# 长期施用沼气沼液重塑梨树根区土壤微生物组并提升果实品质与叶片生理特性

《Horticulturae》：Long-Term Biogas Digestate Application Reshapes Root-Zone Soil Microbiomes, Enhancing Fruit Quality and Leaf Physiology in Pear Trees

　　

沼气沼渣（biogas residue）是有机废弃物资源化利用的重要副产物，具有提升土壤质量的潜力。然而，其对梨等多年生果树根区土壤微生物群落、叶片生理及果实品质的长期影响尚不明确。本研究在中国华北地区，将连续五年施用沼液（Z）的'黄冠'梨园与无沼液施用历史（CK）的处理进行比较，综合评估了土壤有机质、细菌（16S）与真菌（ITS）群落特征、果实品质性状以及叶片生理与解剖参数。与CK相比，长期施用沼液使20 cm和40 cm土层土壤有机质含量分别显著提高16.45%和18.27%。主坐标分析（PCoA）显示两个梨园的细菌和真菌群落结构均存在明显分化。在20 cm土层，Z处理细菌Chao1和Shannon多样性指数分别显著提高15.23%和3.98%，同时Bacillus相对丰度激增479.59%。在40 cm土层，真菌OTU丰富度提高45.34%。施用沼液促进了功能微生物类群的富集，包括Solicoccozyma aeria、Sphingomonas、Chaetomiaceae、Lophotrichus、Bacillus、Streptomyces和Acinetobacter pittii。Z处理果实可溶性固形物含量在2024年和2025年分别持续高于CK 22.36%和7.56%，2024年单果重增加10.21%。叶片含水量在2024年和2025年分别提高23.08%和97.22%，2025年叶片光系统有效量子产额提高28.57%。总体而言，长期施用沼液重塑了根区土壤微生物群落并提高了土壤肥力，同时改善了梨果实品质与叶片生理功能。

**研究背景与问题**　土壤微生物是陆地生态系统的重要组成部分，参与有机质分解、生物地球化学养分循环并维持土壤健康，其群落结构与多样性变化可作为土壤生态系统稳定性的敏感生物指示。根际土壤中存在大量植物促生微生物（PGPMs），部分可合成植物激素、活化矿质养分、促进果树生长发育并改善果实品质。沼气沼渣（biogas residue/digestate）是‐种富含有机质、腐殖酸及氮磷钾等矿质养分的有机肥，由有机废弃物厌氧发酵产生。已有研究表明，施用沼渣可显著改善土壤理化性质、提高有机质与养分含量，并可提高土壤真菌和细菌丰度、改变微生物群落结构；在梨等果树生产中，沼肥可提高果园土壤有机质及氮磷钾含量，并提高单果重、总糖含量和糖酸比。然而，既有研究多聚焦于沼渣对土壤理化性质或基本果实品质的单一效应，对长期施用沼液条件下根区土壤微生物组与梨叶片生理、解剖结构及生长的综合影响了解甚少。为此，研究人员以连续五年（2021—2025年）施用沼液的'黄冠'梨园（Z）与相邻无沼液施用历史的对照园（CK）为对象，解析不同垂直土层土壤有机质与根区微生物群落结构的变化，同时评价叶片解剖结构、生理及果实品质响应，以探讨根区土壤—微生物—植株系统内的潜在联系。

**主要关键技术方法**　研究于河北辛集20年生'黄冠'梨园（土壤为粉砂壤土）开展，Z与CK除沼液施用外其他管理一致；沼渣由牛粪与作物秸秆的本地农业厌氧消化系统产生，符合NY/T 2596–2014标准，按固形沼渣与水体积比2:8配比，每年于落花后20 d、采前40 d、采前20 d及落叶前20 d施用4次，每次90 m³/hm²，连续5年。每处理选6株健康树，于2024年8月和2025年8月成熟期采集外围阳面中冠层成熟叶与均匀果实；于树冠滴灌线下方20 cm和40 cm土层以五点法采集根区土，两两合并为每处理每深度3个独立复合生物学重复。土壤有机质采用低温外加热重铬酸钾氧化—比色法测定；微生物基因组DNA经E.Z.N.A. Soil DNA Kit提取后，分别以338F/806R引物扩增细菌16S rRNA基因、以ITS1F/ITS2R引物扩增真菌ITS区，经Illumina NextSeq 2000平台双端测序（数据登录号PRJNA1544700、PRJNA1544754）；生物信息学分析基于Majorbio Cloud平台，采用mothur v1.30.1计算α多样性，基于Bray–Curtis距离的PCoA与PERMANOVA分析群落相似性，LEfSe（LDA > 2，p < 0.05）鉴定显著富集类群；果实单果重、硬度与可溶性固形物分别以电子天平、硬度计与数字折光仪测定；叶片SPAD值与含水量以便携式SPAD叶绿素仪测定，气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）与光系统II有效量子产额（ΦPSII）以LI-600荧光与气孔导度测量系统测定；叶片经FAA固定、乙醇—二甲苯梯度脱水、石蜡包埋、8 μm横切片及番红O‐固绿FCF染色后光镜观察，测定上表皮、下表皮、栅栏组织与海绵组织厚度并计算栅栏/海绵比（P/S）。数据采用SPSS 27.0进行单因素方差分析（ANOVA）及Duncan多重比较。

