硝態(tài)氮2.01 mg/kg，速效磷43.6 mg/kg，速效鉀305 mg/kg，土壤容重1.40 g/cm3。于2016年5月6日將粗細(xì)均勻，長勢一致的3 a生‘紅地球’葡萄扦插苗定植于栽培箱中央，采用地下穴貯滴灌進(jìn)行灌水，各株間灌水量相同，定植一個(gè)月后進(jìn)行注氣處理。注氣采用自主設(shè)計(jì)的水肥氣一體化注氣設(shè)備（圖2），通過太陽能板發(fā)電提供電能，用空氣壓縮機(jī)進(jìn)行注氣處理，壓力為0.04 MPa，60 L/min，注氣量根據(jù)公式=0.001(1?ρ/ρ)[11]，其中為每次加氣量，L；為PVC箱表面積，cm2；為PVC箱高度，60 cm；ρ為土壤容重，1.40 g/cm3；ρ為土壤密度，2.65 g/cm3；為注氣箱數(shù)量（15），計(jì)算出單次最低注氣量為520.3 L?？紤]到地下穴貯滴灌氣體的逸散效應(yīng)及預(yù)試驗(yàn)結(jié)果，最終將注氣統(tǒng)一設(shè)置為一天一次，早上9時(shí)—9時(shí)20分（北京時(shí)間），每次注氣時(shí)間持續(xù)20 min。地下穴貯滴灌注氣小桶為直徑5 cm、高10 cm的PVC管，PVC管上部密封只有進(jìn)氣孔，下部不密封，管上均勻分布直徑0.3 cm的微孔，注氣小桶與植株距離5 cm，埋深25 cm，主管與支管間加開關(guān)控制注氣。

1.水泵 2.主管 3.過濾器 4.光伏注氣系統(tǒng) 5.水表 6.開關(guān) 7.地下穴貯滴灌支管

①貯氣箱 ②氣體壓力平衡箱 ③電池調(diào)控箱 ④底板 ⑤太陽能電池板

1.2 試驗(yàn)取樣

土壤取樣于地下穴貯滴灌注氣處理90 d后進(jìn)行。修枝剪掉葡萄地上部，采用根鉆法取樣。每栽培箱以注氣小桶為中心，水平距離桶中心5 cm處均勻取4個(gè)點(diǎn)，分別在0～10、20～30、40～50 cm處取100 g土樣，同一層4個(gè)取樣位置混合均勻?yàn)橐粋€(gè)栽培箱的土樣，重復(fù)5次。所取土樣立即過2 mm的網(wǎng)篩并混合均勻，儲存于?80 ℃冰箱中待進(jìn)行16 S高通量基因組測序取樣，剩余土樣進(jìn)行土壤化學(xué)性質(zhì)測定。

1.3 測定指標(biāo)及方法

參照Shen等[12]的方法測定土壤化學(xué)性質(zhì)。土壤pH值測定使用1:5土/水法；土壤有機(jī)質(zhì) （OM）是通過水合重鉻酸鉀氧化比色法；氨態(tài)氮（NH4+-N）和硝態(tài)氮（NO3--N）用2 M氯化鉀提取，用全自動流動分析儀測定（德國）；速效鉀采用NH4OAC 浸提-火焰光度計(jì)法；速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；硝化強(qiáng)度采用李奕林等[13]改進(jìn)Berg和Rosswall的方法測定。

1.4 土壤DNA提取和測序

采用SDS方法對樣本的基因組DNA進(jìn)行提取，利用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的純度和濃度，在離心管中使用無菌水稀釋適量樣品至1 ng/L。利用引物515F(GTGCCAGCMGCCGCGGTAA)與806R (GGACTA CHVGGGTWTCTAAT)擴(kuò)增其V4區(qū)基因片段。為確保擴(kuò)增效率和準(zhǔn)確性，使用高效和高保真的酶進(jìn)行PCR。PCR反應(yīng)體系（30L）：Phusion Master Mix15L，Primer 3L，DNA模板量10L（5～10 ng）。反應(yīng)程序：98 ℃預(yù)變性1 min；30個(gè)循環(huán)包括（98 ℃，10 s；50 ℃，30 s；72 ℃，30 s）72 ℃，5 min。之后進(jìn)行PCR產(chǎn)物的混樣和純化，純化后進(jìn)行文庫的構(gòu)建和上機(jī)測序。

