不同形式秸秆还田对盐碱地玉米根际与非根际土壤细菌群落及微环境条件的短期效应

《Frontiers in Agronomy》：Short-term effects of different forms of straw return on rhizosphere and bulk soil bacterial communities and microenvironmental conditions in saline-alkali maize fields

　　

盐碱土壤中的盐分胁迫和养分有效性不足制约了作物生产力。然而，不同形式的外源碳输入对根际细菌群落及其预测功能潜力的影响仍不清楚。研究人员在滨海盐碱玉米田开展了一项田间试验，设置四个处理：无有机改良（CK）、碎秸秆还田（CS）、秸秆生物炭还田（CB）和颗粒秸秆还田（GS）。研究比较了不同秸秆形式对根际和非根际土壤理化性质、细菌群落结构、预测功能谱以及玉米产量的影响。与CK相比，GS显著降低了根际电导率（EC）和盐分含量，降幅分别达57.97%和59.56%。在不同秸秆形式中，GS处理的根际盐分含量显著低于CS和CB处理，而其EC与CS处理相当。CS和GS均显著提高了根际有效磷含量，并分别使玉米产量增加24.87%和23.35%。秸秆还田处理显著改变了根际和非根际土壤的细菌群落结构，其中GS在两种生境中均富集了更多的处理特异性细菌类群。基于细菌群落组成的功能预测表明，与CK相比，GS在根际和非根际土壤中均与多条与有氧呼吸、三羧酸（TCA）循环和支链氨基酸生物合成相关的MetaCyc通路的预测相对丰度显著降低相关。总体而言，不同秸秆还田形式对土壤微环境和细菌群落产生了不同的短期效应。值得注意的是，GS在降低根际盐度（尤其是盐分含量）方面表现出相对优势，而CS和GS均改善了根际养分状况并提高了玉米产量。

**盐碱地秸秆还田的根际与非根际微环境及细菌群落响应研究解读**

**一、研究背景与科学问题**

土壤盐碱化是制约全球农业生产力的主要非生物胁迫因素之一，高浓度的可溶性盐和交换性钠会诱导作物产生渗透胁迫、离子失衡和养分吸收受限，同时改变土壤物理结构、碳氮转化过程和微生物群落组成，进而限制盐碱地土壤生态功能的恢复和作物产量的提升。秸秆还田作为农业废弃物资源化和土壤改良的重要措施，可通过提供有机底物、改善土壤孔隙结构、调控水盐运移和促进养分释放等方式影响盐碱地土壤环境。然而，已有研究多将秸秆还田视为相对均一的土壤改良措施，对不同物理形态秸秆在根际与非根际土壤中产生的空间异质性效应关注不足。根际作为植物根系与土壤环境相互作用最强的微区域，在物理结构、养分通量、盐分运移和微生物代谢活性方面与非根际土壤存在显著差异。在盐碱胁迫下，不同形态秸秆引起的水盐气运移差异可能在根际微环境中被进一步放大，进而影响作物通过根系分泌物招募功能细菌类群的过程。基于此，研究人员在盐碱地开展田间试验，系统比较碎秸秆还田、秸秆生物炭还田和颗粒秸秆还田三种形式对根际和非根际土壤微环境条件、细菌群落结构、预测功能潜力及玉米产量的短期影响，旨在揭示不同秸秆还田形式的相对优势及其微生物学机制。

**二、技术方法概述**

研究在山东省东营市广饶县黄河三角洲农业高新技术产业示范区（37°02′N，118°25′E）的滨海盐碱地进行，采用随机区组设计，设置无有机改良（CK）、碎玉米秸秆还田（CS，15 t ha^-1）、玉米秸秆生物炭还田（CB，8 t ha^-1）和颗粒玉米秸秆还田（GS，15 t ha^-1）四个处理，每种处理三次重复，小区面积30 m²。试验基于等总有机碳（TOC）输入原则设计，生物炭施用量根据其TOC含量折算。供试春玉米品种为鲁单506。研究通过16S rRNA基因高通量测序分析细菌群落，采用QIIME 2与DADA2插件进行序列处理生成扩增子序列变异（ASV），基于SILVA数据库进行物种注释；运用线性混合效应模型、置换多元方差分析（PERMANOVA）和变差 partitioning 分析（VPA）评估处理效应及其环境驱动因素；通过LEfSe鉴定生物标志类群；借助PICRUSt2预测群落功能潜力，并结合Spearman相关分析解析关键类群与环境因子及产量的关联。

**三、主要研究结果**

**3.1 土壤理化性质与玉米产量**

线性混合效应模型显示，秸秆还田处理与土壤生境在电导率（EC）、盐分含量、有效磷（AP）、碱解氮（AN）、土壤有机碳（SOC）、颗粒有机碳（POC）和矿物结合有机碳（MOC）方面存在显著交互作用。在根际土壤中，CS、CB和GS分别使EC显著降低39.55%、21.71%和57.97%，其中GS处理下根际EC显著低于CB但与CS无显著差异；CB和GS分别使根际盐分含量显著降低，GS较CK降低59.56%，且显著低于CS和CB。在非根际土壤中，各处理间EC无显著差异，GS处理盐分含量显著高于CK。CS和GS分别使根际有效磷显著提高54.82%和75.26%。在碳组分方面，CB和GS分别使根际POC增加48.46%和16.52%，而GS使MOC降低6.01%。与CK相比，CS和GS处理分别使玉米产量显著增加24.87%和23.35%，而CB对产量无显著影响。

