本文摘要：摘要：秸稈施用對作物產量影響效應不一致的機理尚不清楚，可能與秸稈施用誘導的土壤關鍵微生物群落組成及其豐度變化對產量影響的機理挖掘不夠深入有關。選擇紅壤和黃褐土進行小麥盆栽實驗，設置不同秸稈施用水平(S0、S10、S30，分別為0、10、30gkg-1土)，基于細菌-真菌
摘要：秸稈施用對作物產量影響效應不一致的機理尚不清楚，可能與秸稈施用誘導的土壤關鍵微生物群落組成及其豐度變化對產量影響的機理挖掘不夠深入有關。選擇紅壤和黃褐土進行小麥盆栽實驗，設置不同秸稈施用水平(S0、S10、S30，分別為0、10、30gkg-1土)，基于細菌-真菌共現網絡評估微生物生態集群、酶活性、化學性質對秸稈施用下小麥產量的影響。結果表明，施用秸稈顯著提升了兩種土壤的速效養分、可溶性有機碳、微生物生物量碳含量及土壤酶(淀粉酶、轉化酶、多酚氧化酶、脲酶、酸性磷酸酶、脫氫酶)活性，但紅壤上小麥產量隨著秸稈施用量增加顯著增加，而黃褐土上則隨著秸稈施用量增加而顯著降低。與S0相比，紅壤中S10和S30處理的籽粒產量和地上部生物量分別提升33%～44%和73%～85%，黃褐土中則分別降低22%～25%和55%。共現網絡中兩個關鍵生態集群的豐度、酶活性、土壤化學性質的共同正效應影響了紅壤小麥產量變化，而關鍵生態集群豐度對黃褐土小麥產量變化有更大的正效應。秸稈施用顯著增加了紅壤中與小麥產量正相關的Aspergillus豐度，顯著降低了黃褐土中與小麥產量正相關的Bacillus、Burkholderia、asidiobolus豐度。綜上，秸稈施用后紅壤中關鍵有益微生物豐度增加、酶活性增強、化學性質改善疊加作用使小麥產量提升;而黃褐土上小麥產量降低主要與關鍵有益微生物豐度降低有關，其效應超過化學性質和酶活性的改善。以上結果暗示關鍵微生物豐度的改變對秸稈還田土壤上作物產量變異有重要影響。
關鍵詞：秸稈還田;細菌-真菌共現網絡;關鍵微生物;酶活性;作物產量
作物秸稈富含碳、氮、磷、鉀等營養元素，是常用的農田有機肥料。中國142項秸稈還田試驗結果表明，92%的試驗中作物產量隨秸稈還田量的增加而增加[1]。施用秸稈通過調節土壤溫度和水分、改善土壤結構，提升土壤有機碳、速效養分含量和酶活性[1-2]，從而有助于提高產量。然而，也有研究表明，施用秸稈即使對土壤理化性質有所改善，但仍會造成作物減產[3]。秸稈既能影響微生物生存的環境，也為其提供可利用的底物[1]。
土壤作物論文： 土壤氣監測在污染地塊調查評估中的優勢、局限及解決思路
因此，施用秸稈對作物生產的不同效應很大程度上可能歸因于微生物群落組成發生了不同程度或不同方向的改變[3-5]。土壤細菌和真菌是耕地生態系統中重要組成部分，分泌多種酶，促進養分循環，是土壤肥力的敏感指標[6]，也是保障全球糧食的重要驅動力。植物生長促生菌不僅可合成生產素，還可通過自身代謝活動(溶磷、解鉀、固氮等)使土壤元素有效化，利于植物吸收利用[7]。生防微生物依靠種間作用或代謝產物抑制病原菌的存活與活動[8]。
此外，某些細菌和真菌類群是與作物病害暴發相關的病原菌[9]。越來越多的研究證實，施用秸稈重塑了土壤微生物群落，改變了土壤酶活性和關鍵物種豐度[6,10-12]。周文新等[10]研究表明，秸稈還田提高了土壤中解磷解鉀菌、硝化和反硝化細菌的數量。劉驊等[11]發現，秸稈還田后，土壤固氮菌、氨化細菌等的豐度平均提高了15%，反硝化細菌、放線菌、纖維分解菌等的豐度平均增加44%。秸稈還田還可增加病原菌的數量[12]。因此，秸稈引發的土壤微生物豐度的改變及微生物間的相互作用可能調控著作物產量。共現網絡常用來表達微生物對外界干擾而表現出的相互共存和排斥關系，并識別與土壤功能和作物生產高度相關的關鍵微生物[13]。
網絡中的模塊集成了復雜的高維度的物種信息，是多個高度關聯、共享同一生態位的物種的集合，視為生態集群[14]。最新研究發現，生態集群的特性，比如其優勢物種豐度、多樣性等與作物產量顯著相關[4-5,15]。Fan等[4]報道，在大空間尺度上，小麥產量與集群的相對豐度顯著相關。長期施用無機肥和秸稈后，土壤微生物群落對秸稈和無機肥反應靈敏，生態集群中包含了一些營養菌和植物病原菌，這些關鍵微生物類群調節著作物生長[15]。40年田間施肥后，作物產量與生態網絡中的關鍵種群的多樣性之間存在較強的正相關關系[5]。土壤細菌和真菌共享環境和營養資源且存在著共生、對抗或競爭等相互作用[16]，因此它們幾乎肯定會形成占據不同生態位的集群，其特征可能與作物產量有關。