1.5 生物信息分析及數(shù)據(jù)處理

根據(jù)Barcode序列和PCR擴(kuò)增引物序列從下機(jī)數(shù)據(jù)中拆分出各樣品數(shù)據(jù)，截取Barcode和引物的序列使用FLASH[14]對每個(gè)樣品的序列進(jìn)行拼接，得到高質(zhì)量的原始數(shù)據(jù)。高質(zhì)量序列數(shù)據(jù)參照QIIME[15]進(jìn)行質(zhì)量控制流程，進(jìn)一步去除嵌合體序列，得到最終的有效數(shù)據(jù)。利用UPARSE軟件將最終的有效序列進(jìn)行聚類，默認(rèn)以97%序列相似度對序列聚類獲得OTUs（Operational taxonomic units 操作分類單元）；以Greengenes數(shù)據(jù)庫[16]為參考，進(jìn)行OTUs（Operational taxonomic units）聚類和物種分類分析，結(jié)合環(huán)境因素進(jìn)行CCA分析、多樣性指數(shù)及相關(guān)性分析，得到顯著影響組間群落變化的環(huán)境因子。

1.6 數(shù)據(jù)分析

利用Excel 2007和SPSS19.0數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，Pearson系數(shù)分析土壤因子和土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)的相關(guān)性，顯著性水平設(shè)定為=0.05，SigmaPlot 12.0軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 地下穴貯滴灌根際注氣對根際土壤不同土層化學(xué)性質(zhì)的影響

由表1可知，土壤pH值、硝化強(qiáng)度、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮、速效磷、鉀含量隨土壤深度增加的變化趨勢并不一致，其中最為明顯的差異為pH值在土層深度20～30 cm最高，但與土層深度0～10 cm的差異不顯著；注氣處理有機(jī)質(zhì)含量在土層深度20～30 cm最低，與0~10、40~50cm處差異顯著（<0.05）。在同一土層，地下穴貯滴灌根際注氣處理的土壤速效磷、速效鉀含量及土壤pH值均高于未注氣處理，但土壤有機(jī)質(zhì)含量低于未注氣處理（40～50 cm除外）。在土層深度20～30、40～50 cm處注氣處理的土壤硝態(tài)氮含量顯著低于未注氣處理（<0.05），而速效鉀含量顯著高于未注氣處理（<0.05）。此外由表1可知注氣處理增加了各土層土壤的硝化強(qiáng)度，但處理與對照間差異不顯著（>0.05）。

表1 注氣處理對土壤化學(xué)指標(biāo)的影響

注：注氣處理：Ta, Tb, Tc分別代表土層深度0～10、20～30、40～50 cm; 對照處理：CKa、CKb、CKc分別代表土層深度0～10、20～30、40～50 cm；同一列不同字母表示差異顯著（<0.05）。下同。

Note: Aeration treatment :Ta, Tb, Tc represent soil depth 0-10, 20-30, 40-50 cm , respectively. No aeration treatment : CKa, CKb, CKc represent soil depth 0-10, 20-30, 40-50 cm, respectively.Different letters in each column indicate significant differences at 0.05 level. The same as below.

