《Plants》：Straw Compost Products Improve Corn Growth in Association with Rhizosphere Microbial Community in Acidic Soil
Tongyu Feng,
Xin Wang,
Chao Wang and
Renfang Shen
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本文通过盆栽实验，系统评估了六种作物秸秆堆肥产品对酸性红壤改良效果、玉米生长与养分吸收、土壤理化性质及微生物群落的影响。研究发现，除小麦和油菜秸秆堆肥外，其他处理均能显著促进玉米生长（生物量增加11%-69%）并提高地上部氮(N)、磷(P)、钾(K)含量。土壤有机碳(SOC)的增加与玉米生长密切相关。根际效应（rhizosphere effect）对细菌群落结构的影响强于秸秆堆肥类型，放线菌门（Actinobacteriota）和帕特西菌门（Patescibacteria）是根际中与玉米养分吸收正相关的关键细菌类群。根际微生物共现网络比整体土壤网络显示出更高的模块性（modularity）和正相关性连接比例，暗示了更紧密的合作互作模式。研究阐明了不同秸秆堆肥产品对酸性土壤的差异化改良作用，揭示了根际微生物与作物养分吸收之间的密切联系。
引言背景
作为一种主要的农业国家，中国产生大量的作物秸秆，2024年秸秆总量估计约为8.85亿吨，主要包括玉米、水稻、小麦、油菜、大豆和花生。秸秆堆肥还田是资源化利用的有效途径，尤其对于分布广泛、通常表现为低pH、养分匮乏和有机质含量低的酸性土壤，具有改善土壤理化性质、增强土壤微生物功能的潜力。然而，不同作物秸秆制成的堆肥产品在改善酸性土壤方面的效果差异及其与根际微生物的关联机制尚不清楚。本研究假设，不同作物秸秆堆肥产品对酸性土壤的改良效果存在差异，且这些差异与土壤养分和根际微生物群落变化密切相关。
结果与分析
1. 秸秆堆肥产品的理化特性
研究选用了玉米、大豆、小麦、水稻、花生和油菜六种作物秸秆堆肥产品。其pH值在7.61至10.17之间，呈碱性。土壤有机碳(SOC)含量相对一致，而养分水平差异显著。水稻秸秆堆肥的总氮(TN)、总磷(TP)和总钾(TK)含量最高。碳氮比(C/N)在14.13（水稻）到27.96（小麦）之间，反映了不同秸秆类型在腐熟度和底物组成上的显著差异。
2. 玉米生长与土壤理化性质
与对照(CK)相比，除小麦秸秆堆肥处理外，其他秸秆堆肥产品均显著增加了玉米的生物量。其中，大豆堆肥处理效果最好，使玉米生物量比对照增加了69%。秸秆堆肥也显著增加了玉米地上部的氮、磷、钾含量，特别是对钾(K)含量的提升最为明显。相关性分析显示，玉米生物量与土壤有机碳(SOC)无论是在整体土壤还是根际土壤中均呈正相关。
3. 细菌群落组成与多样性
在所有土壤样本中，主导的细菌门为绿弯菌门（Chloroflexi）、变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteriota）、酸杆菌门（Acidobacteriota）和拟杆菌门（Bacteroidota）。研究表明，根际效应对细菌群落结构变化的影响大于秸秆堆肥类型。主坐标分析(PCoA)显示，整体土壤和根际土壤的细菌群落结构存在明显分离，秸秆堆肥产品能显著改变各自的细菌群落结构。
4. 细菌群落与玉米生长的关联
