减磷配施生物肥对干旱绿洲农田土壤养分及微生物群落的调控机制与生态效应

本研究系统探讨了减磷施肥（P85：减量15%）联合两种芽孢杆菌生物肥（BF1：枯草芽孢杆菌；BF2：胶质芽孢杆菌）对干旱绿洲农田土壤养分有效性及微生物群落结构的调控作用。结果表明，BF1显著提升微生物多样性（Shannon指数）并富集碳循环关键菌门Pseudomonadota，而BF2更有效提高速效磷（AP）与速效钾（AK）含量，促进Acidobacteriota和Planctomycetota等碳氮循环功能菌群增殖。冗余分析（RDA）揭示BF1处理下氮循环菌群主导养分转化，BF2则依赖酸杆菌门（Acidobacteriota）与放线菌门（Actinomycetota）协同降解有机质。该策略为干旱区农业减磷增效与土壤健康可持续管理提供了理论依据和技术路径。

　　

引言

全球耕地占陆地面积的24%，作为农业生产的基础资源，耕地对保障粮食安全、维持生态平衡和促进经济发展具有不可替代的作用。耕地生态系统除生产功能外，还提供碳汇、释氧、水源涵养和生物多样性维持等关键生态服务，对缓解气候变化和维持区域生态平衡至关重要。土壤是耕地生产力的核心，其可持续性涉及肥力、结构、生物活性及抗退化能力等多方面特性，共同决定了农业输出的时间稳定性和持续生产能力。

在农田管理实践中，科学施肥是提升土壤肥力和保障作物高产的关键措施。合理施肥不仅直接提高作物生产力，还可通过优化土壤微生物群落结构改善养分循环和利用效率。然而，过量施肥尤其是磷肥，不仅增加农业生产成本，还会导致土壤磷积累、环境污染和生态失衡。研究表明，适度减施磷肥不会降低作物产量或土壤养分有效性。将减磷与生物肥料结合，可降低农业面源污染风险，同时优化土壤微生物群落结构并提高磷肥效率。

近年来，生物肥料因能改善土壤微生物环境和增强植物养分吸收而受到广泛关注。功能微生物（如固氮菌、解磷菌和有机物降解菌）通过定殖和代谢活动，可提升土壤养分有效性、抑制土传病原菌并增强作物抗逆性。例如，胶质芽孢杆菌（Bacillus mucilaginosus）作为解钾菌，能有效释放钾元素。功能性微生物促进了土壤养分的有效利用，提高了植物养分吸收效率，在减少化肥用量的同时维持了作物高产和土壤健康。因此，探索减磷配施微生物肥料的可行性已成为当前可持续农业研究的关键议题。

绿洲对维持区域粮食安全具有重要作用。在绿洲农业系统中，水资源短缺使得土壤养分高效利用尤为关键。合理施肥不仅促进作物生长，还能优化土壤微生物群落结构，从而影响土壤养分的循环和利用。然而，在盐碱干旱绿洲环境下，如何在减肥投入的同时有效提升养分利用效率并维持土壤健康和作物生产力，仍存在显著的研究空白。特别是特定功能微生物（如枯草芽孢杆菌和胶质芽孢杆菌）与减磷策略的协同效应，在真实田间滴灌条件下的研究尚未深入。

材料与方法

研究地点位于甘肃省张掖市甘州区平原堡镇节水试验站，地处河西走廊中部，平均海拔约1474米，地形平坦，属黑河流域中游绿洲平原典型农业灌区。年均气温4.1°C–8.3°C，年降水量112.3–354毫米，蒸发量高达2047毫米，年日照3085小时，无霜期138–179天。土壤类型以盐碱土为主，有机质含量12.4 g·kg^–1，全氮（TN）0.84 g·kg^–1，全磷（TP）0.81 g·kg^–1，全钾（TK）17.9 g·kg^–1。

试验设计包括9个处理（表1），3次重复，共27个小区。基肥施用过磷酸钙（P₂O₅，46%）300 kg·ha^–1、硫酸钾（K₂O，52%）150 kg·ha^–1、尿素（N，46%）75 kg·ha^–1和硫酸锌（ZnSO₄·H₂O，35%）22.5 kg·ha^–1。追肥通过滴灌分三次施用：拔节期（2024-06-15）施可溶性氮肥（N，46%）225 kg·ha^–1，灌浆期（2024-07-20）施300 kg·ha^–1，乳熟期（2024-08-10）施225 kg·ha^–1。生物肥料于玉米拔节期（6月中旬）以75 kg·ha^–1用量局部施入根围土壤。微生物菌剂购自甘肃兴硕生物科技有限公司（活菌数≥2亿/g），枯草芽孢杆菌（BF1）和胶质芽孢杆菌（BF2）通过标准化发酵工艺制备，最终产品活菌数≥2×10⁸ CFU/g。