2.2　地下穴貯滴灌根際注氣對土壤細(xì)菌群落的影響

高通量測序結(jié)果顯示所有樣品一共獲得1357535條有效序列，其中最少序列為45551條，最多序列為85594條（平均序列條數(shù)是75418條）。這些序列的99.61%可以分類到不同的細(xì)菌門類，0.39%與數(shù)據(jù)庫比對分類到古菌門類。由圖3可看出2種處理土壤細(xì)菌優(yōu)勢門類為變形菌門（）（41.22%），酸桿菌門（）（14.77%）、芽單胞菌門（）（9.35%）、放線菌門（）（5.77%），綠彎菌（）（5.49%），它們的平均相對豐度大于5%，占總序列的76.6%；擬桿菌門（）、浮霉菌門（）、疣微菌門（）、硝化螺旋菌門（）、厚壁菌門（）平均相對豐度大于1%，但低于5%。

注：數(shù)字表示的10個(gè)最豐富的門：1.變形菌門 2.酸桿菌 3.芽單胞菌門 4.放線菌 5.綠彎菌 6.擬桿菌門 7.浮霉?fàn)罹?8.疣微菌門 9.硝化螺旋菌 10.硬壁菌門 11.其他細(xì)菌

2.3 地下穴貯滴灌根際注氣對不同土層深度細(xì)菌多樣性的影響

細(xì)菌群落多樣性指標(biāo)chao1指數(shù)分析表明，注氣處理細(xì)菌豐度隨土壤深度增加而增加，未注氣處理細(xì)菌豐度呈先升高后下降的趨勢，各土層chao1指數(shù)顯著不同表明土壤深度顯著影響了土壤細(xì)菌群落的豐度（<0.05）。由圖4a可看出，同一土壤深度注氣處理和未注氣處理的細(xì)菌chao1指數(shù)亦有顯著差異（<0.05），其中在土層深度0～10、20～30 cm處，細(xì)菌豐富度顯著低于未注氣處理（<0.05），而在土層深度40～50 cm注氣處理細(xì)菌豐度比未注氣處理高9.82%，差異顯著（<0.05），表明除土壤深度外，地下穴貯滴灌根際注氣處理亦是顯著影響細(xì)菌豐度的關(guān)鍵因素。Shannon指數(shù)表明，注氣處理和不同土層間土壤細(xì)菌的多樣性差異均不顯著（>0.05），說明注氣處理和不同土壤深度對土壤細(xì)菌群落多樣性無顯著影響（圖4b）。

注：不同大寫字母表示同一處理不同深度的差異顯著，不同小寫字母表示同一深度不同處理的差異顯著。

2.4 地下穴貯滴灌根際注氣對細(xì)菌門水平上的影響

通過對相對豐度大于1%的細(xì)菌門類分析表明，在細(xì)菌門水平上注氣處理對土壤中的放線菌、浮霉菌、硝化螺旋菌的影響較顯著（圖5）。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)注氣處理下土壤中放線菌門的相對豐度在各土層顯著高于未處理（<0.05），在40～50 cm土層注氣處理放線菌門和硝化螺旋菌門分別比未注氣高16.7%與22.7%，達(dá)到極顯著水平（<0.01）；而浮霉菌門的相對豐度顯著低于對照處理（<0.05）；硝化螺旋菌門在20～30 cm土層極注氣處理顯著高于對照（<0.01），而在40～50 cm土層極顯著低于對照（<0.01）。3種細(xì)菌門在20～30 cm土層均達(dá)到差異極顯著水平（<0.01）（表2）。

圖5　土壤細(xì)菌優(yōu)勢門類的相對豐度

表2 地下穴貯滴灌根際注氣處理影響較大的3種菌門相對豐度

注：不同小寫字母表示同一深度不同處理在5%水平存在顯著差異（<0.05），不同大寫字母表示同一深度不同處理在1%水平上存在顯著差異（<0.01），下同。

Note: Different lowercase letters denote significant difference at 5%probability levels respectively at the same depth with different treatments. Different capital letters denote significant difference at 1% probability levels at the same depth with different treatments, the same as below.

