張宏媛，盧 闖，逄煥成，張建麗，劉 娜，張曉麗，李玉義*

（1 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)資源與農(nóng)業(yè)區(qū)劃研究所，北京 100081；2 北京理工大學(xué)生命學(xué)院，北京 100081）

土壤耕層構(gòu)造與土地生產(chǎn)力有密切的關(guān)系，良好的耕層構(gòu)造能使土壤中的水、肥、氣、熱因素之間互相協(xié)調(diào)滿足作物的需要[1]。因此，耕層結(jié)構(gòu)的合理性直接關(guān)系作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。我國西北地區(qū)由于處在極端干旱的自然條件下，表層土壤普遍含有高鹽分、鹽分表聚速度快、積累強(qiáng)度大，而且土壤水分、養(yǎng)分極為匱乏，同時(shí)表層土壤有機(jī)質(zhì)分解快，作物生長普遍受到水、肥、鹽等多因子脅迫[2]，這就需要利用農(nóng)業(yè)技術(shù)措施不斷提升耕地質(zhì)量。許多學(xué)者提出采用秸稈還田、地膜覆蓋和砂田覆蓋等耕作措施解決西北干旱區(qū)表層土壤貧瘠多鹽的問題[3-4]，但這些研究主要側(cè)重于表層土壤，忽略了亞表層土壤質(zhì)量的建設(shè)。亞表層培肥在一定程度上更利于改善土地的肥力狀況，增強(qiáng)土壤保水蓄肥能力，積累土壤有機(jī)碳，對(duì)于促進(jìn)作物的增產(chǎn)具有實(shí)際意義[5]。

國內(nèi)外關(guān)于施用有機(jī)肥培肥改良土壤的報(bào)道很多，有機(jī)肥一方面能降低緊實(shí)度、促進(jìn)團(tuán)粒結(jié)構(gòu)形成與穩(wěn)定、提升水動(dòng)力學(xué)參數(shù)[6]等，另一方面能快速增加土壤有機(jī)質(zhì)、氮磷鉀等養(yǎng)分含量[7]，從而有利于土壤保水、淋鹽和培肥，促進(jìn)作物生長。但目前有關(guān)有機(jī)肥施用方法的研究大多都是將有機(jī)肥施于0—10 cm的土壤表層，而針對(duì)西北極端干旱的氣候和貧瘠多鹽的土壤，在10—30 cm的亞表層采用有機(jī)肥快速培肥的措施未見相關(guān)研究報(bào)道。

土壤微生物是土壤的重要組成部分，是土壤有機(jī)質(zhì)和土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)的動(dòng)力，通過其代謝活動(dòng)轉(zhuǎn)化土壤中各種物質(zhì)的形態(tài)，同時(shí)也參與土壤中有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成，對(duì)土壤肥力的形成起著積極的作用[8]。10—30 cm土層肥力的快速提升由于增加了有機(jī)質(zhì)，為微生物提供了豐富的碳源，刺激了微生物的生長，提高了微生物活性，可能會(huì)改變土壤微生物區(qū)系；另一方面，微生物可能又反作用于土壤，促進(jìn)養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，改善土壤團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，增加土壤通透性，從而影響水鹽運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)鹽分向下淋洗，從而能使鹽堿土壤生態(tài)環(huán)境向良性轉(zhuǎn)化[9]。但在亞表層有機(jī)培肥后土壤化學(xué)性質(zhì)及微生物區(qū)系如何變化還需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。此外，有研究表明，由于有機(jī)肥含有一定量的鹽分離子，不當(dāng)使用會(huì)產(chǎn)生一定的次生鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)[10]，但并未提出相應(yīng)的解決辦法。

向日葵具有一定的抗旱耐鹽性，生長期短，而且經(jīng)濟(jì)效益高，現(xiàn)已成為西北地區(qū)的主要經(jīng)濟(jì)作物，其根系在土壤中拓展范圍很大，主根深度可達(dá)200～250 cm，其中20—30 cm土層內(nèi)主根較粗壯。有研究表明[11]，就總根干重而言，向日葵在0—20 cm土層分布的根系占90%以上，并且不同施肥措施對(duì)10—20 cm根系所占比例的影響最大，因此，在10—30 cm的亞表層采用有機(jī)肥培肥可促進(jìn)根系下扎。本研究以西北地區(qū)典型的食葵單作種植模式為研究對(duì)象，在2014年內(nèi)蒙古河套灌區(qū)建立的田間小區(qū)初步試驗(yàn)效果的基礎(chǔ)上，2015年利用微區(qū)試驗(yàn)，重點(diǎn)探討不同耕作和培肥措施對(duì)作物各個(gè)關(guān)鍵生育期土壤鹽分分布、土壤pH、有機(jī)質(zhì)、速效養(yǎng)分和微生物區(qū)系的影響，進(jìn)一步揭示亞表層培肥措施下鹽堿土壤化學(xué)性質(zhì)及微生物區(qū)系的變化特征及相互關(guān)系，旨在篩選出與當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境相適應(yīng)的合理耕層構(gòu)建模式，為西北干旱區(qū)農(nóng)田土壤質(zhì)量及生產(chǎn)性能的提高提供相關(guān)理論依據(jù)與技術(shù)支撐，以指導(dǎo)我國干旱區(qū)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

