中国新疆长期滴灌条件下微生物演替驱动盐碱土多功能性的机制解析

《Soil and Tillage Research》：Mechanistic insights into multifunctionality of saline soils driven by microbial shifts under long-term drip irrigation in Xinjiang, China

　　

•在新疆棉花田中，长期滴灌会使土壤多功能性随时间推移而降低，损害生态系统可持续性。
•真菌α多样性与土壤多功能性呈正相关，但这种关联随滴灌时间延长而减弱。
•细菌β多样性差异与土壤多功能性呈负相关，且这种关联随时间推移而减弱。
•滴灌时长直接影响真菌α多样性与功能的关系，并通过群落结构间接影响细菌多样性与功能的关系。
•虽然适度滴灌有助于维持微生物多样性和土壤功能，但长期使用则损害生态系统稳定性。

1. 引言

随着全球气候变化日益加剧，干旱地区的水资源短缺问题愈发严峻（Drisya和Sathish Kumar，2023；Eid等，2022；EL Sabagh等，2020）。新疆气候极端干旱，降水稀少。这种长期的水文亏缺，加之近年来不合理的农业灌溉方式，导致盐分在土壤表面不断累积，最终引发土壤盐渍化，对当地农业生产和生态环境构成严重威胁（Zheng等，2017；Zhu等，2021）。

由于其独特的气候和环境特征，中国三分之一的高品质棉花产自新疆。新疆棉花产量的增减和纤维质量的变化关系到国民经济和人民生计。因此，解决水资源短缺问题的首要任务是农业节水，以促进灌溉区生态环境的健康发展。为解决水资源短缺问题，膜下滴灌被认为是一种有效的节水技术，已被广泛应用于新疆棉花（Bouksila等，2013；Katerji等，2000；Ning等，2021）及多种作物栽培，如番茄（Yao等，2023）、板蓝根（C. Zhou等，2022）和玉米（Jin等，2018）。土壤多功能性是指土壤同时维持多种生态过程的能力，如养分循环、有机质分解和微生物活动等。这些功能对维持农业生产力和生态韧性至关重要。研究强调使用标准化的生态指标来评估多功能性的重要性，这在长期灌溉实践改变微生物生态系统时尤为相关。

除有效减少灌溉用水消耗（Liang等，2023；Y. Wang等，2022）外，膜下滴灌还能改善土壤水分和盐分的分布模式，降低地下水位，减少地表土壤盐分积累（R. Wang等，2018）。膜下滴灌还能控制施肥量和施肥位置（Muhammad等，2021），从而实现高效施肥。此外，在改善土壤环境的同时，膜下滴灌直接影响微生物群落结构，可增加微生物的多样性和丰度（W. Li等，2021；Liu和Kang，2014；J.-W. Wang等，2021；Yin和Zhang，2022）。因此，膜下滴灌有助于维持土壤生态系统稳定性。

然而，长期膜下滴灌也可能带来一些负面影响。例如，膜下滴灌可能阻碍土壤通气（Chen等，2018；Zong等，2022），改变土壤氧化还原反应和温度分布模式，从而影响细菌和真菌的代谢生长（Jinfeng Wang等，2008；Z. Zhang等，2021）。此外，长期膜下滴灌可能导致土壤微生物丰度下降（D. Li等，2023；Jingya Wang等，2023）和土壤退化（W. Li等，2021；Rohit Katuri等，2019；Z. Wang等，2019）。

长期膜下滴灌对细菌和真菌的正负效应共同调控着土壤多功能性。为了全面理解长期膜下滴灌下微生物群落组成的动态变化模式，阐明微生物群落与土壤之间调控土壤生态系统功能的复杂相互作用机制，本研究以新疆生产建设兵团棉花田为研究对象，通过比较不同滴灌年限下土壤微生物群落结构和多样性的变化，深入分析长期滴灌影响土壤生态系统功能的微生物机制，旨在为干旱区农业生态系统可持续发展提供科学依据。