2.5 地下穴貯滴灌根際注氣對氮磷鉀代謝相關(guān)菌屬影響

由表3可看出，與氮代謝相關(guān)的菌屬，亞硝化螺菌屬（）在土層深度0～10、20～30、40～50 cm注氣處理比未注氣處理分別高18.75%、13.04%、16.67%，差異顯著（<0.05）；羅爾斯通菌屬（）則在土層深度0～10、20～30、40～50 cm注氣處理均顯著低于未注氣處理（<0.05）。與磷、鉀代謝相關(guān)的菌屬，注氣處理的假單胞菌屬（）、芽孢桿菌屬（）在土層深度20～30、40～50 cm均高于未注氣處理，差異顯著（<0.05）；節(jié)細(xì)菌屬（）在土層深度0～10注氣處理顯著高于未注氣處理（<0.05），而在土層深度20～30、40～50 cm注氣處理分別比未注氣處理低31.42%、31.67%，差異顯著（<0.05）。

2.6 土壤化學(xué)性質(zhì)與土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及微生物群落功能多樣性相關(guān)分析

典型相關(guān)分析(canonical correlation analysis, CCA)二維排序圖可以直觀地給出研究對象與環(huán)境變量之間的關(guān)系，環(huán)境因子與排序軸的相關(guān)性由排序軸與箭頭連線夾角表示，夾角越小表明關(guān)系越密切，而箭頭連線的長短表示環(huán)境因子與研究對象相關(guān)程度的大小，連線越長，相關(guān)性越大；反之越小。從圖6可知CCA分析排序結(jié)果可信，分析出在地下穴貯滴灌注氣條件下土壤pH值、NO3--N和速效磷與土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

表3 地下穴貯滴灌根際注氣處理對氮磷鉀代謝相關(guān)菌屬影響

圖6 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與化學(xué)性質(zhì)的CCA分析

土壤化學(xué)性質(zhì)與微生物群落多樣性的相關(guān)性分析表明（表4），注氣90 d后土壤細(xì)菌群落功能多樣性各指標(biāo)與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮之間負(fù)相關(guān)，與土壤硝化強(qiáng)度、速效磷正相關(guān)。其中Shannon指數(shù)與速效磷和速效鉀之間顯著相關(guān)（<0.05），與pH值極顯著相關(guān)（<0.01）；chao1指數(shù)與速效磷和硝態(tài)氮均顯著相關(guān)（<0.05）。由此可見，pH值、速效磷、硝態(tài)氮和速效鉀與土壤微生物群落功能多樣性密切相關(guān)，是造成不同土層土壤細(xì)菌群落多樣性差異的原因。

表4 土壤化學(xué)性質(zhì)與微生物群落多樣性相關(guān)性分析

注：*在0.05 水平上顯著相關(guān)，**在0.01 水平上顯著相關(guān)。

Note: * means significant correlation at 0.05 level and ** means significant correlation at 0.01 level.

3 討 論

3.1 地下穴貯滴灌根際注氣對葡萄根際土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

土壤pH值、氮、磷、鉀等是反映土壤長期肥力水平的重要指標(biāo)[17]。土壤pH值過高或過低，都會影響植物所需養(yǎng)分元素的生物有效性，從而引起營養(yǎng)元素吸收失調(diào)[18-19]。孫波等[20]認(rèn)為pH值的增大會增加有機(jī)質(zhì)的可溶性。本研究發(fā)現(xiàn)在各土層根際注氣土壤pH值均高于未注氣處理，而有機(jī)質(zhì)含量注氣處理在土層深度0～10、20～30 cm處低于未注氣處理，表明地下穴貯滴灌根際注氣可在一定程度上提高根區(qū)土壤pH值，保證土壤根區(qū)良好的化學(xué)性質(zhì)，加速土層中部有機(jī)質(zhì)的分解，為細(xì)菌生長提供大量的碳、氮基質(zhì)。

