由于全球气候变化，干旱、半干旱地区已超过全球土地总面积的三分之一；土壤干旱是中国最严重的自然灾害之一，已造成巨大经济损失，当前我国干旱、半干旱地区已占国土总面积的 52.5% 左右^[1]。据估算，仅在 1998—2017 年期间，全球干旱造成的经济损失高达 1240 亿美元，农业领域的经济损失占 83%^[2]。水分在作物生长发育过程中起着关键作用，研究发现作物缺水可导致气孔闭合、气体交换效率降低、蒸腾作用和光合作用受到抑制，从而导致产量降低甚至绝收^[3]。近年来我国节水农业虽得到快速发展，但水资源分布不均、干旱缺水的基本国情没有得到根本改变，干旱对农业生产的威胁还长期存在^[4]。因此，大力发展节水农业，提高农业水资源利用效率，是确保国家粮食安全、推动农业绿色高质量发展的重要途径。

生物有机肥指特定功能微生物与主要以动植物残体（如畜禽粪便、农作物秸秆等）为来源并经无害化处理、腐熟的有机物料复合而成的一类兼具微生物肥料和有机肥效应的肥料，是我国农业生产中常用的肥料类型，其含有作物生长所必需的各种营养元素，可有效提高土壤有机质含量，改善土壤团聚体组成，调节土壤孔隙结构与微生物群落，从而提升土壤肥力，增强作物根系抗病性，促进作物生长^[5]。当前，利用生物有机肥提升土壤肥力、调节土壤微生物群落的研究较多，如司海丽等^[6]研究发现，施用生物有机肥可以有效提高土壤养分含量、酶活性与微生物数量，从而提高玉米产量。王文丽等^[7]研究表明，施用生物有机肥可以有效改变黄芪根际土壤细菌群落结构，增加黄芪根际土壤养分含量，提高黄芪品质。

有机肥料的主要成分为有机质，具有较好的吸水特性；然而，施用有机肥对持续干旱环境下旱地红壤保水性及细菌群落的影响还鲜见报道。因此，本研究通过室内土培试验，持续观测生物有机肥不同施加量处理的土壤含水量动态变化，利用高通量测序技术对土壤细菌群落进行定量分析，旨在为促进我国红壤区土壤保水增肥、应对季节性干旱提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

本研究于 2021 年 9—10 月在云南师范大学呈贡校区的温室内（102°51′18″E，24°42′44″N） 进行，试验区海拔 1977 m，1 月平均气温 7.7℃， 7 月平均气温 20.6℃^[8]。本研究使用的生物有机肥由通海现代生物肥业有限公司提供，符合 NY 884—2012 标准，其有效活菌包括枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌，CFU ≥ 0.2 亿个 /g；生物有机肥 pH 为 6.7，有机质含量为 40%。供试土壤为酸性红壤，土壤 pH 为 6.0，有机质含量为 1.8%。有机肥施加量分别为土壤干重的 1%、2%、3% 与 4%，记为 T1、T2、T3 与 T4，以不施加为对照（CK），每个处理重复 4 次。每个试验盆装入 5 kg 酸性红壤（干重），按试验设计添加生物有机肥并充分混匀，小心浇洒蒸馏水至土壤田间持水量（32%），随机置于温室内模拟自然干旱过程，分别在第 2、3、5、7、9、11、13、16、19、 22、26、31 d 进行称重，计算土壤含水量变化。

1.2 土壤理化性质分析

模拟自然干旱 31 d 时采集土样，分别研磨过 0.15 和 0.85 mm 筛，参照《土壤农业化学分析方法》测定土壤理化因子^[9]。土壤 pH 用 pH 计（雷磁 PHS-25）进行测定，水土比为 2.5∶1；土壤电导率（EC）采用 EC 计（COMBI 5000）进行测定，水土比 5∶1；土壤有效磷（AP）用 0.03 mol/L NH₄F 溶液浸提，钼锑抗比色法进行测定；土壤速效钾 （AK）用 0.5 mol/L CH₃COONH₄ 溶液浸提，火焰光度计（AA3，Model410 Flame Photometer，Germany） 进行测定；土壤有机质（OM）用重铬酸钾-硫酸消解液进行消解，用 0.1 mol/L FeSO₄ 溶液进行滴定； 铵态氮（NH₄ ⁺-N） 和硝态氮（NO₃^--N） 用 1 mol/L KCl 溶液浸提，流动分析仪（AA3，Seal Analytical，Germany）进行测定。

