摘要
为探讨长期施用钾肥对水稻-油菜轮作体系土壤养分及微生物群落结构的影响，采用长期田间定位试验（起始于 2011 年 3 月），试验共设 0、45、90、135、180 kg/hm2 5 个钾肥施用处理（K0、K45、K90、K135、K180），旨在分析不同钾肥施用量对土壤理化性质、土壤微生物 Alpha 多样性及物种差异等影响。结果显示：高钾肥施用对土壤养分影响最为明显，K180 处理中水溶钾、速效钾和缓效钾含量较供试土壤理化性质初始值分别显著增加了 348.9%、45.1% 和 83.0%；有机质含量得到相应提升，而有效磷含量则呈现下降趋势。与 K0 处理相比，长期施用钾肥且随着施用量的增加，细菌和真菌的丰富度有所提高。在细菌门分类水平上，变形菌门（Proteobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）为优势菌门，其相对丰度随钾肥施用量的增加而降低。在真菌门分类水平上，真菌群落对钾肥梯度的响应呈现非线性特征，各处理中子囊菌门（Ascomycota）和担子菌门（Basidiomycota）为优势菌门，整体上看子囊菌门相对丰度呈下降趋势，但高钾肥施用下有所上升；而担子菌门丰度在 135 kg/hm2 钾肥施用水平下达到峰值后急剧回落，被孢霉门（Mortierellomycota）和壶菌门（Chytridiomycota）相对丰度虽总体上升但存在阶段性波动。在属水平上，施钾肥处理与 K0 处理相比，土壤中细菌和真菌优势菌群相对丰度显著降低。主成分分析、热图分析和韦恩图分析表明，K90 处理对土壤微生物多样性和物种差异性的影响最优，继续增加施用量对土壤微生物群落的稳定性和多样性产生负面影响。冗余分析结果显示，土壤 pH 和有效磷、有机质、速效钾含量对土壤微生物种群结构的影响占主导地位，分别在细菌和真菌群落中共解释了 77.6% 和 81.0% 的变异属性。研究发现，秸秆全量粉碎还田条件下，135 和 180 kg/hm2 的钾肥施用能够有效优化土壤养分，而施用 90 kg/hm2 钾肥能维持土壤微生物群落多样性。
Abstract
To investigate the effects of long-term potassium（K）fertilization on soil nutrients and microbial community structure in a rice-rapeseed rotation system，a long-term field experiment（initiated in March 2011）was conducted with five potassium application treatments：0，45，90，135，180 kg/hm2 （K0，K45，K90，K135，K180）．The impacts of varying K application rates on soil physicochemical properties，microbial alpha diversity，and species differences were analyzed．Results showed that high K application exerted the most pronounced effects on soil nutrients． In the K180 treatment，water-soluble K，available K，and slowly available K contents increased significantly by 348.9%，45.1%，and 83.0%，respectively，compared to initial soil physicochemical values．Organic matter content showed corresponding improvement，while available phosphorus（P）exhibited a declining trend．Compared to the K0 treatment，prolonged K fertilization with increasing application rates enhanced bacterial and fungal richness． At the bacterial phylum level，Proteobacteria and Acidobacteria were identified as dominant phyla，with their relative abundances decreasing progressively with increased K inputs．For fungal communities，phylum-level responses to K rates displayed nonlinear characteristics．Ascomycota and Basidiomycota predominated across all treatments． Overall，Ascomycota relative abundance declined with increasing K application，but rebounded under high K inputs，whereas Basidiomycota abundance peaked at the K135 application level before sharply decreasing． Mortierellomycota and Chytridiomycota exhibited overall increases in relative abundance but displayed intermittent fluctuations during application progression．At the genus level，K fertilized treatments showed significantly reduced relative abundances of dominant bacterial and fungal taxa，compared to K0 treatment．