參與氮素循環(huán)的硝化作用、反硝化作用是土壤氮素循環(huán)的推動者，在氮素循環(huán)中發(fā)揮重要作用[21]。由氨氧化細(xì)菌催化的氨氧化反應(yīng)是硝化作用的限速步驟[22]。本次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)的亞硝化螺菌屬屬于氨氧化細(xì)菌的一種，羅爾斯通菌屬屬于反硝化作用菌，本研究中注氣處理能夠顯著增加亞硝化螺菌屬，抑制羅爾斯通菌屬（表3），土壤氨態(tài)氮在土層20～30 cm處注氣處理顯著低于未注氣處理，表明通過根際注氣能夠提高土壤中氨氧化細(xì)菌數(shù)量，增強(qiáng)土壤的硝化作用，加快土壤氨態(tài)氮向硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化。土壤硝態(tài)氮含量在土層深度20～30，40～50 cm處注氣處理低于未注氣處理，可能是由于注氣在提高土壤硝化作用的同時(shí)，同時(shí)促進(jìn)了葡萄根系對硝態(tài)氮的吸收有關(guān)，此方面尚需進(jìn)一步研究。

Bhattarai等[23]研究發(fā)現(xiàn)加氣灌溉可有效促進(jìn)植株葉片磷、鉀的吸收。鉀是響應(yīng)氧環(huán)境最敏感的元素之一，一旦根系缺氧，鉀含量先降低[24]。磷施入土壤大部分以難溶態(tài)形式在土壤中積累，影響植物的吸收利用[25]。本研究中根際注氣顯著提高了土層深度20～30、40～50 cm與磷有關(guān)的假單胞菌屬，與鉀有關(guān)的芽孢桿菌屬的菌群數(shù)量，而對土壤化學(xué)指標(biāo)分析表明，土層深度20～30，40～50 cm土壤速效磷、鉀含量注氣處理高于未注氣處理。表明注氣處理可通過促進(jìn)解磷細(xì)菌和解鉀細(xì)菌菌群數(shù)量的生長，從而提高土壤磷、鉀素的有效性，促進(jìn)植株對磷、鉀的吸收。暗示加氣灌溉能促進(jìn)植株對磷、鉀的吸收可能與根際注氣能提高解磷、解鉀菌群數(shù)量，促進(jìn)土壤中磷、鉀元素的分解活化有關(guān)。

地下滴灌裝置的埋深不同，會導(dǎo)致不同土層土壤中氣體分布的不同[26]。對不同土層土壤化學(xué)性質(zhì)分析表明，注氣處理的土壤速效鉀含量在土層深度20～30 cm最高，而有機(jī)質(zhì)含量在土層深度20～30 cm最低，表明地下穴貯滴灌根際注氣改變了不同土層深度的營養(yǎng)結(jié)構(gòu)狀況，加速中部土層有機(jī)質(zhì)的分解，促進(jìn)土壤速效磷、鉀活化，提高根系在土層深度20～30 cm的營養(yǎng)吸收效率。同時(shí)表明在0～50 cm土層中，地下穴貯滴灌注氣處理對土層深度20～30 cm土壤化學(xué)指標(biāo)的影響最為顯著。

3.2 地下穴貯滴灌根際注氣對葡萄根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

近年來，高通量測序16S技術(shù)被廣泛應(yīng)用于研究微生物的結(jié)構(gòu)與多樣性[27-28]，這些技術(shù)比傳統(tǒng)方法能夠更詳細(xì)描述微生物結(jié)構(gòu)與組成，被證明是在微生物生態(tài)學(xué)研究非常有效的技術(shù)手段。研究表明[29]，隨著土層的加深，微生物數(shù)量呈下降趨勢。董立國等[30]認(rèn)為這種趨勢主要與土壤養(yǎng)分含量變化等因子有關(guān)。在本研究通過高通量測序技術(shù)探討了土壤細(xì)菌群落對注氣處理的響應(yīng)，結(jié)果顯示在土層深度0～10、20～30 cm處細(xì)菌豐度注氣處理顯著低于對照，而在土層深度40～50 cm注氣處理細(xì)菌豐度顯著高于未注氣處理?？赏茰y出本試驗(yàn)的注氣頻率及強(qiáng)度顯著影響了深層土壤細(xì)菌的群落豐度及結(jié)構(gòu)，改善了深層土壤的通氣狀況，使細(xì)菌生長的環(huán)境得到改善。

