長期玉米秸稈還田對褐土細菌群落和酶活性的影響

摘要： 【目的】探討不同秸稈還田模式對褐土農田養(yǎng)分的影響，解析土壤胞外酶活性和菌群功能的變化特征，為高效提升褐土農田土壤肥力提供理論依據。【方法】本研究基于1992—2022 年位于山西壽陽的長期定位試驗，包括4 種玉米秸稈還田方式處理：秸稈不還田（CK）、秸稈過腹還田（CM）、秸稈粉碎直接還田（SC） 和秸稈覆蓋還田（SM）。取樣分析土壤養(yǎng)分含量和胞外酶活性；利用高通量測序技術、FAPROTAX 功能預測和生態(tài)網絡方法，分析細菌群落結構，預測菌群功能。【結果】1） 長期不同秸稈還田方式（SM、SC 和CM） 均可顯著提高土壤肥力、玉米產量和胞外酶活性。與CK 相比，3 個秸稈還田處理的土壤有機碳（SOC）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、堿解氮（AN）、有效磷（AP） 和速效鉀（AK） 含量分別提升了17.0%～42.9%、3.0%～50.0%、2.3%～27.9%、4.4%～11.5%、11.2%～71.0%、14.1%～320.8%、17.1%～153.6%；土壤葡萄糖苷酶（β-GC）、纖維二糖水解酶（CBH） 和脫氫酶（DHA） 含量分別提升了35.6%～190.7%、41.9%～58.6% 和28.8%～773.8%；玉米累計產量提高了6.4%～23.0%。2） SM、SC 和CM 處理提高了土壤細菌Chao 1 指數(shù)、Peilou’s evenness 指數(shù)和Shannon 指數(shù)，提高了擬桿菌門、變形菌門、厚壁菌門和放線菌門的相對豐度，降低綠彎菌門和酸桿菌門的相對豐度。土壤pH 和土壤有機碳是影響細菌群落組成的重要影響因素。3） 網絡分析結果表明，長期秸稈還田處理指示種歸屬于不同模塊，與土壤養(yǎng)分含量和酶活性呈顯著相關關系，其中CM 處理中富集的Chryseolinea 通過強烈共生關系形成特定功能微生物集群。4） 基于FAPROTAX 的功能預測，發(fā)現(xiàn)長期不同秸稈還田提高了土壤菌群對有機物質的分解潛力和氮組分轉化潛力?！窘Y論】長期不同秸稈還田均顯著提升土壤肥力和玉米產量，增加土壤酶活性，提高細菌多樣性，改變細菌群落結構和組成，提高土壤碳氮循環(huán)功能，從而促進褐土形成適合作物和細菌生長的環(huán)境。

關鍵詞： 秸稈還田方式； 細菌群落； 酶活性； 土壤養(yǎng)分； 高通量測序； 網絡分析

土壤細菌是土壤微生物組的重要類群，也是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組分[1?3]。土壤細菌驅動陸地生態(tài)系統(tǒng)物質循環(huán)和能量流動，在生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定、調節(jié)和修復方面發(fā)揮著不可替代的重要作用[4]，其多樣性是評價土壤質量及生產力的重要指標[5]。土壤細菌對其生存環(huán)境變化極為敏感，因此研究微生物群落的變化可較為直觀地反映土壤生態(tài)功能的變化[6]。大量研究發(fā)現(xiàn)秸稈還田配施化肥可以提高土壤微生物多樣性，并改善細菌群落結構，促進土壤中參與碳、氮、磷循環(huán)的特定微生物生長[7?9]。Mei 等[10]對黑鈣土長達40 年研究發(fā)現(xiàn)，化肥配施糞肥較配施秸稈顯著提高細菌多樣性。Sun 等[11]則發(fā)現(xiàn)畜禽糞便（豬糞、牛糞） 較秸稈更有利于細菌群落的穩(wěn)定性。Fan 等[12]則發(fā)現(xiàn)相較于豬糞和秸稈，化肥配施牛糞是降低潛在病原菌風險最有效的措施。然而一些研究發(fā)現(xiàn)長期秸稈還田后土壤微生物多樣性并未發(fā)生明顯改變[13?14]。我國安徽砂姜黑土長期定位試驗結果表明，連續(xù)30 年秸稈還田配施化肥后細菌多樣性顯著降低[15]。試驗結果的差異一方面是由于試驗地土壤養(yǎng)分狀況和自然條件不同，另一方面可能與秸稈還田量、還田方式有關。大量研究重點在于微生物的多樣性和群落結構組成變化，然而對于微生物種間關系的研究被忽視。土壤中的微生物并非單獨存在，不同物種通過頻繁的相互作用，形成復雜的生態(tài)網絡，共享土壤生態(tài)位和營養(yǎng)資源[16]。微生物參與的生態(tài)功能不僅僅是不同個體的集體特征，還與它們之間的相互作用密切相關。研究物種間的網絡互作關系對于理解微生物群落構建過程，了解物種間的生態(tài)位差異或環(huán)境異質性，預測土壤生態(tài)功能具有重要意義。秸稈還田是改善土壤質量，解決秸稈和畜禽糞便等有機廢棄物資源化利用問題的有效措施，然而從網絡共現(xiàn)模式角度解析不同秸稈還田對微生物群落的影響機制仍需探討。

本研究以褐土區(qū)春玉米田為研究對象，基于農業(yè)農村部壽陽野外科學觀測實驗站不同秸稈還田模式長期（1992—2022 年） 定位試驗，采用高通量測序技術，對秸稈不還田、秸稈覆蓋還田、秸稈粉碎還田和秸稈過腹還田后土壤細菌群落多樣性、結構、組成展開研究；同時通過構建分子生態(tài)網絡，研究不同秸稈還田模式對細菌種間互作關系和網絡共現(xiàn)模式的影響；探討長期不同秸稈還田方式對細菌群落與土壤理化性質、酶活性之間關系的影響，為旱作玉米生產中不同秸稈還田方式對褐土土壤肥力提升、秸稈還田措施優(yōu)化和秸稈資源化利用提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

不同秸稈還田方式長期定位試驗位于山西省壽陽縣宗艾村北坪（37°58′N，113°06′E），試驗地海拔1130 m，年均氣溫7.4℃，無霜期約130 天，年均降水量501.1 mm，70% 左右的降水集中在6—9 月，屬暖溫帶半濕潤偏旱區(qū)。試驗地塊平坦，土層深厚，供試土壤為褐土，成土母質為馬蘭黃土，屬于黃土旱塬地。試驗初始耕層土壤基本化學性質如下：土壤有機碳（SOC） 13.6 g/kg，全氮（TN） 1.07 g/kg，全磷（TP） 1.78 g/kg，全鉀（TK） 14.10 g/kg，堿解氮（AN） 76.40 mg/kg，有效磷（AP） 2.80 mg/kg，速效鉀（AK） 95.00 mg/kg，pH 為8.4。