**研究结果**

**3.1 沼液施用对土壤有机质的影响**　通过土壤有机质测定发现，施用沼液显著提高土壤有机质含量：与CK20相比，Z20提高16.45%；与CK40相比，Z40提高18.27%；且20 cm土层有机质含量显著高于40 cm土层。

**3.2 沼液施用对根区土壤微生物群落的影响**　（1）α多样性分析：Venn图显示，20 cm土层Z较CK真菌OTU数增加0.15%（633对634），二者共享63个真菌OTU，Z特有真菌OTU增加4.68%，真菌丰富度变化有限；细菌OTU数增加10.41%（6015对6619），共享382个，Z特有细菌OTU增加49.24%，表明细菌群落组成明显改变。40 cm土层真菌OTU数增加45.34%（311对452），共享12个，Z特有真菌OTU增加42.71%，表明该层真菌群落受影响更强；细菌OTU数增加4.26%（5633对5873），共享453个，Z特有细菌OTU增加11.86%，但该层细菌OTU丰富度响应弱于20 cm层。同一土层内真菌丰富度与多样性在处理间无显著差异；Z20细菌丰富度较CK20显著提高15.23%、多样性提高3.98%，40 cm层细菌丰富度提高9.69%、多样性提高1.78%，总体20 cm层微生物α多样性高于40 cm层。（2）β多样性分析：物种水平PCoA显示Z与CK处理呈相对独立分布、差异明显，PC1与PC2分别解释真菌和细菌群落总变异的71.05%和68.37%，且Z20与Z40在真菌和细菌群落上均呈分离分布，表明沼液施用改变了土壤真菌与细菌群落结构。（3）群落结构与组成：物种水平上，施用沼液后Solicoccozyma aeria、Neocosmospora rubicola和Fusarium丰度增加，而Mortierella elongata、Tausonia pullulans、Niesslia mucida和Wardomyces降低，其中Niesslia mucida由0.16%降至不可检出水平。CK20以Tausonia pullulans（18.83%）、Mortierella elongata（12.90%）和Niesslia mucida（10.73%）为优势真菌；CK40以Mortierella alpina为优势种（49.04%）。施用沼液后Z20中Solicoccozyma aeria成为优势种（22.22%，较CK提高130.50%），Mortierella elongata降至3.84%（降低70.23%）；Z40中Solicoccozyma aeria、Neocosmospora rubicola和Fusarium为优势种（16.98%、11.76%、8.96%），Mortierella alpina降为20.80%。总体而言，沼液施用使优势真菌群落由Mortierella属转向Solicoccozyma aeria。细菌方面，施用沼液后Bacillus、JG30-KF-CM45和Sphingomonas丰度显著增加，Arthrobacter、RB41、Vicinimibacterales等降低；CK以Arthrobacter为优势属，CK20主要富集Arthrobacter（20.17%）和Sphingomonas（10.67%），CK40中Arthrobacter与Vicinimibacterales分别为12.99%和10.55%。施用沼液后Z20中Sphingomonas相对丰度提高10.00%并成为优势类群，Bacillus丰度提高479.59%，Arthrobacter显著降低63.21%；Z40中Vicinimibacterales、Bacillus和Gemmatimonadaceae分别提高72.70%、414.71%和31.93%。总体表明沼液施用促进Bacillus及Fusarium相关类群富集，抑制Arthrobacter与Mortierella。