不同稻草还田技术对烟-稻轮作系统土壤养分、有机碳及微生物多样性的影响

黄锦文 李日坤 陈志诚 张汴泓 雷涵 潘睿欣 杨铭榆 潘美清 唐莉娜

不同稻草还田技术对烟-稻轮作系统土壤养分、有机碳及微生物多样性的影响

黄锦文1, 2李日坤1, 2陈志诚3张汴泓1, 2雷涵1, 2潘睿欣1, 2杨铭榆1, 2潘美清1, 2唐莉娜3, *

(1福建农林大学农学院/作物遗传育种与综合利用教育部重点实验室, 福州 350002;2作物生态与分子生理学福建省高校重点实验室, 福州 350002;3福建省烟草专卖局烟草科学研究所, 福州 350003;*通信联系人, email: 704142780@qq.com)

【目的】探讨不同稻草还田技术措施对土壤特性的影响及根际微生物修复和改良土壤的内在机制，探索适合福建烟-稻轮作区的稻草高效还田技术，以期为烟-稻轮作区作物优质高效栽培提供依据。【方法】以烤烟“云烟87”和晚稻“甬优1540”为材料，通过不同的稻草还田配施技术处理，进行了2年的田间定位试验，分析比较了烟-稻轮作系统耕层土壤养分、根际微生物和作物产量的变化规律以及根际微生物与土壤环境因子间的内在关系。【结果】产量分析表明，连续2年稻草还田后，各处理产量均比对照显著增加，其中配施石灰和尿素的T2处理最显著，其烟草和水稻产量分别比对照提高25.67%、11.49%；其次是配施腐秆灵和尿素的T3处理，纯稻草T1还田处理效果最差；T1处理第1年稻草还田后烟草产量与对照差异不显著，第2年烟草和水稻产量分别比对照提高3.77%和5.90%。耕层土壤养分特性分析表明，经连续2年的稻草还田处理后，耕层土壤养分与有机碳含量均显著增加，其中T2处理效果最好，其次是T3处理。T2处理碱解氮、有效磷、速效钾、有机碳和可溶性有机碳含量分别比对照提高了7.09%、5.97%、3.01%、11.32%和5.47%。根际微生物群落分析表明，与对照相比，T2、T3处理下碳源代谢相关的、自毒物质降解有关的节杆菌属（）和纤维素分解有关的假散囊菌属（）丰度均显著上升，而与发病相关的腐质霉属（）和青霉菌属（）相对丰度则显著下降。相关分析表明，根际有益菌丰度与土壤养分因子多为正相关，而致病菌的丰度则与土壤养分因子负相关。【结论】稻草还田配施石灰或腐秆灵和适量速效氮肥，有利于提高耕层养分含量，促进固氮等有益微生物生长，抑制病原菌，为烟-稻轮作提供良好的土壤环境，进而提高作物产量。

稻草还田；烟-稻轮作；土壤养分；根际微生物；群落多样性

福建是中国优质烟区之一，有适宜烟草种植的优越生态条件和悠久种烟史。长期以烟-稻复种连作为主。前人研究表明，合理的烟-稻轮作通过干湿交替引起的土壤氧化和还原作用的交替，有利于调节土壤有机质的积累和分解，改善土壤结构，从而保持和提高土壤肥力[1]。然而，20世纪80年代以来，随着作物高产品种的推广，化肥用量日益增长，烟区长期单一的烟-稻复种连作耕作制度，导致了土壤物理结构逐渐变差，土壤中微生物区系平衡被破坏，养分失衡，大量氮肥的投入直接加快了土壤酸化进程[2]。土壤质量问题已经成为限制福建烟-稻轮作区作物生产持续健康发展的瓶颈。