2. 材料与方法

2.1 研究区域

2021年，从新疆维吾尔自治区生产建设兵团（85°17′?85°34′E，44°36′?44°43′N）四个农场的10块滴灌棉花田中采集土壤样本，各田块膜下滴灌年限不同。这些农场位于新疆典型的干旱绿洲区。周边生态系统相对脆弱，受干旱气候和人类农业活动的双重影响。土壤为中等质地壤土，含20.5%–24%的物理黏粒（<0.01 mm），干容重范围为1.49至1.61 g/cm3，平均孔隙度为41.71%。这些农场在1997年开垦前曾为盐碱荒地。两种种植模式分别为"一膜三带六行"和"一膜两带四行"，覆膜宽度分别为210 cm和120 cm，覆膜之间设有60 cm宽的裸地带（Ning等，2019）。

所有观测点均采用地下水进行滴灌，矿化度为1.3–1.8 g/L，符合灌溉水质要求（<2 g/L）。所有兵团农场同时进行灌溉和施肥。所有观测点均采用地下水进行滴灌，矿化浓度在1.3至1.8 g/L之间，符合灌溉水质标准（<2 g/L）。此外，每个采样农场的棉花整个生长期约灌溉10次，灌溉定额为4500至5250 m3/hm2。所用肥料主要为尿素（CO(NH?)?），氮含量为46%，以及磷酸二氢钾（KH?PO?），P?O?含量为51.5%，K?O含量为33.9%。在整个生长期，尿素和磷酸二氢钾的施用量分别为390–585 kg/hm2和240–330 kg/hm2。肥料（尿素和磷酸二氢钾）通过滴灌系统施用（水肥一体化）。为减轻滴头堵塞，各田间首部安装有砂石和筛网组合过滤系统，并定期（约每个生长季节一次）进行酸冲洗以溶解矿物沉积物。同时对滴头进行定期检查和维护，以确保水分均匀分布。

膜下滴灌有两种形式。210 cm宽覆膜种植六行棉花，第一行与第二行之间、第三行与第四行之间、第五行与第六行之间各有一条滴灌带；120 cm宽覆膜种植四行棉花，第一行与第二行之间以及第三行与第四行之间各有一条滴灌带。为确保采样的严谨性，A、B、C、D不同田块各采样三次。A田块在膜下滴灌5年、10年、20年和25年后采集0至20 cm地下土壤样本；B田块在膜下滴灌5年、15年和20年后采集0至20 cm地下土壤样本；C田块在膜下滴灌15年和25年后采集0至20 cm地下土壤样本；A田块在膜下滴灌10年后采集0至20 cm地下土壤样本（表S1）。

2.2 土壤采样与分析

本研究所有土壤样本均在棉花开花期（Mi等，2018；H. Zhou等，2022）从表层土（0–20 cm深度）中采集，采用多点采样法。同时，采用环刀法测定土壤体积质量。共获得30个样本。在每个样方内，采用"Z"形采样路线，从样方四角和中心向外延伸一定距离选取5个采样点，以确保采样点均匀分布且具有代表性。土壤样本分为三部分：一部分风干用于理化性质测定，另一部分于?80°C保存用于土壤微生物群落分析，一部分于4°C保存用于NH??、NO??和酶活性分析。

取新鲜土壤（10 g）与50 mL的2 M KCl溶液（优级纯GR）在三角瓶中混合，室温下振荡15 min（200 rpm）。随后，利用AA3-HR连续流分析仪（Seal Analytical，德国）分析上清液中的NH??和NO??。使用紫外可见分光光度计（UV-1200）测定土壤有效磷浓度。通过烘干法测定土壤水分。采用Walkley-Black重铬酸钾氧化法测定土壤有机质（OM），结果以g/kg表示（Nelson和Sommers，1982）；采用凯氏定氮法测定总氮（TN），结果以g/kg表示（Sparks等，2020）（FIA Star 5000分析仪）；采用NaOH消解和钼蓝比色法测定总磷（TP），结果以g/kg表示（Bao，2000）。有效磷（Olsen-P）采用碳酸氢钠提取（Sun等，2019），含量以mg/kg表示。速效钾（AK）通过原子吸收分光光度计分析滤液测定（Abd Elwahed等，2019），结果以mg/kg表示。土壤酶活性——多酚氧化酶（PPO）、过氧化物酶（POD）、碱性磷酸酶（ALP）和脲酶——采用β-葡萄糖苷酶活性法测定（Meena和Rao，2021）。土壤pH值在土水比为1:2.5（w/v）时测定，电导率（EC）使用电导率仪（DDSJ-318，上海仪电科学仪器股份有限公司）测定，EC值以dS/m表示。