（4）LEfSe分析：共36个真菌类群存在显著差异，其中22个在Z20中发挥重要作用，Z40、CK20与CK40分别鉴定出4、5、5个；细菌共13个类群显著差异，Z20、Z40、CK20与CK40分别鉴定出5、3、3、2个。20 cm层CK主要富集Mortierellales、Mortierellaceae和Mortierella，以及子囊菌门内Sordariomycetes、Sordariales、Chaetomiaceae和Microascaceae类群，Z主要促进Fusarium与Neocosmospora富集；细菌方面CK显著富集Arthrobacter、RB41及未培养细菌门GAL15，Z显著富集Firmicutes、Bacilli、Bacillaceae、Sphingomonadaceae、Sphingomonas、Alphaproteobacteria、Rhizobiales和Azoarcus。40 cm层真菌差异类群少于20 cm层，Z主要促进Solicoccozyma aeria等真菌类群富集；细菌方面Z主要富集Bacillus等类群，CK主要富集Arthrobacter与RB41，表明沼液对深层土壤细菌群落的影响相对较弱，但仍促进部分环境适应性强细菌的富集。（5）差异微生物类群筛选：20 cm层共鉴定真菌177个类群，其中Z特有132个、CK特有148个；细菌1435个类群，其中Z特有581个、CK特有329个。真菌中Lophotrichus_sp、unclassified_f__Chaetomiaceae、unclassified_g__Cephalotrichum、unclassified_f__Mortierellaceae、unclassified_f__Stachybotryaceae、Curvularia americana、Chaetomium grande、unclassified_p__Chytridiomycota、Hypocreales_sp和unclassified_c__Sordariomycetes等丰度升高；细菌中unclassified_g__RB41、unclassified_g__Bryobacter、unclassified_g__Subgroup_10等呈上升趋势，而uncultured_bacterium_g__RB41、uncultured_bacterium_g__Bryobacter、uncultured_bacterium_g__Subgroup_10、uncultured_Acidobacteria_bacterium_o__Subgroup_7和unclassified_g__Stenotrophobacter等下降。40 cm层两种处理共享真菌117个类群，Z特有158个、CK特有116个；共享细菌1304个类群，Z特有421个、CK特有305个。Z40真菌类群总体丰度呈上升趋势，Solicoccozyma aeria与unclassified_g__Fusarium相对丰度较高，Lophotrichus_sp、unclassified_f__Mortierellaceae和unclassified_f__Chaetomiaceae不同程度增加；细菌中unclassified_g__Bacillus和uncultured_bacterium_p__GAL15变化明显，unclassified_g__Streptomyces、unclassified_g__Subgroup_10和Arthrobacter crystallopoietes亦不同程度增加，Acinetobacter pittii、uncultured_bacterium_g__Leptolyngbya_EcFYyyy-00和unclassified_g__Psychrobacillus在CK中丰度较低而在施用沼液后明显升高。