試驗(yàn)在內(nèi)蒙古五原縣河套灌區(qū)義長灌域管理局試驗(yàn)站進(jìn)行(41.07°N、108.00°E，海拔 1022 m)。該地區(qū)屬于中溫帶季風(fēng)氣候，全年日照時(shí)數(shù)3263 h，年均溫6.1℃，≥ 10℃的積溫3362.5℃，無霜期117～136 d。該區(qū)降水稀少，且大多集中在夏秋兩季，年蒸發(fā)量較大，蒸降比較高，多年平均降水量在200 mm左右，多年平均蒸發(fā)量2200 mm左右，冬春季土壤鹽分表聚現(xiàn)象嚴(yán)重，屬于典型無灌溉無農(nóng)業(yè)的區(qū)域，主要水源為黃河水。2015年試驗(yàn)區(qū)總降水量為124.3 mm，食葵生育期內(nèi)總降水量為64.2 mm，約占全年降水量的51.6%。試驗(yàn)區(qū)地下水埋深變幅為1.10～1.70 m，土壤質(zhì)地粉砂壤土，為氯化物-硫酸鹽土，土壤基本理化性質(zhì)見表1。

表1 試驗(yàn)區(qū)土壤基本理化性質(zhì)Table1 Background physicochemical properties of the experimental soil

1.2 田間試驗(yàn)設(shè)計(jì)與管理

在 2014 年田間小區(qū)試驗(yàn)(長 8 m × 寬 3.5 m)的基礎(chǔ)上，2015年又設(shè)置了田間微區(qū)試驗(yàn)，均設(shè)置4個(gè)處理，包括翻耕(CK)、翻耕 + 地膜覆蓋(PM)、亞表層有機(jī)培肥(OM)、亞表層有機(jī)培肥 + 地膜覆蓋(OMP)，每個(gè)處理3次重復(fù)。本文主要闡明的是2015年微區(qū)試驗(yàn)的結(jié)果。

2015年田間微區(qū)試驗(yàn)中每個(gè)微區(qū)面積為3.24 m2(1.8 m × 1.8 m)，隨機(jī)區(qū)組排列。各微區(qū)四周用雙層塑料布阻隔使微區(qū)間互不影響。試驗(yàn)開始前，所有處理將0—10 cm土壤用鐵鍬取出拌勻，以保證微區(qū)表層土壤鹽分基本一致。亞表層培肥處理(OM、OMP)采用有機(jī)肥為牛糞、羊糞、雞糞、草炭混合物，按一定比例拌勻(混勻后有機(jī)肥經(jīng)測(cè)定含鹽量16.09 g/kg，pH 7.06，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷及全鉀含量分別為42.57%、1.29%、0.54%和1.39%，質(zhì)量含水量20.46%)。根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂驐l件下不同類型鹽堿地培肥目標(biāo)，中重度鹽堿地有機(jī)肥推薦施用量一般為75～120 t/hm2，本試驗(yàn)每個(gè)微區(qū)有機(jī)肥用量34.6 kg(合106.8 t/hm2)，施用過程中將有機(jī)肥與10—30 cm土層混合、壓實(shí)，最后將0—10 cm土壤按原層次填回，為保持處理間耕作的一致性，CK、PM處理10—30 cm土層也進(jìn)行混合處理。亞表層培肥處理示意圖見圖1。試驗(yàn)布置完畢后進(jìn)行春灌壓鹽，每個(gè)微區(qū)灌溉定額均為0.60 m3(合1850 m3/hm2)，灌溉水源為黃河水(礦化度為0.58 g/L、pH 8.23)。灌溉時(shí)間為2015年6月29日。播前化肥按統(tǒng)一用量一次性作底肥條施，肥料品種為尿素(含N 46%)、磷酸二銨(含N 18%，P2O546%)、硫酸鉀(含K2O 50%)，施肥深度10 cm，隨后覆土，所有處理人工開溝播種(播種深度7～8 cm)，根據(jù)試驗(yàn)要求，覆蓋處理用70 cm寬的農(nóng)用塑料薄膜覆蓋，每個(gè)小區(qū)有兩條膜帶，膜間距20 cm，膜間地表裸露。供試作物為食葵(Helianthus annuusL.)，品種為LD1335。試驗(yàn)于2015年7月5日播種，人工點(diǎn)播，播種后穴口用細(xì)砂覆蓋，行距60 cm，株距20 cm，種植密度為49000株/hm2。食葵于2015年9月23日收獲。其它管理措施與當(dāng)?shù)剞r(nóng)戶一致。

圖1 亞表層示意圖Fig.1 A sketch of subsurface layer

1.3 取樣方法與數(shù)據(jù)測(cè)定

1.3.1 土壤全鹽、pH的測(cè)定 在春灌前、春灌后(播種前)和食葵收獲后用土鉆在兩行食葵中間位置(地膜下)取土進(jìn)行土壤鹽分、pH測(cè)定，取土層次為0—5、5—10、10—20、20—30、30—40、40—60、60—80、80—100 cm，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干、磨碎，過2 mm篩，以1∶5的土水比提取，用pH計(jì)(FE20)和電導(dǎo)率儀(DDS-307)分別測(cè)定土壤pH和電導(dǎo)率，電導(dǎo)率根據(jù)以下經(jīng)驗(yàn)公式換算為土壤鹽分含量：