稻草是可被直接利用的可再生纤维素资源，含有大量的有机碳、纤维素、氨基酸和丰富的矿质元素。稻草还田是土壤改良的主要措施之一。前人研究表明，稻草还田对于提高土壤微生物功能多样性和群落代谢能力[3-5]，改善土壤的理化性状[6-8]，增加土壤肥力[9-11]，提高作物产量[12-14]等方面均产生积极影响。但在福建烟-稻轮作区，由于烤烟大田移栽早，导致前茬水稻的稻草还田后溶田时间缩短，传统的简易稻草还田技术往往使稻草难以完全腐烂分解，影响到烟株的早生快发，若遇到烂冬天气，还严重影响耕作，因此，近几年福建烟-稻轮作区稻草还田面积在不断缩减。随着分子生物学技术在土壤环境领域的应用，根际微生物的研究越来越受到重视。研究发现根际微生物中一些重要的功能微生物作为主要的共生功能体参与植物根系养分转化，对调节有机质、生产力、土壤碳动态和养分循环起着关键作用[15]。据此，本研究通过连续2年的不同稻草还田配施处理，结合根际土壤微生物群落特征分析，考查土壤养分及有机碳的变化规律，探讨不同稻草还田技术对土壤特性的影响及根际微生物修复和改良土壤的内在机制，探索适合福建烟-稻轮作区的稻草高效还田技术，以期为烟-稻轮作区作物优质高效栽培提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验区域概况

选用福建主栽烤烟品种云烟87及晚季水稻甬优1540为供试材料，于2019年10月―2021年10月在福建省烟草科学研究所宦溪基地（119°36′86″E，26°17′33″N）进行2年连续跟踪试验。该区域属于亚热带海洋性季风气候，参试土壤为黏壤质水稻土，土壤基本理化性状态如下：pH值为4.96，有机质含量27.65 g/kg，全氮含量1.68 /kg，全磷含量0.62 g/kg，全钾含量21.58 g/kg，碱解氮含量96.37 mg/kg，速效磷含量51.10 mg/kg，速效钾含量190.06 mg/kg。

1.2 试验设计

田间定位试验共设置4个处理：T0，无稻草还田（对照）；T1，纯稻草还田（即传统稻草还田方式）；T2，稻草还田+石灰（1500 kg/hm2）+尿素（75 kg/hm2）；T3，稻草还田+腐秆灵（30 kg/hm2)+尿素（75 kg/hm2）。每个处理设置3个重复，共12个小区，随机区组排列。每个小区的面积为120 m2，烤烟种植密度为1.2 m×0.5 m；晚季水稻种植密度0.2 m×0.2 m。小区之间筑田埂并用塑料薄膜包埋隔开。腐秆灵由广东高明金葵子科技有限公司生产（有效活菌数≥5×107／g）。

稻草还田方法：水稻收获后，将稻草切成3～5段，均匀撒在田间，T2处理在稻草面上撒施石灰和尿素，T3处理撒施腐秆灵和尿素。然后灌水浸泡3～5 d后，用旋耕机打田，将稻草打烂，田间保持7～10 cm水层，淹沤35 d左右。整地前15～20 d，开好排水沟让水分自然落干，耕翻起垄用于种植烟草。2020年2月25日烟苗移栽，7月3日终采，采收结束后种水稻。晚稻于2020年7月16日插秧，10月23日成熟收割，割后按照试验要求进行第2轮的稻草还田处理，2021年重复上一年的试验。烤烟及水稻均按当地优质、高产栽培要求进行水肥管理，除试验处理外，其他施肥量和管理方式一致。

1.3 测定项目与方法

1.3.1 作物产量测定

烟叶成熟分期采收、烘烤，烤后烟叶按小区分别测产，计算各小区产量及上等烟比例。

水稻成熟期，每个小区根据平均有效穗数取有代表性水稻5株，考查有效穗数、每穗总粒数及实粒数、千粒重，计算结实率，各小区田块进行人工收割测产。

1.3.2 土壤养分及有机碳测定

耕层土壤样本采集，于烤烟旺长期及水稻成熟收获后每个小区按照S型均匀取10个点，将各点土壤充分混合后，做好标记，带回实验室风干，用于土壤养分、有机碳及可溶性有机碳的测定。

土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量测定[16]：碱解氮的测定采用碱解扩散法；速效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾含量的测定采用醋酸铵浸提的火焰光度计法。

