# 滨海盐渍土中土著AMF接种与秸秆还田对玉米（*Zea mays* L.）生长及土壤生物学功能的协同效应

《Agronomy》：Combined Effects of Native AMF Inoculation and Straw Incorporation on Maize (Zea mays L.) Growth and Soil Biological Functions in Coastal Saline Soil

　　

土壤盐渍化严重威胁全球农业生产。丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）与秸秆还田是改良盐渍化土壤的潜在生物措施，但二者对作物生长和土壤生物学过程的交互效应仍认识不足。本研究通过灭菌土壤盆栽试验，评估了土著AMF菌株（*Claroideoglomus* sp.，AM5）接种与秸秆还田（straw incorporation，SI）单施及联合施用对盐渍土中玉米性状、土壤性质和细菌群落的影响。共设4个处理：对照（CK）、AM5、SI和AM5 + SI。联合处理表现出显著的协同效应。AM5成功侵染玉米根系，菌根侵染率（mycorrhizal infection rate，MIR）达72%，菌根依赖性（mycorrhizal dependence，MD）为106%，SI进一步提高了侵染水平（MIR 80%，MD 127%）。与CK相比，AM5 + SI使地上部鲜重和干重分别提高61.5%和48.7%，叶绿素a含量和净光合速率分别提高35.4%和147.3%。土壤理化与生物学状况得到改善，表现为表层和亚表层土壤电导率分别降低55.2%和40.6%，养分有效性提高（如速效磷和速效钾含量），土壤水解酶（蔗糖酶、脲酶和碱性磷酸酶）活性增强，且在亚表层尤为明显。联合处理还重塑了两层土壤的细菌群落，提高了微生物多样性并选择性富集有益菌门（如Pseudomonadota、Actinomycetota），其丰度与土壤性质的改善密切相关。上述结果证实了研究人员的假设，即土著AM5与秸秆还田联合施用对土壤生物学功能具有协同效应，从而提高盐渍土中玉米生长和土壤肥力。随机森林和偏最小二乘结构方程模型（partial least squares structural equation modeling，PLS-SEM）表明，这些土壤—微生物变化伴随玉米生物量积累、光合能力和抗氧化防御的增强，且表层与亚表层具有不同的调控路径。上述发现表明，土著AMF与秸秆还田联合施用可有效改善滨海盐渍土的土壤生物学功能和玉米生长表现，为利用土著AMF和有机残余物进行生物修复提供了机制性依据。

**研究背景与问题** 土壤盐渍化是全球最普遍的土地退化形式之一。据联合国粮农组织（FAO）统计，受盐影响土壤约1.38 × 10⁹ ha，约占全球陆地面积的10.7%，波及100多个国家，且程度持续加剧。盐渍土中过量盐离子破坏土壤结构、消耗有机碳、降低养分生物有效性，进而抑制微生物代谢、削弱酶驱动的养分循环并改变微生物群落。传统物理和化学修复成本高、对恢复土壤生物学健康的效果有限，基于微生物的生物修复策略因此受到关注。丛枝菌根真菌（AMF）能与大多数陆生植物形成共生，其根外菌丝网络可扩大寄主对水分和矿质养分的吸收范围，并调控根际微生态过程；但在盐渍土中，AMF侵染常受碳源有限和微生境不适的限制，孢子萌发、菌丝延伸和功能性共生建立受阻。商品菌剂还存在质量不稳、在田间表现不一致、源于非盐环境而缺乏适应性并可能带来生态风险等问题；而分离自盐生境的土著菌株因长期适应进化，通常具有更强的环境适应性、更高的侵染效率和更好的生物修复潜力。秸秆还田因效果确切、经济可行和生态效益好而被广泛采用，可改善土壤物理结构与孔隙度、提高养分有效性，并为微生物提供栖息地和持续养分供应；已有研究表明其可提高盐渍土中AMF生物量和群落多样性，而AMF又可加速秸秆分解和养分释放，二者存在相互促进的可能。但土著AMF与秸秆联合施用对盐碱农田土壤生物学功能的协同作用研究不足，限制了对其联合施用机制的机制性理解。黄河三角洲是中国重要滨海农业区，其土壤质量和生物学功能因持续盐渍化而退化，当地微生物长期适应形成了具较强生物修复潜力的耐盐AMF资源；研究人员此前已从当地盐渍土中筛选鉴定出高效土著菌株*Claroideoglomus* sp.（AM5），表现出优良的耐盐和促生性能。[31][32][33][34][35][36]

