《Diversity》：The Effects of Biofertilizer Derived from Fermentation Effluent on the Structure and Function of Microbial Communities in Maize Soils, Northeastern China
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摘要
为研究源自发酵尾液的生物肥料与北方玉米种植系统中微生物群落组成及土壤理化性质的关联，研究人员在连作玉米土壤中开展了田间试验，设置三种施肥处理（仅大量元素，T1；大量元素加微量元素，T2；发酵尾液配合养分，T3）及一个常规对照（CK）。采用高通量扩增子
摘要
为研究源自发酵尾液的生物肥料与北方玉米种植系统中微生物群落组成及土壤理化性质的关联，研究人员在连作玉米土壤中开展了田间试验，设置三种施肥处理（仅大量元素，T1；大量元素加微量元素，T2；发酵尾液配合养分，T3）及一个常规对照（CK）。采用高通量扩增子测序和标准土壤分析方法，测定了土壤理化性质、微生物多样性及群落组成，并预测了功能潜力。结果表明，与其他处理相比，生物肥料处理（T3）与土壤电导率、速效磷和碱解氮显著升高相关，但对总有机碳或有机质无显著影响。各处理间细菌群落多样性无显著差异，而真菌群落对施肥响应更为敏感。主坐标分析（PCoA）结合PERMANOVA检验显示，各处理显著改变了真菌群落结构。T3处理中酸杆菌门（Acidobacteriota）、放线菌门（Actinobacteriota）和厚壁菌门（Firmicutes）（包括芽孢杆菌属Bacillus）相对富集，而子囊菌门（Ascomycota）和被孢霉门（Mortierellomycota）是所有处理中的优势真菌门。冗余分析（RDA）表明，速效钾、速效磷和pH是与微生物群落结构相关的关键因子。基于分类注释的功能基因推断表明，该生物肥料与土壤碳、氮循环相关的预测功能潜力相关。总之，源自发酵尾液的生物肥料与北方玉米田土壤养分有效性的提高及微生物群落组成的潜在变化相关，从而为农业废弃物的资源化利用和黑土保护提供了技术支撑。
以下是根据论文原文撰写的论文解读文章，全文约1520字，所有内容均严格基于原文内容，无推测性表述。
**1. 研究背景与科学问题**
黑龙江省拥有丰富的黑土资源，其黑土区耕地面积占东北黑土区总耕地面积的50.6%，粮食产量和调出量分别占全国的四分之一和三分之一。黑土因腐殖质层深厚、水肥保持能力强、肥力高，成为我国重要的粮食生产基地，尤其在玉米高产优质栽培中发挥核心作用。然而，长期高强度耕作导致黑土层以每年2–5毫米的速度流失，过去30年土壤有机碳含量下降超过20%，微生物碳输入显著减少，严重制约黑土可持续生产力。玉米连作障碍引发一系列土壤问题，如连作显著降低玉米根内微生物群落的多样性和丰度，增加镰刀菌属和曲霉属以及假单胞菌属和根瘤菌属的相对丰度，土壤物理性质恶化。已有研究主要关注传统有机物料或单一农艺措施对玉米土壤微生物的影响，而发酵尾液制成的生物肥料调控黑土细菌群落结构及碳、氮、磷循环相关功能基因表达的机制尚不清楚。中国每年产生约1万吨工业废液，直接排放造成环境污染和资源浪费，这些废液富含小分子有机酸和微量元素，通过微生物发酵无害化处理是发展生物液体肥料资源化利用的关键步骤。因此，阐明此类生物肥料与黑土理化性质、细菌群落结构及碳氮磷循环相关推断功能基因的关联，对黑土区精准施用的实现具有重要意义。
**2. 研究目标**
本研究于2024至2025年在黑龙江省哈尔滨黑土区开展玉米小区试验，设置常规施肥（CK）、单施大量元素（T1）、大量元素配施微量元素（T2）、含70%发酵尾液生物肥料（T3）四个处理，系统分析不同施肥制度对土壤理化性质、细菌和真菌群落多样性与组成的影响，揭示发酵尾液生物肥料与土壤质量和预测微生物功能的生态关联。
