種植海水稻對濱海鹽土化學性質和微生物群落影響

李慧君， 張偉健， 吳偉健， 李高洋， 陳藝杰，黃楓城， 黃永相， 藺中， 甄珍*

（1.廣東海洋大學濱海農業學院，廣東 湛江 524088； 2.廣東海洋大學化學與環境學院，廣東 湛江 524088）

土壤鹽漬化問題日益突出，已嚴重影響我國糧食安全和農業可持續發展[1]。據統計，我國鹽堿土總面積約為0.36 億hm2，占全國可利用土地面積的4.88%，并以每年1%的速度增加[1]。其中，濱海鹽土面積約0.14 萬hm2，占鹽堿地總面積的40%。濱海鹽土含有過量的氯化物、硫酸鹽、重碳酸鹽等成分，土壤鹽分高、物理結構差、微生物數量和多樣性少、養分供應不足，普通農作物難以種植[2]。因地制宜地利用濱海鹽土，對我國沿海灘涂的生態修復具有重要意義。

濱海鹽土改良目前主要依靠大量灌水洗鹽、施加土壤改良劑（石膏、磷石膏等）、平整土地、抬高地形等一系列水利、化學和工程手段[3]。然而，濱海地區淡水資源匱乏，改良劑施用不當易造成二次污染[4]。土地整治費用高昂，加之濱海鹽土地下水位高，積鹽返鹽現象普遍，導致上述常規技術在我國濱海地區難以大面積推廣，無法達到預期改良效果。構建一套低廉、環保、可持續的濱海鹽土改良技術，實現脫鹽、改土、增產等多重社會和生態效益勢在必行。

耐鹽堿水稻（海水稻）種植已成為濱海鹽土改良的有效途徑之一。海水稻既耐鹽堿，又抗風、抗澇，可在沿海灘涂生長。其獨特的耐鹽性和長期灌溉等優勢可吸收淋溶土壤中的鹽堿，改善鹽土質量。同時，海水稻根系分泌物中的有機成分可改良土壤鹽堿環境，抑制水分蒸發，控制土壤表層發生積鹽返鹽現象。海水稻可吸收一定鹽分，從而改善土壤理化特性，加速鹽分淋洗[4]。加之，種植海水稻既可顯著提升土著微生物的群落結構和功能多樣性，還可促進土壤養分的循環和利用，加速鹽土生態功能的恢復。習近平總書記在黃河三角洲農業高新技術產業示范區考察調研時強調，要加強種植資源、耕地保護和利用等基礎性研究，挖掘鹽堿地開發利用潛力，將科研成果加快轉化為現實生產力。袁隆平院士生前提出，為中國改良一億畝鹽堿地，早日實現億畝鹽堿地“荒灘變良田”目標。全面推廣海水稻種植兼具改善生態環境和發展社會經濟的雙重作用，是落實“藏糧于地、藏糧于技”戰略的重要途徑，具有重要的經濟價值、社會意義和生態效益。

前人對海水稻的耐鹽性、品質、產量和抗旱性等方面進行了廣泛研究[5-6]，但種植海水稻對鹽堿地土壤理化特性、養分循環利用、土壤微生物群落結構和功能多樣性影響的研究鮮有報道。微生物是土壤生態系統的重要組成部分[7]，直接參與土壤形成發育、有機質積累和礦化分解[8]，土壤氮磷鉀等養分轉化對土壤生態系統平衡具有不可替代的作用。濱海鹽堿地環境特殊，土壤中含有的微生物數量少、活性差，群落結構和功能遭到破壞，使其在濱海鹽堿地生態修復中的作用薄弱，土壤養分釋放和利用嚴重不足，難以實現農業的穩產及可持續發展。

鑒于此，本研究以廣東湛江濱海鹽堿地為研究對象，分別在低鹽環境（鹽度0.2%）和高鹽環境（鹽度0.6%）種植‘海稻86’，研究種植海水稻對廣東粵西地區濱海不同鹽堿度土壤的化學特性、有機質分解轉化、養分循環利用及土壤微生物群落結構和功能多樣性的影響，為濱海鹽堿地的生態治理與修復及解決我國鹽堿地糧食生產問題提供理論基礎和技術支撐。