**研究假设与设计** 研究人员假设AM5与秸秆还田联合施用对滨海盐渍土土壤生物学功能具有协同增强作用，并通过灭菌土柱盆栽试验检验该假设，旨在明确联合施用是否对盐渍土土壤性质和植物生长产生协同效应，并阐明驱动该协同作用的机制，为全球受盐影响滨海农田的生物修复提供机制基础和可持续策略。

**结论与意义** 联合施用对玉米生长、光合性能和土壤生物学功能的提升超过任一单项处理，且调控途径具有土层依赖性；研究为整合土著AMF与有机残余物的可持续改良策略提供了机制框架。

**关键技术方法** 供试土壤采自中国黄河三角洲东营市典型盐渍农田（前茬玉米，采样时无活体植被），按0–20 cm（表层）、20–40 cm（亚表层）、40–60 cm和60–80 cm四层采集以保留盐分和养分的自然垂直分布，风干去杂过2 mm筛后间隔24 h两次高压灭菌（121 °C，2 h），装入PVC土柱（高100 cm × 直径30 cm）。土著菌株AM5分离自黄河三角洲滨海盐渍土*Phragmites australis*根际。设CK、AM5（20 g菌剂，20–30孢子/g）、SI（1%，w/w，灭菌小麦秸秆粉混入0–40 cm土层）和AM5 + SI处理，各3次重复；供试玉米品种为京科968。生长60天后收获，采用墨水—醋酸染色结合网格交叉法测定菌根侵染率（MIR）和菌根依赖性（MD）；测定形态、光合与抗氧化指标并以熵权法计算综合得分；按标准方法测定土壤理化性质，湿筛法测定水稳性大团聚体比例和R_0.25指数，DNS法、靛酚蓝比色法和磷酸苯二钠比色法分别测定蔗糖酶（SUC）、脲酶（URE）和碱性磷酸酶（ALP）活性；提取土壤细菌DNA，扩增16S rRNA基因V3-V4区（引物338F/806R），在Illumina MiSeq PE300平台测序，经QIIME2（v2022.11）等流程聚类OTU并进行α多样性、β多样性（非度量多维尺度分析，NMDS）和门水平组成分析；采用双因素和单因素方差分析及Tukey’s HSD检验，并在R（v4.4.2）中完成NMDS、Spearman相关、随机森林和PLS-SEM分析。

**研究结果**

**3.1 AM5和秸秆对玉米性能性状的影响** 根横切面镜检显示，接种AM5处理中出现典型泡囊和菌丝结构，证实AM5在盐渍条件下成功建立共生。单施AM5的MIR为72%、MD为106%，AM5 + SI提高至80%和127%，表明秸秆还田显著增强AM5侵染与定殖。与CK相比，单施AM5和SI均显著提高株高（10.9%和22.1%）和茎粗（6.9%和24.7%），生物量积累增幅更明显（地上部鲜重AFW为12.2%和35.8%；地上部干重ADW为17.5%和107.7%）。AM5 + SI的形态改善最为突出，AFW和ADW分别提高61.5%和48.7%；双因素方差分析显示AFW、ADW和地下部鲜重（BFW）存在显著的AM5 × SI交互作用（均p < 0.05）。AM5 + SI使叶绿素a（Chl-a）和净光合速率（Pn）分别提高35.4%和147.3%，Chl-a、Pn和气孔导度（Gs）存在显著交互作用（均p < 0.05），而叶绿素b（Chl-b）、蒸腾速率（Tr）和胞间CO₂浓度（Ci）无显著交互。AM5 + SI使超氧化物歧化酶（SOD）、过氧化物酶（POD）和过氧化氢酶（CAT）活性分别提高30.0%、50.8%和55.9%，POD和CAT存在显著交互作用（均p < 0.05），SOD无显著交互（p > 0.05）。对15个生长和生理指标的熵权分析表明，ADW（权重 = 0.1768）和Ci（权重 = 0.2133）分别对形态和光合性能贡献最大，SOD、POD和CAT权重相近（0.3317–0.3921）；AM5 + SI在三个性状类别中的综合得分（S_i）均最高，显著超过CK及各单项处理（均p < 0.05），其中抗氧化酶活性增幅最明显（0.9784）。综上，AM5与秸秆联合施用显著增强盐渍条件下玉米生长、光合能力和抗氧化防御，效果优于任一单项处理。