1.3 土壤细菌群落分析

模拟自然干旱 31 d 时，每个试验盆用无菌试管采集土壤样品，用于细菌群落高通量测序分析。参照赵林艳等^[10] 方法，准确称取 1 g 土样，利用 DNA 提取试剂盒（NucleoSpin Kit，Macherey-Nagel GmbH，Germany）提取土壤微生物总 DNA。细菌 16S rRNA V3～V4 区序列使用引物 338F （5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′）和 806R（5′-GGACTACHVGGGTWTC TAAT-3′）进行扩增。采用 AMPure XP 试剂盒（Beckman Coulter Life Sciences， USA）和 QuantiFluor^TM-ST 荧光定量系统（Promega， USA），对 PCR 扩增片段进行纯化和定量，用 Illumina HiSeq 2500 PE250 系统进行高通量测序。

1.4 统计分析

用 FLASH v1.2.7^[11] 和 Trimmomatic v0.33^[12] 对高通量测序产生的原始数据进行质控过滤，并使用 Cutadapt 1.9.1^[13] 去除引物序列，得到 Clean Reads。使用 Vsearch v10^[14]对 Clean Reads 进行拼接与过滤，并使用 UCHIME v4.2^[15]去除嵌合体。使用 UPARSE^[16]按 97% 的序列相似性划分 OTUs （Operational Taxonomic Units），并使用 RDP 以细菌 16S rRNA Silva 数据库（http://www.arb-silva.de）为参考，对 OTU 进行分类注释。使用 MOTHUR^[17] 计算各样品细菌多样性，包括 OTU 丰富度、Chao1 指数、ACE 指数与系统发育多样性指数。利用单因素方差分析（One-way ANOVA）与 Duncan 多重比较检验不同处理间土壤理化性质与细菌多样性的差异显著性；利用冗余分析（RDA）探索不同处理间细菌群落分化特征及其与土壤因子的关联性；以上分析均利用 R 软件包“vegan”^[18-19]与 SPSS 16.0（SPSS Inc.，Chicago，IL）进行。

2 结果与分析

2.1 施用生物有机肥对土壤保水性的影响

通过对土壤含水量动态变化的监测，发现在模拟干旱前 9 d 内，CK 组土壤含水量较高；16～31 d 时，CK 组土壤水分蒸发较快（图1A）；模拟干旱 31 d 时，施用有机肥处理的土壤含水量显著高于 CK 组，且 T1 处理下土壤含水量最高，为 CK 组的 1.8 倍（图1B）。

2.2 施用生物有机肥对土壤理化性质的影响

单因素方差分析表明，不同处理间土壤 pH、电导率、有机质、铵态氮、硝态氮、有效磷和速效钾含量具有显著差异（P<0.05）。与 CK 相比，T1 处理显著提高了土壤有机质、铵态氮、硝态氮与有效磷含量，对 pH、电导率与速效钾含量的影响不显著；T2～T4 处理显著提高了土壤 pH、有机质、铵态氮、硝态氮、有效磷和速效钾含量，当有机肥施加量为 4% 时（T4），土壤 pH 增加了 0.45，电导率增加了 0.18 mS/cm，有机质含量增加了 12.20 g/kg，铵态氮、硝态氮与有效磷含量分别增加了 36.04、16.32 和 10.41 mg/kg，速效钾含量增加了 0.44 g/kg。T1～T3 处理下土壤电导率的变化不显著， T4 处理下土壤电导率显著升高（表1）。

注：表中数值为平均值 ± 标准差，不同小写字母表示不同处理间具有显著差异（P<0.05）。下同。

2.3 施用生物有机肥对土壤细菌群落组成的影响

在门分类水平上，施用生物有机肥显著提高了土壤中变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门 （Actinobacteria）和芽单胞菌门（Gemmatimonadetes）相对丰度（图2）。CK 组厚壁菌门（Firmicutes） 的相对丰度为 56.62%，而 T1～T4 处理下土壤中厚壁菌门相对丰度为 0.99%～16.56%（图2）。

在属分类水平上，生物有机肥处理的土壤中溶杆菌属（Lysobacter）、Ramlibacter 和鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）的相对丰度均高于 CK 组；土壤中溶杆菌属和 Ramlibacter 相对丰度随有机肥施加量的增加而升高，鞘氨醇单胞菌属相对丰度随有机肥施加量的增加呈先增后降的趋势。此外，施用生物有机肥显著降低了持续干旱环境下土壤中硝化螺旋菌属（Nitrospira）、芽单胞菌属（Gemmatimonas） 和芽孢杆菌属（Bacillus）的相对丰度（图3）。