**3.2 细菌群落结构**

Alpha多样性分析显示，根际土壤中仅CB处理显著降低Chao1指数，其余处理无显著变化；非根际土壤中CB和GS处理均显著降低Chao1、Observed ASVs和Shannon指数。主坐标分析（PCoA）和PERMANOVA表明，根际和非根际土壤中四种处理间的细菌群落结构均存在显著差异。在根际土壤中，CB处理与CK和CS明显分离，GS沿PCoA1正方向分布，CK和CS部分重叠。envfit分析显示POC、SOC和AN是根际群落结构的显著环境因子。在非根际土壤中，四个处理占据明显分离的区域。变差 partitioning 分析表明，根际细菌群落变化主要与碳组分（独立解释9.2%）和养分变量（6.3%）相关，而非根际群落分化与碳、养分和盐分的共同变化更为密切。

**3.3 关键差异细菌类群与群落组成**

在根际土壤中，各处理总ASV数排序为CS（8843）> CK（7653）> GS（7555）> CB（6269），CS具有最多的总ASV数和特有ASV数（3217），而CB的总ASV数和特有ASV数均最低。在非根际土壤中，CKB（8436）> CSB（8292）> CBB（6300）> GSB（5914），GS特有ASV数最低（1535）。门水平上，根际和非根际土壤细菌群落均以变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteriota）、芽单胞菌门（Gemmatimonadota）和酸杆菌门（Acidobacteriota）为优势类群，属水平上未观察到优势属的明显更替。LEfSe分析显示，根际土壤中CS主要富集芽单胞菌门相关谱系，GS富集了更广泛的放线菌门和变形菌门类群；非根际土壤中GS同样富集了最多的生物标志类群，涉及放线菌门、变形菌门和拟杆菌门（Bacteroidota）相关类群。

**3.4 关键细菌类群与环境因子及产量的关系**

Spearman相关分析显示，根际土壤中Tistrellales和Geminicoccaceae与EC、盐分含量和AN显著正相关，与AP和POC显著负相关；鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）与EC、盐分含量和AN显著负相关，与AP显著正相关。EC与盐分含量强正相关（r = 0.99），二者均与玉米产量显著负相关，而AP与产量显著正相关。非根际土壤中，Pontibacter与POC强正相关（r = 0.94），根瘤菌目（Rhizobiales）、微球菌目（Micrococcales）和假黄单胞菌属（Pseudoxanthomonas）之间显著负相关，且均与AN呈显著负相关。

**3.5 细菌群落预测功能谱**

基于PICRUSt2预测的MetaCyc通路丰度分析显示，与CK相比，GS在根际和非根际土壤中均显著降低有氧呼吸通路（PWY-3781、PWY-6969）、三羧酸循环、支链氨基酸生物合成通路（PWY-5101、VALSYN-PWY、ILEUSYN-PWY、BRANCHED-CHAIN-AA-SYN-PWY）以及PWY-5103的预测相对丰度。CB在根际土壤中也显著降低多条支链氨基酸生物合成通路，但在非根际土壤中仅影响PWY-6969和TCA循环。CS处理通常未表现出上述通路的降低。

**四、讨论与结论**

研究表明，不同秸秆还田形式对盐碱地根际和非根际土壤微环境及细菌群落产生了显著差异化的短期效应。GS显著缓解根际盐胁迫并增加根际有效磷和颗粒有机碳，CS改善了根际养分条件，二者均产生了明显的短期增产效益。GS的降盐效应可能与其改善土壤团聚体和孔隙结构、调控局部水盐运移有关，根际与非根际盐分的差异化响应表明其可能改变了根系周围水盐的空间分布格局。不同形式的外源碳输入进一步诱导了根际和非根际细菌群落结构的分化、生物标志类群的富集以及预测功能谱的转变。尽管PICRUSt2结果代表的是基于群落组成的预测功能潜力而非直接测定的代谢活性，但GS处理下多种与能量代谢和渗透调节相关的通路预测丰度一致降低，提示其可能通过缓解盐胁迫改变了细菌群落的生态筛选压力。研究结论指出，颗粒秸秆和碎秸秆在短期内均改善了玉米根际微环境并提高了作物产量，其中颗粒秸秆在降低根际盐度尤其是盐分含量方面表现出相对优势。该研究为理解外源碳输入形态在盐碱地土壤生态功能调控中的作用提供了田间证据，但短期试验的持续性效应及功能变化的代谢机制仍需通过多年定位试验和多组学手段进一步验证。