在整体土壤中，玉米生物量和养分含量与优势细菌门或α-多样性指数的相关性不强。然而，在根际土壤中，玉米氮含量与细菌Chao1指数呈正相关。更重要的是，放线菌门（Actinobacteriota）的相对丰度与玉米氮、磷含量呈正相关，而帕特西菌门（Patescibacteria）则与玉米氮、磷、钾含量及土壤速效钾(AK)、有机碳(SOC)和总钾(TK)呈正相关。在多数秸秆堆肥处理（大豆、玉米、水稻、小麦、花生）的根际土壤中，放线菌门的相对丰度高于对照。
5. 微生物共现网络分析
相比整体土壤网络，根际微生物共现网络表现出更高的直径、平均路径长度、传递性、模块性及正相关连接比例。这表明根际微生物群落的互作模式更趋向于合作。玉米的生物量和养分含量与根际网络的多个拓扑参数（如正相关边比例、网络密度、度中心性、中介中心性）呈显著正相关，进一步强调了根际微生物网络的紧密合作结构对促进作物生长的积极作用。
6. 细菌群落的功能潜力预测
在整体土壤中，与硝化作用相关的功能基因（如pmoA/B/C, amoA/B/C, hao）的预测丰度与玉米生物量、钾含量和土壤速效钾(AK)呈正相关。在根际土壤中，这些基因与玉米生长的相关性不显著或呈负相关。对于磷(P)循环，玉米生物量与整体土壤中phoD基因的预测丰度呈正相关，而phnW基因的丰度在根际土壤中与玉米磷含量呈正相关，表明根际微生物可能参与了更难利用的膦酸盐类磷源的活化。
讨论与结论
3.1. 秸秆堆肥产品对酸性土壤的差异化改良效应
秸秆堆肥产品可以通过输入碱性物质、提供易利用的钾(K+)等阳离子、增加土壤有机碳(SOC)等方式改善酸性土壤条件，促进玉米生长。但不同作物秸秆堆肥产品的改良效果存在显著差异。豆科作物（大豆、花生）秸秆堆肥由于其较低的C/N比和较高的氮含量，其改良效果普遍优于禾本科作物秸秆。水稻秸秆堆肥在禾本科中表现较好，可能与其较低的C/N比及较高的钾、硅含量有关，这些物质有助于增强植物在酸性环境下的抗逆性。
3.2. 根际微生物对作物生长的贡献
根际效应（植物根系与土壤的界面）对细菌群落结构的影响比秸秆堆肥类型本身更强，表明堆肥产品的有益效应很可能与根际特异的微生物群落或代谢过程相关。在本研究中，放线菌门（Actinobacteriota）和帕特西菌门（Patescibacteria）成为与玉米养分吸收相关的核心细菌类群。放线菌门更多地与有机质分解和氮磷转化相关，而帕特西菌门则倾向于营养缺陷型策略，依赖与其他微生物群体的合作。秸秆堆肥产品重塑了根际微生物群落，使其网络呈现出更高的正相关连接比例和模块性，这种更紧密的合作网络可能有助于提高根区养分的转化和留存效率。
3.3. 氮磷转化的微生物过程
基于功能预测，氮、磷转化过程在整体土壤和根际土壤之间存在明显的空间分异。在整体土壤中，秸秆堆肥增强了与硝化作用相关的功能潜力，这虽然增加了氮的有效性，但也可能增加氮流失的风险。而在根际环境中，硝化相关基因与作物氮含量的相关性减弱或不显著，表明植物根系可能通过分泌硝化抑制剂等方式，抑制了氮转化过程，优先保证了植物对氮的吸收。在磷循环方面，整体土壤中有机磷矿化相关基因（phoD）与玉米生长正相关，而根际土壤中难利用磷（膦酸盐）分解基因（phnW）的富集与玉米磷吸收相关，暗示根际微生物能够活化更广泛的磷库，以满足植物需求。
本研究证实，秸秆堆肥产品可作为一种有效的酸性土壤改良剂，提升玉米生长和养分吸收，其效果因秸秆类型而异。豆科秸秆堆肥通常优于禾本科。秸秆堆肥的应用改变了根际微生物群落组成和功能潜力，这些变化与增强的氮、磷循环以及玉米养分吸收的提高相关联。特别是根际中的放线菌门和帕特西菌门，以及更具合作性的微生物网络，是秸秆堆肥促进作物生长的重要微生物学机制。这些发现为针对酸性土壤改良的秸秆资源化利用提供了科学依据。