了解對秸稈有不同響應的微生物對產量的調節作用，有利于識別能夠提高作物產量的微生物，也可深入了解地下微生物生態關系及其對地上生產力的影響。然而，目前對秸稈誘導形成的細菌-真菌共現網絡中的微生物在調節作物生產中的貢獻仍不清楚。本研究利用中國糧食產區兩種典型土壤即紅壤和黃褐土為研究對象，進行了三水平秸稈處理的小麥盆栽實驗，主要研究目的包括：(1)明確秸稈施用對不同類型土壤上作物產量的影響;(2)明確秸稈施用對土壤化學性質、酶活性、細菌-真菌共現網絡特征的影響;(3)評估秸稈施用導致的土壤化學性質和微生物性質變化對作物產量變異的影響。
1材料與方法
1.1試驗設計
供試紅壤和黃褐土分別采自江西省鷹潭縣(2815'20"，11655'30")和河南省方城縣(33°9′57″N，112°48′9″E)。于2015年7月采集典型農田表層土壤(0～20cm)，避光風干，過2mm篩備用，試驗前土壤基礎理化性質見表1。供試秸稈采自收獲期的玉米秸稈，風干粉碎后備用。秸稈有機碳含量427.3kg、全氮含量13.5kg、全磷含量2.75gkg、全鉀含量9.88kg。
盆栽試驗于2015年11月10日至2016年5月25日進行，種植作物為冬小麥(TriticumaestivumL.，豫麥57)。每種土壤設3個水平秸稈施用量(0、10、30g·kg土)處理(S0、S10、S30)，每個處理3個重復，共18個盆缽。每盆(直徑23cm×高23cm)裝5kg風干土(粒徑<2mm)。試驗用肥料包括尿素、磷酸鈣和氯化鉀，分別以N150mgkg-1、P2O5110mgkg-1和K2O82.5mgkg-1的比例一次性基施。秸稈用粉碎機粉碎(長度<0.5mm)并與土壤充分混合。每盆播種麥種30粒，苗期減至16株。試驗期間每隔3d采用稱重法補充水分，保持土壤含水量在最大持水量的80%水平。盆缽平時放在室外，下雨時搬入溫室。害蟲用殺蟲劑控制，雜草手動清除。
1.2樣品采集與分析
在小麥收獲期(2016年5月25日)破壞性采集土樣(非根際土)。一部分土樣置于-80℃冰箱保存，用于土壤DNA提取。土壤pH采用土水比1:2.5測定;硝態氮(NO3--N)和銨態氮(NH4+-N)含量分別用雙波長比色法和靛酚藍比色法測定[17];有機碳含量用重絡酸鉀氧化外加熱法測定[17];全氮含量用半微量開氏消煮法測定[17];全磷和全鉀采用氫氟酸-高氯酸消解，鉬銻抗比色法和火焰光度法測定其含量[17];黏粒、粉粒和砂礫含量用激光粒度分析儀(LS13320)測定;有效磷(AP)和速效鉀(AK)含量分別用鉬銻抗比色法和火焰光度法測定[17];可溶性有機碳(DOC)和微生物生物量碳(MBC)含量分別用Jones和Willett[18]方法和氯仿熏蒸-硫酸鉀浸提法測定[19]。
采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定淀粉酶(AMY)和轉化酶(INV)活性;多酚氧化酶(PPO)、脲酶(URE)、脫氫酶(DEH)和酸性磷酸酶(ACP)活性分別用鄰二苯酚比色法、苯酚鈉-次氯酸鈉比色法、三苯基四唑氯化物比色法和磷酸苯二鈉比色法測定[20]。小麥收獲期收集所有植株地上部分低溫烘干測定地上生物量，麥穗風干后脫粒測定籽粒重。
1.3高通量測序分析
土壤DNA采用FastDNASpinKitforSoil(MPBiomedicals，USA)按說明書操作步驟從0.5g鮮土中提取。使用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA質量，使用NanoDrop2000(NanoDropTechnologies，USA)測定DNA濃度和純度。用引物515F(5’-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3’)/907R(5’-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3’)和ITS5F(5’-GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG-3’)/ITS1R(5’-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3’)分別進行細菌和真菌PCR擴增，選取細菌16SrRNA基因的V4-V5區和真菌ITS1區進行高通量測序。