土壤采样于玉米收获后进行，取0–20 cm耕层土壤，五点法混合样品，过2 mm筛后分两份，一份4°C保存用于微生物分析，另一份风干过100目筛用于理化分析。全氮（TN）采用凯氏定氮法测定，全磷（TP）采用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法，全钾（TK）采用HF-HClO₄消解-火焰光度法，速效磷（AP）采用碳酸氢钠浸提-钼蓝比色法，速效钾（AK）采用醋酸铵浸提-火焰光度法，有机质（SOM）采用重铬酸钾氧化-外加热法测定。

微生物DNA使用PowerSoil^? DNA提取试剂盒提取，细菌16S rRNA基因V3–V4区用引物338F和806R扩增，Illumina NovaSeq平台进行高通量测序。数据经Trimmomatic质控，USEARCH（v11）聚类OTU（97%相似度），Silva数据库（v138）进行物种注释。统计分析采用SPSS 26.0进行单因素方差分析（ANOVA）和Tukey HSD事后检验，α多样性（OTU数、Chao1、Shannon、Pielou指数）和β多样性（Bray-Curtis距离PCoA分析）在QIIME2平台完成，环境因子与微生物群落关系采用Canoco 5进行冗余分析（RDA）。

结果

减磷配施两种生物肥对土壤养分的影响

化学磷肥（TSP）与两种生物肥（BF1和BF2）配施增加了土壤有机质（SOM）和全钾（TK），但变化不显著。BF1配施不同磷水平对土壤全氮（TN）和全磷（TP）无显著影响，而BF2配施全磷处理（P100）显著提高了TN和TP。减磷处理（P85和P70）下TN和TP虽有增加但不显著。BF1配施P100和P85显著提高了土壤速效磷（AP）和速效钾（AK），且P100与P85处理间无显著差异。

减磷配施两种生物肥对土壤细菌群落的影响

BF1配施P100显著提高了土壤细菌的OTU数、Chao1指数和Shannon-Wiener指数，而BF2配施仅Chao1指数显著增加。BF2处理下Shannon-Wiener和Pielou指数显著降低。P85和P70配施BF2与对照（CK）处理在Shannon-Wiener和Pielou指数上无显著差异。在门水平上，BF2配施不同磷肥对土壤细菌群落结构的影响比BF1更显著。

与CK相比，BF1显著提高了酸杆菌门（Acidobacteriota）的相对丰度，而芽单胞菌门（Gemmatimonadota）和拟杆菌门（Bacteroidota）显著降低。BF2施用后仅Gemmatimonadota显著降低。减磷处理（如P85）下，变形菌门（Pseudomonadota）和Gemmatimonadota相对丰度显著降低，而Acidobacteriota和浮霉菌门（Planctomycetota）显著增加。

BF1处理显著提高了土壤中厌氧菌和生物膜形成菌的相对丰度，BF2则显著增加了病原菌丰度。减磷后（如P85），病原菌和耐逆功能菌无显著变化，但生物膜形成菌显著增加。

冗余分析（RDA）表明，BF1处理下，酸杆菌门（Acidobacteriota）、绿弯菌门（Chloroflexota）和放线菌门（Actinomycetota）是土壤全磷（TP）和全氮（TN）的主要影响因子；BF2处理下，微小杆菌门（Patescibacteria）和Planctomycetota是土壤有机质（SOM）、TN和速效钾（AK）的主要驱动因子。

讨论

减磷配施两种生物肥对土壤养分的影响

磷是作物生长发育的关键养分，但过量施用会加剧土壤环境压力和面源污染。适度减磷配施生物肥可改善土壤微生物群落，增强土壤自我调节能力。通过科学减磷和生物肥应用，土壤全磷（TP）和速效磷（AP）可维持在适宜水平，作物产量保持稳定。本研究中，BF2配施P85与P100处理在TP、AP和速效钾（AK）上无显著差异，这归因于：（1）胶质芽孢杆菌（BF2）同化部分磷形成微生物量磷，死亡或休眠后矿化释放；（2）BF2定殖增强植物根系分泌的有机酸和质子的解磷作用，形成根-菌协同效应。BF2还通过分泌有机酸（如柠檬酸和草酸）和胞外多糖溶解难溶性钾矿物（如钾长石、云母），提升土壤AK含量。BF1配施减磷处理下土壤有机碳（SOC）、TN和TP略有增加但不显著，可能因BF1功能更倾向于抑制土传病原菌和促进植物生长。

