灌木柳枝有机改良剂的应用影响土壤微生物群落动态

本文系统研究了灌木柳枝碎屑（willow chips）以不同施用量（0、20、40和60 Mg ha?1）施用于马铃薯-大麦轮作系统后，对土壤微生物群落多样性、组成及其潜在功能产生的动态影响。通过16S和ITS rRNA基因扩增子测序技术，在六个时间点分析了细菌和真菌群落的响应。研究发现高施用量（40和60 Mg ha?1）虽未改变细菌α多样性，但显著降低了真菌α多样性（Shannon指数），同时提高了真菌丰富度（Chao-1指数）。此外，高施用量促进了富营养型（copiotrophic）细菌类群的相对丰度，而降低了富营养型真菌类群的相对丰度。研究还揭示了柳枝碎屑对微生物功能基因的调控作用，包括提高碳固定与降解、固氮作用和磷溶解等相关分子标记的丰度，同时降低纤维二糖转运和反硝化作用相关标记。本研究为柳枝碎屑作为有机改良剂提升土壤健康、促进养分循环及减少氮素淋失与温室气体排放提供了重要的微生物学机制依据。

　　

引言

土壤微生物群落在调节土壤功能中扮演关键角色，包括有机质分解、土壤团聚及养分循环等过程。集约化农业，尤其是以马铃薯（Solanum tuberosum L.）为主的种植系统，常伴随频繁耕作与过量施用化肥，改变土壤理化性质，进而影响微生物群落结构与功能。有机改良剂的施用被视为一种可持续的土壤管理措施，不仅能提升土壤肥力和作物生产力，还可增加土壤微生物生物量与活性、物种丰富度及功能多样性。

在粪肥与堆肥资源受限的情况下，其他来源的有机改良剂成为重要替代品。灌木柳枝碎屑因其高木质素含量、高碳氮比（C/N）以及较难分解的特性，被证实可有效提高土壤有机质含量、团聚体稳定性、养分循环能力，并改善土壤湿度及胞外酶活性。然而，柳枝碎屑对土壤微生物群落多样性、组成及其功能随时间变化的影响尚不明确。因此，深入研究柳枝碎屑对土壤微生物群落特征的影响，对评估其在集约化马铃薯种植系统中作为改良剂的潜力具有重要意义。

材料与方法

试验设计

本研究在加拿大爱德华王子岛哈灵顿的农业与农业食品部研究农场进行。试验土壤为Charlottetown细砂壤土，属于铁腐殖质灰壤（Ferro-Humic Podzol）。试验采用完全随机区组设计，设置四种柳枝碎屑施用量（0、20、40和60 Mg ha^?1），每个处理重复九次。柳枝碎屑于2019年10月马铃薯收获后表面施用并翻耕入土（深度10–15 cm）。2020年春季，所有试验小区种植大麦（Hordeum vulgare L.），并混播红三叶草（Trifolium pratense L.）。

土壤采样与分析

土壤样品分别于柳枝碎屑施用后1个月（2019年11月）及2020年生长季每月（5月、6月、7月、8月、9月）采集。使用荷兰钻从每小区随机选取三点采集0–15 cm土层样品，混合为一个样本。土壤化学性质分析包括pH、总碳（TC）、总氮（TN）、铵态氮（NH₄-N）、硝态氮（NO₃-N）及Mehlich-3提取磷（M3-P）等指标。

微生物DNA提取与测序

采用DNeasy PowerSoil Kit提取土壤总DNA。通过Illumina MiSeq平台对细菌16S rRNA基因V4区及真菌ITS区域进行扩增子测序。序列数据处理使用mothur软件，参照Schloss MiSeq标准流程。细菌和真菌操作分类单元（OTU）聚类相似性阈值设为97%。

数据分析

α多样性指数（Shannon、Simpson、Chao-1）和β多样性（Bray-Curtis距离）计算使用R语言microeco包。细菌功能预测采用PICRUSt2工具，真菌功能性状通过FungalTraits数据库注释。统计分析采用重复测量方差分析（ANOVA），并利用线性混合效应模型检验处理、时间及其交互效应。

结果

微生物α多样性

柳枝碎屑施用量对细菌α多样性无显著影响，但真菌α多样性（Shannon指数）在高施用量（40和60 Mg ha^?1）下显著降低，而真菌丰富度（Chao-1指数）增加。细菌α多样性随时间变化显著，最高值出现在2019年11月（施用后1个月）和2020年8月（生长季末期）。真菌α多样性在生长季中后期（7–9月）显著降低，且与土壤总碳含量呈负相关。