采用Illumina公司MiSeq測序儀完成序列分析，紅壤中細菌和真菌平均得到35237條和48165條序列，黃褐土中細菌和真菌平均得到31476條和46970條測序。細菌和真菌測序數據已上傳至公共數據庫(http://bigd.big.ac.cn/gsa)，序列號為CRA005094和CRA005095。
對原始雙端序列質控、拼接和引物切除[21]。采用QIIME(1.91)去除低質量序列并用RDP數據庫去除嵌合體[22]。得到的高質量序列采用Uparse軟件，以97%的相似度進行OTU劃分。采用Blast方法以Greengeens13.8和Unite數據庫進行細菌和真菌物種分類注釋。最終，紅壤和黃褐土中分別得到901個OTU(細菌629個，真菌272個)和802個OTU(細菌582個，真菌220個)。基于Bray-Curtis距離對處理間細菌和真菌群落進行的主成分分析(PrincipalComponentAnalysis，PCA)在QIIME中完成。
1.4細菌-真菌共現網絡構建
使用R(4.0.1)“psych”程序包計算細菌—真菌類群(屬水平)兩兩之間“Spearman”相關系數并采用FDR方法校正，選擇相關系數r>|0.8|且P<0.01的顯著相關關系構建細菌-真菌共現網絡。利用Gephi(0.9.2)實現網絡可視化，并進行網絡模塊化分析(參數設置為系統默認設置)，選擇包含節點數≥15的模塊作為微生物集群用于后續分析。
1.5數據處理
采用單因素方差分析(ANOVA)和Duncan多重比較分析處理間小麥籽粒產量、地上部生物量、土壤化學性質、酶活性的差異。置換多元方差分析(Permutationalmultivariateanalysisofvariance，PERMANOVA)判斷不施秸稈(S0)與施用秸稈處理(S10、S30)間細菌和真菌群落結構的差異。計算網絡中主要模塊中所有屬的累積豐度，用Z分數對模塊累計豐度進行標準化并視其為模塊的相對豐度。對模塊和模塊中優勢屬(這些屬的總豐度占模塊累積豐度85%以上)的相對豐度進行單因素方差分析和Duncan多重比較。
利用偏最小二乘路徑模型(PartialLeastSquaresPathModeling，PLSPM)評估土壤化學性質、酶活性和微生物集群三個因子之間的作用及其對小麥產量的影響;每個因子中有顯著作用的指標變量用于后續分析。采用一元線性回歸模型分析微生物集群(模塊)相對豐度與籽粒產量和地上生物量的關系。計算模塊中細菌和真菌優勢屬相對豐度、土壤化學性質、酶活性、小麥籽粒產量和地上部生物量兩兩間“Spearman”相關系數(P<0.05)，并用Cytoscape(3.7.1)軟件對其相關關系可視化。PERMANOVA和路徑分析分別用R(4.0.1)中的“vegan”和“plspm”程序包完成;其余統計分析采用軟件SPSS24.0進行。
2結果
2.1小麥籽粒產量和地上部生物量，紅壤上小麥籽粒產量和地上部生物量均隨著秸稈施用量的增加穩步增加，而黃褐土中的籽粒產量和地上部生物量則穩步降低。紅壤中，與S0相比，S10和S30處理小麥籽粒產量分別提高33%和73%，地上部生物量分別提高44%和85%;而黃褐土中，S10和S30處理的小麥籽粒產量分別降低22%和55%，地上部生物量分別降低25%和55%。
2.2土壤化學性質
隨著秸稈施用量增加，紅壤中NH、AK、DOC和MBC含量均隨著秸稈施用量增加而增加(NH含量在和處理間差異不顯著)，它們在和30處理中的增幅分別達.8～146.2和4.9～574.9;而pH、NO和AP含量在不同秸稈處理間則沒有顯著變化。在黃褐土中，隨著秸稈施用量增加，土壤pH、NH、AP、、DOC和MBC含量也隨之增加(其中AP含量在和處理間沒有顯著差異)，和30處理的分別增加.08和.37，其他養分含量在和30處理中的增幅分別為.1～106.8和1.6～83.7;而NO含量在不同處理間沒有顯著變化。
2.3土壤酶活性
