不同稻草還田技術對煙-稻輪作系統土壤養分、有機碳及微生物多樣性的影響

黃錦文 李日坤 陳志誠 張汴泓 雷涵 潘睿欣 楊銘榆 潘美清 唐莉娜

不同稻草還田技術對煙-稻輪作系統土壤養分、有機碳及微生物多樣性的影響

黃錦文1, 2李日坤1, 2陳志誠3張汴泓1, 2雷涵1, 2潘睿欣1, 2楊銘榆1, 2潘美清1, 2唐莉娜3, *

(1福建農林大學農學院/作物遺傳育種與綜合利用教育部重點實驗室, 福州 350002;2作物生態與分子生理學福建省高校重點實驗室, 福州 350002;3福建省煙草專賣局煙草科學研究所, 福州 350003;*通信聯系人, email: 704142780@qq.com)

【目的】探討不同稻草還田技術措施對土壤特性的影響及根際微生物修復和改良土壤的內在機制，探索適合福建煙-稻輪作區的稻草高效還田技術，以期為煙-稻輪作區作物優質高效栽培提供依據。【方法】以烤煙“云煙87”和晚稻“甬優1540”為材料，通過不同的稻草還田配施技術處理，進行了2年的田間定位試驗，分析比較了煙-稻輪作系統耕層土壤養分、根際微生物和作物產量的變化規律以及根際微生物與土壤環境因子間的內在關系。【結果】產量分析表明，連續2年稻草還田后，各處理產量均比對照顯著增加，其中配施石灰和尿素的T2處理最顯著，其煙草和水稻產量分別比對照提高25.67%、11.49%；其次是配施腐稈靈和尿素的T3處理，純稻草T1還田處理效果最差；T1處理第1年稻草還田后煙草產量與對照差異不顯著，第2年煙草和水稻產量分別比對照提高3.77%和5.90%。耕層土壤養分特性分析表明，經連續2年的稻草還田處理后，耕層土壤養分與有機碳含量均顯著增加，其中T2處理效果最好，其次是T3處理。T2處理堿解氮、有效磷、速效鉀、有機碳和可溶性有機碳含量分別比對照提高了7.09%、5.97%、3.01%、11.32%和5.47%。根際微生物群落分析表明，與對照相比，T2、T3處理下碳源代謝相關的、自毒物質降解有關的節桿菌屬（）和纖維素分解有關的假散囊菌屬（）豐度均顯著上升，而與發病相關的腐質霉屬（）和青霉菌屬（）相對豐度則顯著下降。相關分析表明，根際有益菌豐度與土壤養分因子多為正相關，而致病菌的豐度則與土壤養分因子負相關。【結論】稻草還田配施石灰或腐稈靈和適量速效氮肥，有利于提高耕層養分含量，促進固氮等有益微生物生長，抑制病原菌，為煙-稻輪作提供良好的土壤環境，進而提高作物產量。

稻草還田；煙-稻輪作；土壤養分；根際微生物；群落多樣性

福建是中國優質煙區之一，有適宜煙草種植的優越生態條件和悠久種煙史。長期以煙-稻復種連作為主。前人研究表明，合理的煙-稻輪作通過干濕交替引起的土壤氧化和還原作用的交替，有利于調節土壤有機質的積累和分解，改善土壤結構，從而保持和提高土壤肥力[1]。然而，20世紀80年代以來，隨著作物高產品種的推廣，化肥用量日益增長，煙區長期單一的煙-稻復種連作耕作制度，導致了土壤物理結構逐漸變差，土壤中微生物區系平衡被破壞，養分失衡，大量氮肥的投入直接加快了土壤酸化進程[2]。土壤質量問題已經成為限制福建煙-稻輪作區作物生產持續健康發展的瓶頸。