土壤有机碳（soil organic carbon，SOC）、可溶性有机碳（dissolved organic carbon，DOC）含量测定：土壤有机碳的测定采用重铬酸钾-浓硫酸外加热法[16]；可溶性有机碳参照占新华方法进行测定[17]。

DOC有效率[18-19]=（DOC/SOC）×100%。

1.3.3 烟草根际土壤微生物群落调查

样品采集：于第2年烤烟旺长期，每个小区随机取3棵烟株，连根拔起，先将根系周围土样轻微抖动剥离，留下根系周围1 mm的土壤，然后在磷酸盐缓冲液（PBS）中浸泡5 min，用镊子轻微搅动便于根土分离，然后将根系取出，余下土壤溶液置于4℃、10 000离心机中离心30 s，沉淀土壤作为根际样品。

土壤总DNA的提取和高通量测序分析：土壤总DNA采用土壤总DNA提取试剂盒（PowerSoil DNA Isolation Kit）进行提取，采用1%凝胶电泳检测后，经Nanodrop 2000C测定总DNA浓度。将检测合格的土壤总DNA样品送至北京奥维森基因科技有限公司进行高通量测序分析，每组样品包含3个重复。细菌测序引物338F/806R扩增可变区V3-V4区，真菌使用引物ITS1F-ITS2F扩增内部转录间隔区（ITS1）。采用Illumina Miseq 2500对纯化后的PCR产物进行测序，并进行相应生物信息学分析。

1.4 数据处理与分析

测序数据分析：原始数据先去除Barcode、Primer序列后使用FLASH软件进行拼接，得到原始Tags数据（raw_tags），对Tags数据进行过滤，得到高质量Tags数据（clean_tags）。使用usearch软件按照97%相似性序列进行操作分类单元(OUT)聚类（不含单序列），并选取OTU的代表性序列，采用RDP Classifier算法和Silva数据库Release 119对OTU代表序列进行比对分析，并在各个水平（Phylum，Class，Order，Family，Genus，Species）注释其群落的物种信息。对各样本中的OTU丰度进行均一化处理，使用Qiime 1.8计算observed- species，Chao1，Shannon，goods-coverage，PD_whole_tree指数，使用R语言2.15.3绘制稀释曲线并进行Alpha多样性指数组间差异分析。使用R语言进行PCoA统计分析和作图。

采用Excel 2016和SPSS 20.0软件进行数据分析，最小显著差异法（LSD）比较不同数据组间的差异，Origin 2021b SR2、R语言作图。

2 结果与分析

2.1 烟-稻轮作系统作物产量与产值变化

2.1.1 烤烟经济性状表现

由表1可知，烤烟2年产量均表现为T2＞T3＞T1＞T0，年度间差异显著。第1年传统纯稻草还田T1处理产量与对照T0差异不显著，其他处理显著高于T0；第2年各处理产量差异均达显著水平。连续2年的稻草还田后，配施石灰的T2处理和配施腐秆灵的T3处理分别比对照T0增产25.67%和9.48%，比T1分别增产21.10%和5.50%，T1处理比对照增产3.77%。各处理产值表现与产量一致，也是T2处理最高，其次是T3处理。均价和上中等烟比例方面，连续2年稻草还田后，T2与T3处理显著高于T1和T0处理，T1处理显著高于对照T0。

表1 烟-稻轮作系统中烤烟经济性状的变化

表中数据为平均值±标准差；同列数字后不同字母表示同一年份的处理间在0.05水平差异显著。*< 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 水稻产量及其构成因素变化

水稻产量分析表明（表2），各处理产量存在年度间差异，第2年各稻草还田处理产量比第1年均有所增加。2年试验均表现为配施石灰的T2处理及配施腐秆灵的T3处理实际产量都显著高于对照T0和传统的纯稻草还田T1处理，T1处理也显著高于对照。连续2年稻草还田后，T1、T2与T3处理实际产量分别比对照T0增产5.90%、11.49%和10.40%。从产量构成因素分析，稻草还田主要是增加了单位面积的有效穗数，其次是穗粒数的增加。