1 材料與方法

1.1 供試材料

本試驗供試材料為‘海稻86’，生長健碩的海水稻幼苗取自廣東海洋大學國家耐鹽堿水稻技術創新中心華南中心水稻試驗基地。模擬培養試驗在廣東省湛江市廣東海洋大學生物技術研究所連棟溫室中進行。供試土壤為濱海鹽土壤，經測定鹽度為0.14%。供試土壤pH 6.10，有機質含量28.70 g·kg-1，腐殖質含量15.65 g·kg-1，全氮含量1.17 g·kg-1，堿解氮含量167.73 mg·kg-1，速效磷含量28.91 mg·kg-1，速效鉀含量87.86 mg·kg-1。

1.2 試驗設計

盆栽試驗在長度60 cm、寬40 cm、高度50 cm的無蓋培養箱中進行。培養箱中裝填20 kg（干土）經混勻后的濱海鹽土，通過人工添加海水（鹽度3.4%），將供試土壤鹽度分別調節為0.2%（低鹽）和0.6%（高鹽），并每天測定和按需添加海水，使水稻整個培育期內土壤鹽度都維持在設置鹽度水平。以不種植海水稻的0.2%和0.6%鹽度土壤為對照組（CK1 和CK2），以種植海水稻的0.2%和0.6%鹽度土壤為處理組（S1 和S2），3 次重復。選取生長至三葉一心且長勢一致的海水稻幼苗移栽到培養箱中，移栽前將海水稻根系沖洗干凈，每個培養箱移栽12 株。在海水稻的整個生長期每天觀察水分缺失情況，補充蒸餾水，保持液面高度與初始時期一致。

1.3 樣品采集

分別在水稻幼苗期（移栽后15 d）、分蘗期（移栽后35 d）、抽穗期（移栽后55 d）、灌漿期（移栽后75 d）進行破壞性取樣。隨機選擇3株植株將其拔出，收集海水稻根系攜帶的土壤80 g，將其均分為3 份。一份立即帶回實驗室用于土壤微生物數量和活性測定；一份置于無菌采樣袋保存于-4 ℃冰箱，用于土壤化學性質的測定；最后一份保存于-80 ℃冰箱，用于土壤細菌群落結構的測定。對照組（CK1和CK2）土壤采用“五點取樣法”用表面消毒的取樣器進行采集，采集時間、樣品保存和測定指標均與海水稻根系土壤一致。

1.4 土壤化學性質測定

土壤化學性質參照《土壤農業化學分析方法》[9]進行測定：土壤pH 采用電位法測定；有機質（soil organic matter，SOM）含量采用重鉻酸鉀容量法測定；腐殖質（humus，HU）含量采用焦磷酸鈉萃取重鉻酸鉀法測定；堿解氮（available nitrogen，AN）含量采用堿解擴散法測定；銨態氮（NH+4-N）和硝態氮（NO-3-N）含量采用MgO-定氮合金蒸餾法測定；速效磷（available phosphorus，AP）含量采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測定；速效鉀（available potassium，AK）含量采用醋酸銨浸提火焰光度法測定。最后用SMARTCHEM 200（意大利AMS 公司）全自動化學分析儀測定土壤中和含量。

1.5 土壤微生物數量和活性測定

在密閉容器中培養土壤24 h后，用0.1 mol·L-1NaOH 溶液捕獲析出的CO2，然后用標準HCl 溶液滴定微生物活性（microbial respiratory activity，MR）。微生物生物量碳（microbial biomass carbon，MBC）和微生物生物量氮（microbial biomass nitrogen，MBN）通過氯仿熏蒸和硫酸鉀萃取法進行測定[10]，并通過以下公式計算。

式中，EC 和EN 分別是熏蒸土壤和非熏蒸土壤之間有機碳和全氮的差值；KEC 是有機碳的轉換系數，為0.45；KEN是全氮的轉換系數，為0.54。

1.6 土壤16S細菌群落結構測定

選取土壤微生物數量和活性影響最強的生長階段，基于16S rDNA 基因高通量測序分析土壤細菌的群落結構。采用Bio Fast 土壤DNA 提取試劑盒提取土壤中的總DNA。用338F（5’-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3’）和806R（5’-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3’）通用引物進行PCR擴增，擴增區域為16S rRNA V3+V4 高變區。PCR 體系包含KOD FX Neo緩沖液5 μL、dNTP 2 μL、KOD FX Neo 0.2 μL、引物0.3 μL、模板DNA 50 ng，加去離子水至終體積10 μL。PCR 程序：95 ℃ 5 min；95 ℃30 s，50 ℃ 30 s，72 ℃ 60 s，30 個循環；72 ℃ 5 min。擴增產物用2%瓊脂糖凝膠檢測并回收，合格樣品送上海美吉生物醫藥科技有限公司純化和測序。

