旱地尾水回灌对洱海流域稻田根际真菌群落及磷素削减机制的影响

《Agronomy》：Effects of Dryland Tailwater Recharge on Paddy Rhizosphere Fungi and Phosphorus Reduction Mechanisms in Erhai Lake Basin

　　

为探究旱地尾水回灌对洱海流域水稻根际真菌及水体磷浓度的影响，研究人员于2024年和2025年在洱海西岸古生村开展了为期两年的田间试验。设置了四种水分管理处理：常规淹灌（CK）、控制灌溉（C）、低水层尾水回灌（CDC-L）和高水层尾水回灌（CDC-H）。采用高通量测序和钼锑抗比色法分析了根际真菌群落的动态变化，并揭示了地表水、浅层土壤水（0–20 cm）中磷形态与根际真菌之间的耦合响应关系。结果表明：（1）与CK相比，2024年CDC-L和CDC-H处理下地表水的磷活化系数（AC）分别降低了35.1%和33.6%，2025年分别降低了4.5%和18.4%；颗粒态磷占比（PP%）在2024年分别增加了67.5%和66.1%，2025年分别增加了5.1%和21.2%；溶解态磷酸盐（DP）与PP的比值在2024年分别降低了77.3%和79.2%，2025年分别降低了37.6%和49.8%。（2）水分管理显著重塑了根际真菌群落结构，调控效应表现出明显的阶段特异性。尾水回灌提高了分蘖期的真菌OTU丰富度。2024年分蘖期丰富度分别比抽穗期和乳熟期高23.8%和14.3%；2025年相应增幅分别为14.2%和5.9%。（3）控制灌溉和尾水回灌富集了担子菌门（Basidiomycota），其通过生物固持和促进颗粒态磷沉降降低了地表水DP。尾水回灌还诱导了被孢霉门（Mortierellomycota）的富集，其通过活化难溶性磷增加了土壤水中的总磷（TP）和DP。尽管分蘖期的外源磷输入导致了TP峰值，但干湿交替有效抑制了磷向溶解态转化。综上所述，CDC-H处理在实现旱地尾水资源化利用的同时减轻了农业面源磷污染。这些协同效应表明，CDC-H不仅是一种技术方案，更是一种水-粮食-环境耦合解决方案。该方法为洱海流域及类似区域的水资源节约和污染减排提供了一种优化的管理模式。本研究从根际真菌的角度阐明了尾水回灌稻田中磷迁移转化的机制，为高原湖泊流域农业绿色发展提供了理论支持和实践范例。

一、研究背景与科学问题

在高原湖泊流域典型农业区——洱海流域，农业面源污染尤其是磷素的迁移流失是导致湖泊富营养化的关键因素之一。传统淹灌模式下磷素径流和淋溶风险严重威胁水环境安全。由于洱海流域西高东低的独特地形，上游旱地尾水通常在降雨事件中直接排入洱海。将旱地尾水回灌至稻田，不仅能削减洪峰、减少灌溉取水量，还能促进尾水中养分的吸收利用。然而，不同灌溉模式如何与旱地尾水回灌这一农艺措施相互作用，以及这些实践如何通过调控根际真菌群落影响浅层土壤水中磷浓度的动态变化与截留效率，其内在机制尚不清晰。特别是担子菌门和被孢霉门在这一过程中是否发挥关键作用尚未在旱地尾水回灌的具体情境下得到验证。阐明“灌溉方式-根际真菌-磷素迁移”的耦合关系，对于评估和优化节水减排技术至关重要。

二、研究内容与主要结论

研究人员于2024年和2025年在云南省大理市湾桥镇古生村开展了为期两年的田间试验，设置常规淹灌、控制灌溉、低水层尾水回灌和高水层尾水回灌四种处理。通过分析不同处理下水稻根际真菌群落的组成、α多样性和β多样性的动态变化，并结合土壤水中总磷和溶解态磷浓度的监测，旨在阐明水分管理驱动的根际真菌群落演替的阶段特异性规律，揭示“灌溉方式-根际真菌-磷形态转化”的关联机制，并评估尾水回灌模式在协同实现节水、尾水资源化利用和磷污染削减方面的应用潜力。

研究得出以下重要结论：高水层尾水回灌处理在实现旱地尾水资源化利用的同时，有效减轻了农业面源磷污染，展现出水-粮食-环境耦合解决方案的协同效应，为洱海流域及类似区域的节水减排提供了优化管理模式。本研究从根际真菌视角阐明了尾水回灌稻田中磷迁移转化的机制，为高原湖泊流域农业绿色发展提供了理论支持和实践范式。

三、关键技术方法

1. 1.
   田间试验设计：在洱海西岸古生村（云南省大理市）进行两年田间定位试验，供试土壤为砂壤土，质地为砂壤土，前茬作物为油菜，实行油稻轮作。
2. 2.
   高通量测序技术：采集水稻分蘖期、抽穗期和乳熟期的根际土壤样品，提取基因组DNA后扩增rDNA的ITS1和ITS2区域，在Illumina PE250平台测序，用于分析真菌群落的α多样性、β多样性和物种组成。
3. 3.
   钼锑抗比色法：用于测定地表水和浅层土壤水样品的总磷和溶解态磷浓度，并据此计算磷活化系数、颗粒态磷占比和DP/PP比值等派生指标，以表征磷形态分布特征。
4. 4.
   主成分分析和相关性分析：使用主成分分析对OTU丰度矩阵进行排序以展示β多样性；采用Pearson和Spearman相关分析分别检验真菌α多样性指数和优势真菌门相对丰度与磷浓度之间的关联。