2.3 微生物群落测序

借助FastDNA? SPIN Kit for Soil（QIAGEN，美国），从每个土壤样本的第二子样本中提取总DNA。每个样本的DNA提取用土量为0.25 g。利用NanoDrop 2000测定DNA的浓度和纯度，采用2%琼脂糖凝胶电泳方法检测DNA质量。测序过程中加入条形码序列，以便区分不同样本的测序数据。

为区分0–20 cm土层中不同样本的测序数据，在过程中加入了条形码序列。采用引物341F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′）和806R（5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′）扩增每个样本的细菌16S rRNA基因V3-V4区（Lu等，2013）。选用内部转录间隔区-1（ITS-1，5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAG-TAA-3′）和ITS2（5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′）通用引物进行真菌ITS区基因序列的PCR扩增，以分析真菌群落结构（Marcos等，2019）。扩增程序为：95°C预变性3 min；27个循环，每个循环包括95°C变性30 s、55°C退火30 s、72°C延伸30 s；最后72°C延伸10 min（PCR仪：ABI Gene Amp? 9700型）。扩增体系总体积为20 μL，包括：10 ng DNA模板、4 μL 5×Fast Pfu缓冲液、0.4 μL Fast Pfu聚合酶、0.8 μL引物（5 μM）和2 μL 2.5 mmol/L dNTPs。此外，利用2%琼脂糖凝胶提取PCR产物，然后使用AxyPrep DNA凝胶提取试剂盒（Axygen Biosciences，Union City, CA，美国）进行纯化，用Tris-HCl冲洗，最终通过第二次2%琼脂糖凝胶电泳检测。随后使用QuantiFluor?-ST（Promega，美国）进行DNA定量。根据测序要求和定量结果，处理PCR产物以构建测序文库。使用Illumina NovaSeq 6000平台对文库进行测序。

测序文库经过过滤处理，去除具有低平均Phred得分（<20）、歧义碱基、均聚物（长于6个碱基）、短序列长度（<150 bp）和引物不匹配等低质量特征的读段（Campbell和Kirchman，2013）。然后，根据反转录引物末端连接的唯一条形码将高质量读段分配至各样本。使用FLASH算法对具有超过10个碱基重叠且无错配的读段进行合并（Magoc和Salzberg，2011）。在SILVA数据库中进行物种分类（Yilmaz等，2014）。生成微生物群落OTU丰度表后，采用标准化标签对丰度表进行标准化处理。