**3.2 AM5和秸秆对土壤性质的影响** AM5接种和秸秆还田对表层与亚表层土壤理化和酶活性的影响存在差异。与CK相比，AM5接种促进大团聚体（>250 μm）形成，表层比例提高超过24%。各改良处理均显著降低土壤电导率（EC），AM5 + SI降幅最大，表层和亚表层分别降低55.2%和40.6%；AM5 + SI使表层pH降低3.7%，表层和亚表层土壤含水量（SWC）分别提高53.8%和28.8%。双因素方差分析显示上述土壤性质无显著交互作用，但联合处理下亚表层EC的降低显著大于任一单项处理（F = 12.65，p < 0.01）。AM5接种优先提高速效磷（AP）和速效钾（AK），秸秆还田大幅提高总有机碳（TOC）、全氮（TN）和速效氮（AN）；联合处理对总量和速效养分库表现协同增加，TOC、TN、AN、AP和AK相对CK提高19.7%–60.1%。土壤酶活性受改良措施激发，亚表层尤为明显：表层联合处理的SUC、URE和ALP活性相对CK分别提高129.0%、194.4%和142.1%，亚表层相应增幅达308.9%、658.3%和125.5%。双因素方差分析证实，表层AN、AP和三种土壤酶，以及亚表层AP、AK、SUC和ALP存在显著交互作用（均p < 0.05），表明联合施用的增幅大于任一单项处理。总体而言，AM5与秸秆联合施用协同改善了两层土壤的结构、养分状况和酶活性。

**3.3 AM5和秸秆对土壤细菌群落多样性和组成的影响** 24个根际土壤样本共获1 650 489条高质量序列，聚类为6112个OTU，覆盖47个门；稀释曲线趋于平缓，Good’s coverage超过98%，表明测序深度充足。两层土壤中，AM5和AM5 + SI处理的Chao1丰富度和Shannon多样性指数均显著高于CK，而单施秸秆仅在表层显著提高上述指数（p < 0.05）；双因素方差分析显示AM5接种与秸秆还田对两层细菌α多样性均无显著交互作用。NMDS分析显示四处理在两层土壤中细菌群落结构明显分异，CK与AM5聚类相近，SI与AM5 + SI各自形成独立聚类，表明秸秆还田对整体群落结构的影响强于单施AM5。所有处理中细菌群落以Pseudomonadota、Bacteroidota、Bacillota和Actinomycetota为优势，合计占总相对丰度94.0%以上。双因素方差分析进一步揭示AM5与秸秆对细菌群落的差异化交互效应：表层Pseudomonadota存在显著交互作用（p < 0.05），相对CK其丰度在AM5和SI下分别增加57.2%和66.0%，而AM5 + SI下仅增加64.7%，表明AM5接种明显削弱了秸秆驱动的富集；AM5接种显著抑制Bacteroidota（AM5下48.9%，AM5 + SI下51.3%）和Bacillota（57.3%和53.2%），同时显著提高Actinomycetota（61.4%和74.4%）（均p < 0.05）。亚表层响应更广，Pseudomonadota、Balneolota和Actinomycetota存在显著交互作用（均p < 0.05）；与表层类似，AM5接种削弱了秸秆对Pseudomonadota的富集，增幅为32.2%（AM5）和121.1%（SI），AM5 + SI下仅为43.8%；相反，Actinomycetota在AM5和AM5 + SI下显著富集（分别增加121.3%和390.6%），Balneolota在各改良处理下下降44.1%–79.0%。热图相关分析将优势菌变化与土壤性质相联系：表层Pseudomonadota和Bacteroidota与EC负相关，与TOC、SUC和ALP正相关，Actinomycetota与AP和ALP正相关（均p < 0.05）；亚表层Balneolota与EC、全磷（TP）、AP及土壤水解酶（SUC、URE、ALP）呈强负相关（均p < 0.05）。