表2 烟-稻轮作系统中水稻产量及其构成因素的变化

2.2 烟-稻轮作系统耕层土壤养分、有机碳、可溶性有机碳含量及其有效率变化

2.2.1 耕层土壤速效养分含量

表3表明，连续2年稻草还田后，各季作物收获后土壤碱解氮均表现为T2>T3>T1>T0，各处理均显著高于对照T0，但T2与T3处理间差异不显著；有效磷方面，各处理均显著高于对照T0，T2处理有效磷增加最多，其次是T1和T3，T1、T2和T3处理分别比对照T0提高3.68%、5.97%和3.82%。速效钾方面，经2年4茬作物种植后各处理均显著高于对照T0，但各稻草还田处理间差异不显著。

表3 耕层土壤养分、有机碳、可溶性有机碳含量及其有效率变化(2021年)

DOC有效率=可溶性有机碳/土壤有机碳×100%。下同。

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

2.2.2 耕层土壤有机碳、可溶性有机碳含量及其有效率变化

秸秆中含有丰富的碳源，还田后有利于促进土壤矿化作用。表3表明，连续2年稻草还田及4茬作物的种植后，各处理SOC含量均比对照有显著提高，T1、T2、T3处理分别比对照T0提高了4.64%、11.32%、10.48%。

各稻草还田处理均有助于增加土壤DOC含量（表3），以T2处理效果最显著，T2处理分别比对照T0和T1处理提高5.47%、2.08%，其次是T1和T3处理，分别比对照T0提高3.32%和3.14%。

DOC有效率即土壤中可溶性有机碳占土壤总有机碳的百分比，它反映了土壤有机碳质量[18-19]。表3表明，与各处理DOC含量变化不同的是，各处理DOC有效率均显著低于对照T0，T1、T2、T3处理DOC有效率分别比对照T0下降2.44%、7.31%和7.31%。

2.3 根际土壤微生物群落变化及其与环境因子的关系

2.3.1 根际土壤微生物群落Alpha多样性分析

烟草旺长期根际微生物群落稀释曲线（图1）是采用97%相似度的操作分类单元(OUT)对所测定土壤样本进行稀释，当曲线趋向平坦时，说明测序数据量足够大，可以反映样品中绝大多数的微生物信息[20]。图1-A（细菌）和图1-B（真菌）均表明，随着测序深度的增加，各处理的OTU数逐渐增长，随后趋于平缓，说明测序数据合理。

测序深度指数（Coverage）为样本文库覆盖度。表4表明，细菌和真菌各样本测序覆盖度均大于95%，样本测序结果已经包含样本中绝大部分的物种，可进行后续分析。从细菌指数多样性看，各处理辛普森指数差异不显著，丰富度指数Chao1、多样性指数Observed species和香农指数(Shannon index)均是T2处理最高，其次是T1处理；真菌指数多样性分析表明（表4），各处理间丰富度指数Chao1和多样性指数Observed species差异不显著；香农指数均是T1处理最高，其次是T2处理。

韦恩图(Venn Graph)反映了处理间特有及共有操作分类单元(OUT)数量。图2-A表明，处理T0、T1、T2和T3分别检测到2413、2503、2599、2331个细菌OTU，其中独有OTU分别是76、95、146、55个，共有数量为2332。图2-B表明，T0、T1、T2、T3各处理独有真菌OTU分别有90、84、94、68个，共有数量为365。

A―细菌稀释曲线；B―真菌稀释曲线。

表4 烤烟旺长期根际土壤细菌和真菌的α-多样性指数

A―细菌维恩图; B―真菌维恩图。

2.3.2 根际土壤微生物群落PCoA分析

采用主坐标分析法（Principal Co-ordinates Analysis，PCoA）分析根际土壤细菌群落结构（图3-A），第一主坐标（PC1）的贡献率为32.20%，第二主坐标（PC2）的贡献率为18.95%，T1和T3在负半轴聚集，T0和T2在正半轴聚集，不同处理间区分明显，说明各处理下根际土壤细菌群落存在明显差异。真菌群落结构PCoA分析可知（图3-B），第一主坐标（PC1）的贡献率为58.37%，第二主坐标（PC2）的贡献率为21.31%，T0、T3在正半轴聚集，T1、T2则在负半轴聚集，不同处理间区分明显，说明不同处理对真菌群落结构有显著影响。