土壤細(xì)菌是土壤微生物的重要組成部分，絕大多數(shù)土壤優(yōu)勢細(xì)菌種類基本相同，主要包括10個(gè)左右的細(xì)菌類群[31]，變形菌、放線菌、芽單胞菌門、酸桿菌、浮霉?fàn)罹谒袠颖镜募?xì)菌類群中是5個(gè)最豐富的類群，這一發(fā)現(xiàn)與以前的研究結(jié)果一致[32]。同時(shí)可看出與對照相比，地下穴貯滴灌根際注氣處理下同一土層的土壤放線菌門和硝化螺旋菌門的相對豐度增加，而浮霉?fàn)罹T豐度降低。這可能是由于硝化螺旋菌門、放線菌門細(xì)菌種類絕大部分為好氧菌，地下穴貯滴灌根際注氣處理改變了土壤通氣狀況，促進(jìn)好氧細(xì)菌的活動和繁殖。同時(shí)表明在土層深度0～10、20～30 cm處細(xì)菌豐度注氣處理低于未注氣處理可能與注氣處理土壤中厭氧細(xì)菌的減少有關(guān)。浮霉?fàn)罹T細(xì)菌部分屬于好氧菌也有部分屬于厭氧菌，加氣后顯著下降可能是由于菌群內(nèi)部結(jié)構(gòu)相互調(diào)整的結(jié)果，由于土壤細(xì)菌結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，具體原因尚需進(jìn)一步研究。

細(xì)菌是土壤中多樣性最豐富的微生物類群，其群落特征對土壤養(yǎng)分、pH值等外界條件變化敏感，能夠及時(shí)地反映土壤質(zhì)量的變化[33]。秦杰等[34]對長期施肥黑土條件下研究表明pH值是影響土壤細(xì)菌和古菌群落結(jié)構(gòu)的主效環(huán)境因子，而大豆連作條件下施肥對東北黑土細(xì)菌群落的研究表明[35]土壤全氮是主要影響元素。本研究結(jié)果顯示在地下穴貯滴灌根際注氣條件下，除注氣外，pH值、速效磷和硝酸鹽的濃度也是影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)之一，是造成不同土層土壤細(xì)菌群落多樣性差異的原因之一。

4 結(jié) 論

1）地下穴貯滴灌根際注氣可提高土壤pH值、速效磷、速效鉀含量，加速土層中部有機(jī)質(zhì)的分解。其中速效磷在土層深度0～10、20～30 cm處注氣處理顯著高于未注氣處理（<0.05），速效鉀在各土層深度處均顯著高于未注氣處理（<0.05）。對氮磷鉀相關(guān)菌屬的分析表明，根際注氣可促進(jìn)與硝化作用相關(guān)的亞硝化螺菌屬，磷、鉀代謝相關(guān)的假單胞菌屬、芽孢桿菌，抑制與反硝化相關(guān)的羅爾斯通菌屬，表明加氣灌溉促進(jìn)植株對氮、磷、鉀的吸收與根際注氣能提高硝化作用、解磷、解鉀相關(guān)菌群數(shù)量有關(guān)。

2）地下穴貯滴灌條件下根際注氣能夠有效增加深層土壤的細(xì)菌豐度，對細(xì)菌多樣性影響不大；促進(jìn)硝化螺旋菌等好氧菌的生長，抑制厭氧菌浮門狀菌的生長。本研究表明注氣處理增加了放線菌門和硝化螺旋菌門的豐度，其中在40～50 cm土層注氣處理放線菌門和硝化螺旋菌門分別比未注氣高16.7%與22.7%，達(dá)到極顯著水平。典型相關(guān)分析及相關(guān)分析表明，除注氣外，pH值、速效磷和硝酸鹽的濃度也是影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與多樣性的關(guān)鍵環(huán)境參數(shù)。

3）地下穴貯滴灌可在不增加較多生產(chǎn)成本的情況下實(shí)現(xiàn)根際注氣，以上耕作措施的改進(jìn)對改善土壤通氣質(zhì)量，改善土壤化學(xué)性質(zhì)，優(yōu)化土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，提高肥料利用效率有一定作用，具有一定的應(yīng)用推廣前景。但對地下穴貯滴灌條件下根際注氣的頻率及強(qiáng)度等尚需進(jìn)一步優(yōu)化。