减磷配施两种生物肥对土壤细菌的影响

土壤微生物是维持土壤生态系统功能的核心驱动力，其群落结构变化直接影响养分循环、有机质稳定和污染物降解等关键过程。BF1施用后土壤细菌OTU数、Chao1指数和Shannon-Wiener指数显著增加，源于枯草芽孢杆菌（BF1）分解有机质释放养分、抑制病原菌减少竞争压力并优化微环境。BF2处理下OTU和Chao1指数无显著变化，但Shannon和Pielou指数显著降低，可能因胶质芽孢杆菌（BF2）选择性释放矿质养分和代谢产物，富集寡营养功能菌群，加剧种间资源竞争，导致某些物种优势度升高和均匀度降低。BF2应用引起细菌群落结构变化比BF1更显著。

减磷15%（P85）配施BF2下细菌OTU、Chao1和Shannon指数无显著变化，而BF1处理多样性指数显著增加。低磷条件下多样性提升可能因BF2解磷作用增强微生物生态位分化和功能冗余，磷添加降低了资源竞争和合作需求。磷减量30%（P70）处理下土壤TN、TP、AP和AK下降，可能因磷肥减少直接降低土壤有效磷库，磷作为能量载体和核酸关键组分，其缺乏抑制微生物有机氮矿化能力，进而减少土壤TN积累，磷钾协同吸收效应减弱。表明15%减磷配施生物肥不影响土壤细菌多样性或养分有效性，且生物肥促进养分循环。

功能微生物通过生态位竞争（代谢物抢占资源）和化感抑制（靶向拮抗竞争微生物群落）等机制驱动优势物种快速更替。BF1施用后酸杆菌门（Acidobacteriota）相对丰度显著增加，而Gemmatimonadota和Bacteroidota显著降低，源于枯草芽孢杆菌介导的土壤酸化（有机酸分泌和碳源有效性改变）选择性富集嗜酸酸杆菌门并抑制中性菌群。BF2施用后仅Gemmatimonadota显著降低，可能因BF2代谢产酸降低土壤pH，抑制拟杆菌门生长。减磷处理（如P85）下变形菌门和芽单胞菌门丰度显著降低，而酸杆菌门和浮霉菌门显著增加，因磷是微生物生长关键元素，磷限制降低了需磷微生物（如变形菌门和拟杆菌门）的丰度。

BF1处理显著提高厌氧菌和生物膜形成菌丰度，因枯草芽孢杆菌代谢分解有机质释放养分，为厌氧菌提供碳源。BF2施用后病原菌丰度显著增加，耐逆菌无显著变化，生物膜形成菌显著增加，可能因为：（1）BF2解磷释放养分促进病原菌增殖；（2）BF2代谢物抑制病原菌拮抗菌；（3）胞外多糖（EPS）提供生物膜形成基质。耐逆菌稳定性可能因土壤胁迫条件未变或微生物群落功能冗余。减磷处理（如P85）下病原菌和耐逆菌无显著变化，但生物膜形成菌显著增加，表明适度减磷有益于有益菌功能群生长，改善土壤肥力和植物健康。

细菌通过多种机制影响土壤养分转化、循环和有效性，从而改善土壤养分状况。RDA表明，BF1处理下酸杆菌门、绿弯菌门和放线菌门是土壤TP和TN的主要影响因子，BF2处理下微小杆菌门和浮霉菌门是SOM、TN和AK的主要驱动因子。表明不同生物肥通过调控微生物群落优化土壤养分循环和提升土壤质量。

结论

减磷15%配施生物肥（BF1/BF2）有效改善土壤养分状况并差异性地改变细菌群落：BF1显著提升微生物多样性和变形菌门（碳循环）丰度，BF2显著增加速效磷/钾并富集酸杆菌门/浮霉菌门（碳氮循环），两种生物肥均促进好氧菌和生物膜形成菌。RDA揭示BF1下绿弯菌门（氮循环）是养分动态主要驱动因子，BF2效应则由酸杆菌门、绿弯菌门和放线菌门（有机物降解）协同介导。这一优化减磷策略增强养分有效性，改善微生物多样性，为维持土壤健康和农业生产力提供了可持续途径。