稻草是可被直接利用的可再生纖維素資源，含有大量的有機碳、纖維素、氨基酸和豐富的礦質元素。稻草還田是土壤改良的主要措施之一。前人研究表明，稻草還田對于提高土壤微生物功能多樣性和群落代謝能力[3-5]，改善土壤的理化性狀[6-8]，增加土壤肥力[9-11]，提高作物產量[12-14]等方面均產生積極影響。但在福建煙-稻輪作區，由于烤煙大田移栽早，導致前茬水稻的稻草還田后溶田時間縮短，傳統的簡易稻草還田技術往往使稻草難以完全腐爛分解，影響到煙株的早生快發，若遇到爛冬天氣，還嚴重影響耕作，因此，近幾年福建煙-稻輪作區稻草還田面積在不斷縮減。隨著分子生物學技術在土壤環境領域的應用，根際微生物的研究越來越受到重視。研究發現根際微生物中一些重要的功能微生物作為主要的共生功能體參與植物根系養分轉化，對調節有機質、生產力、土壤碳動態和養分循環起著關鍵作用[15]。據此，本研究通過連續2年的不同稻草還田配施處理，結合根際土壤微生物群落特征分析，考查土壤養分及有機碳的變化規律，探討不同稻草還田技術對土壤特性的影響及根際微生物修復和改良土壤的內在機制，探索適合福建煙-稻輪作區的稻草高效還田技術，以期為煙-稻輪作區作物優質高效栽培提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區域概況

選用福建主栽烤煙品種云煙87及晚季水稻甬優1540為供試材料，于2019年10月―2021年10月在福建省煙草科學研究所宦溪基地（119°36′86″E，26°17′33″N）進行2年連續跟蹤試驗。該區域屬于亞熱帶海洋性季風氣候，參試土壤為黏壤質水稻土，土壤基本理化性狀態如下：pH值為4.96，有機質含量27.65 g/kg，全氮含量1.68 /kg，全磷含量0.62 g/kg，全鉀含量21.58 g/kg，堿解氮含量96.37 mg/kg，速效磷含量51.10 mg/kg，速效鉀含量190.06 mg/kg。

1.2 試驗設計

田間定位試驗共設置4個處理：T0，無稻草還田（對照）；T1，純稻草還田（即傳統稻草還田方式）；T2，稻草還田+石灰（1500 kg/hm2）+尿素（75 kg/hm2）；T3，稻草還田+腐稈靈（30 kg/hm2)+尿素（75 kg/hm2）。每個處理設置3個重復，共12個小區，隨機區組排列。每個小區的面積為120 m2，烤煙種植密度為1.2 m×0.5 m；晚季水稻種植密度0.2 m×0.2 m。小區之間筑田埂并用塑料薄膜包埋隔開。腐稈靈由廣東高明金葵子科技有限公司生產（有效活菌數≥5×107／g）。

稻草還田方法：水稻收獲后，將稻草切成3～5段，均勻撒在田間，T2處理在稻草面上撒施石灰和尿素，T3處理撒施腐稈靈和尿素。然后灌水浸泡3～5 d后，用旋耕機打田，將稻草打爛，田間保持7～10 cm水層，淹漚35 d左右。整地前15～20 d，開好排水溝讓水分自然落干，耕翻起壟用于種植煙草。2020年2月25日煙苗移栽，7月3日終采，采收結束后種水稻。晚稻于2020年7月16日插秧，10月23日成熟收割，割后按照試驗要求進行第2輪的稻草還田處理，2021年重復上一年的試驗。烤煙及水稻均按當地優質、高產栽培要求進行水肥管理，除試驗處理外，其他施肥量和管理方式一致。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 作物產量測定

煙葉成熟分期采收、烘烤，烤后煙葉按小區分別測產，計算各小區產量及上等煙比例。

水稻成熟期，每個小區根據平均有效穗數取有代表性水稻5株，考查有效穗數、每穗總粒數及實粒數、千粒重，計算結實率，各小區田塊進行人工收割測產。

1.3.2 土壤養分及有機碳測定

耕層土壤樣本采集，于烤煙旺長期及水稻成熟收獲后每個小區按照S型均勻取10個點，將各點土壤充分混合后，做好標記，帶回實驗室風干，用于土壤養分、有機碳及可溶性有機碳的測定。

