马铃薯根际真菌群落结构与多样性对不同有机物料配施化肥的单季响应

《Frontiers in Microbiology》：Single-season responses of rhizosphere fungal community structure and diversity to combined application of different organic materials in potato

　　

长期施用化肥会导致土壤微生物多样性下降和群落结构失衡，从而制约马铃薯产业的可持续发展。本研究在甘肃省兰州市永登县开展单季田间试验，设置四个处理：单施化肥（CF）、羊粪配施化肥（T1）、生物炭配施化肥（T2）、玉米秸秆配施化肥（T3）。研究人员采用高通量测序技术，研究了马铃薯根际土壤真菌群落结构和多样性对不同有机物料与化肥配施模式的单季响应。结果表明：（1）与CF相比，T1、T2和T3处理显著提高了土壤有机质（SOM）、有效磷（AP）和全氮（TN）含量，但对土壤pH、全磷（TP）和全钾（TK）无显著影响；与CF相比，T1和T2处理显著提高了作物产量，而T3处理无显著差异。（2）与CF相比，T2和T3处理显著提高了Chao指数，T1、T2和T3处理均显著提高了Shannon指数；Beta多样性分析显示，T1、T2和T3处理均引起真菌群落结构的显著变化，其中T1和T3的群落组成相似性相对较高。（3）与CF相比，T3处理显著增加了链格孢属（Alternaria）和被孢霉属（Mortierella）的相对丰度，同时降低了假裸囊菌属（Pseudogymnoascus）的相对丰度；T2处理显著增加了被孢霉属的相对丰度并降低了假裸囊菌属的相对丰度；T1处理显著增加了盾盘菌属（Scutellinia）的相对丰度。（4）线性判别分析效应大小（LEfSe）分析显示，T2处理拥有最多的差异丰度真菌类群（8个物种）；冗余分析（RDA）表明，土壤全氮（TN）是驱动真菌群落变化的最重要环境因子。综上所述，在本试验单季条件下，T2处理在提高马铃薯产量和真菌多样性方面表现最佳，但其长期效应需进一步验证。

长期不合理施用化学肥料导致土壤微生物多样性下降与群落结构失衡，已成为制约马铃薯产业可持续发展的关键问题。土壤真菌在有机质分解、养分循环和土传病害抑制中具有不可替代的作用，维持真菌群落的多样性与结构稳定性对于农业生态系统健康至关重要。已有研究报道了有机物料施用对土壤真菌群落的影响，但在中国西北干旱半干旱地区，针对碳氮比和物理性质差异显著的有机物料与化肥配施后马铃薯根际真菌群落的单季响应，田间研究仍相对缺乏。为此，研究人员在甘肃省兰州市永登县马铃薯产区（36°55′45′′N，103°08′23′′E）布置单季田间试验，设置单施化肥（CF）、羊粪配施化肥（T1）、生物炭配施化肥（T2）和玉米秸秆配施化肥（T3）四个处理，利用高通量测序技术解析不同有机物料与化肥配施模式下马铃薯根际真菌群落结构与多样性的变化，旨在筛选该区域较优的土壤改良培肥方式，为构建有益微生物群落及制定可持续施肥策略提供理论依据。

研究人员于2025年4月至10月开展试验，采用随机完全区组设计（RCBD），每处理3次重复，共12个小区，小区面积30 m²。供试马铃薯品种为“沃土5号”。有机物料施用量分别为腐熟羊粪27,000 kg·hm^–2、生物炭15,000 kg·hm^–2、玉米秸秆5,250 kg·hm^–2，各处理化肥用量均为N 180 kg·hm^–2、P₂O₅ 120 kg·hm^–2、K₂O 90 kg·hm^–2。收获期采集根际土壤样品，测定土壤理化性质，同时提取土壤总DNA，对ITS基因进行PCR扩增，采用Illumina Nextseq 2000平台测序。原始序列提交至NCBI SRA数据库（登录号PRJNA1473284）。数据分析包括Alpha多样性指数计算、基于Bray–Curtis距离的主坐标分析（PCoA）、置换多元方差分析（PERMANOVA）、相似性分析（ANOSIM）、线性判别分析效应大小（LEfSe）、冗余分析（RDA）和方差分解分析（VPA）。

研究结果如下：

（1）根际土壤养分含量与马铃薯产量分析。与CF相比，T1、T2和T3处理均显著提高土壤有机质（SOM）、全氮（TN）和有效磷（AP）含量，其中T2处理的SOM和TN增幅最大，较CF分别提高86.85%和84.29%；T3处理的AP增幅最大，提高68.18%。T1和T3处理显著提高速效钾（AK）含量，T2处理对AK无显著影响。产量方面，T1和T2处理较CF显著增产30.40%和35.84%，T3处理与CF无显著差异。