**3.4 土壤环境因子与玉米性能性状的关联** 分析土壤性质和细菌群落与三类玉米性状综合得分的关联发现，两层土壤中团聚体（R_0.25指数）、养分含量（TOC、TN、TP、AN、AP、AK）和土壤酶活性（SUC、URE、ALP）彼此正相关，共同指示土壤质量的协同改善；土壤EC则与多数指标负相关，提示盐分可能抑制土壤结构稳定性和养分有效性。Mantel检验显示，多数土壤性质在两层中与三类性状显著相关（均p < 0.05），仅TOC和TP等少数例外，且亚表层显著关联略有减少，表明其与玉米性能的相关性相对较弱。Spearman相关分析显示三类性状与细菌群落的关联存在明显差异：Shannon多样性与玉米形态和抗氧化性状正相关，细菌丰富度在亚表层与所有类别正相关（均p < 0.05）；优势菌门中，Pseudomonadota和Bacteroidota在两层均与光合类别正相关（均p < 0.05），Actinomycetota与形态类别正相关，抗氧化类别在两层均无显著相关；相反，表层Acidobacteriota、Gemmatimonadota和Patescibacteria与光合类别负相关，亚表层Balneolota与三类性状均负相关（均p < 0.05）。

**3.5 玉米性能性状关键土壤预测因子与调控途径的评估** 随机森林分析显示玉米性状类别的预测因子在表层与亚表层差异明显。表层中，EC、SUC、URE和ALP为三类性状共有的预测因子；Pseudomonadota、AP和SWC共同贡献于形态和光合类别，细菌丰富度、Bacteroidota和AK为形态与抗氧化类别的共同预测因子；Shannon多样性和pH分别唯一驱动形态和光合，抗氧化类别无专属预测因子。亚表层中，Actinomycetota、Balneolota、EC、AP、AN、SUC、URE和ALP等更多预测因子为三类性状共有，但无预测因子特异于两两组合，仅少数为单一类别独有。PLS-SEM进一步揭示两层的差异化调控路径：表层模型（GOF = 0.774，R² = 0.698）显示AM5接种直接提高土壤养分有效性（β = 0.850）和酶活性（β = 0.585），并间接影响细菌群落结构（β = 0.960）；秸秆还田则通过直接降低土壤EC（β = ?0.824）和增强土壤酶活性（β = 0.716）发挥作用，二者均与细菌群落多样性和优势类群相关，这些因子与玉米形态和抗氧化类别正相关。亚表层调控路径较简单且以AM5接种的作用为主（GOF = 0.547，R² = 0.554），主要通过增强土壤酶活性介导，其与细菌群落和土壤养分共同与三类性状正相关，而土壤EC仍为负向预测因子。