土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量測定[16]：堿解氮的測定采用堿解擴散法；速效磷采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀含量的測定采用醋酸銨浸提的火焰光度計法。

土壤有機碳（soil organic carbon，SOC）、可溶性有機碳（dissolved organic carbon，DOC）含量測定：土壤有機碳的測定采用重鉻酸鉀-濃硫酸外加熱法[16]；可溶性有機碳參照占新華方法進行測定[17]。

DOC有效率[18-19]=（DOC/SOC）×100%。

1.3.3 煙草根際土壤微生物群落調查

樣品采集：于第2年烤煙旺長期，每個小區隨機取3棵煙株，連根拔起，先將根系周圍土樣輕微抖動剝離，留下根系周圍1 mm的土壤，然后在磷酸鹽緩沖液（PBS）中浸泡5 min，用鑷子輕微攪動便于根土分離，然后將根系取出，余下土壤溶液置于4℃、10 000離心機中離心30 s，沉淀土壤作為根際樣品。

土壤總DNA的提取和高通量測序分析：土壤總DNA采用土壤總DNA提取試劑盒（PowerSoil DNA Isolation Kit）進行提取，采用1%凝膠電泳檢測后，經Nanodrop 2000C測定總DNA濃度。將檢測合格的土壤總DNA樣品送至北京奧維森基因科技有限公司進行高通量測序分析，每組樣品包含3個重復。細菌測序引物338F/806R擴增可變區V3-V4區，真菌使用引物ITS1F-ITS2F擴增內部轉錄間隔區（ITS1）。采用Illumina Miseq 2500對純化后的PCR產物進行測序，并進行相應生物信息學分析。

1.4 數據處理與分析

測序數據分析：原始數據先去除Barcode、Primer序列后使用FLASH軟件進行拼接，得到原始Tags數據（raw_tags），對Tags數據進行過濾，得到高質量Tags數據（clean_tags）。使用usearch軟件按照97%相似性序列進行操作分類單元(OUT)聚類（不含單序列），并選取OTU的代表性序列，采用RDP Classifier算法和Silva數據庫Release 119對OTU代表序列進行比對分析，并在各個水平（Phylum，Class，Order，Family，Genus，Species）注釋其群落的物種信息。對各樣本中的OTU豐度進行均一化處理，使用Qiime 1.8計算observed- species，Chao1，Shannon，goods-coverage，PD_whole_tree指數，使用R語言2.15.3繪制稀釋曲線并進行Alpha多樣性指數組間差異分析。使用R語言進行PCoA統計分析和作圖。

采用Excel 2016和SPSS 20.0軟件進行數據分析，最小顯著差異法（LSD）比較不同數據組間的差異，Origin 2021b SR2、R語言作圖。

2 結果與分析

2.1 煙-稻輪作系統作物產量與產值變化

2.1.1 烤煙經濟性狀表現

由表1可知，烤煙2年產量均表現為T2＞T3＞T1＞T0，年度間差異顯著。第1年傳統純稻草還田T1處理產量與對照T0差異不顯著，其他處理顯著高于T0；第2年各處理產量差異均達顯著水平。連續2年的稻草還田后，配施石灰的T2處理和配施腐稈靈的T3處理分別比對照T0增產25.67%和9.48%，比T1分別增產21.10%和5.50%，T1處理比對照增產3.77%。各處理產值表現與產量一致，也是T2處理最高，其次是T3處理。均價和上中等煙比例方面，連續2年稻草還田后，T2與T3處理顯著高于T1和T0處理，T1處理顯著高于對照T0。

表1 煙-稻輪作系統中烤煙經濟性狀的變化

表中數據為平均值±標準差；同列數字后不同字母表示同一年份的處理間在0.05水平差異顯著。*< 0.05；**< 0.01；NS,>0.05。下同。

Values are means ± standard deviation. Different lowercase letters in each column indicate significant difference between different treatments in the same year at 0.05 level. *< 0.05；**< 0.01；NS，>0.05. The same below.