1.7 數據分析

使用Illumina MiSeq 高通量測序平臺進行雙末端測序。采用Usearch 11.0 對序列在97%的相似度水平下進行聚類獲得操作分類單元（operational taxonomic units，OTUs）。使用Silva 數據庫（https://www.arb-silva.de/）對OTUs 進行不同級別的分類信息標注。為了評估細菌微生物群落的豐富度和復雜性，利用QIIME 1.8.0 獲得屬水平上的物種組成圖和聚類熱圖。利用SPSS 25.0進行正態性分布和方差齊性檢驗及單因素方差分析（one-way ANOVA），采用鄧肯（Duncan’s）法進行多重比較。利用Origin 2022 繪制柱形圖。同時，基于Spearman相關性分析計算土壤化學指標與優勢菌群豐度的相關性，利用Origin 2022繪制熱圖。

2 結果與分析

2.1 種植海水稻對濱海鹽土化學性質和養分的影響

種植海水稻對濱海鹽土化學性質和養分的影響顯著（圖1）。在海水稻生育期內，種植海水稻處理土壤的pH 呈逐漸下降趨勢，在灌漿期，S1 和S2 處理土壤的pH 分別為5.45 和5.77，顯著低于CK1和CK2。處理組土壤的SOM含量較對照組顯著降低。S1 和S2 處理的HU 含量隨著海水稻的生長發育呈先上升后下降的趨勢，在抽穗期達到峰值，分別為19.26 和17.42 mg·kg-1，均顯著高于對照組。處理組土壤的AN 含量隨著海水稻的生長逐漸增加，而對照組則相反；S1 和S2 處理土壤的AN 含量均在抽穗期達到最高，分別為180.53和164.71 mg·kg-1，較CK1 和CK2 分別顯著增加65.76%和58.32%。NH+4-N 和NO-3-N 含量的變化趨勢與AN 相似，S1、S2 處理在抽穗期時分別為162.51、147.86 和20.77、16.17 mg·kg-1，分別較CK1 和CK2 顯著增加64.18%、61.75%和10.41%、7.76%。S1 和S2 處理土壤的AP 含量在培養期內呈逐漸上升趨勢，在灌漿期時分別為40.61 和34.79 mg·kg-1，顯著高于CK1 和CK2。S1 和S2 處理土壤的AK 含量在培養期內也呈上升趨勢，在抽穗期時分別為98.33 和88.69 mg·kg-1，較CK1 和CK2分別顯著提高13.72%和17.38%。綜上表明，種植海水稻可顯著降低濱海鹽土pH，加速有機質的分解轉化，提高土壤速效氮磷鉀等養分含量。

圖1 不同處理下土壤的化學性質Fig. 1 Chemical properties of soil under different treatments

2.2 種植海水稻對濱海鹽土微生物數量和活性的影響

由于未種植海水稻，CK1 和CK2 土壤的MBC、MBN 和MR 變化較小；而種植海水稻的S1、S2 處理土壤的MBC、MBN 和MR 含量隨著海水稻的生長發育呈先上升后下降趨勢，均在抽穗期達到峰值（圖2）。S1和S2處理土壤的MBC、MBN 含量均顯著高于CK1 和CK2。在抽穗期，S1 處理土壤的MBC、MBN 和MR 含量較CK1 顯著增加190.42%、234.13%和93.33%；S2 處理較CK2 顯著增加195.33%，184.26%和108.14%。綜上表明，種植海水稻可顯著提高土壤微生物數量和活性。

圖2 不同處理下土壤的微生物數量和活性Fig. 2 Microbial amount and bioactivity of soil under different treatments

2.3 種植海水稻對濱海鹽土微生物豐度和多樣性的影響

Alpha 多樣性指數分析結果（表1）顯示，S1和S2 處理土壤的微生物豐度和多樣性與對照土壤差異顯著。Richness 和Chao1 指數用于衡量物種豐度，Shannon 和Simpson 指數用于衡量物種多樣性。對于Richness 和Chao1 指數，S1 和S2 處理均顯著高于CK1 和CK2，且S1 處理又顯著高于S2 處理。對于Shannon 指數，S1 和S2 處理與CK1 差異不顯著，但均顯著高于CK2。對于Simpson 指數，S1 和S2 處理均顯著高于CK1 和CK2，且S1 處理又顯著高于S2 處理。由此表明，種植海水稻后土壤微生物群落的豐富度和多樣性顯著提高，且低鹽度下微生物群落結構的豐富度和多樣性更高。