注：不同小写字母表示具有显著差异（P<0.05）。

2.4 施用生物有机肥对土壤细菌群落 alpha 多样性的影响

原始测序数据经质控、拼接、过滤和去除嵌合体后，基于 97% 的序列相似性进行 OTU 划分，共得到细菌 OTU 2673 个，隶属于 27 门 67 纲 167 目 309 科 588 属 678 种。不同处理下均有分布的细菌 OTU 数为 284 个，CK 组特有 OTU 数为 190 个，T1 组特有 OTU数为 68 个，T2 组为 62 个，T3 组为 39 个，T4 组为 41 个（图4A）。由于不同样品间测序量存在差异，故用稀疏标准化的方法比较不同处理间 OTU 丰富度（图4B）。施加生物有机肥后土壤细菌群落的 OTU 丰富度、Chao1 指数、ACE 指数及系统发育多样性指数均高于对照组，且随着有机肥施加量的增加，土壤细菌多样性呈升高趋势（P<0.05）（表2）。

2.5 施用生物有机肥对细菌群落 Beta 多样性的影响

聚类分析表明，施用生物有机肥的处理组与对照组土壤细菌群落具有明显的聚类特征（图5A）。基于 Bray-Curtis 距离指数的 ANOSIM 分析表明，处理间细菌群落距离显著大于处理内（图5B）。冗余分析表明，处理组与 CK 组微生物群落在第一排序轴具有明显的分化特征（图6）。

注：EC 为电导率；OM 为有机质；NH₄ ⁺-N 为铵态氮；NO₃^--N 为硝态氮；AP 为有效磷；AK 为速效钾。SW 为土壤含水量。

3 讨论

3.1 施用生物有机肥调节土壤保水性及养分含量

本研究表明，施用生物有机肥对土壤保水性的影响因施肥量与模拟干旱时间的不同而存在显著差异（图1）。模拟干旱的前 9 d，施用生物有机肥的处理组土壤含水量低于 CK 组；然而，模拟干旱 16 d 以后，处理组土壤含水量均高于 CK 组，且随着模拟干旱时间的延长，这种差异越明显。一方面，施加生物有机肥可提高土壤孔隙度，促进水分蒸发；另一方面，生物有机肥主要由生物质材料制备而成，富含有机质，具有较好的吸水保水性^[20]。因此，模拟干旱初期处理组土壤含水量下降较快，可能是由于土壤孔隙度增加促进水分蒸发所致；如模拟干旱第 1 d，试验组土壤含水量下降 6.4%，而 CK 组土壤含水量仅下降 4.8%，可能是由于浇水导致土壤团聚体结构变化，孔隙度降低，水分蒸发相对较慢；而施用有机肥后，土壤容重降低，孔隙度增加，从而促进表层土壤水分蒸发^[21]。此外，本研究还发现模拟干旱 31 d 时，T1 处理下土壤含水量最高，约为 CK 组的 1.8 倍，且显著高于 T4（图1）。宿翠翠等^[22]研究表明，施用有机肥提高了西北干旱区黄芪种植土壤的保水性；舒方瑜等^[23]采用定水头土柱模拟试验，揭示施用有机肥可有效降低土壤水分移动速率，增强土壤持水能力。然而，王凯等^[24]通过原位土培试验研究表明，与 CK 组相比较，有机肥施加量为 3 t/hm² 时毛白杨人工林旱季土壤含水量显著增加，而施加量为 9 t/hm² 时，土壤含水量降低。因此，适量施用有机肥可提高持续干旱环境下土壤的保水性，可能与肥料中有机质具有较强的吸水能力有关；然而，当施加量较高时，也可能导致土壤孔隙度大幅增加，促进水分蒸发，从而导致土壤含水量降低，这在实际应用中应当引起重视。

本研究表明，施用生物有机肥提高了土壤 pH，可能是由于供试有机肥的 pH 高于土壤，其施入土壤后可提高土壤 pH；此外，微生物代谢活动也可能对土壤 pH 产生影响^[25]。柴汕等^[26]研究表明，有机肥等氮量替代化肥提高了豫南砂姜黑土区夏玉米种植土壤 pH。此外，生物有机肥中富含氮、磷、钾与有机质，可有效提高土壤中氮、磷、钾和有机质的含量（表1），且微生物代谢活动可能影响土壤中养分的有效性。朱梦遥等^[27]研究表明，施用生物有机肥可有效提高植烟土壤有机质含量，改善土壤理化性质。张明等^[28]研究表明，有机肥与枯草芽孢杆菌配施显著提高了穿心莲根际土壤 pH 与速效氮、磷、钾含量。保善存等^[29]研究表明，施用解淀粉芽孢杆菌微生物菌剂明显提高了土壤有效磷、速效钾和碱解氮含量，促进了枸杞的生长。因此，施用生物有机肥可直接或通过微生物代谢活动间接调节土壤 pH，提升有机质与速效养分含量。