2.1.2 水稻產量及其構成因素變化

水稻產量分析表明（表2），各處理產量存在年度間差異，第2年各稻草還田處理產量比第1年均有所增加。2年試驗均表現為配施石灰的T2處理及配施腐稈靈的T3處理實際產量都顯著高于對照T0和傳統的純稻草還田T1處理，T1處理也顯著高于對照。連續2年稻草還田后，T1、T2與T3處理實際產量分別比對照T0增產5.90%、11.49%和10.40%。從產量構成因素分析，稻草還田主要是增加了單位面積的有效穗數，其次是穗粒數的增加。

表2 煙-稻輪作系統中水稻產量及其構成因素的變化

2.2 煙-稻輪作系統耕層土壤養分、有機碳、可溶性有機碳含量及其有效率變化

2.2.1 耕層土壤速效養分含量

表3表明，連續2年稻草還田后，各季作物收獲后土壤堿解氮均表現為T2>T3>T1>T0，各處理均顯著高于對照T0，但T2與T3處理間差異不顯著；有效磷方面，各處理均顯著高于對照T0，T2處理有效磷增加最多，其次是T1和T3，T1、T2和T3處理分別比對照T0提高3.68%、5.97%和3.82%。速效鉀方面，經2年4茬作物種植后各處理均顯著高于對照T0，但各稻草還田處理間差異不顯著。

表3 耕層土壤養分、有機碳、可溶性有機碳含量及其有效率變化(2021年)

DOC有效率=可溶性有機碳/土壤有機碳×100%。下同。

DOC-SOC ratio, Dissolved organic carbon/Soil organic carbon×100%. The same below.

2.2.2 耕層土壤有機碳、可溶性有機碳含量及其有效率變化

秸稈中含有豐富的碳源，還田后有利于促進土壤礦化作用。表3表明，連續2年稻草還田及4茬作物的種植后，各處理SOC含量均比對照有顯著提高，T1、T2、T3處理分別比對照T0提高了4.64%、11.32%、10.48%。

各稻草還田處理均有助于增加土壤DOC含量（表3），以T2處理效果最顯著，T2處理分別比對照T0和T1處理提高5.47%、2.08%，其次是T1和T3處理，分別比對照T0提高3.32%和3.14%。

DOC有效率即土壤中可溶性有機碳占土壤總有機碳的百分比，它反映了土壤有機碳質量[18-19]。表3表明，與各處理DOC含量變化不同的是，各處理DOC有效率均顯著低于對照T0，T1、T2、T3處理DOC有效率分別比對照T0下降2.44%、7.31%和7.31%。

2.3 根際土壤微生物群落變化及其與環境因子的關系

2.3.1 根際土壤微生物群落Alpha多樣性分析

煙草旺長期根際微生物群落稀釋曲線（圖1）是采用97%相似度的操作分類單元(OUT)對所測定土壤樣本進行稀釋，當曲線趨向平坦時，說明測序數據量足夠大，可以反映樣品中絕大多數的微生物信息[20]。圖1-A（細菌）和圖1-B（真菌）均表明，隨著測序深度的增加，各處理的OTU數逐漸增長，隨后趨于平緩，說明測序數據合理。

測序深度指數（Coverage）為樣本文庫覆蓋度。表4表明，細菌和真菌各樣本測序覆蓋度均大于95%，樣本測序結果已經包含樣本中絕大部分的物種，可進行后續分析。從細菌指數多樣性看，各處理辛普森指數差異不顯著，豐富度指數Chao1、多樣性指數Observed species和香農指數(Shannon index)均是T2處理最高，其次是T1處理；真菌指數多樣性分析表明（表4），各處理間豐富度指數Chao1和多樣性指數Observed species差異不顯著；香農指數均是T1處理最高，其次是T2處理。

韋恩圖(Venn Graph)反映了處理間特有及共有操作分類單元(OUT)數量。圖2-A表明，處理T0、T1、T2和T3分別檢測到2413、2503、2599、2331個細菌OTU，其中獨有OTU分別是76、95、146、55個，共有數量為2332。圖2-B表明，T0、T1、T2、T3各處理獨有真菌OTU分別有90、84、94、68個，共有數量為365。