式中：S為土壤含鹽量(g/kg)；為土水比1∶5下的電導(dǎo)率；0.064為換算系數(shù)。

土層脫鹽率公式：

式中：D為脫鹽率(%)；S1為灌水前土壤含鹽量；S2為灌水后土壤含鹽量。

土層返鹽率公式：

式中：A為返鹽率(%)；S2為灌水后土壤含鹽量；S3為收獲后土壤含鹽量。

1.3.2 土壤養(yǎng)分的測(cè)定 在食葵收獲后取0—40 cm層土壤樣品，每10 cm一層，帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，粉碎過篩后，測(cè)定土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮(堿解法)、速效磷、速效鉀(乙酸銨提取)，具體測(cè)定方法參見《土壤農(nóng)化分析》[12]。

1.3.3 高通量測(cè)序方法分析 在食葵收獲后取0—40 cm層土壤樣品，將土樣放入牛皮紙袋并迅速保存于4℃冷藏箱帶回實(shí)驗(yàn)室。采用OMEGA Z.Z.N.A. Soil DNA Kit提取CK、PM、OM、OMP處理系列土壤中微生物基因組。以稀釋后的基因組DNA為模板，對(duì)細(xì)菌16S rRNA V4區(qū)高變區(qū)DNA擴(kuò)增采用通用引物515F，806R。引物序列如表2所示。PCR擴(kuò)增體系包括：DNA模板10 μL，每種引物 2 μL，0.4 mmol/L ddH2O 2 μL 及 Phusion Master Mix(2X)15 μL。PCR擴(kuò)增條件為98℃預(yù)變性1 min，98℃變性10 s，50℃退火30 s，72℃延伸30 s，30個(gè)循環(huán)，最后72℃延伸5 min。

表2 16S rRNA細(xì)菌通用引物Table2 16S rRNA bacterial universal primers

根據(jù)PCR產(chǎn)物濃度進(jìn)行等濃度混樣，充分混勻后使用1 × TAE濃度2%的瓊脂糖膠電泳純化PCR產(chǎn)物，選擇主帶大小在400～450 bp之間的序列，割膠回收目標(biāo)條帶。使用Thermo Scientific公司GeneJET試劑盒膠回收。使用New England Biolabs公司的 NEB Next? Ultra? DNA Library Prep Kit for Illumina建庫試劑盒進(jìn)行文庫的構(gòu)建，構(gòu)建好的文庫經(jīng)過Qubit定量和文庫檢測(cè)，合格后，使用HiSeq進(jìn)行上機(jī)測(cè)序。

對(duì)原始數(shù)據(jù)(Raw data)進(jìn)行拼接、過濾，去除掉干擾數(shù)據(jù)(Dirty Data)，得到有效數(shù)據(jù)(Clean data)。采用分類計(jì)算法以97%的相似性對(duì)有效數(shù)據(jù)進(jìn)OUTs(Operational taxonomic units分類操作單元)聚類和物種分類分析，對(duì)OTUs進(jìn)行物種注釋。根據(jù)OTUs聚類結(jié)果，對(duì)每個(gè)OTU的代表序列做物種注釋，得到對(duì)應(yīng)的物種信息和基于物種的豐度分布情況。同時(shí)，對(duì)OTUs進(jìn)行豐度、Alpha多樣性計(jì)算等分析，得到樣品內(nèi)物種豐富度和均勻度信息、不同樣品或分組間的共有和特有OTUs信息等。16S注釋采用的是Silva132數(shù)據(jù)庫，注釋方法為mothur方法，mothur為類LCA算法，在注釋過程中，16S設(shè)定閾值為0.8～1。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)在Excel 2013中進(jìn)行基本處理與作圖，并用SPSS13.0進(jìn)行方差分析和相關(guān)性分析，方差分析為單因素方差分析，采用LSD法。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)0—100 cm土體鹽分分布的影響

不同時(shí)期各處理1 m土體剖面鹽分分布如圖2所示。春灌前(圖2A)所有處理鹽分主要聚集在土壤表層，隨土壤深度的加深鹽分含量呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)。亞表層培肥處理(OM、OMP)在10—30 cm土層含鹽量顯著較對(duì)照高(P＜0.05)，分別較CK增加了52.9%、37.1%，較PM處理增加了47.2%、32.1%，而在30 cm以下土層各處理間沒有顯著差異。

圖2 春灌前后及收獲后各處理在0—100 cm土體剖面鹽分分布Fig.2 Salt content in 0-100 cm soil profile of each treatment before and after spring irrigation and after harvest

春灌后，各處理表層鹽分較灌水前顯著降低(圖2B)，且總體含鹽量隨著土壤深度的增加而增加。各處理在0—10 cm表層的平均含鹽量沒有差異；在10—30 cm土層，亞表層培肥處理(OM、OMP)含鹽量略高于CK及PM處理，但沒有顯著差異，與春灌前相比，亞表層培肥處理(OM、OMP)在10—30 cm土層的土壤脫鹽率分別為42.0%、48.9%，而CK、PM處理在10—30 cm的土壤脫鹽率僅為28.1%、31.0%，表明亞表層培肥處理本身起到了加速淋鹽的作用；而在30 cm以下土層，亞表層培肥處理鹽分含量高于CK、PM處理，除OMP處理鹽分最高值出現(xiàn)在40—60 cm，其他處理鹽分含量最高值均出現(xiàn)在30—40 cm土層，表明亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋能使鹽分淋洗至更深土層。