無論是紅壤還是黃褐土，土壤中與碳氮磷循環轉化有關的酶活性，即AMY、INV、PPO、URE、ACP和DEH活性均隨著秸稈施用量的增加而呈增加趨勢。上述酶活性在紅壤的和30處理中的增幅分別達.9~88.7和0.7~533.3，在黃褐土中的增幅分別為.4～69.3和0.6～302.0。紅壤中PPO活性以及黃褐土中的PPO和URE活性在和處理間未達到顯著差異。
2.4土壤微生物群落組成與結構
紅壤和黃褐土中優勢細菌門均為變形菌門(Proteobacteria，平均相對豐度分別為32.3%和41.7%)、綠彎菌門(Chloroflexi，25.6%和6.5%)、放線菌門(Actinobacteria，18.2%和23.8%)和酸桿菌門(Acidobacteria，6.6%和11.6%)。真菌中以子囊菌門(Ascomycota，76.7%和49.8%)、擔子菌門(Basidiomycota，2.8%和5.0%)和接合菌門(Zygomycota，10.1%和12.0%)占優勢。主成分分析顯示，兩軸PC1和PC2分別解釋了紅壤和黃褐土細菌群落結構的76.2%和58.4%的總方差以及真菌群落結構的61.8%和65.5%的總方差。不施秸稈和施用秸稈處理(10、30)間呈現一定的群落結構分異。PERMANOVA顯示，與相比，施用秸稈后兩種土壤細菌和真菌群落結構均發生顯著變化(P<0.05)。
3討論
3.1微生物集群對小麥產量的調節作用
本研究發現，秸稈施用后，紅壤和黃褐土中微生物群落結構均發生了顯著變化;兩種土壤中對秸稈有著一致響應的微生物均可聚集成三個不同的生態集群(富集型、抑制型或耐受型)，且生態集群豐度對小麥產量均有直接顯著正效應，并主要受制于模塊1和模塊2豐度的變化。
進一步分析發現，紅壤中秸稈施用導致小麥產量增加與秸稈誘導的模塊1和模塊2中的關鍵微生物Methylibium豐度降低和Aspergillus豐度增加有關;黃褐土中小麥產量隨秸稈施用量增加而顯著降低，且這與秸稈施用導致的模塊2中的關鍵微生物Bacillus、Burkholderia、Basidiobolus豐度顯著降低有關。秸稈中富含纖維素、半纖維素和木質素，Methylibium具有較強的降解半纖維素和單芳香烴化合物的能力，其對秸稈反應敏感，常被視為秸稈還田和耕作的標志性微生物[23]。但Methylibium的豐度常隨著秸稈還田而降低[23]，這也限制了秸稈的降解和其所含營養元素的釋放，不利于作物生長。
研究表明，土壤中如果Methylibium等能夠潛在弱化礦化作用并促進腐殖化進程的微生物占有比例高，則土壤擁有更高的土壤有機碳和腐殖質含量[24]。Aspergillus的物種多能夠在秸稈上很好的定殖，并分泌葡糖苷酶、葡聚糖酶、木聚糖酶和纖維素酶[25]，促進秸稈中纖維素和半纖維素的分解。研究表明，在土壤中接種Aspergillustubingensis和Aspergillusniger，土壤中有機碳、磷含量和酶活性都明顯提升，且顯著提高作物產量[26]。
本研究中秸稈施用降低了紅壤中Methylibium豐度，因而小麥產量的增加主要與秸稈施用誘導的Aspergillus豐度增加有關。Bacillus是典型的植物促生菌，其多數種類具有溶磷，固氮，降解蛋白質、木質素的功能，能分泌多種物質調控細胞內植物激素代謝，提高植物的抗逆性，促進植物生長，防止病原體感染[27-28]。以Bacillusspp.為基礎的多種商業生物肥料已廣泛用于提高作物產量[28]。
研究表明[29]，利用Bacillus作為生物防治劑可以減少線蟲侵染危害，并分泌有益的酶，從而提高作物產量。Burkholderia的成員占據廣泛的生態位，其代謝活動與氮循環密切相關，是植物生長促生菌和固氮菌之一，且能分泌抗真菌化合物，常被用于生物防治、生物修復和促進植物生長的菌劑[30]。Basidiobolus屬于腐生真菌，具有利用植物殘體中淀粉和多種糖類化合物的能力[31]。因而，秸稈還田導致黃褐土中作物產量顯著降低與這些益生菌豐度顯著降低密切相關。
3.2土壤酶活性和化學性質對作物產量的影響