利用QIIME v1.9.2工具，将相似度≥97%的标签合并为单个操作分类单元（Caporaso等，2010）（OTU）。采用默认设置选择每个OTU的参考序列，并根据具有最低标签计数的样本进行校准，将这些序列分类为细菌分类群。2.4. 统计分析 利用QIIME v1.92计算Shannon指数和Chao1指数，这是评估土壤细菌和真菌群落的α多样性的两个指标（Kemp和Aller, 2004）。使用R（v4.0.2）生成箱线图，展示α多样性指数和滴灌年数的变化，并采用Tukey HSD检验对这些参数的影响进行统计评估（K?berl等，2021）。从R的"vegan"包中执行主坐标分析（PCoA）和双向Adonis检验，以评估不同时间点和NDI值下土壤微生物群落组成的变化（v4.0.2）（Hooper等，2019）。为了对比滴灌年数增加过程中土壤细菌和真菌的演替模式，采用生态方法对微生物多样性进行多方面探索，除非另有说明，否则使用R 3.4.1项目（R Core Team, 2013）。具体来说，进行非度量多维缩放（NMDS）可视化分析，分析样本间微生物群落的加权UniFrac距离。使用相似性分析（ANOSIM）评估组间统计显著性（Anderson, 2001）。将群落关系相似性的时间下降绘制为对数相似性对对数年龄的图，并采用线性回归来估计时间更替速率。时间滞后回归方法用于评估群落是否正在经历方向性变化。2.4.1. 生境生态位宽度 生态位宽度是影响群落动态中物种选择和时空嵌套相对作用的关键因素（Pandit等，2009）。更宽的生态位宽度（即泛化种）表明代谢灵活性增加，这在不同时间尺度的区域群落水平上是一致的。相比之下，生境特化种更受限于特定时间（Székely和Langenheder, 2014）。在本研究中，基于Levins生态位宽度指数，区分了随着滴灌年数增加土壤细菌和真菌群落的泛化种和特化种：Bj=1/N∑i=1P2ij，其中Bj表示群落中OTUj的生态位宽度；N是群落中物种的总数；Pij是群落i中OTUj的相对丰度。对于特定分类群，根据先前微生物生态学研究中采用的分类标准，B > 3或B < 1.5分别指定为特化种或泛化种（Pandit等，2009，Székely和Langenheder, 2014，Xiong等，2020）。我们进一步计算了细菌或真菌群落中所有分类群的平均B值（Bcom, Fcom），作为其生境生态位宽度的指数（Pandit等，2009）。2.4.2. 评估生态系统多功能性 评估了滴灌年数对土壤多功能性（SMF）的影响。SMF计算为最小值-最大值标准化后多个土壤性质的平均值，包括土壤PPO、POD、ALP和脲酶酶活性；土壤有效钾和磷；总磷、有机质、pH、阳离子交换量和土壤细菌和真菌丰度。为了确定滴灌年数是否改变了生物多样性-生态系统功能（BEF）关系，我们在混合效应模型中添加了多功能性×α多样性（丰富度）和多功能性×β多样性（Bray-Curtis相异性）的交互项，并估计了这些交互的系数。所有模型均在R版本3.6.0中进行，并使用了相关包名（Fox和Weisberg, 2018, Lüdecke, 2018, Pinheiro等, 2013）。这种量化SMF的平均方法已在生物多样性-生态系统功能（BEF）研究中被广泛采用（Byrnes等, 2014, Lefcheck等, 2015, Wagg等, 2014）。3. 结果 3.1. 不同滴灌年数下的微生物多样性 3.1.1. 微生物群落α多样性（丰富度）分析 如图1a所示，滴灌15年的细菌群落α多样性（丰富度）明显高于其他任何滴灌年数，这可能是因为在滴灌15年时，土壤养分供应和通气等环境条件更为适宜，为细菌的生长和繁殖提供了良好的环境。相比之下，真菌群落α多样性（丰富度）总体上随着滴灌年数的增加而降低，在滴灌5年时观察到最高的α多样性（丰富度）。这一峰值明显高于在滴灌15年或20年时观察到的真菌群落α多样性（丰富度），这可能与随时间推移土壤理化性质的变化有关，如土壤酸化或盐分积累可能抑制某些真菌的生长。下载：下载高分辨率图片（224KB）下载：下载全尺寸图片 图1. 不同滴灌年数下棉田土壤样本中细菌和真菌群落的α多样性丰富度（a）和基于Bray-Curtis距离的β多样性主坐标分析（b, c）（p < 0.05）。不同小写字母表示不同滴灌年数之间存在显著差异（p < 0.05）。3.1.2. 微生物群落β多样性分析 为了研究随着滴灌年数增加微生物群落结构的变化，对所有土壤样本在属水平上使用Bray-Curtis相异性进行了主坐标分析。结果见图1b和1c。从图1b中可以看出：（1）细菌群落中第一和第二主成分（PC1和PC2）分别解释了28.95%和15.23%的方差；（2）细菌群落在不同滴灌年数下呈现分散分布，土壤样本在同一滴灌年数内聚集成簇，表明细菌群落组成在不同滴灌年数间差异显著，且细菌群落β多样性表现出明确的时间分布模式。从图1c中可以看出：（1）真菌群落中PC1和PC2分别解释了24.45%和14.16%的方差；（2）真菌群落在不同滴灌年数下呈现聚类和重叠分布，表明真菌群落结构在不同滴灌年数间高度相似，真菌群落β多样性未显示出明显的时间分布模式。 （图2）下载：下载高分辨率图片（454KB）下载：下载全尺寸图片 图2. 随着滴灌年数增加，土壤细菌和真菌群落中OTU的平均丰度对出现频率的回归（a）以及不同出现频率（持续型、间歇型和瞬发型）OTU的数量和相对丰度（b）。流行率通过OTU被检测到的样本数除以纳入的30个样本来计算。Adonis分析显示细菌和真菌的总相对丰度之间差异极显著。真菌群落中泛化种和特化种分别占总相对丰度的35.26%和42.85%（图3b）。因此，特化种的相对丰度更高，而不同滴灌年数下的相对真菌群落（p < 0.001），表明滴灌年数显著改变了细菌和真菌群落的β多样性。尽管如此，滴灌年数对细菌群落（R2 = 0.459）的影响比对真菌群落（R2 = 0.217）更强。滴灌年数对细菌β多样性（R2 = 0.459）的影响比对真菌β多样性（R2 = 0.217）更强，这可能反映了细菌群落构建对长期灌溉引起的土壤理化性质变化更为敏感，如盐度和养分梯度的变化。下载：下载高分辨率图片（349KB）下载：下载全尺寸图片 图3. 细菌（a）或真菌（b）OTU的平均丰度与生境生态位宽度的关系，以及每个样本中细菌与真菌群落所有分类群平均生境生态位宽度（c）。3.2. 基于流行率的微生物群落划分 根据物种在土壤样本中的流行率，微生物群落被分为三种类型：持续型操作分类单元（OTUs）（样本中检出率：大于80%）、间歇型OTUs（样本中检出率：20%–80%）和瞬发型OTUs（样本中检出率：小于20%）（Xiong等, 2020）。图2a显示，细菌或真菌群落中OTU的检出率和平均相对丰度之间呈显著正相关（p < 0.001），且这种相关性在细菌群落中（r2 = 0.693）比在真菌群落中（r2 = 0.474）更强。从图2b中可以看出：（1）在细菌和真菌群落中，持续型OTUs数量最少但丰度最高，而瞬发型OTUs数量最多但丰度极低；（2）在细菌群落中，持续型OTUs占总OTUs的3.68%，却占据了45.61%的总相对丰度，瞬发型OTUs占总OTUs的69.85%，却仅贡献了11.97%的总相对丰度，且持续型OTUs的相对丰度略高于间歇型OTUs（45.61% vs. 42.42%）；（3）在真菌群落中，持续型OTUs占总OTUs的5.41%，却代表了75.36%的总相对丰度，瞬发型OTUs占总OTUs的70.21%，却仅构成5.86%的总相对丰度，且持续型OTUs（75.36%）的相对丰度显著高于间歇型OTUs（75.36% vs. 18.78%）；（4）真菌群落中持续型OTUs的丰度明显高于细菌群落（75.36% vs. 45.61%）。因此，随着滴灌年数的增加，细菌和真菌群落均表现出高度多样但数量稀少的生态群体。3.3. 将微生物群落划分为时间依赖性的泛化种和特化种 微生物物种可以根据其适应不同生态位的能力被划分为不同的生态群体（Wong等, 2023）。根据计算得出的生态位宽度，微生物物种可被分为三个类别：泛化种（生态位宽度大于3的物种）、特化种（生态位宽度小于1.5的物种）和中间类型（生态位宽度在1.5和3之间的物种）（Xiong等, 2020）。如图3a所示，细菌群落中泛化种和特化种分别占总丰度的41.50%和34.4%。真菌群落中泛化种的丰度低于细菌群落（图3b）。真菌群路的平均生态位宽度显著低于细菌群落（图3c）。这种更窄的生态位宽度表明真菌具有更强的资源专化性，这可能使真菌群落对长期滴灌驱动的基质可用性变化更加敏感。3.4. 棉田土壤多功能性对滴灌年数的响应 基于环境因素和酶活性测定计算土壤多功能性指数，以分析滴灌年数对棉田土壤多功能性的影响。从图4中可以看出：（1）棉田土壤多功能性随着滴灌年数的增加而逐渐下降；（2）滴灌5年的土壤多功能性明显高于滴灌15、20或25年的水平；（3）滴灌10年或15年的土壤多功能性明显高于滴灌20年或25年的水平。上述结果表明，棉田土壤的生态系统功能可能随着滴灌年数的增加而逐渐退化。这种逐渐下降很可能反映了长期滴灌对土壤理化性质的累积效应，如压实、盐渍化和养分化学计量比改变，这些效应共同制约了土壤微生物群落维持多种生态功能的能力。下载：下载高分辨率图片（77KB）下载：下载全尺寸图片 图4. 滴灌年数对土壤多功能性的影响。图中不同小写字母表示使用Tukey法校正多重比较后处理均值之间存在显著差异（P < 0.05）。误差线表示±1标准误。3.5. 滴灌年数对土壤BEF关系的影响 3.5.1. 滴灌年数对微生物群落α多样性（丰富度）与土壤多功能性关系的影响 在α多样性水平上分析了滴灌年数对棉田土壤BEF关系的影响。图5a和5b分别展示了细菌和真菌群落α多样性（丰富度）与土壤多功能性的线性回归结果。在土壤样本中，真菌群落α多样性（丰富度）与土壤多功能性呈显著正相关（r2 = 0.248, p = 0.00514），而细菌群落α多样性（丰富度）与土壤多功能性无显著相关性（r2 = 0.00418, p = 0.734）。这表明，在实际的棉田管理中，提高真菌群落丰富度可能有助于改善土壤多功能性，从而促进作物生长。例如，添加有机改良剂可能为真菌创造更有利的环境，促进其生长并增强土壤功能。相反，细菌α多样性与土壤多功能性之间缺乏显著相关性并不意味着细菌不重要。