收獲后，CK鹽分表聚化嚴(yán)重，其表層0—10 cm鹽分顯著高于其他處理，OMP處理顯著低于其他三個(gè)處理(圖2C)。與春灌后相比，在食葵收獲后CK在0—10 cm土層返鹽率高達(dá)161%，而PM、OM及OMP處理的返鹽率分別是107%、136%和29.8%；在10—30 cm土層各處理間鹽分含量值沒有差異；在30—40 cm土層，CK、PM、OMP處理間沒有顯著差異，但OM處理由于地表缺少覆蓋，其鹽分含量顯著高于其他處理(P＜0.05)；在40 cm以下土層，亞表層培肥處理鹽分含量均顯著高于翻耕處理。

2.2 不同處理對(duì)0—40 cm土層pH及養(yǎng)分的影響

2.2.1 土壤pH 收獲后各處理0—40 cm土壤pH值的變化如表3所示，各處理在0—10 cm表層差異不顯著，在10—30 cm、30—40 cm土層，亞表層培肥處理(OM、OMP)pH值均顯著低于CK與PM處理，在10—30 cm土層，OM處理分別較CK與PM處理顯著降低了0.36、0.31個(gè)單位，OMP處理分別較CK與PM處理顯著降低了0.60、0.55個(gè)單位(P＜0.05)；在30—40 cm土層，OM處理分別較CK與PM處理顯著降低了0.45、0.29個(gè)單位，OMP處理分別較CK與PM處理顯著降低了0.44、028個(gè)單位(P＜0.05)；PM與CK處理間、OM與OMP處理間差異均不顯著。

2.2.2 土壤有機(jī)質(zhì)與速效養(yǎng)分 食葵收獲后，各處理0—40 cm有機(jī)質(zhì)及速效養(yǎng)分含量如表3所示，其中各處理在0—10 cm土壤表層差異均不顯著。

表3 收獲后不同耕作和培肥處理0—40 cm土層pH及養(yǎng)分含量Table3 Soil pH and nutrient contents in 0-40 cm soil of each treatment after sunflower harvest

各處理土壤有機(jī)質(zhì)含量在10—30 cm與30—40 cm 土層整體表現(xiàn)為 OMP＞OM＞PM＞CK。在10—30 cm土層，各處理有機(jī)質(zhì)含量出現(xiàn)最大值，OM與OMP處理分別較CK顯著提高了100%和127%，較PM處理顯著提高了108%和135%(P＜0.05)，但PM與CK處理間差異不顯著；在30—40 cm土層，僅OMP處理有機(jī)質(zhì)含量顯著高于CK與PM處理，分別提高了33.6%和32.5%(P＜0.05)。說明亞表層培肥顯著增加了土壤中的有機(jī)質(zhì)含量，并且使其在滿足植物生長的前提下得到了一定的積累。

在10—30 cm土層，OM與OMP處理土壤堿解氮含量顯著高于CK與PM處理，分別較CK處理顯著提高了88.7%和105%，分別較PM處理顯著提高了85.9%和102%(P＜0.05)，但OM與OMP處理間、CK與PM處理間均差異不顯著；在30—40 cm土層，各處理間均無顯著差異。

在10—30 cm土層，OM與OMP處理速效磷含量分別較CK顯著提高了564%和514%，分別較PM處理顯著提高了593%和542%(P＜0.05)；在30—40 cm土層，OM與OMP處理分別較CK顯著提高了517%和604%，分別較PM處理顯著提高了299%和355%(P＜0.05)；各土層CK與PM處理間均差異不顯著。

在10—30 cm土層，OM與OMP處理速效鉀含量分別較CK顯著提高了453%、400%，分別較PM處理顯著提高了522%、463%；在30—40 cm土層，OM與OMP處理分別較CK顯著提高了191%、157%，分別較PM處理顯著提高了268%、225%(P＜0.05)；各土層CK與PM處理間均差異不顯著。

2.3 不同耕作處理高通量測(cè)序方法分析

2.3.1 不同處理土壤細(xì)菌多樣性分析 微生物多樣性是一個(gè)群落穩(wěn)定性的標(biāo)尺，反映環(huán)境的生態(tài)機(jī)制和外界脅迫對(duì)群落的影響。通過表4所示的不同處理土壤樣品細(xì)菌多樣性指數(shù)和豐富度指數(shù)發(fā)現(xiàn)，亞表層措施與地膜覆蓋與否對(duì)土壤細(xì)菌微生物的多樣性(Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù))和豐富度(ACE指數(shù)和Chao指數(shù))均未產(chǎn)生顯著性差異。

表4 耕作和培肥處理0—40 cm土層土壤樣品細(xì)菌多樣性指數(shù)與豐富度指數(shù)差異(Mean ± SD)Table4 Microbial diversity in soil treated with film mulching and fertilization