表1 種植海水稻對土壤微生物豐度和多樣性的α多樣性指數Table 1 Alpha diversity index of soil microbial abundance and diversity under sea rice cultivation

2.4 種植海水稻對濱海鹽堿地土壤微生物群落結構的影響

圖3 顯示了種植海水稻對不同鹽濃度鹽堿土微生物群落結構的影響。所有處理樣本的30 個科水平群落物種組成中，其中S1 處理top10 的相對豐度之和平均達75.01%。在科水平下，伯克氏菌科（Burkholderiaceae）、噬幾丁質菌科（Chitinophagaceae）、嗜甲基菌科（Methylophilaceae）、芽單胞菌科（Gemmatimonadaceae）、鞘脂單胞菌科（Sphingomonadaceae）為優勢菌科（相對豐度在5%以上）。與CK1 相比，S1 處理中伯克氏菌科、噬幾丁質菌科、嗜甲基菌科、吡啶單胞菌科（Pyrinomonadaceae）、鞘脂單胞菌科、芽囊藻科（Blastocatellaceae）、亞硝化單胞菌科（Nitrosomonadaceae）的相對豐度分別顯著提升75.63%、4.01%、54.67%、65.03%、99.11%、49.93%、119.75%；而芽單胞菌科、假單胞菌科（Pseudomonadaceae）的相對豐度分別顯著降低21.10%、15.90%。與CK2 相比，S2 處理中伯克氏菌科、嗜甲基菌科、芽囊藻科、亞硝化單胞菌科的相對豐度分別顯著提升29.83%、28.17%、148.84%、44.81%；而芽單胞菌科、噬幾丁質菌科、假單胞菌科的相對豐度分別顯著降低16.25%、32.36%、48.95%。吡啶單胞菌科、鞘脂單胞菌科和亞硝化單胞菌科在不同處理間的相對豐度差異較小。由此說明，種植海水稻可改變土壤中微生物群落結構，且0.2%鹽度種植條件下影響更大。

圖3 不同處理下的微生物群落結構組成Fig. 3 Composition of microbial community under different treatments

為了進一步了解不同處理間微生物群落結構的差異，對不同處理下土壤微生物群落結構進行聚類分析，結果（圖4）表明，不同處理間的微生物群落結構分為3 大類，S1、S2 與CK1 明顯分離，且S1 處理的微生物群落組成與其他處理相差最大，單獨聚為一類。由此說明，種植海水稻可改善土壤中微生物群落結構和功能多樣性，在低鹽度下微生物群落結構改善效果更優。

2.5 種植海水稻條件下土壤微生物與土壤化學性質的相關性分析

相關分析結果（圖5）表明，土壤pH與伯克氏菌科、嗜甲基菌科呈極顯著正相關；土壤HU、AN、-N、-N含量與吡啶單胞菌科、芽囊藻科的相對豐度呈極顯著正相關。

圖5 土壤化學因子與科水平下優勢菌的相關性分析Fig. 5 Correlation analysis between soil chemical factors and dominant bacteria at family level

3 討論

土壤鹽度是影響土壤質量的重要因素。高鹽脅迫會嚴重影響植物生長發育[11]。濱海鹽土中鹽度較高，導致土壤滲透壓升高，使海水稻吸水困難、生長發育遲緩[12]。本研究選用的‘海稻86’在0.2%和0.6%鹽度處理下均能生長，說明其可作為鹽土改良作物在鹽度低于0.6%的鹽土中種植，為粵西地區解決濱海鹽土的推廣提供了改良方案和技術支撐。盡管‘海稻86’”在高鹽和低鹽處理下均能生長，但低鹽處理下其長勢更為旺盛，且對土壤的改良效果更優，如土壤pH 更低，土壤HU、AN、AP 和AK 含量顯著增加。這可能是由于高鹽脅迫下土壤肥力下降，導致養分循環速率降低，從而抑制了微生物活性；另外，土壤中大量的Ca2+、Mg2+和Na+積累，造成土壤pH 升高[13]，同時高水平離子脅迫對土壤微生物也會產生一定的毒害作用[3,14]。