A―細菌稀釋曲線；B―真菌稀釋曲線。

表4 烤煙旺長期根際土壤細菌和真菌的α-多樣性指數

A―細菌維恩圖; B―真菌維恩圖。

2.3.2 根際土壤微生物群落PCoA分析

采用主坐標分析法（Principal Co-ordinates Analysis，PCoA）分析根際土壤細菌群落結構（圖3-A），第一主坐標（PC1）的貢獻率為32.20%，第二主坐標（PC2）的貢獻率為18.95%，T1和T3在負半軸聚集，T0和T2在正半軸聚集，不同處理間區分明顯，說明各處理下根際土壤細菌群落存在明顯差異。真菌群落結構PCoA分析可知（圖3-B），第一主坐標（PC1）的貢獻率為58.37%，第二主坐標（PC2）的貢獻率為21.31%，T0、T3在正半軸聚集，T1、T2則在負半軸聚集，不同處理間區分明顯，說明不同處理對真菌群落結構有顯著影響。

2.3.3 根際微生物群落結構變化

從圖4-A細菌門水平上變化可知，一共鑒定到47個門類，其中相對豐度占比排前10位的依次是變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、酸桿菌門(Acidobacteriota)、放線菌門(Actinobacteriota)、髕骨菌門(Patescibacteria)、擬桿菌門(Bacteroidota)、芽單胞菌門(Gemmatimonadota）、疣微菌門(Verrucomicrobiota)、Myxococcota、WPS-2。T1和T3處理較T0處理變形菌門(Proteobacteria)相對豐度顯著提高，T2和T3處理較T0處理放線菌門(Actinobacteriota)相對豐度顯著提高。圖4-B顯示，一共鑒定到520個細菌屬類，其中相對豐度超過1%的有unidentified、uncultured、uncultured_bacterium羅河桿菌屬()、、伯克霍爾德氏菌屬()、uncultured_、節桿菌屬（）、不動桿菌屬()、慢生根瘤菌屬()、鞘脂單胞屬（）和。其中，T2、T3處理、節桿菌屬()的相對豐度較T0和T1處理顯著提高，T2、T3處理的鞘脂單胞屬(Sphingomonas)、Candidatus_Solibacter屬較T0處理有明顯提高。根際土壤真菌結構分析顯示（圖5-A），所有真菌共包含13個門，主要是子囊菌門(Ascomycota)、擔子菌門（Basidiomycota）、霉菌門（Mortierellomycota）、unidentified、壺菌門（Chytridiomycota）、羅茲菌門（Rozellomycota）、球囊菌門（Glomeromycota）、油壺菌門（Olpidiomycota）、梳霉門（Kickxellomycota）等。子囊菌門（Ascomycota）相對豐度占總量的80%以上，T3與T0相比，子囊菌門（Ascomycota）豐度顯著提高，而T1和T2差異不顯著。與T0相比，擔子菌門在T1、T2、T3中相對豐度均顯著上升。真菌群落在屬水平上的差異上（圖5-B），共鑒定到310個真菌屬類，其中相對豐度超過1%的有腐質霉屬（）、、、葡萄孢屬（）、被孢霉屬（）、青霉菌屬（）、鐮刀菌屬（）、和。與對照T0相比，T1、T2、T3處理腐質霉屬（）、青霉菌屬（）相對豐度均顯著下降，、鐮刀菌屬（）豐度均有上升，其中豐度差異達到顯著水平。

A―細菌; B―真菌。

A―門水平；B―屬水平。

2.3.4 根際土壤細菌、真菌主要菌屬功能分析

挑選相對豐度大于1%的已鑒定的根際微生物優勢菌屬進行功能分析(表5)，細菌菌屬8個，真菌菌屬6個。在細菌方面，相比于T0、T1處理，T2、T3處理顯著提高了具有碳源代謝功能的[21]及具有降解自毒物質功能的節桿菌屬（）[22]豐度；相比于對照T0，T1、T2與T3處理均顯著提高了具有分解有機質功能的[23]豐度；T1與T0處理相比，二者菌屬豐度差異不顯著，T1處理的節桿菌屬（）豐度顯著低于對照；真菌方面，與T0相比，各稻草還田處理均顯著降低了腐質霉屬（，與秸稈腐爛及植物病害發生相關）[24]的豐度、青霉菌屬（，與植物病害發生有關）[25]的豐度，顯著提升了具有纖維素分解功能的假散囊菌（）[26]豐度。