（2）根际土壤真菌OTU分析。12份土壤样品共获得881,297条有效序列，按63,008条/样本抽平后聚类为1,366个操作分类单元（OTU），各处理覆盖率指数均接近1，表明测序深度满足分析要求。

（3）真菌Alpha多样性分析。T2和T3处理显著提高Chao指数，T1、T2和T3处理均显著提高Shannon指数；T2处理的Chao和Shannon指数增幅均为最大，分别较CF提高50.14%和24.19%。

（4）真菌群落组成分析。门水平上，T2和T3处理显著增加被孢霉门（Mortierellomycota）相对丰度，T1处理显著增加壶菌门（Chytridiomycota）相对丰度。属水平上，T1、T2和T3处理均显著增加小束梗孢属（Plectosphaerella）相对丰度；T3处理显著增加链格孢属（Alternaria）和被孢霉属（Mortierella）相对丰度，同时显著降低假裸囊菌属（Pseudogymnoascus）和假盔孢伞属（Pseudombrophila）相对丰度；T2处理显著增加被孢霉属相对丰度并降低假裸囊菌属相对丰度；T1处理显著增加盾盘菌属（Scutellinia）相对丰度。

（5）Beta多样性分析。PCoA显示各处理真菌群落呈明显分离趋势，CF处理位于PC1负轴侧，与T1、T2和T3处理显著区分；PERMANOVA（R² = 0.493，p = 0.001）和ANOSIM（R = 0.5617，p = 0.001）均证实处理间真菌群落结构差异极显著，且T1与T3处理群落相似性相对较高。

（6）真菌群落差异分析。LEfSe分析共鉴定出各处理差异丰度真菌类群，CF处理7种，T1处理3种，T2处理8种，T3处理4种；T2处理差异类群数量最多，主要包括Plectosphaerellaceae、Eurotiomycetes、Onygenales、Gymnoascus等腐生真菌，T1处理差异类群最少。

（7）真菌群落与环境因子关联分析。Spearman相关分析显示，被孢霉属与SOM、TN、AP显著正相关，与碱解氮（AN）极显著正相关；链格孢属与SOM、AP显著正相关；假裸囊菌属与SOM极显著负相关，与AN显著负相关。冗余分析表明，TN和AP与作物产量正相关，其中土壤全氮（TN）是驱动真菌群落变异的最重要环境因子（p < 0.05）。

讨论部分指出，生物炭富含难分解的芳香族稳定碳，施入土壤后不易被微生物矿化，因而对土壤有机质积累的促进作用最为明显；生物炭的多孔结构和较大比表面积有助于吸附铵态氮和硝态氮，减少氮素损失，同时可刺激氮循环相关微生物活性。羊粪和玉米秸秆虽能补充有机碳和养分，但分解较快，对有机质提升的持续性弱于生物炭。玉米秸秆腐解产生的有机酸可溶解土壤中难溶性磷酸盐，从而显著提高有效磷含量；羊粪中钾以离子态为主，水溶性好，因此对速效钾的提升效果最突出。不同有机物料通过补充碳源、改善土壤孔隙和团聚体结构，为真菌提供有利生境，进而提高群落丰富度和多样性。T2处理富集了多种腐生真菌，有利于有机质分解和养分循环；T1处理富集了包括非苜蓿轮枝孢（Verticillium nonalfalfae）在内的兼性病原真菌，提示羊粪配施化肥可能为某些条件致病菌创造微生境。研究还发现，不同有机物料驱动真菌群落向不同方向演替，T1与T3因均向土壤中输入纤维素和半纤维素类物质，群落结构具有一定相似性。总体而言，在单季条件下，生物炭配施化肥在提升马铃薯产量和真菌多样性方面综合表现最优，但其长期效应及潜在病原菌风险仍需多年田间试验加以验证。研究结论可概括为：（1）有机物料配施化肥均能改善土壤养分状况，其中T2处理对提高土壤有机质、全氮和产量效果最佳，T3处理对提高有效磷效果最佳。（2）有机物料配施化肥显著提高了真菌Alpha多样性并显著改变了Beta多样性，T2处理提升效果最明显。（3）不同真菌属对有机物料种类存在差异化响应，土壤全氮是调控真菌群落变化的主导环境因子。