種植水稻是我國改良濱海鹽土、進行熟化脫鹽的重要手段[15]。濱海鹽土長期受到海水侵蝕，導致土壤板結，土層堅實[16]。水稻根系的生長發育有利于促使土壤疏松多孔，增加土壤滲透性，改善土壤物理結構，有利于土壤淋溶脫鹽性能的增強[12]。研究表明，海水稻在生長過程中可吸收利用土壤中的部分鹽，從而降低土壤鹽分，改善土壤質量[17]。微生物活性是土壤養分循環的主要驅動力，鹽脅迫可抑制微生物活性，進而影響土壤養分的轉化與遷移[18]。本研究發現種植海水稻顯著提高了土壤的MBC、MBN 含量及MR。在海水稻生長過程中，根系分泌有機酸、維生素和植物生長調節劑等物質，為微生物的生長和繁殖提供了充足的營養和能源[19]，提高了土壤中微生物的數量和活性；此外，種植海水稻后，土壤SOM 和TN 含量減少，HU 含量升高，AN、AK 和AP 等速效養分含量顯著提高。這是由于海水稻吸收利用了土壤養分，同時海水稻衰老的根系和枯葉在微生物的作用下分解轉化，極大地促進了土壤養分循環。濱海鹽土中原有養分在水稻根系的影響下開始逐漸釋放，SOM 分解速率加快，使土壤中速效養分含量升高。本研究發現種植海水稻還可以降低土壤pH，這可能是由于水稻在生長過程中吸收利用了Na+、Mg2+、Ca2+等陽離子，且根系可釋放有機酸，從而促使土壤pH 降低[20]。綜上所述，種植海水稻可改善土壤物理性質，促進土壤養分的分解轉化，提高速效養分含量，改進土壤質量。

水稻根系土壤蘊含著豐富多樣的微生物，其中許多微生物可參與土壤養分循環和改善土壤質量。研究發現，水稻根系對細菌的富集作用具有選擇性[21]。本研究表明，種植海水稻后土壤中的細菌多樣性和豐富度顯著高于未種植土壤，其中伯克氏菌科、噬幾丁質菌科、嗜甲基菌科、吡啶單胞菌科、鞘脂單胞菌科、芽囊藻科、亞硝化單胞菌科的相對豐度顯著提升。伯克氏菌科含有多種功能不同的菌屬，其中屬于伯克霍爾德氏科的非致病性屬種可以與植物建立共生或內生關系，從而發揮重要的生態系統功能，如污染物的生物降解、抗菌化合物的產生、促進必要的養分吸收和植物生長等[22]。噬幾丁質菌科可以降解木質素，分解多糖[23-24]。種植海水稻后土壤中噬幾丁質菌科的相對豐度顯著升高，有利于加快SOM的降解[25]，促進養分釋放。嗜甲基菌科參與CH4氧化以及反硝化作用，促進土壤碳、氮養分循環。水稻根系產生的微氧環境以及土壤硝酸鹽含量的升高有利于提高嗜甲基菌科的相對豐度和活性[26-27]。鞘脂單胞菌科是一種重要的氮循環微生物[28]，具有應對逆境的能力，在生物修復、生物降解等方面發揮重要作用。吡啶單胞菌科可體現土壤健康狀況，其豐度的提高說明土壤質量得到改善。芽囊藻科與植物吸收氮素效率有關[29]。亞硝化單胞菌科是進行氨氧化作用的重要菌[30-31]，可將NH+4轉化為NO-3，促進土壤氮循環。研究表明，吡啶單胞菌科、芽囊藻科為兼性厭氧型細菌[25,29]，在有氧條件下生長良好，在缺氧環境中僅能維持生存；亞硝化單胞菌科為好氧型細菌[32]。水稻根系的生長發育增加了土壤中的氧氣含量，進而提高了吡啶單胞菌科、芽囊藻科和亞硝化單胞菌科的相對豐度。

分析土壤化學性質和微生物群落結構間的關系發現，土壤pH與伯克氏菌科和嗜甲基菌科呈極顯著正相關（P＜0.01），說明種植海水稻降低了土壤pH，極大地提高了伯克氏菌科和嗜甲基菌科的數量和活性，進而對水稻自身的健康生長和土壤C、N 循環起到正向作用[33]。土壤HU、AN、NH+4和NO-3含量與吡啶單胞菌科和芽囊藻科呈極顯著正相關（P＜0.01）。水稻生長促進土壤中AN 和HU含量，有利于吡啶單胞菌科和芽囊藻科的生長發育。吡啶單胞菌科和芽囊藻科豐度的提高反過來又加快了土壤中的氮循環，對土壤質量的提高起到強化作用。