A―門水平；B―屬水平。

2.3.5 根際土壤優勢微生物（屬水平）與土壤養分、有機碳相關性分析

根際土壤優勢微生物（屬水平）與環境因子的相關性分析見表6。細菌方面，與碳源代謝相關的菌屬與有效磷（AP）極顯著正相關（0.790**）；具有降解自毒物質功能的節桿菌屬（）與土壤堿解氮（AN）和速效鉀（AK）呈極顯著正相關，相關系數分別為0.856**和0.718**；分解有機質有關的菌屬與堿解氮（AN）顯著負相關（?0.604*）。在真菌方面，除了和菌外，其他優勢菌屬均與環境因子間呈顯著性相關，其中具有分解纖維素功能的菌屬與堿解氮（AN）、速效磷（AP）及有機碳（SOC）呈極顯著或顯著正相關；（葡萄孢屬）與堿解氮（AN）呈極顯著負相關（?0.702*）；與病害發生有關的（青霉菌屬）與有效磷（AP）和有機碳（SOC）呈顯著負相關；有助于纖維素分解的（鐮刀菌屬）則與堿解氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）、和有機碳（SOC）呈極顯著或顯著正相關。可見，土壤優勢微生物不管是有益菌還是致病菌均與土壤速效養分及有機碳含量密切相關。

表5 根際土壤優勢細菌、真菌菌屬功能分析

表6 根際優勢微生物（屬水平）與耕層土壤養分、有機碳的相關性

3 討論

稻草還田能夠把水稻吸收的大部分元素歸還土壤中，從而有利作物對養分的吸收，提高作物產量。在本研究中，第1年稻草還田后，T2和T3處理均可以顯著增加煙草和水稻產量，而傳統的純稻草還田T1處理下煙草產量與對照差異并不顯著；但第2年稻草還田后，各處理烤煙和水稻產量均顯著高于T0，上下兩茬作物均為T2處理產量最高，其次是T3處理。王雪仁等[13]研究發現，稻草直接翻埋還田后反而降低了烤煙產量但可減輕田間青枯病發病率，而稻草堆漚發酵后還田可顯著增加烤煙產量。黃平娜等[14]研究表明，稻草翻壓還田效果優于稻草覆蓋還田，對烤煙產量的影響以第2年、第3的效果優于第1年。可見，作物生長對稻草還田的響應因還田處理技術及還田時間長短而異。在本研究中，T2與T3處理效果優于傳統純稻草還田T1處理，這是由于T2和T3處理分別加入了石灰和腐稈靈有利于加速稻草的腐爛分解，且這兩個處理在稻草還田時均配施了氮素以補充微生物對氮素的需求，因而有利微生物生長，增加土壤養分，進而促進作物生長[5]。而純稻草還田的T1處理由于稻草腐解緩慢，再加上煙草生長過程中大量分解稻草的微生物需要消耗土壤氮源，容易出現與作物爭氮的現象，因而短期內反而不利煙草生長。

稻草還田是改良土壤質地、提高綜合生產能力的重要措施。經連續2年的稻草還田及4茬作物種植后，耕層土壤養分測定結果表明，速效養分供應方面均顯著提升，這與前人研究一致[6]；T2、T3處理耕層土壤各速效養分含量均顯著高于對照，其中T2處理效果最佳，其堿解氮、有效磷和速效鉀分別比對照T0提高了7.09%、5.97%和3.01%；其次是T3處理。這可能是由于新鮮秸稈還田后，施用石灰可活化土壤中礦化態氮素、促進秸稈有機物分解[12]，而施用腐稈靈，加速秸稈腐熟后形成的腐殖質具有溶磷作用，則有助于堿解氮和有效磷等養分積累[8]。同時，T2與T3處理在稻草還田時添加適量速效氮肥，有利稻草還田前期土壤分解菌大量快速繁殖，形成優勢菌群，進而加快稻草的分解。