2.3.2 不同處理對(duì)土壤屬水平細(xì)菌相對(duì)含量的影響

屬水平分析鑒定出524個(gè)菌屬，如圖3所示，不同處理微生物屬組成相似，但屬的相對(duì)豐度有明顯差異，其中已被鑒定的序列中排名前10的優(yōu)勢(shì)菌屬為Bacillus(芽孢桿菌屬)、unidentified_Acidobacteria(待定酸桿菌屬)、Altererythrobacter(交替赤桿菌屬)、Pseudomonas(假單胞菌屬)、unidentified_Actinomarinaies(待定放線菌屬)、Steroidobacter(降解類固醇桿菌屬)、Streptomyces(鏈霉菌屬)、Nocardioides(諾卡氏菌屬)、Sphingomonas(鞘脂單胞菌屬)、Marmoricola(大理石雕菌屬)，其前10的菌群序列數(shù)占總序列的12.20%～19.46%。

圖3 耕作和培肥處理細(xì)菌群落屬水平優(yōu)勢(shì)物種Fig.3 Dominant bacterial community species in genus level treated with subsurface layer fertilization

亞表層培肥處理(OM、OMP)均顯著提高了Bacillus(芽孢桿菌屬)、Altererythrobacter(交替赤桿菌屬)、Steroidobacter(降解類固醇桿菌屬)、Streptomyces(鏈霉菌屬)與Nocardioides(諾卡氏菌屬)等菌屬的豐富度，其中OM、OMP處理Bacillus(芽孢桿菌屬)豐富度較CK分別提高了1.13%與4.03%，較PM處理分別提高了0.88%與6.06%；OM、OMP處理Altererythrobacter(交替赤桿菌屬)豐富度較CK分別提高了2.21%與1.05%，較PM處理分別提高了2.11%與0.95%；OM、OMP處理Steroidobacter(降解類固醇桿菌屬)豐富度較CK分別提高了1.15%與1.19%，較PM處理分別提高了1.12%與1.64%；OM、OMP處理Streptomyces(鏈霉菌屬)豐富度較CK分別提高了1.06%與1.19%，較PM處理分別提高了1.11%與1.23%；OM、OMP處理Nocardioides(諾卡氏菌屬)豐富度較CK分別提高了0.30%與0.98%，較PM處理分別提高了0.24%與 0.92%(P＜0.05)。

另外，OM、OMP處理降低了unidentified_Acidobacteria(待定酸桿菌屬)的豐富度，較CK分別降低了1.24%與1.81%，較PM處理分別降低了1.59% 與 2.19%(P＜0.05)。

2.3.3 主要細(xì)菌類群與土壤化學(xué)指標(biāo)的相關(guān)性分析

表5表明，食葵收獲后大部分微生物類群與土壤pH值、有機(jī)質(zhì)含量等化學(xué)指標(biāo)均呈現(xiàn)或正或負(fù)的相關(guān)性，說明土壤化學(xué)性質(zhì)的差異是影響土壤微生物組成的重要因素。其中只有假單胞菌屬、鞘脂單胞菌屬與大理石雕菌屬與任一化學(xué)指標(biāo)間均無顯著相關(guān)；芽孢桿菌屬、交替赤桿菌屬、降解類固醇桿菌屬、鏈霉菌屬與諾卡氏菌屬與有機(jī)質(zhì)及速效氮磷鉀含量均呈極顯著正相關(guān)，與收獲后pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)(P＜0.01)；待定酸桿菌屬與有機(jī)質(zhì)及速效氮、磷、鉀含量均呈極顯著負(fù)相關(guān)，但與收獲后pH值呈極顯著正相關(guān)(P＜0.01)；各菌屬與收獲后0-40 cm土層平均全鹽含量均無顯著相關(guān)性。

表5 收獲后0—40 cm土層化學(xué)性質(zhì)與主要細(xì)菌類群的相關(guān)系數(shù)Table5 Correlation analysis between abundance of main microbial groups and soil properties in 0-40 cm layer

2.4 不同處理對(duì)食葵根系生物量的影響

由表6可知，2014-2015年P(guān)M、OM和OMP各處理均較CK的根干重有不同程度的增高，PM、OM和OMP較CK均差異顯著，并整體上表現(xiàn)為 OMP＞OM＞PM＞CK 的增長順序。2014 年P(guān)M、OM和OMP各處理的食葵根干重分別較CK顯著提高41.88%、66.37%和77.42%，2015年分別較CK顯著提高63.12%、75.99%和84.02%，其中CK與PM處理之間差異顯著，OM與OMP處理之間無顯著差異(P＜0.05)。

表6 2014—2015年不同處理10—40 cm土層食葵根系干重(g/plant)Table6 Dry weight of sunflower root in 0-40 cm soil layer under different treatments during 2014-2015