**3. 主要技术方法**
研究地点位于黑龙江省科学院自然与生态研究所试验地（45.733° N, 126.642° E），土壤类型为黑钙土。试验采用随机完全区组设计，每个处理3个重复小区，共12个小区，每小区面积0.13 hm2，玉米品种为“吉单17”，种植密度75,000株/hm2，行距65 cm。土壤样品采用五点取样法采集0–20 cm耕层，每处理获得3个独立生物学重复。土壤理化性质按鲍士旦等方法测定，包括KCl浸提-比色法测定铵态氮和硝态氮、重铬酸钾氧化-外加热法测定有机碳、碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定速效磷、乙酸铵浸提-火焰光度法测定速效钾、电位法测定pH。土壤总DNA使用EZNA? Soil DNA Kit提取，PCR扩增细菌16S rRNA基因V3-V4区和真菌ITS1区，在Illumina HiSeq 2500平台进行PE250双端测序。生物信息学分析在Majorbio Cloud平台完成，以97%相似度聚类OTU，分别比对SILVA和UNITE数据库进行物种注释，使用LEfSe进行差异丰度分析，FAPROTAX和FUNGuild分别进行细菌和真菌功能预测。统计方法包括α多样性指数计算、PCoA分析、PERMANOVA检验、RDA分析和单因素方差分析（Duncan多重比较）。
**4. 主要研究结果**
4.1 不同施肥处理对土壤理化性质的影响
与其它处理相比，T3处理（发酵尾液生物肥料）的土壤电导率最高（228.78 ± 1.96 μS/cm），显著高于其它处理（p < 0.05）。速效磷含量以T1（152.03 ± 1.30 mg/kg）和T3（148.88 ± 1.28 mg/kg）处理显著高于T2和CK（p < 0.05），二者间差异不显著。碱解氮含量以T1最高（160.23 ± 1.38 mg/kg），T3次之（153.88 ± 1.32 mg/kg），T3显著高于T2和CK（p < 0.05）。速效钾含量以T1最高（336.53 ± 2.80 mg/kg），T3（293.63 ± 2.44 mg/kg）显著高于T2和CK（p < 0.05）。各处理间总有机碳和有机质含量无显著差异（p > 0.05）。pH值范围5.85–6.41，CK最高（6.41 ± 0.02），T1最低（5.85 ± 0.02），T1与T3间差异不显著。
4.2 不同施肥处理对土壤微生物多样性的影响
细菌α多样性指数（Ace、Chao1、Shannon和Simpson）在各处理间均无显著差异，表明不同施肥处理未显著改变细菌群落的多样性和丰富度。相比之下，真菌群落对施肥处理更为敏感。真菌Ace和Chao1指数以T2最高、CK最低，Shannon指数以T1最高、CK最低，Simpson指数在各处理间存在显著差异，CK优势度最高（多样性最低），T1优势度最低。PCoA分析显示，细菌门水平和属水平上各处理样本形成分离聚类；真菌门和属水平上各处理与对照之间存在明显的空间分界，对照组样本聚集在一个区域，处理组向另一区域偏移。PERMANOVA分析证实各处理在细菌门水平（pseudo-F = 2.53，R2 = 0.33，p = 0.012）和属水平（pseudo-F = 3.60，R2 = 0.42，p = 0.010）、真菌门水平（pseudo-F = 3.26，R2 = 0.39，p = 0.006）和属水平（pseudo-F = 2.98，R2 = 0.37，p = 0.002）均显著改变微生物群落组成。
4.3 不同施肥处理对土壤微生物组成的影响
Venn图分析显示，四个处理共享3,553个细菌OTU（占总数的38.96%），T3处理独有的细菌OTU最少（507个），T2最多（773个）。真菌群落中，T2处理总OTU数最高，T3最低，共享352个真菌OTU（占14.45%）。门水平上，细菌群落中放线菌门（Actinobacteriota）和厚壁菌门（Firmicutes）中的芽孢杆菌属（Bacillus）在T3处理中相对丰度最高；酸杆菌门（Acidobacteriota）在T2中更丰富；变形菌门（Proteobacteria）在T1中略有富集。硝化螺菌属（Nitrospira）在所有处理中均存在，但T1中略多。真菌群落中，子囊菌门（Ascomycota）和被孢霉门（Mortierellomycota）在施肥处理（尤其是T1）中比CK更丰富，而担子菌门（Basidiomycota）在CK中显著富集。属水平上，被孢霉属（Mortierella）和镰刀菌属（Fusarium）在所有处理中占主导，毛壳菌属（Chaetomium）在T2中显著富集，小毛壳属（Chaetomella）是CK处理的标志性优势属。LEfSe分析（LDA得分 > 2，p < 0.05）确认放线菌门和芽孢杆菌属在T3处理中显著富集，酸杆菌门在T2中显著富集。