相反，该结果表明细菌对土壤功能的影响可能更为复杂和间接，凸显了制定更为全面的土壤细菌管理策略的必要性。这些结果表明，滴灌年限主要通过影响真菌群落α多样性（丰富度）来改变棉田土壤生态系统功能。进一步分析滴灌年限对微生物群落α多样性（丰富度）与土壤多功能性之间关系强度的影响（即滴灌年限对多样性-功能关系的影响）发现，真菌群落的多样性-功能关系与滴灌年限呈显著负相关（r2 = ?0.98，p = 0.00333），而细菌群落的多样性-功能关系与滴灌年限无显著相关性（r2 = ?0.2，p = 0.747）（图5c和5d）。这强调了长期灌溉管理的重要性：长期滴灌削弱了真菌α多样性对土壤多功能性的正向影响。因此，为维持土壤生态系统的稳定性和可持续性，控制滴灌时长至关重要。例如，采用不同灌溉方式的轮作或调整灌溉间隔，可以缓解长期滴灌对土壤生态系统的负面影响。综上所述，这些结果表明，滴灌年限通过直接影响真菌群落α多样性与生态系统功能之间的关系，从而影响多样性-功能关系。

下载：下载高分辨率图片（323KB） 下载：下载全尺寸图片 图5. 土壤多功能性与土壤细菌（a）和真菌（b）群落α多样性丰富度之间的关系，以及滴灌年限对细菌（c）和真菌（d）群落α多样性丰富度与土壤多功能性之间相关性强度的影响。蓝色拟合线来自普通最小二乘法回归，阴影区域表示95%置信区间。

3.5.2. 滴灌年限对微生物群落Bray-Curtis相异性与土壤多功能性样本间差异之间关系的影响

本研究在β多样性水平上分析了滴灌年限对棉田土壤多样性-功能关系的影响。图6a和6b分别展示了细菌和真菌群落Bray-Curtis相异性与土壤多功能性样本间差异的线性回归结果。在土壤样本中，细菌群落β多样性（Bray-Curtis相异性）与土壤多功能性变化呈显著负相关（y = ?0.19x + 0.4，r2 = 0.0713，p = 1.54 × 10??），而真菌群落β多样性（Bray-Curtis相异性）与土壤多功能性变化无显著相关性（y = ?0.054x + 0.38，r2 = 0.00647，p = 0.0939）。进一步分析滴灌年限与微生物群落Bray-Curtis相异性和土壤多功能性样本间差异之间关系强度的关系，发现细菌群落Bray-Curtis相异性与土壤多功能性样本间差异之间的关系强度与滴灌年限呈显著负相关（r2 = ?0.956，p < 0.05）。同时，真菌群落Bray-Curtis相异性与土壤多功能性样本间差异之间的关系强度与滴灌年限无显著相关性（r2 = ?0.861，p > 0.05）（图6c）。上述结果表明，滴灌年限可能通过介导细菌群落结构组成的变化，间接影响细菌群落丰富度与生态系统功能之间的关系，从而影响细菌多样性与生态系统功能之间的关系。