3.2 施用生物有机肥调节土壤细菌群落

本研究表明，施加生物有机肥显著提高了土壤中细菌群落 OTU 丰富度、Chao1 指数、ACE 指数和系统发育多样性指数，且均随生物有机肥施加量的增加而显著升高（表2），其原因可能是施用生物有机肥增加了土壤保水性及有机质与养分含量^[21]，可为细菌生长与繁殖提供丰富的养分，且有机质的微孔结构也可为细菌提供适宜的生存空间，从而缓解种间竞争，促进不同种类的细菌共存^[30]；此外，生物有机肥本身富含各类细菌，可提高土壤细菌多样性^[31]。土壤微生物多样性与功能的关系，已成为土壤生态学研究的热点问题，如 Zhao 等^[32]通过向三七连作土壤中施加生物炭，显著提高了土壤细菌群落多样性，并促进了连作三七的生长，提高了三七存活率；然而，本研究中土壤细菌多样性升高对干旱胁迫下作物生长与土传病害防控等的影响，还有待进一步研究。

聚类分析与 RDA 分析表明，施用生物有机肥导致了土壤细菌群落分化（图5、图6），与施肥后土壤 pH、含水量、有机质和速效养分含量的变化密切相关。王海婷等^[33]研究表明，施用生物有机肥可有效提高土壤 pH 和速效养分含量，调节微生物群落，促使潜在有益菌在根际土壤中富集，从而减少烟草土传病害的发生。邓正昕等^[34]研究表明，施用有机肥显著提高了土壤 pH 和有机质含量，增加了柠檬根际土壤细菌丰度，改变了土壤细菌群落结构。

本研究表明，不同生物有机肥施加量处理下土壤中变形菌门、拟杆菌门和酸杆菌门为优势细菌类群；CK 组中厚壁菌门为优势细菌类群，其相对丰度达 56.62%，远高于处理组平均水平（5.72%），说明施用生物有机肥对土壤细菌群落组成具有重要影响。在属分类水平，施用生物有机肥使土壤中溶杆菌属、Ramlibacter 和鞘氨醇单胞菌属相对丰度显著升高（图3）。溶杆菌属的大部分细菌具有重要的生防前景^[35]，因此，土壤中溶杆菌属相对丰度升高可能有利于土传病害防控；鞘氨醇单胞菌在生物降解、增强植物抗逆性等方面具有巨大的应用潜力^[36]，其在土壤中相对丰度升高可能有利于作物的生长；此外，Ramlibacter 多种细菌可有效降解纤维素，促进土壤中有机质的分解与养分循环^[37]。施用生物有机肥显著降低了土壤中硝化螺旋菌属的相对丰度（图3）；研究表明，硝化螺旋菌属细菌在硝化作用中起着关键作用^[38]，其相对丰度降低可能减缓土壤中铵态氮转化为硝态氮。本研究使用的生物有机肥添加了枯草芽孢杆菌、地衣芽孢杆菌和解淀粉芽孢杆菌，具有防控部分病原微生物的作用^[39]；然而，本研究发现持续干旱环境下，施加生物有机肥反而降低了土壤中芽孢杆菌的相对丰度。一方面，CK 组中土壤含水量较低，仅为 4.2%，可能对大部分细菌生长产生抑制，而芽孢杆菌的抗逆性较强^[39]，因此在土壤细菌群落中的相对丰度较高；另一方面，施用生物有机肥显著提高了土壤保水性，改善了土壤环境，可能促进土壤中多种细菌的生长与繁殖，从而导致芽孢杆菌的相对丰度降低。

4 结论

本研究发现，施用生物有机肥对土壤保水性的影响因施肥量与模拟干旱时间的不同而存在显著差异；模拟干旱前 9 d 内，CK 组土壤含水量较高，而模拟干旱 16 d 以后，处理组土壤含水量均高于 CK 组，且随着模拟干旱时间的延长，差异越明显；这说明施用有机肥对提高持续干旱环境下土壤的保水性是有利的。此外，施用生物有机肥有效调节了土壤细菌群落组成，显著提高了土壤细菌多样性；然而，其对干旱胁迫下作物生长与土传病害等的影响，还有待进一步研究。本研究为我国红壤区土壤保水增肥、应对季节性干旱提供了科学依据。

参考文献