4.4 土壤微生物群落与土壤理化性质的关系
细菌群落的RDA分析中，前两轴RDA1和RDA2分别解释总变异的27.88%和10.06%（累计37.94%），速效钾、速效磷和pH是细菌群落分化的主要驱动因子。速效钾、速效磷、全氮和碱解氮与细菌群落组成呈正相关，pH与有机质、总有机碳和养分水平呈负相关。真菌群落的RDA分析中，前两轴解释总变异的32.93%和16.59%（累计49.52%），pH和碱解氮是影响真菌群落结构的主导因子。pH与主要养分指标呈负相关，碱解氮、全氮、速效钾和速效磷之间呈正相关。置换检验确认细菌（p = 0.001）和真菌（p = 0.001）群落的RDA模型均统计显著，VIF分析表明保留的环境变量间无显著多重共线性（所有VIF < 5）。
4.5 土壤微生物功能预测
FAPROTAX功能预测显示，化能异养和好氧化能异养是主要的细菌功能群，在各样本中相对丰度持续较高，其次是锰氧化、硝酸盐还原、发酵以及与动植物病原生活方式相关的功能。处理组（T1、T2、T3）中与硫代谢（硫酸盐呼吸、硫化合物呼吸）、氮呼吸、甲烷氧化和异生物质降解（塑料降解、碳氢化合物降解）相关的功能丰度普遍低于CK，而核心碳循环功能保持高水平稳定。FUNGuild分类显示，腐生营养型功能群（包括未定义腐生菌和混合内生-凋落物-土壤腐生菌群）是土壤样品中的主要功能组分。CK组中未分类（未知）真菌功能群的相对丰度显著较高，而处理组中植物病原、动物病原和木材腐生菌群的比例发生改变。
**5. 讨论要点**
T3处理电导率较CK高99.3%，速效磷和碱解氮分别高139.2%和2.7%。发酵尾液富含可溶性微量元素、多酚、黄酮类物质以及越南伯克霍尔德菌（Burkholderia vietnamensis）和棒状杆菌（Corynebacterium）等功能菌株，施入土壤后既直接补充可溶性养分，又可通过功能微生物的代谢活动促进惰性土壤养分的转化和活化。短期施用未显著改变土壤总有机碳和有机质含量，归因于东北黑钙土高基础肥力和短施肥周期，短时间外源有机物输入难以改变土壤固有碳库，仅能起到活化养分的作用。T3处理电导率升高可能反映土壤盐分积累风险，长期施用需监测土壤电导率和钠吸附比（SAR）。细菌群落对短期施肥扰动表现出较强的生态稳定性，而真菌群落更为敏感。放线菌门参与不溶性有机质降解和抗菌化合物合成，部分芽孢杆菌具有解磷和促生功能。酸杆菌门是典型寡营养土壤细菌，在黑土中广泛分布，对土壤养分含量变化响应明显。RDA分析表明土壤速效钾、速效磷含量和pH是驱动微生物群落分化的核心环境因子，理化养分环境与微生物群落结构存在显著耦合关系。CK处理pH较高而速效养分最低，形成养分贫乏的微环境；T1和T3处理显著提高速效养分，优化根际微环境，促进富营养有益微生物生长。本研究存在局限性：仅为期一年，无法揭示长期效应；仅采集0–20 cm耕层土壤；功能预测基于分类学推断而非直接测量；未进行宏基因组或QMEC功能芯片分析。未来需延长试验周期、增加深层土壤采样、结合高通量QMEC功能芯片和宏基因组测序技术，并设置不同发酵尾液施用量处理以确定最佳施用比例。
**6. 结论**
针对黑龙江省哈尔滨市黑土区连作玉米田，通过比较常规施肥、单施大量元素、大量元素配施微量元素和含70%发酵尾液生物肥料四种施肥制度，研究发现短期施用发酵尾液生物肥料与土壤电导率、碱解氮和速效磷等速效养分含量升高及惰性土壤养分活化相关，同时维持适宜玉米生长的弱酸性土壤环境。尽管总有机碳和有机质含量无显著短期变化，但土壤整体理化养分状况有所改善。施肥扰动下黑土细菌群落表现出较强稳定性，真菌群落响应更为敏感。发酵尾液生物肥料与放线菌门和厚壁菌门（含芽孢杆菌）富集以及子囊菌门和被孢霉门内优势真菌组成变化相关。土壤速效钾、速效磷和pH是微生物群落分化的关键环境因子。通过改善土壤速效养分和酸碱条件，发酵尾液生物肥料与重塑微生物生态位和富集养分循环微生物群落相关，可能协同影响土壤碳氮循环功能。施用70%发酵尾液配方是北方黑土区连作玉米田短期土壤养分有效性和微生物群落组成改善相关的施肥方案，既有利于工业发酵尾液的资源化利用，也有助于黑土耕地的保护和提升。后续基于长期田间试验、深层土壤采样和功能基因分析的研究，可进一步阐明其长期培肥效应和微生物调控机制。