微生物β多样性

细菌群落组成随时间变化显著（ANOSIM P = 0.0001，R2 = 0.2），但与施用量关系较弱。真菌群落组成在施用量和时间上均存在显著差异（ANOSIM P = 0.0001，R2 = 0.2）。细菌群落与土壤NO₃-N、M3-P及湿度显著相关；真菌群落则与NO₃-N、M3-P、湿度及pH相关。

细菌群落相对丰度

高施用量（40和60 Mg ha^?1）增加了变形菌门（Proteobacteria）、疣微菌门（Verrucomicrobiota）和拟杆菌门（Bacteroidota）的相对丰度，但降低了放线菌门（Actinobacteriota）和绿弯菌门（Chloroflexi）的丰度。随时间推移，富营养型细菌（如放线菌门、厚壁菌门）的相对丰度在生长季中期下降，而寡营养型类群（如酸杆菌门、疣微菌门）在生长季末期增加。

真菌群落相对丰度

高施用量降低了子囊菌门（Ascomycota）和接合菌门（Zygomycota）的相对丰度，但提高了担子菌门（Basidiomycota）的丰度。子囊菌门和接合菌门在低施用量处理中丰度较高，而担子菌门在高施用量下持续占优，尤其在生长季中后期。

细菌功能预测

碳循环方面，高施用量（60 Mg ha^?1）提高了卡尔文循环（Calvin cycle）和甲烷生成（methanogenesis）相关分子标记的丰度，但降低了纤维二糖转运（cellobiose transport）和还原性柠檬酸循环（reductive citrate cycle）标记的丰度。氮循环中，高施用量促进了固氮作用（nitrogen fixation）基因（nifHDK, anfHDGK）的丰度，但降低了硝化（nitrification）和反硝化（denitrification）相关标记的丰度。磷循环方面，高施用量提高了磷溶解（phosphorus solubilization）相关基因的丰度，但降低了磷矿化（phosphorus mineralization）标记的丰度。

真菌功能群

高施用量降低了腐生菌（saprotrophs）和附生菌（epiphytes）的相对丰度，但提高了寄生菌（parasites）的丰度。腐生菌在生长季初期和中期丰度较高，而寄生菌在生长季末期占优。土壤NO₃-N与腐生菌丰度呈正相关，总碳与寄生菌丰度正相关。

讨论

本研究通过多时间点采样与高通量测序技术，揭示了柳枝碎屑对土壤微生物群落动态影响的复杂性。微生物群落的响应主要受微生物类群特性、柳枝碎屑的化学性质（如高C/N比）、土壤养分有效性变化及季节因素共同调控。

细菌α多样性未受施用量影响，但随时间变化显著，表明细菌群落对短期有机改良剂的响应较为保守。真菌α多样性在高施用量下降低，可能与高碳环境下某些真菌类群成为优势种有关。富营养型细菌（如变形菌门）在高施用量下丰度增加，与土壤有机碳和养分含量的提升一致。相反，寡营养型细菌（如绿弯菌门）在养分受限环境下占优。

真菌群落的响应更为明显。担子菌门作为寡营养型真菌，在高施用量下丰度增加，可能与柳枝碎屑中木质素等难降解碳源的供应有关。而子囊菌门和接合菌门作为富营养型真菌，在低施用量下更易存活。

功能预测分析表明，柳枝碎屑通过调控微生物功能基因影响养分循环过程。高施用量促进碳固定与固氮作用，但抑制硝化与反硝化过程，有助于减少氮素淋失和温室气体排放。磷循环相关基因的响应则反映柳枝碎屑对磷活化能力的提升。

真菌功能群的变化进一步印证了养分有效性对微生物生态策略的影响。腐生菌在矿质氮充足条件下活跃，而寄生菌在碳源丰富环境下占优。总体来看，柳枝碎屑通过调节微生物群落结构与功能，有望提升土壤健康并增强生态系统服务功能。

结论

本研究系统阐述了短期施用柳枝碎屑对土壤细菌和真菌群落多样性、组成及功能的时间动态影响。结果表明，柳枝碎屑的施用可通过改变微生物群落结构及其功能潜能，提升土壤有机碳水平，促进养分循环，并减少氮素损失与温室气体排放。因此，柳枝碎屑作为一种有效的有机改良剂，在集约化马铃薯种植系统中具有广泛应用潜力。未来研究需关注其长期效应及更高施用量的环境影响。