下载：下载高分辨率图片（454KB） 下载：下载全尺寸图片 图6. 土壤多功能性与土壤细菌（a）和真菌（b）群落Bray-Curtis距离之间的关系，以及滴灌年限对细菌（c）和真菌（d）群落Bray-Curtis距离与土壤多功能性之间相关性强度的影响。蓝色拟合线来自普通最小二乘法回归，阴影区域表示95%置信区间。

4. 讨论

4.1. 滴灌年限对微生物群落组成的影响

本研究发现了以下结果：（1）随着滴灌年限的增加，真菌群落α多样性（丰富度）总体呈下降趋势，而细菌群落α多样性未表现出明显的方向性趋势；（2）15年滴灌下细菌群落α多样性（丰富度）显著高于其他任何滴灌年限；（3）细菌群落α多样性存在显著的时间变化；（4）不同滴灌年限下细菌群落的结构组成差异较大，呈现明显的时间分布模式。相比之下，真菌群落呈聚集分布，不同滴灌年限下真菌群落结构高度相似，无明显的时间分布模式。综合这些发现，表明滴灌年限影响微生物群落多样性以及微生物群落结构的变化（图1）。

我们调查了滴灌过程中微生物群落OTUs的普遍性，发现真菌群落的斜率小于细菌群落，表明真菌群落中OTUs的分布比细菌群落更均匀。这种差异可能归因于真菌一般比细菌体积更大。较大的生物体（真菌）代谢灵活性较低，通常更难维持可逆状态（Farjalla等，2012；Massana和Logares，2013），从而限制了它们适应环境异质性的能力。因此，随着滴灌年限的增加，真菌群落的成熟度也随之增加（Burns等，2016；Greenhalgh等，2016；Xiong等，2018）。与此解释一致，我们的分析显示，与细菌群落相比，真菌群落中瞬时OTUs的比例或相对丰度较低，而持续性OTUs的相对丰度较高（图2）。

生态位宽度反映了物种或种群对环境条件的适应程度或资源利用程度，是细菌和真菌群落组装的主要驱动力（Wang等，2022）。在滴灌过程中，真菌群落的生态位宽度小于细菌群落，表明细菌能够比真菌更广泛地利用可用资源（Jiao等，2020）。真菌群落的物种分布更为聚集，分类丰富度较低，竞争能力和对环境波动的敏感性较低，但对环境胁迫的耐受性弱于细菌群落（Li等，2023）。这些特征间接反映了细菌和真菌群落结构的差异。因此，与真菌群落相比，细菌群落中广适种的相对丰度较高，而特化种的相对丰度较低。群落生态位宽度直接影响物种丰富度（Parmentier等，2020），微生物多样性动态可能与生态位变化有关（Okie等，2015）。结果表明，细菌群落比真菌群落对滴灌年限的影响更为敏感（图3）。

真菌群落α多样性的下降可能削弱土壤的自调节能力。真菌在土壤有机质分解和腐殖质形成中发挥着关键作用（Wang等，2022）。同样，细菌群落也被证明能够直接调节土壤有机质的分子组成（Yang等，2025）。随着滴灌年限的增加，真菌和细菌群落的转变可能导致土壤有机质分解速率的改变，影响土壤肥力的长期可持续性（Choudhary等，2022）。这可能引发土壤板结和养分失衡等问题，降低土壤质量。尽管细菌群落的α多样性没有表现出明显的方向性趋势，但其结构的显著变化也可能改变土壤中氮和磷等养分的循环过程，影响植物对养分的吸收。微生物群落结构和多样性的变化可能产生连锁反应。真菌和细菌群落的改变可能会改变土壤中其他生物的栖息条件（Dlamini等，2023）；例如，某些依赖特定菌根共生的植物可能因真菌群落组成的变化而受到生长抑制，进而影响生态系统层面的物种多样性和生态平衡。此外，微生物群落间差异化的资源利用可能重塑物种间的竞争和互利关系，对生物多样性维持和生态系统发展产生更广泛的影响（Carrick和Forsythe，2020）。