3 討論

3.1 亞表層培肥對(duì)土壤鹽分、pH和養(yǎng)分分布特征的影響

2014年田間小區(qū)試驗(yàn)對(duì)水分、鹽分及作物生長情況進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，在此基礎(chǔ)上，本文基于2015年的亞表層培肥微區(qū)試驗(yàn)對(duì)土壤鹽分、pH、養(yǎng)分及微生物的影響進(jìn)行了討論。提高灌溉脫鹽率，降低苗期土壤含鹽量，尤其是0—40 cm根系分布層鹽分含量是鹽堿地農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要環(huán)節(jié)。Zhang等[13]研究結(jié)果表明鹽堿地15 cm土層深處旋耕施入有機(jī)肥料和改良劑可使耕層鹽分較初始顯著降低，但在本研究中，隨有機(jī)肥的施入亞表層培肥處理(OM、OMP)均出現(xiàn)了10—30 cm土層鹽分含量顯著增加，究其原因主要是本試驗(yàn)施于亞表層的有機(jī)肥含鹽量高(16.09 g/kg)且用量大，導(dǎo)致土體鹽分高于CK、PM處理。2014年的試驗(yàn)結(jié)果也表明亞表層培肥處理在春灌前10—30 cm土層鹽分含量總體偏高(比CK、PM處理增加35.8～44.1%)，但春灌后亞表層培肥措施促使鹽分淋洗至較深土層，尤其OMP處理表現(xiàn)更突出，因此不影響作物出苗和生長。另外，本研究還發(fā)現(xiàn)，在食葵收獲后，OM處理表層0—10 cm土壤鹽分含量接近于CK，而OMP處理顯著降低了0—10 cm表層返鹽率，這是由于地膜覆蓋可以降低蒸散，有效保蓄土壤水分[14]，這也表明亞表層培肥結(jié)合地膜覆蓋更利于抑制地表返鹽，但在40 cm土層以下，OM、OMP處理鹽分含量均顯著高于CK、PM處理，表明亞表層培肥處理當(dāng)年在作物收獲后鹽分也主要在這一層聚集。

土壤pH值是反映鹽堿土壤改良狀況的重要指標(biāo)，與土壤微生物的活性、有機(jī)質(zhì)的分解、土壤養(yǎng)分的釋放與固定等密切相關(guān)[15]。張建兵等[10]研究表明有機(jī)肥、覆蓋及其組合措施對(duì)降低土壤pH值是有一定效果的，但并不顯著，而本研究發(fā)現(xiàn)OM、OMP處理可顯著降低10—30 cm及30—40 cm土層的pH值(P＜0.05)。產(chǎn)生差異的原因主要是本試驗(yàn)施用有機(jī)肥的用量較大，約為10.68 kg/m2，且本試驗(yàn)亞表層施用有機(jī)肥pH值較低(pH 7.06)，其本身分解轉(zhuǎn)化過程中產(chǎn)生的有機(jī)酸在一定程度上能中和土壤中的堿，對(duì)土壤的酸堿度有一定的緩沖作用；另外有機(jī)肥中含有的土壤有益微生物能夠分泌多種氨基酸，其兩性電解質(zhì)具有重要的酸堿緩沖作用，可降低土壤鹽堿化程度[15]。王海泉等[14]研究表明地膜覆蓋栽培大豆pH值較裸地栽培顯著降低，其原因是地膜覆蓋增加了表層土壤呼吸強(qiáng)度，作物根系通過呼吸作用產(chǎn)生CO2，溶于水使土壤pH降低，但在本研究中地膜覆蓋對(duì)降低pH值的效果并不顯著，其原因可能與土壤類型及種植作物不同有關(guān)。

本研究試驗(yàn)區(qū)土壤有機(jī)質(zhì)含量低，缺磷少氮，2015年試驗(yàn)開始前土壤有機(jī)質(zhì)含量僅為12.50 g/kg，堿解氮、速效磷、速效鉀含量僅為35.70 mg/kg、10.70 mg/kg、118.00 mg/kg。本研究表明OM、OMP處理均可顯著增加10—30 cm土層有機(jī)質(zhì)的含量，由于這一土層溫度較土壤表層相對(duì)低(收獲期各處理10—30 cm平均土壤溫度為16.9℃，0—10 cm土壤溫度為18.7℃)，微生物活動(dòng)弱，有機(jī)質(zhì)分解速度慢，因此有更多的有機(jī)質(zhì)積累[16]。鹽堿土的環(huán)境不利于固氮微生物生存，不能良好地利用和固定大氣中的氮素，導(dǎo)致土壤缺氮，而施用有機(jī)肥是增加土壤氮素的主要措施之一[17]。本研究發(fā)現(xiàn)OM、OMP處理顯著提高了食葵收獲后10—30 cm土層堿解氮含量，原因是由于有機(jī)肥施入后在微生物作用下分解釋放礦物氮，另外，外源有機(jī)物料的補(bǔ)充對(duì)土壤原有有機(jī)氮的礦化有激發(fā)效應(yīng)[18]。土壤中的磷酸鹽在pH值6～7.5時(shí)有效性最大，當(dāng)pH值小于6.5或超過7.5時(shí)，則磷酸鹽將形成難溶鹽而被固定[15]。該試驗(yàn)區(qū)鹽堿地pH值偏高，大量磷素被固定為無效磷，導(dǎo)致速效磷含量低，土壤缺磷現(xiàn)象嚴(yán)重。本研究發(fā)現(xiàn)OM、OMP處理顯著提高了10—30 cm土層速效磷含量，這是由于施入有機(jī)肥后，降低了土壤pH值，活化土壤中的固定態(tài)磷，同時(shí)有機(jī)肥中含有有益細(xì)菌可通過自身生命活動(dòng)分解遲效養(yǎng)分，提高了磷素的有效性，增加了速效磷含量[19]，OM、OMP處理30—40 cm土層速效磷含量顯著高于其他處理，這與灌溉產(chǎn)生淋溶過程有關(guān)。亞表層培肥處理也顯著增加了10—30 cm與30—40 cm土層速效鉀含量，主要是由于施入有機(jī)肥使土壤中的有機(jī)質(zhì)含量增加，隨著有機(jī)質(zhì)的提高，土壤對(duì)鉀素的固定減少，同時(shí)有機(jī)肥中的鉀細(xì)菌可通過生命活動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)難溶性鉀的轉(zhuǎn)化[20]。由于亞表層培肥措施對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)及速效養(yǎng)分分布的影響，也造成10—40 cm土層食葵根系生物量干重明顯高于對(duì)照和PM處理(表6)。