土壤有機碳（SOC）是碳庫中最活躍的組成部分，是農作物生長發育的根基，也是土壤有機質和各種養分良性循環的基礎[30]。水稻秸稈有機碳含量豐富，秸稈還田是影響有機碳轉化和積累的重要農田管理措施之一[31]。本研究發現，經過2年稻草還田及4茬作物的種植后T1、T2、T3處理SOC分別比對照T0提高了4.64%、11.32%、10.48%。可溶性有機碳（DOC）作為碳循環中的重要組成部分，在 SOC形成中起著重要作用。本研究中，與對照相比，T1、T2與T3處理均顯著提高土壤DOC含量，表現為T2>T3>T1>T0。這是因為稻草還田后大量的營養被土壤中的微生物吸收利用，尤其是加石灰或腐稈靈的處理其微生物生長更快，進而加快了秸稈的腐解，提升了土壤DOC的數量[32]。DOC有效率即土壤中DOC占SOC的百分比[18]，主要反映土壤有機碳的穩定性及損失情況，分配比越高土壤有機碳的活性越大，穩定性也越差[33]。該比例雖然很低，但其作為微生物生長的主要能源，在碳素循環方面具有重要作用[34]。在本研究中，各處理DOC有效率變化與其DOC含量變化呈現相反趨勢，即各處理該比值均顯著低于對照T0，表現為T0>T1>T3>T2趨勢。這可能是因為稻草還田能刺激微生物生長，可溶性有機物因具有較高的生物降解性，很容易被微生物作為首選基質底物而消耗掉[35]，而加石灰或腐稈靈的稻草還田，由于土壤中微生物數量過于龐大，因此導致大量的可溶性有機物被消耗[36]，進而導致其DOC有效率降低。

植物與環境之間的交互作用關鍵在于根際，根際微生物聚集在根系周圍，將有機物轉變為無機物，為植物提供養分，因此，根際微生物對土壤環境的調控，已成為當前農田土壤研究的熱點問題[37, 38]。本研究表明，加石灰的T2處理不管是細菌還是真菌群落其多樣性均最突出。從群落構成分析，在細菌門水平上一共鑒定到47個門類，其中變形菌門（Proteobacteria）相對豐度最高，為優勢菌門，是細菌中最大的一門，包括很多病原菌，也包括很多可以進行固氮的細菌；T2和T3處理較T0處理放線菌門（Actinobacteriota）相對豐度顯著提高，放線菌門主要促進土壤動植物殘體腐爛，同時對自然界的氮素循環也起著一定的作用[39]；而在真菌門水平上，共包含13個門，其中子囊菌門（Ascomycota）相對豐度占總量的80%以上，與T0相比，擔子菌門（Basidiomycota）在T1、T2、T3中相對豐度均顯著上升。Carniel等[40]研究發現，擔子菌門（Basidiomycota）和子囊菌門（Ascomycota）通過分泌漆酶和木質素過氧化物酶降解秸稈中的木質素。在細菌屬水平上，一共鑒定到520個屬類，其中，豐度占比前10位的細菌屬中，T1和T3處理的羅河桿菌屬（）的相對豐度較T0顯著提高，T2和T3處理的節桿菌屬（）較T0顯著提高。有研究表明節桿菌屬（）具有降解連作障礙產生的自毒物質作用[23]。在真菌屬水平上共鑒定到310個真菌屬類，在占比前10位的真菌屬中，與T0處理相比，T1、T2、T3處理腐質霉屬（）、青霉菌屬（）相對豐度均顯著下降，、鐮刀菌屬（）相對豐度顯著上升。主要菌屬功能分析發現（表5），和鐮刀菌屬（）具有較強的纖維素分解能力[26]；而腐質霉屬（）是腐生菌，同時也與多種疾病的發生有關[24]；青霉菌屬（）與多種病害的產生有關[25]。由此可見，T2與T3處理一方面促進了根際土壤分解秸稈和固氮有益菌群的增加，另一方面還抑制了病害相關的致病菌生長。進一步的相關分析發現，碳源代謝有關的[21]具有降解降解自毒物質功能的（節桿菌屬）[22]分解有機質功能的[23]分解纖維素功能的和鐮刀菌屬[26]與土壤AN、AP、AK和SOC等養分因子呈顯著或極顯著正相關（表6），而與病害發生有關的腐質霉屬[24]和青霉菌屬[25]與土壤AK和SOC等因子呈顯著或極顯著負相關（表6）。可見，根際有益菌的增加與大部分的土壤養分因子呈正相關關系，而致病性有害菌屬則與土壤養分呈負相關關系。