紅壤中pH和NH4+-N、AP、AK、DOC、MBC含量及AMY、PPO、ACP、DEH活性均與小麥產量正相關，其中秸稈施用對pH和AP含量無顯著影響，其他參數均隨著秸稈施用量的增加而顯著增加;而黃褐土中pH和AP、AK含量及AMY、INV、PPO、ACP、DEH活性均與小麥產量負相關，這些化學性質和酶活性均隨著秸稈施用量的增加而顯著增加。
以往很多研究已表明[32-33]，秸稈還田能夠顯著提升土壤養分含量、酶活性，且這些參數的提升與作物產量密切相關。胡乃娟等[32]報道，連續兩季秸稈還田提高了土壤水溶性有機碳、微生物生物量碳和土壤脲酶、蔗糖酶活性，小麥增產達11.5%，且土壤碳庫和酶活性的提高與小麥產量顯著相關。趙亞麗等[33]研究表明，秸稈還田提高了土壤有機碳和蔗糖酶、脲酶、磷酸酶活性，且它們與小麥產量顯著正相關，小麥產量平均提高了約18.6%。
而本研究中，秸稈施用不僅改善了紅壤化學性質，同時活化了與碳氮磷循環轉化有關的酶活性，且二者對作物產量有直接的正效應;并與關鍵微生物共同作用于作物產量。而黃褐土中，秸稈施用雖然改善了土壤化學性質，活化了酶活性，但其對產量的潛在正效應低于秸稈施用誘導的關鍵微生物在調節產量中發揮的作用，而關鍵微生物的作用最終導致了作物產量降低，因此黃褐土中化學性質和酶活性表現出與作物產量顯著負相關關系。此外，秸稈還田對不同土壤的物理性質的改變對作物產量的調節作用也不容忽視。本研究基于盆栽實驗的結果仍需要后續田間實驗的進一步驗證。
結論隨著秸稈施用量增加，紅壤上小麥產量顯著增加而黃褐土上產量顯著降低。秸稈施用均提升了兩種土壤中速效養分、可溶性有機碳和微生物生物量碳含量及與碳氮磷循環轉化有關的酶活性。土壤化學性質、酶活性、微生物模塊豐度在紅壤上與小麥產量正相關;而在黃褐土上微生物模塊豐度與產量正相關，土壤化學性質和酶活性則與產量負相關。
秸稈施用顯著降低紅壤上與小麥產量顯著負相關的關鍵物種Methylibium豐度而增加與小麥產量顯著正相關的關鍵物種Aspergillus豐度;在黃褐土上，與小麥產量顯著正相關的關鍵微生物Bacillus、Burkholderia、Basidiobolus豐度隨著秸稈施用量增加而顯著降低。秸稈施用后，紅壤上作物產量顯著增加與秸稈改善土壤化學性質、活化酶活性、改變關鍵微生物豐度有關，且上述因素對作物產量的影響有疊加效應;而黃褐土上產量顯著降低主要與秸稈施用顯著降低了益生菌豐度有關，且其影響效應超過化學性質和酶活性的改善對作物產量的效應。
參考文獻(References)
ZhaoH,SunBF,LuF,etal.StrawincorporationstrategyoncerealcropyieldinChina[J].CropScience,2015,55(4):17731781.
GongXJ,QianCR,CaoX,etal.Effectsofnitrogenfertilizeronsoilenzymaticactivity,soilnutrientsanddecompositionrateofmaizestraw[J].JournalofMaizeSciences,2020,28(2):151155.
[宮秀杰,錢春榮,曹旭,等.玉米秸稈還田配施氮肥對土壤酶活、土壤養分及秸稈腐解率的影響[J].玉米科學,2020,28(2):151155.
YangXR,XuB,HeZF,etal.ImpactsofdecomposingmicroorganisminoculumonstrawdecompositionandcropyieldinChina:Ametaanalysis[J].ScientiaAgriculturaSinica,2020,53(7):13591367.
楊欣潤,許邶,何治逢,等.整合分析中國農田腐稈劑施用對秸稈腐解和作物產量的影響[J].中國農業科學,2020,53(7):13591367.
FanKK,DelgadoBaquerizoM,ZhuYG,etal.Cropproductioncorrelateswithsoilmultitrophiccommunitiesatthelargespatialscale[J].SoilBiologyBiochemistry,2020,151:108047.
作者：邱麗麗1,2,3，李丹丹1，張佳寶1，趙炳梓1†
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