四、研究结果

3.1 不同水分管理对磷活化系数和磷形态分布的影响

基于两年观测数据，尾水回灌处理显著降低了地表水和浅层土壤水中的磷活化系数值，并提高了颗粒态磷占比。在高水层尾水回灌处理下，地表水磷活化系数在生长中期降至两年最低值0.138，同期颗粒态磷占比达到86.2%，表明该处理极大地促进了磷的颗粒态固定。在浅层土壤水中，尾水回灌同样诱导磷向颗粒态转化，增强了土壤剖面的磷截留能力。研究表明，适宜的灌溉模式可通过调控真菌群落结构，有效驱动磷从“高活性溶解态”向“相对稳定颗粒态”转化。

3.2 不同水分管理对水稻根际真菌群落的影响

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  3.2.1 对群落结构的影响：主成分分析显示，分蘖期各处理间真菌群落结构高度相似；抽穗期是水分管理塑造群落结构的关键时期，处理间出现明显分化；乳熟期群落整体趋于同质化，但高水层尾水回灌处理维持了最高的OTU丰富度。
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  3.2.2 对群落组成的影响：在所有生育期内，子囊菌门均为绝对优势类群。控制灌溉和尾水回灌处理普遍增加了担子菌门的相对丰度，尤其在乳熟期效果一致。被孢霉门的响应则呈现年际差异：2024年与土壤磷呈正相关，2025年则与地表水磷关联更强。
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  3.2.3 对α多样性的影响：所有样本测序覆盖率均超过99.8%。ACE和Chao1指数呈现典型的单峰模式，在分蘖期达到峰值。辛普森指数在各处理间保持较高水平（0.94–0.97），表明群落优势度结构相对稳定。高水层尾水回灌处理在多个时期表现出更高的系统发育多样性。

3.3 根际真菌与浅层土壤水磷浓度的相关性

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  3.3.1 α多样性与磷浓度的相关性：ACE和Chao1指数与浅层土壤水磷浓度呈中等到极强的正相关，而香农和辛普森指数的相关性则受年际环境影响较大。系统发育多样性指数与浅层土壤水TP和DP呈极显著正相关。
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  3.3.2 优势真菌门与磷浓度的相关性：担子菌门呈现出稳定的“土壤增加-水体减少”模式，与地表水DP呈极显著负相关，表明其可能参与土壤-水界面的磷截留。被孢霉门与磷组分的关联存在年际差异，2024年与土壤水磷完全正相关，暗示其参与磷活化；2025年则与地表水磷关联更强。

五、讨论与结论

讨论部分指出，水分管理通过改变根际微环境的物理化学梯度，以“阶段特异性过滤”的方式重塑了根际真菌群落。抽穗期是群落分化的关键转折点，干湿交替条件有利于好氧和兼性厌氧真菌的建立。在磷素转化方面，担子菌门可能是地表水磷截留的关键功能群，通过菌丝网络物理缠结、促进颗粒态磷沉降以及生物同化固持等多重途径降低地表水溶解态磷。被孢霉门则可能是土壤磷库活化的潜在驱动者，但其功能表达受水文条件调控，频繁的干湿交替可能限制其在土壤基质中的原位解磷功能。与以往研究相比，本研究强调了外源尾水输入的“脉冲式补给”效应及其与本土微生物群落的潜在协同作用，表明稻田根际微生物群落对外源养分输入具有较强的缓冲和转化能力。

结论部分翻译如下：经过两年的田间试验，控制灌溉建立了一个干湿交替的根际环境，这与耐波动且可能具备磷固持能力的真菌类群（特别是担子菌门）相对丰度升高有关，而在相对稳定淹水条件下占优且可能与磷动员相关的类群（特别是被孢霉门）则受到相对抑制。这些模式表明，在本研究的实验条件下，水分管理可能使根际磷动态从主要由吸附和沉淀等物理过程主导，转向更多地由微生物固持和动员所贡献，这与“水体拦截-土壤持留”的耦合机制相符。由于这些关系是相关性的且在两个水文年份中存在差异，它们应被解释为与微生物介导作用一致的证据，而非直接的因果控制。

在四种处理中，高水层尾水回灌在整个监测期间最持续地结合了旱地尾水再利用与较低的地表水和浅层土壤水溶解态磷浓度。因此，它可被视为该湖滨稻田区协调尾水再利用与减少农业磷损失的一种有前景的本地化选择，但不应被解释为普遍最优的水分管理制度。本研究的结论基于为期两年的单一地点试验，且被孢霉门与磷的耦合关系在2024和2025年间发生了显著转变，表明微生物介导的效应可能对年际水文条件敏感。因此，建议在大规模推广高水层尾水回灌或控制灌溉之前，开展更长期、多站点的研究，共同评估磷输出、水稻产量、温室气体排放和尾水水质，以确保环境敏感农业区的水分管理决策建立在全面的权衡评估基础之上。