3.2 亞表層培肥對(duì)土壤微生物區(qū)系的影響

增施有機(jī)肥與地膜覆蓋是改良鹽堿土壤的有效農(nóng)業(yè)措施，這些措施會(huì)直接或間接地影響土壤細(xì)菌豐度和多樣性的變化，進(jìn)而影響土壤功能[9]。許多研究表明，施廄肥、綠肥等有機(jī)肥有利于維持土壤微生物的多樣性及活性[21]。但I(xiàn)nnerebner等[22]發(fā)現(xiàn)，有機(jī)肥與耕作方式均不能改變土壤微生物多樣性。本試驗(yàn)結(jié)果同樣表明，相較于CK，OM、OMP處理對(duì)土壤細(xì)菌多樣性與豐富度均無顯著性影響，可能是由于該措施使用年限較短，而土壤中微生物對(duì)環(huán)境的改變具有一定的適應(yīng)能力，其群落多樣性水平的變化需要經(jīng)歷一定的周期[23]。有研究表明，由于有機(jī)肥中鹽分含量過高，影響了細(xì)菌多樣性[24]，本研究發(fā)現(xiàn)亞表層培肥后雖增加了鹽分含量，但灌溉后亞表層培肥處理本身起到了加速淋鹽的作用，因此鹽分不是影響細(xì)菌多樣性的主要因素，但大量有機(jī)肥施用后也帶入一部分重金屬在土壤中富集，可能會(huì)在一定程度上降低了土壤微生物多樣性[22]。本試驗(yàn)結(jié)果還表明，相比于不覆膜處理(CK、OM)，覆膜處理(PM、OMP)土壤中細(xì)菌多樣性與豐富度指數(shù)均無顯著性差異?？赡茉蚴潜M管覆膜改善了土壤環(huán)境，但微生物區(qū)系中優(yōu)勢(shì)菌群抗外界干擾能力較強(qiáng)，對(duì)微生物多樣性與豐富度影響不劇烈。侯曉杰等[25]研究同樣表明覆膜措施與裸地相比，Simpson多樣性指數(shù)差異不顯著。

土壤培肥措施由于增加了大量有機(jī)肥，為微生物提供了豐富的碳源，刺激了微生物的生長，提高了微生物活性，使土壤微生物區(qū)系發(fā)生了變化[26]。本試驗(yàn)表明，亞表層培肥處理(OM、OMP)顯著提高了芽孢桿菌屬、交替赤桿菌屬、降解類固醇桿菌屬、鏈霉菌屬、諾卡氏菌屬的豐度(P＜0.05)，這也與Smit等[27]的研究結(jié)果有一定的相似性。其中芽孢桿菌是目前應(yīng)用較多的生防微生物之一，同時(shí)芽孢桿菌及鏈霉菌等微生物對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成與穩(wěn)定性有著重要作用，有利于減少土壤表面水分蒸發(fā)，從而使鹽分離子在表面聚集減少，含鹽量降低，改善了土壤中的環(huán)境特征[23]。另外，本研究發(fā)現(xiàn)耕層培肥結(jié)合地膜覆蓋措施對(duì)抑制土壤表層返鹽效果更明顯，原因是該組合措施為作物生長創(chuàng)造的膜內(nèi)小環(huán)境顯著增加了芽孢桿菌屬等細(xì)菌豐度，在微生物繁殖過程中，產(chǎn)生大量的多糖和粘膠，使土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)得到明顯改善[28]。交替赤桿菌屬隸屬于赤桿菌科，在起始pH6.0～8.5范圍內(nèi)生長速率較快，而諾卡氏菌屬屬于嗜酸放線菌[29]，亞表層培肥處理下兩類菌屬豐度的顯著增加可能是由于大量有機(jī)肥的施用提供了適宜的pH環(huán)境。降解類固醇桿菌屬與芳香烴的降解和硝化反硝化過程有關(guān)，該菌屬豐度的顯著增加可能是添加了可利用的有機(jī)碳造成的[30]。

目前多數(shù)研究發(fā)現(xiàn)土壤酸桿菌的相對(duì)豐度與土壤pH值呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系[31]，但本試驗(yàn)結(jié)果表明亞表層培肥處理降低了pH值，但其某一待定酸桿菌屬豐度出現(xiàn)顯著降低的情況。同時(shí)，Zhang等[32]對(duì)神農(nóng)架森林土壤研究也發(fā)現(xiàn)，土壤酸桿菌亞門GP1、2和3與土壤pH值呈高度正相關(guān)，已發(fā)現(xiàn)酸桿菌的多個(gè)亞門在堿性土壤中富集。在菌屬注釋過程中，16 S設(shè)定閾值為0.8～1，而置信度低設(shè)定閾值的注釋結(jié)果不能完整輸出，本研究發(fā)現(xiàn)的unidentified_Acidobacteri表示該菌屬可以比對(duì)到數(shù)據(jù)庫中的某一參考序列，但該參考序列在該分類水平上尚無具體注釋信息。因此，在本研究條件下是否存在某一些隸屬于酸桿菌門的菌屬與土壤pH值呈正相關(guān)關(guān)系，為此需進(jìn)一步確定該菌屬種類。