2.3.3 根际微生物群落结构变化

从图4-A细菌门水平上变化可知，一共鉴定到47个门类，其中相对丰度占比排前10位的依次是变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、酸杆菌门(Acidobacteriota)、放线菌门(Actinobacteriota)、髌骨菌门(Patescibacteria)、拟杆菌门(Bacteroidota)、芽单胞菌门(Gemmatimonadota）、疣微菌门(Verrucomicrobiota)、Myxococcota、WPS-2。T1和T3处理较T0处理变形菌门(Proteobacteria)相对丰度显著提高，T2和T3处理较T0处理放线菌门(Actinobacteriota)相对丰度显著提高。图4-B显示，一共鉴定到520个细菌属类，其中相对丰度超过1%的有unidentified、uncultured、uncultured_bacterium罗河杆菌属()、、伯克霍尔德氏菌属()、uncultured_、节杆菌属（）、不动杆菌属()、慢生根瘤菌属()、鞘脂单胞属（）和。其中，T2、T3处理、节杆菌属()的相对丰度较T0和T1处理显著提高，T2、T3处理的鞘脂单胞属(Sphingomonas)、Candidatus_Solibacter属较T0处理有明显提高。根际土壤真菌结构分析显示（图5-A），所有真菌共包含13个门，主要是子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门（Basidiomycota）、霉菌门（Mortierellomycota）、unidentified、壶菌门（Chytridiomycota）、罗兹菌门（Rozellomycota）、球囊菌门（Glomeromycota）、油壶菌门（Olpidiomycota）、梳霉门（Kickxellomycota）等。子囊菌门（Ascomycota）相对丰度占总量的80%以上，T3与T0相比，子囊菌门（Ascomycota）丰度显著提高，而T1和T2差异不显著。与T0相比，担子菌门在T1、T2、T3中相对丰度均显著上升。真菌群落在属水平上的差异上（图5-B），共鉴定到310个真菌属类，其中相对丰度超过1%的有腐质霉属（）、、、葡萄孢属（）、被孢霉属（）、青霉菌属（）、镰刀菌属（）、和。与对照T0相比，T1、T2、T3处理腐质霉属（）、青霉菌属（）相对丰度均显著下降，、镰刀菌属（）丰度均有上升，其中丰度差异达到显著水平。

A―细菌; B―真菌。

A―门水平；B―属水平。

2.3.4 根际土壤细菌、真菌主要菌属功能分析

挑选相对丰度大于1%的已鉴定的根际微生物优势菌属进行功能分析(表5)，细菌菌属8个，真菌菌属6个。在细菌方面，相比于T0、T1处理，T2、T3处理显著提高了具有碳源代谢功能的[21]及具有降解自毒物质功能的节杆菌属（）[22]丰度；相比于对照T0，T1、T2与T3处理均显著提高了具有分解有机质功能的[23]丰度；T1与T0处理相比，二者菌属丰度差异不显著，T1处理的节杆菌属（）丰度显著低于对照；真菌方面，与T0相比，各稻草还田处理均显著降低了腐质霉属（，与秸秆腐烂及植物病害发生相关）[24]的丰度、青霉菌属（，与植物病害发生有关）[25]的丰度，显著提升了具有纤维素分解功能的假散囊菌（）[26]丰度。