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Effects of Straw Returning Techniques on Soil Nutrients, Organic Carbon and Microbial Diversity in Tobacco-rice Rotation System

HUANG Jinwen1, 2, LI Rikun1, 2, CHEN Zhicheng3, ZHANG Bianhong1, 2, LEI Han1, 2, PAN Ruixin1, 2, YANG Mingyu1, 2, PAN Meiqing1, 2, TANG Lina3, *

(Key Laboratory for Genetic Breeding and Multiple Utilization of Crops, Ministry of Education/College of Agriculture, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China; Key Laboratory of Crop Ecology and Molecular Physiology, Fuzhou 350002, China; Fujian Provincial Tobacco Agriculture Research Institute, Fuzhou 350003, China; Corresponding author, email: 704142780@qq.com)

【Objective】It is of great significance to elucidate the effects of different rice-straw returning techniques on soil properties and the underlying mechanisms of rhizosphere microbial remediation and soil improvement, and to find an efficient straw returning technology suitable for the tobacco-rice rotation area in Fujian, so as to lay a basis for high-quality and efficient crop cultivation.【Method】Using flue-cured tobaccoYunyan 87and late riceYongyou 1540as materials, a 2-year field experimentwas carried out to reveal changes in soil nutrient properties and microbial communities in tobacco-rice rotation system and their relationships under various straw returning modes.【Results】With rice straw returning for two consecutive years, grain yield of each treatment was significantly increased, among which, T2treatment with lime and urea was the best. The yield of tobacco and rice under T2treatment increased by 25.67% and 11.49% respectively compared with T0, followed by T3treatment with Fuganlin and urea, and T1treatment with straw returning.In the first year, the yield of tobacco in T1treatment was not significantly different from that of the control, but in the second year, the yields of tobacco and rice were 3.77% and 5.90% higher than those of the control, respectively. After two consecutive years of straw returning, the nutrient and organic carbon contents of topsoil in each treatment were significantly increased, T2treatment ranked first, followed by T3treatment.The contents of alkali-hydrolyzed nitrogen, available phosphorus, available potassium, soil organic carbon and dissolved organic carbon in T2treatment increased by 7.09%, 5.97%, 3.01%, 11.32% and 5.47%, respectively compared with the control.The rhizosphere microbial community analysis showed that the relative abundance ofrelated to carbon source metabolism,related to the degradation of toxic substances andrelated to cellulolysis increased significantly in T2and T3treatments compared with the control, while the abundance ofandassociated with pathogenesis decreased significantly.Further correlation analysis found that the increase of beneficial bacteria in the rhizosphere were positively correlated with soil nutrients, while the abundance of pathogenic bacteria were negatively correlated with soil nutrients.【Conclusion】Rice-straw returning with lime or Fuganlin and appropriate amount of urea is conducive to increasing the nutrient contents in the topsoil, promoting the growth of beneficial microorganisms such as nitrogen-fixing bacteria, inhibiting pathogenic bacteria, and creating a good soil environment for tobacco-rice rotation, and thus improving crop yield.

straw returning; tobacco-rice rotation; soil nutrients; rhizosphere microbes; community diversity

10.16819/j.1001-7216.2023.220901

2022-09-01;

2022-10-09。

中國煙草總公司福建省公司科技項目(20193500002400143)。