**讨论** 在玉米性能性状方面，盐胁迫下高渗透势和离子毒害抑制孢子萌发、菌丝延伸和共生信号交换，是AMF根侵染的主要限制；土著菌株因长期适应本地土壤条件通常具有更高的侵染效率和抗逆性，*Claroideoglomus*类群尤其适应盐环境。成功定殖后，其根外菌丝和共生信号可激发寄主抗氧化酶活性以清除盐胁迫诱导的过量活性氧、减轻膜氧化损伤，从而提高耐盐性。本研究中AM5在盐渍条件下成功与玉米根系建立共生，MIR为72%、MD为106%，与盐渍土中*C. etunicatum*的侵染率相当，提示该本地适应菌株在盐胁迫下保持高共生亲和性；与CK相比，AM5接种显著缓解盐害，表现为叶片光合性状和抗氧化酶活性增强。有机改良剂可促进AMF根侵染和共生功能，在盐渍等非生物胁迫下尤为明显；本研究中秸秆还田显著放大了AMF带来的生理收益，AM5 + SI的MIR（80%）和MD（127%）明显高于单施AM5，证实秸秆还田有效促进盐渍条件下AMF共生建立；增强的菌根侵染可能通过更密集的菌丝网络扩大根—土接触界面以改善水养吸收，并强化共生信号以更有效激活植物抗氧化防御，相应转化为玉米生长和生理性能的协同改善，表现为显著的AMF—秸秆交互作用和最高的综合得分，尤其体现于ADW、Ci和三种抗氧化酶。该增强主要归因于秸秆提供多孔微生境和易分解碳底物，促进AMF孢子萌发和根外菌丝增殖，共生进而强化AMF对光合性能和抗氧化酶活性的调控，最终提高玉米耐盐性和生长。尽管营养期生物量可作为短期试验中协同促生的可靠指标，本研究未测定生理成熟期籽粒产量，未来需通过全生育期田间试验纳入产量终点以全面评估该联合策略的农艺潜力。在土壤性质方面，滨海盐渍土结构差、电导率高、养分有效性低，共同限制植物生长和土壤生物学功能；AMF根外菌丝通过物理缠绕土壤颗粒和有机残余物形成稳定团聚体，是土壤团聚的关键生物驱动因子，AM5接种显著提高大团聚体（>250 μm）比例，与秸秆联合后进一步提高，增强的团聚作用可能促进水分入渗和盐分淋洗，促成明显的EC下降，亚表层联合处理优于单项处理。这种协同脱盐反映二者互补：AMF共生改善土壤孔隙度和团聚体稳定性，增强水分入渗并促进盐分向下淋洗，而秸秆的毛细管阻断作用限制可溶性盐向表层上移。养分调控方面，养分含量和土壤酶活性的显著提高表明二者存在互惠关系：AMF接种提高分解相关酶（SUC、URE和ALP）活性和AP，提示AMF可能与其他根际真菌和细菌协同促进秸秆分解和磷活化；秸秆还田则通过更高的MIR（80%）和MD（127%）促进AM5定殖，暗示秸秆来源的碳和养分可支撑AM5菌丝增殖。这种相互强化而非独立作用，在养分受限的盐渍土中可能尤为重要，因为单项改良难以同时克服库容和有效性限制。随机森林分析佐证了该互惠调控的功能重要性，将土壤EC、AP和三种酶活性识别为盐渍条件下玉米生长的关键预测因子，且均被联合施用所提升；PLS-SEM进一步表明协同调控具有深度依赖性：表层中AMF和秸秆通过互补路径（酶激活、养分有效性和盐分缓解）共同促进养分周转；亚表层路径明显简化，主要由AMF驱动酶激活（β = 0.667），秸秆贡献不显著。这种土层分异与秸秆和土壤有机碳分解在表层比深层更活跃的既往观察一致；这些深度依赖的限制以及抑制微生物生物量和多样性的盐胁迫，可能限制亚表层秸秆分解和AMF—秸秆的相互促进。需指出，本研究中土壤和秸秆粉的灭菌可能放大这种分异：虽有效排除土著微生物干扰，但也消除了本土纤维素分解微生物，其在灭菌系统中缺失可能加剧对秸秆降解的限制，尤其在微生物再定殖缓慢且通常随深度下降的深层。尽管微生物活性和碳底物有效性随土层加深自然下降，但灭菌系统因完全消除本土分解者使秸秆降解限制更为突出；加之盐分抑制，对秸秆分解和养分释放形成多重约束。即便如此，在盐渍土中土壤孔隙水可作为运动性微生物（如具鞭毛细菌）的迁移通道，促进其向深层扩散；在资源有限的亚表层，这种迁移对补充活跃微生物库和维持驱动养分周转的水解酶活性至关重要。这些细菌沿根通道、AMF菌丝和秸秆残体周围水膜向下迁移，在AMF接种与秸秆还田联合施用下可能尤为明显。