**3.3 沼液施用对果实品质的影响**　通过果实品质测定发现，2024年Z处理单果重与可溶性固形物含量显著高于CK，分别提高10.21%和22.36%；2025年Z处理可溶性固形物含量与硬度分别较CK提高7.56%和7.87%，单果重虽无显著差异但呈上升趋势。

**3.4 沼液施用对叶片生理的影响**　2024年Z处理叶片相对叶绿素含量与含水量较CK显著提高34.11%和23.08%，Gs、Tr与ΦPSII无显著差异；2025年Z处理叶片含水量与量子效率显著高于CK，分别提高97.22%和28.57%。

**3.5 沼液施用对叶片结构的影响**　叶片上表皮、下表皮、栅栏组织厚度及P/S比在处理间无显著差异，而Z处理海绵组织厚度显著高于CK，提高13.55%。

**讨论部分总结**　在4.1节，研究人员指出土壤有机质是土壤肥力的重要指标，其变化直接影响养分供应能力与微生物活性；沼液富含有机碳、腐殖质前体及多种养分，可直接提高有机质含量并改善水养保持能力。本研究中土壤有机质升高伴随根区真菌与细菌OTU总数增加，PCoA显示施用沼液果园与CK的真菌和细菌群落明显分离，且Z20与Z40形成不同聚类，提示沼液效应随土层深度而异；有机改良对微生物群落的影响受土壤类型、改良剂类型、作物种类和土壤理化性质等多因素影响。尽管同一土层真菌Chao1与Shannon指数无显著差异，但细菌二者均显著高于CK，提示沼液施用与更高的细菌丰富度估计值及更均匀的类群分布相关；有机改良可提高土壤碳源有效性，可能促进微生物多样性与群落稳定性。LEfSe揭示真菌与细菌群落在土层间响应存在差异，表明沼液输入可能通过改变有机质与养分条件影响群落组成，并与特定类群的选择性富集或减少相关。在4.2节，研究人员指出单果重直接影响梨园产量，可溶性固形物是果实品质的重要内在指标；2024年Z园单果重与可溶性固形物均显著高于CK，2025年可溶性固形物仍维持较高水平，与富士苹果和桃上的研究类似；2025年单果重与硬度无显著差异可能与2024年施用沼液后树体养分储备改善有关，但单果重仍呈上升趋势。叶片生理方面，Z园叶片含水量与量子效率显著较高，而Gs与Tr无显著差异，与桃树研究类似，提示量子效率的改善可能并非由气孔因素介导，而可能涉及Fv/Fm反应中心活性增强或电子传递效率提高，从而提高光能利用效率，小麦沼液施用研究亦有类似报道。叶片解剖上Z处理海绵叶肉厚度显著增加，可能扩大叶肉内细胞间隙，利于CO₂扩散与同化物运输，从而潜在提高光合效率，这一解剖变化可能与量子效率提升存在结构上的联系。总体而言，施用沼液果园果实品质改善并伴随叶片生理与解剖差异，但本研究结果揭示的是关联而非确定因果关系。在4.3节，研究人员指出部分Bacillus菌株具促生潜力，可能与养分活化及植物激素、铁载体产生有关，且有研究报道Bacillus相对丰度与梨果实品质相关；Mortierellaceae部分真菌具溶磷能力，可能参与土壤磷转化；Streptomyces某些菌株具溶磷及产生植物激素与铁载体等潜在功能；Solicoccozyma特定菌株可合成吲哚‐3‐乙酸（IAA）或表现1‐氨基环丙烷‐1‐羧酸（ACC）脱氨酶活性，Chaetomium部分菌株亦具促生潜力，这些为探讨根区微生物群落与梨树性状关系提供了依据。本研究观察到长期施用沼液果园与CK在真菌、细菌群落组成及部分类群相对丰度上的差异，同时果实单果重、可溶性固形物、叶片含水量、量子效率与海绵叶肉厚度等性状亦存在不同程度差异，与有机改良影响土壤微生物群落组成的既往报道一致。基于前人研究，Bacillus、Mortierellaceae和Streptomyces部分成员可能参与土壤养分转化，Solicoccozyma和Chaetomium部分成员可能与植物生长调控有关，因此本研究中微生物群落组成与果实品质、叶片生理及解剖性状的同步变化可能反映根区土壤环境与梨树性状间的潜在关系；但上述潜在功能主要基于特定物种或菌株报道，不能直接推断本研究检测到的相应类群具相同功能，也不能得出其相对丰度变化导致梨树性状改变的结论。总体而言，施用沼液果园与CK根区土壤优势微生物群落不同，其中Bacillus、Mortierellaceae、Streptomyces、Solicoccozyma和Chaetomiaceae的变化可能与梨树生长、果实品质及叶片结构与生理相关，这些根区土壤—微生物组—植株系统中的同步变化为相关研究提供了新思路，但微生物相对丰度与植物性状分析并未建立特定微生物类群与果实品质间的直接因果关系，尚需进一步研究。

**结论翻译**　施用沼液重塑了梨树根区土壤微生物群落。沼液施用后微生物OTU数量增加，Chao1与Shannon指数亦显著提高；真菌与细菌群落呈现明显分离，其群落组成在不同土层间存在差异。此外，沼液施用促进了Solicoccozyma aeria、Sphingomonas、Chaetomiaceae、Lophotrichus、Bacillus、Streptomyces和Acinetobacter pittii等微生物的富集。在相同常规管理措施下，长期施用沼液与梨树良好的叶片结构特征及较高的单果重和可溶性固形物含量相关。长期施用沼液与根区土壤微生物群落结构的明显差异相关，其特征为Mortierellaceae、Chaetomiaceae、Solicoccozyma、Bacillus和Streptomyces等特定类群的变化；这些微生物变化与两果园间果实品质和叶片生理特性的差异同时发生。