A―门水平；B―属水平。

2.3.5 根际土壤优势微生物（属水平）与土壤养分、有机碳相关性分析

根际土壤优势微生物（属水平）与环境因子的相关性分析见表6。细菌方面，与碳源代谢相关的菌属与有效磷（AP）极显著正相关（0.790**）；具有降解自毒物质功能的节杆菌属（）与土壤碱解氮（AN）和速效钾（AK）呈极显著正相关，相关系数分别为0.856**和0.718**；分解有机质有关的菌属与碱解氮（AN）显著负相关（−0.604*）。在真菌方面，除了和菌外，其他优势菌属均与环境因子间呈显著性相关，其中具有分解纤维素功能的菌属与碱解氮（AN）、速效磷（AP）及有机碳（SOC）呈极显著或显著正相关；（葡萄孢属）与碱解氮（AN）呈极显著负相关（−0.702*）；与病害发生有关的（青霉菌属）与有效磷（AP）和有机碳（SOC）呈显著负相关；有助于纤维素分解的（镰刀菌属）则与碱解氮（AN）、有效磷（AP）、速效钾（AK）、和有机碳（SOC）呈极显著或显著正相关。可见，土壤优势微生物不管是有益菌还是致病菌均与土壤速效养分及有机碳含量密切相关。

表5 根际土壤优势细菌、真菌菌属功能分析

表6 根际优势微生物（属水平）与耕层土壤养分、有机碳的相关性

3 讨论

稻草还田能够把水稻吸收的大部分元素归还土壤中，从而有利作物对养分的吸收，提高作物产量。在本研究中，第1年稻草还田后，T2和T3处理均可以显著增加烟草和水稻产量，而传统的纯稻草还田T1处理下烟草产量与对照差异并不显著；但第2年稻草还田后，各处理烤烟和水稻产量均显著高于T0，上下两茬作物均为T2处理产量最高，其次是T3处理。王雪仁等[13]研究发现，稻草直接翻埋还田后反而降低了烤烟产量但可减轻田间青枯病发病率，而稻草堆沤发酵后还田可显著增加烤烟产量。黄平娜等[14]研究表明，稻草翻压还田效果优于稻草覆盖还田，对烤烟产量的影响以第2年、第3的效果优于第1年。可见，作物生长对稻草还田的响应因还田处理技术及还田时间长短而异。在本研究中，T2与T3处理效果优于传统纯稻草还田T1处理，这是由于T2和T3处理分别加入了石灰和腐秆灵有利于加速稻草的腐烂分解，且这两个处理在稻草还田时均配施了氮素以补充微生物对氮素的需求，因而有利微生物生长，增加土壤养分，进而促进作物生长[5]。而纯稻草还田的T1处理由于稻草腐解缓慢，再加上烟草生长过程中大量分解稻草的微生物需要消耗土壤氮源，容易出现与作物争氮的现象，因而短期内反而不利烟草生长。

稻草还田是改良土壤质地、提高综合生产能力的重要措施。经连续2年的稻草还田及4茬作物种植后，耕层土壤养分测定结果表明，速效养分供应方面均显著提升，这与前人研究一致[6]；T2、T3处理耕层土壤各速效养分含量均显著高于对照，其中T2处理效果最佳，其碱解氮、有效磷和速效钾分别比对照T0提高了7.09%、5.97%和3.01%；其次是T3处理。这可能是由于新鲜秸秆还田后，施用石灰可活化土壤中矿化态氮素、促进秸秆有机物分解[12]，而施用腐秆灵，加速秸秆腐熟后形成的腐殖质具有溶磷作用，则有助于碱解氮和有效磷等养分积累[8]。同时，T2与T3处理在稻草还田时添加适量速效氮肥，有利稻草还田前期土壤分解菌大量快速繁殖，形成优势菌群，进而加快稻草的分解。