因此，深层养分周转更多依赖与AMF菌丝、颗粒定殖微生物及孔隙水中自由生活细菌相关的酶活性，而非直接的秸秆碳输入。在细菌群落重塑方面，盐胁迫抑制微生物代谢和有机质分解，严重损害盐渍土生物地球化学功能，AMF和有机改良是缓解盐驱动微生物抑制、调控微生物群落以重启养分循环的有效策略。本研究表明AM5接种和秸秆还田通过不同途径改变土壤细菌群落，二者引起的α多样性分层响应差异主要源于资源获取策略差异而非盐分胁迫；尽管二者均降低土壤盐度，但对细菌丰富度和Shannon多样性的影响明显不同，提示单纯盐分缓解不足以提高细菌α多样性。AM5接种显著提高表层和亚表层细菌丰富度和Shannon多样性，可能因AMF菌丝持续分泌富碳渗出物（如糖类、羧酸盐和氨基酸）和养分活化酶，支撑稳定的微生物定殖和高多样性，即使在资源有限的亚表层亦如此。相反，秸秆还田仅在表层提高α多样性：作物秸秆来源的碳和大量元素主要经纤维素和半纤维素的需氧分解释放，该过程在富氧表层迅速而在氧气扩散受限的亚表层受限，导致转化为可供微生物利用的碳底物和生物有效养分受阻；因此，尽管盐度降低，单施秸秆在亚表层缓慢的分解仍限制这些养分对微生物的有效性。上述观察表明盐渍土细菌α多样性不仅受盐分限制，还受碳和养分有效性制约，深层尤为明显。微生物群落结构对环境变化的响应不总与α多样性同步，α多样性指数不足以全面评价群落结构变化，优势类群变化也是群落分化的重要驱动。本研究中，NMDS显示AM5和秸秆以不同程度塑造细菌群落，秸秆还田驱动更广泛的组成重塑，优势菌门合计占序列94%以上并在很大程度上驱动处理间群落分异。AM5对整体群落结构影响较小，可能因AMF菌丝渗出物局限于狭窄的菌丝际、仅适于部分特定微生物，从而限制微生物招募；但这些富集类群（如Pseudomonadota和Actinomycetota）与养分周转和玉米性能正相关，支持AMF介导的功能细菌招募。与AM5不同，秸秆还田通过富集纤维素分解类群（如Pseudomonadota、Bacteroidota和Actinobacteriota）从根本上重塑群落，尤其在分解释放养分、利于富营养型细菌的表层；亚表层群落变化主要由盐分缓解而非养分供应驱动，表现为伴随EC下降的嗜盐Balneolota和耐盐Bacillota明显减少。尽管AMF—有机改良组合通常被认为一致性促进有益细菌，本研究结果显示优势类群响应分化，呈类群特异性交互而非一致的加和效应，亚表层尤为明显：Pseudomonadota呈拮抗响应，Actinomycetota呈强协同响应，Balneolota被交互抑制。这些分化响应反映营养策略和耐盐性的差异，表明细菌群落重塑遵循基于生态位的筛选而非简单加和。总体而言，AM5和秸秆通过互补途径调控土壤细菌群落：AM5提高细菌α多样性并富集功能类群而不改变整体结构，秸秆则通过碳输入和盐分缓解驱动大范围组成变化；联合施用下群落组装遵循基于生态位的筛选而非简单加和响应。尽管灭菌土壤系统最大程度减少了土著微生物干扰并实现AM5—秸秆交互作用的精确解析，但也简化了田间土壤复杂性，因此研究结果的田间适用性尚需进一步验证；未来应研究不同生育期根际微生物群落（细菌和真菌）的时间动态、量化菌丝际定殖和菌丝网络发育，并评估该联合改良对其他作物（如小麦和大豆）的协同效应。这些发现为整合微生物接种与有机改良以优化盐渍土细菌群落、改善土壤质量和作物性能提供了机制性启示。

**研究结论** 本研究证明，土著AMF（*Claroideoglomus* sp.，AM5）与秸秆还田联合施用可协同增强盐渍条件下玉米生长和光合性能，并改善土壤生物学功能，效果超过任一单项处理。玉米性能的协同提升伴随土壤性质和细菌群落的耦合变化：秸秆还田降低土壤盐度并提供有机碳，AM5成功侵染玉米根系并改变特定细菌类群（如Pseudomonadota和Actinomycetota）的相对丰度，后者与土壤养分有效性和酶活性正相关。此外，PLS-SEM揭示该调控具有土层依赖性，表层为多因子协同网络，亚表层为简化的AMF介导路径。尽管因果关系尚待功能验证、生态相关性需田间研究确认，这些发现为发展整合土著AMF与有机残余物以修复滨海盐渍农田的可持续策略提供了机制框架。