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Aeration irrigation improving grape rhizosphere soil chemical properties and bacterial community structure in arid area

Zhao Fengyun, Yang Xiang, Dong Mingming, Jiang Yu, Yu Kun※, Yu Songlin

(/,,832003,)

In traditional agricultural irrigation, uptake of water of plant root and its own respiration are relatively contradictory. When the water content is satisfied, aerobic respiration can not fully carry out due to limited air supply in soil. Good soil aeration is beneficial for maintaining higher soil fertility and crop growth and development. Once air capacity in soil decreases and gas exchange is restricted, the soil physical and chemical properties would become deteriorated, which affects the normal growth of the crops, resulting in reduced production. Aeration irrigation is an improvement of subsurface drip irrigation (SDI), and it involves the delivery of oxygen or oxygenated material to the root zone of the crop through subsurface drip irrigation systems to improve soil aeration, and to meet the needs of root growth and development, thereby promoting growth and development of crops and improving crop yield and quality. Soil microorganisms are the most important and active part of soil ecosystems and reflect changes in soil quality in a sensitive, timely, and accurate manner. However, few reports have described the effects of aeration on soil microbial diversity. In this study, Red Globe grape planted in boxes was used as experimental material, self-designed integrated equipment of SDI with tanks of fertilizer-water-gas was involved as gas injection device, and high-throughput 16S genome sequencing was the key technique to study effect of aeration of rhizosphere under condition of SDI with tanks on the rhizosphere soil and bacterial community structure. The results showed that aeration of rhizosphere under condition of SDI with tanks could raise the pH values of soils, increase the contents of Olsen-P and available K in soil, and promote decomposition of organic matter in the 20-30 cm soil layer. Analysis of bacteria related to nitrogen, phosphorus and potassium metabolism showed that rhizosphere aeration can promote theassociated with nitrification，andassociated with phosphorus and potassium metabolism, and inhibited Ralstonia associated with denitrifying bacteria. It showed that absorption of nitrogen, phosphorus and potassium in the plant maybe due to the increase of nitrifying bacteria and bacteria of decomposition of organic phosphorus and potassium. According to the analysis of microbial community structure, we learned that aeration of rhizosphere under condition of SDI with tanks promoted the growth of aerobic bacteria such as, inhibited the growth of anaerobic bacteria. Furthermore, Chao1 and Shannon index analyses indicated that aeration of rhizosphere under condition of SDI with tanks could change the abundance of bacterial community effectively. However, it had little effect on bacterial community diversity. In addition, for bacterial phylum, aeration treatment increased the abundance of actinomycetes and, which were 16.7% and 22.7% higher (<0.01) with aeration treatment than that without aeration in the 40-50 cm soil layer, respectively, and reached extremely significant levels (<0.01). Canonical correspondence analysis (CCA) and correlation analyses showed that the pH values of soils, Olsen-P and available K contents were important indicators of bacterial community structure when applying aeration of rhizosphere under condition of SDI with tanks. The results of this study showed that the SDI system can be used for aeration without extensive increases cost. This irrigation approach can improve soil aeration quality, optimize soil microbial community structure, and improve fertilizer use efficiency, which has certain application and promotion prospects. However, the frequency and intensity of aeration of rhizosphere under SDI with tanks need to be further optimized.

soils; bacteria; irrigation;subsurface drip irrigation with tanks; aeration; chemical properties

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.015

S152.7; S275.4;S152.5

A

1002-6819(2017)-22-0119-08

2017-05-23

2017-11-06

國家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目（31360464，31760550）和石河子大學(xué)高層次人才項(xiàng)目（RCZX201423）

趙豐云，博士，主要從事果樹節(jié)水灌溉技術(shù)及生理生態(tài)研究。Email：zhaofengyunag@163.com

于坤，博士，副教授，主要從事果樹生理生態(tài)及分子機(jī)制研究。Email：yukun409@163.com