4.2. 滴灌年限影响棉田土壤多样性-生态系统功能关系的机制

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，在调节生态功能方面发挥着关键作用。土壤细菌和真菌是陆地生态系统中生物多样性最大的储存库，其多样性通常被认为是土壤健康和植物生长发育状态的关键指标（Gao等，2019；Liao等，2018；Tan等，2021）。土壤多功能性是指土壤生态系统同时提供和维持多种生态功能的能力，包括微生物活性、养分循环、土壤养分保持、土壤氮素转化和凋落物分解。土壤多功能性的完整性是维持生态系统功能的基础（Zhang等，2020）。微生物群落分解土壤中的有机质，改善土壤养分保持条件，并通过其代谢活动促进养分循环，微生物矿化的产物随后被植物或其他微生物群落利用（Six等，2006）。因此，微生物多样性与土壤多功能性密切相关。由于土壤生物多样性是维持各种土壤功能和能量流动的基础，生物多样性丧失和生物群落动态变化都可能影响生态系统多功能性（Hector和Bagchi，2007）。此外，微生物可以在数小时至数天内从非活跃状态快速转变为活跃状态，对周边环境变化做出不同的响应。因此，评估微生物多样性对于研究生态系统功能至关重要（Hector和Bagchi，2007）。

我们的结果表明，随着滴灌年限的增加，棉田土壤多功能性下降。真菌群落α多样性（丰富度）与土壤多功能性呈显著正相关，且这种关系的强度与滴灌年限呈显著负相关。细菌群落β多样性（Bray-Curtis相异性）与土壤多功能性呈显著负相关，且这种负相关关系同样随着滴灌年限的增加而减弱。这些发现表明，随着滴灌年限的增加，细菌群落结构差异加大，导致土壤多功能性下降，细菌群落结构变化与生态系统功能之间的耦合程度降低。综合来看，结果表明滴灌年限通过驱动细菌群落结构组成的转变，间接调节细菌群落丰富度与生态系统功能之间的关系，从而影响细菌多样性与生态系统功能之间的整体关联。

5. 结论

本研究采用基于滴灌年限的方法，调查了中国新疆棉田在不同滴灌年限下膜下滴灌影响表层土壤生态系统功能的潜在微生物机制。通过研究细菌和真菌多样性及其与土壤功能的关系，揭示了土壤多功能性的变化。随着滴灌年限的增加，真菌群落α多样性（丰富度）下降，细菌群落结构组成的差异加大，导致土壤多功能性降低，真菌群落α多样性（丰富度）与土壤多功能性之间的相关系数减小，棉田生态系统功能下降。因此，滴灌年限直接影响真菌群落α多样性（丰富度）与生态系统功能之间的关系，同时通过介导细菌群落结构组成的变化间接影响细菌多样性与生态系统功能之间的关系。适当的滴灌时长有利于维持土壤微生物多样性、良好的土壤功能和棉田生态系统的正常功能。然而，长期滴灌不利于生态系统功能的可持续和正常运行。

需要注意的是，本研究采用了空间替代时间的设计，比较的是不同滴灌年限的农田，而不是对单一农田进行完整的灌溉序列监测。尽管在土壤类型、气候和管理措施方面尽量选择可比较的农田，但这种设计无法完全排除初始场地异质性的混杂效应。为弥补这一局限性，未来研究应开展长期定位试验，监测不同滴灌年限下土壤微生物群落的动态变化，结合高通量测序技术和功能基因分析，深入探讨关键微生物类群及其功能，从而为精确调控土壤生态系统功能提供理论依据和技术支持。

致谢

作者真诚感谢所有参与论文撰写和数据分析的工作人员。本研究由江苏农林职业技术学院高层次人才培养启动项目（2024rc10）和新疆生产建设兵团重点领域技术研发计划（编号：KY2024GG09）资助。

作者：田广立 | 张家昆 | 唐英 | 钟宇 | 邢旭光 | 何帅