3.3 土壤細(xì)菌類群與土壤化學(xué)性質(zhì)的相關(guān)性

土壤微生物受到種植作物類型、土壤類型、耕作措施、土壤水熱狀況以及土壤養(yǎng)分含量等多種因素的影響，并且能夠敏感地反映土壤生態(tài)系統(tǒng)的細(xì)微變化及其程度，同時(shí)微生物又反過來影響著土壤理化性質(zhì)的改變[21]。通過本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤微生物與土壤化學(xué)性質(zhì)之間有著密切的關(guān)系，相關(guān)性分析表明，大多數(shù)菌屬豐度是隨著pH值的降低、營養(yǎng)物質(zhì)含量的升高而升高的，但是待定酸桿菌屬表現(xiàn)為在鹽堿程度較輕、有機(jī)質(zhì)更豐富的土壤中較其他菌屬豐度降低，這與丁新景等[33]的研究表明酸桿菌門細(xì)菌豐度與有機(jī)質(zhì)含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系的結(jié)論相似。芽孢桿菌屬、交替赤桿菌屬、降解類固醇桿菌屬、鏈霉菌屬與諾卡氏菌屬相對(duì)含量均與有機(jī)質(zhì)與速效養(yǎng)分含量呈顯著正相關(guān)，與pH值呈顯著負(fù)相關(guān)，這也在一定程度上解釋了亞表層培肥處理此類微生物高于其他處理的原因。有研究發(fā)現(xiàn)黃河三角洲地區(qū)芽單胞菌門細(xì)菌豐度與有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系[33]；交替赤桿菌屬屬于變形菌門，F(xiàn)ierer等[34]同樣發(fā)現(xiàn)變形菌門微生物與土壤有機(jī)質(zhì)含量呈顯著正相關(guān)；鏈霉菌屬與諾卡氏菌屬屬于放線菌門，有研究同樣發(fā)現(xiàn)速效氮和速效鉀含量與放線菌門相對(duì)豐度呈極顯著正相關(guān)[35]；而降解類固醇桿菌屬具有反硝化能力[31]，反硝化細(xì)菌大多屬于異養(yǎng)細(xì)菌，有機(jī)肥的施入導(dǎo)致碳源的增加，可能是導(dǎo)致其豐度與養(yǎng)分及有機(jī)質(zhì)呈現(xiàn)顯著正相關(guān)的原因。此外，本研究發(fā)現(xiàn)假單胞菌屬、鞘脂單胞菌屬、大理石雕菌屬與土壤化學(xué)指標(biāo)均無顯著相關(guān)性，而韋俊等[36]研究表明假單胞菌屬與鞘脂單胞菌屬與土壤化學(xué)性質(zhì)均呈顯著相關(guān)性，這是可能由于研究區(qū)土壤類型、質(zhì)地不同以及基礎(chǔ)理化性質(zhì)差異導(dǎo)致微生物優(yōu)勢(shì)菌群相對(duì)含量的不同?？傮w來說，在亞表層通過有機(jī)肥的大量施用提高了土壤中優(yōu)勢(shì)菌屬的比例，促進(jìn)土壤中的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，同時(shí)土壤pH值和營養(yǎng)物質(zhì)含量也在一定程度上決定了土壤微生物的組成。

4 結(jié)論

亞表層培肥結(jié)合地表覆膜措施可促進(jìn)鹽分淋洗并有效抑制地表返鹽，顯著地降低各深度土層土壤pH，在一定程度上調(diào)節(jié)土壤酸堿度，同時(shí)提高了當(dāng)年10—30 cm、30—40 cm土壤有機(jī)質(zhì)及速效養(yǎng)分含量。

亞表層培肥處理均顯著提升了芽孢桿菌屬(Bacillus)、交替赤桿菌屬(Altererythrobacter)、降解類固醇桿菌屬(Steroidobacter)、鏈霉菌屬(Streptomyces)與諾卡氏菌屬(Nocardioides)等優(yōu)勢(shì)菌群豐度，土表塑料薄膜覆蓋不影響微生物多樣性(Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù))和豐富度(ACE指數(shù)和Chao1指數(shù))。

芽孢桿菌屬、交替赤桿菌屬、降解類固醇桿菌屬、鏈霉菌屬與諾卡氏菌屬相對(duì)含量均與收獲后0—40 cm土壤養(yǎng)分含量呈極顯著正相關(guān)，與pH值呈極顯著負(fù)相關(guān)，但與全鹽含量無顯著相關(guān)性。

綜上所述，亞表層培肥結(jié)合地表覆膜一方面可使土壤有機(jī)質(zhì)及氮磷鉀速效養(yǎng)分含量快速增加并有效緩解鹽分表聚，另一方面可改善土壤微生物區(qū)系結(jié)構(gòu)及豐度，因此，亞表層(10—30 cm)培肥 + 地表覆膜可作為西北干旱氣候條件下鹽堿土改良的有效耕作措施。