土壤有机碳（SOC）是碳库中最活跃的组成部分，是农作物生长发育的根基，也是土壤有机质和各种养分良性循环的基础[30]。水稻秸秆有机碳含量丰富，秸秆还田是影响有机碳转化和积累的重要农田管理措施之一[31]。本研究发现，经过2年稻草还田及4茬作物的种植后T1、T2、T3处理SOC分别比对照T0提高了4.64%、11.32%、10.48%。可溶性有机碳（DOC）作为碳循环中的重要组成部分，在 SOC形成中起着重要作用。本研究中，与对照相比，T1、T2与T3处理均显著提高土壤DOC含量，表现为T2>T3>T1>T0。这是因为稻草还田后大量的营养被土壤中的微生物吸收利用，尤其是加石灰或腐秆灵的处理其微生物生长更快，进而加快了秸秆的腐解，提升了土壤DOC的数量[32]。DOC有效率即土壤中DOC占SOC的百分比[18]，主要反映土壤有机碳的稳定性及损失情况，分配比越高土壤有机碳的活性越大，稳定性也越差[33]。该比例虽然很低，但其作为微生物生长的主要能源，在碳素循环方面具有重要作用[34]。在本研究中，各处理DOC有效率变化与其DOC含量变化呈现相反趋势，即各处理该比值均显著低于对照T0，表现为T0>T1>T3>T2趋势。这可能是因为稻草还田能刺激微生物生长，可溶性有机物因具有较高的生物降解性，很容易被微生物作为首选基质底物而消耗掉[35]，而加石灰或腐秆灵的稻草还田，由于土壤中微生物数量过于庞大，因此导致大量的可溶性有机物被消耗[36]，进而导致其DOC有效率降低。

植物与环境之间的交互作用关键在于根际，根际微生物聚集在根系周围，将有机物转变为无机物，为植物提供养分，因此，根际微生物对土壤环境的调控，已成为当前农田土壤研究的热点问题[37, 38]。本研究表明，加石灰的T2处理不管是细菌还是真菌群落其多样性均最突出。从群落构成分析，在细菌门水平上一共鉴定到47个门类，其中变形菌门（Proteobacteria）相对丰度最高，为优势菌门，是细菌中最大的一门，包括很多病原菌，也包括很多可以进行固氮的细菌；T2和T3处理较T0处理放线菌门（Actinobacteriota）相对丰度显著提高，放线菌门主要促进土壤动植物残体腐烂，同时对自然界的氮素循环也起着一定的作用[39]；而在真菌门水平上，共包含13个门，其中子囊菌门（Ascomycota）相对丰度占总量的80%以上，与T0相比，担子菌门（Basidiomycota）在T1、T2、T3中相对丰度均显著上升。Carniel等[40]研究发现，担子菌门（Basidiomycota）和子囊菌门（Ascomycota）通过分泌漆酶和木质素过氧化物酶降解秸秆中的木质素。在细菌属水平上，一共鉴定到520个属类，其中，丰度占比前10位的细菌属中，T1和T3处理的罗河杆菌属（）的相对丰度较T0显著提高，T2和T3处理的节杆菌属（）较T0显著提高。有研究表明节杆菌属（）具有降解连作障碍产生的自毒物质作用[23]。在真菌属水平上共鉴定到310个真菌属类，在占比前10位的真菌属中，与T0处理相比，T1、T2、T3处理腐质霉属（）、青霉菌属（）相对丰度均显著下降，、镰刀菌属（）相对丰度显著上升。主要菌属功能分析发现（表5），和镰刀菌属（）具有较强的纤维素分解能力[26]；而腐质霉属（）是腐生菌，同时也与多种疾病的发生有关[24]；青霉菌属（）与多种病害的产生有关[25]。由此可见，T2与T3处理一方面促进了根际土壤分解秸秆和固氮有益菌群的增加，另一方面还抑制了病害相关的致病菌生长。进一步的相关分析发现，碳源代谢有关的[21]具有降解降解自毒物质功能的（节杆菌属）[22]分解有机质功能的[23]分解纤维素功能的和镰刀菌属[26]与土壤AN、AP、AK和SOC等养分因子呈显著或极显著正相关（表6），而与病害发生有关的腐质霉属[24]和青霉菌属[25]与土壤AK和SOC等因子呈显著或极显著负相关（表6）。可见，根际有益菌的增加与大部分的土壤养分因子呈正相关关系，而致病性有害菌属则与土壤养分呈负相关关系。

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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。

中国烟草总公司福建省公司科技项目(20193500002400143)。