Principal component analysis，heatmap analysis，and Venn diagrams revealed that the K90 treatment optimally maintained soil microbial diversity and species differentiation，while further increases in application rates negatively impacted microbial community stability and diversity． Redundancy analysis indicated that soil pH，available P，organic matter，and available K predominantly influenced microbial community structure，collectively explaining 77.6% and 81.0% of variation in bacterial and fungal communities， respectively．This study concluded that under full straw return conditions，K applications of 135 and 180 kg/hm2 effectively optimized soil nutrient status，whereas 90 kg/hm2 K application sustained soil microbial community diversity．
近 20 年来，随着测土配方施肥技术和化肥农药减量施用项目的推广和实施，我国农田作物区域科学施肥得到了显著提升，但小区域和散户习惯施肥仍存在养分配比不均衡现象。钾是植物生长的必需营养元素，对于促进光合作用、增强作物的抗逆性以及提升作物品质均具有重要影响[1-3]。水稻和油菜是湖北省两大主要粮、油作物，均需钾量较多，而油菜需钾量相当于谷类作物的 3 倍[4]。水稻-油菜（简称稻油）轮作是湖北省大多数地区重要的水旱轮作模式，其生产状况直接关系到粮食安全[5]。在农业体系中，养分高效吸收利用不仅取决于植物自身遗传特性[6]，还与土壤肥力、微生物活动密切相关。土壤微生物群落的功能多样性是衡量土壤健康状况和功能表现的关键指标，能够反映土壤微生物的生态属性以及土壤肥沃程度[7]。土壤中的有益微生物对协助植物根系吸收养分、增强作物对环境胁迫的适应能力具有重要作用，它们在维持土壤结构和提高土壤养分供应能力方面发挥着关键作用。科研工作者普遍认同，增强土壤微生物多样性及其活性，对于促进土壤健康、提高作物产量、改善土壤结构，以及推动农业可持续发展具有积极影响。而钾肥作为广泛施用的化学肥料，仅次于氮肥，对作物生长以及微生物丰度影响的重要性不言而喻[8-11]。在水旱轮作模式下，国内现有研究多聚焦于钾肥对作物短期和长期的增产效应。相比土壤碳、氮、磷循环和微生物多样性研究，目前对土壤钾素与微生物群落及结构之间关系的研究相对较少，尚未受到足够的重视。因此，本研究通过稻油轮作长期定位试验，研究不同水平钾肥施用量与土壤微生物多样性的相互关系，为钾肥科学施用和土壤健康提供理论支撑。
1 材料与方法
1.1 试验地点
试验田块位于湖北省荆州市荆州区川店镇双店村（30.6°N，112.3°E），海拔 68 m，该地区受亚热带季风气候影响，年均气温和降水量如图1所示。土壤由河流冲积物形成，质地较为黏重，多采用水稻-油菜轮作模式。土壤耕作层（0～20 cm） 的基本性质见表1。试验所用的水稻品种为‘鄂科 1 号’，油菜品种为‘华油杂 62’，种植方式均采用直播方式，水稻的种子用量为 75 kg/hm2，油菜的种子用量为 4.5 kg/hm2[12]。试验所用化肥为尿素（N 46%）、过磷酸钙（P2O5 12%）、KCl（K2O 60%）和硼砂（B 11%），由湖北宜施壮农业科技有限公司提供。
图1试验田块月均温度和降水量
表1土壤基本理化性质
1.2 试验设计
本研究自 2011 年起开展长期定位试验，采用一年两熟的中稻-冬油菜轮作模式，共设 0、45、 90、135、180 kg/hm2 5 个钾肥施用水平处理（K0、 K45、K90、K135、K180），每个处理重复 3 次，共计 15 个试验小区。其中，90 kg/hm2 的钾肥施用量为当地作物推荐施钾量，水稻季与油菜季在同一小区施用等量的钾肥[12]。水稻和油菜的氮肥和磷肥施用量保持一致，分别为 180 和 90 kg/hm2；在油菜生长季节增施硼肥（硼砂）15 kg/hm2。水稻和冬油菜的氮肥 60% 作为基肥施用，40% 作分蘖肥（越冬肥），磷、钾及硼肥均一次性基施。各小区的作物秸秆全量粉碎还田，与基肥混施翻压。第一季水稻的前茬作物为冬油菜，秸秆还田量统一设置为 4500 kg/hm2，之后各小区秸秆均全量还田。
1.3 样品采集
本研究于 2023 年 5 月冬油菜收获后，进行土壤样品采集，并去除杂草、石子等杂质。一部分土样自然风干，用木锤磨细后过 18 号筛（孔径 1 mm），进行理化指标测定；另一部分土样于-80℃冷藏，用于微生物多样性分析。
1.4 土壤理化性质的测定
土壤 pH 采用 pH 计测定（土水比为 1∶2.5），土壤有效磷（ 0.5 mol/L 碳酸氢钠提取-钼锑抗比色法）、水溶钾（纯水浸提-火焰光度法）、速效钾（1 mol/L 乙酸铵浸提-火焰光度法）、缓效钾（1 mol/L 硝酸浸提-火焰光度法）、有机质（重铬酸钾容量法-稀释热法）和碱解氮（碱解扩散法）含量的测定均参照《土壤农化分析》 方法[13]。
1.5 土壤微生物 DNA 的提取及扩增测序
使用 Omega Soil DNA Kit 试剂盒（Omega 生物技术公司，美国）提取土壤样本总 DNA，并通过 1.2% 琼脂糖凝胶进行电泳分析，NanoDrop 紫外分光光度计（Thermo Scientific，NC2000，美国）检测 DNA 的尺寸、完整性、浓度和纯度。16S rDNA V4～V5 区和真菌 ITS 区的扩增分别采用 515F/806R 和 ITS5/ ITS2 前后引物，使用高保真 DNA 聚合酶在 25 μL 体系中进行聚合酶链式反应（PCR），条件为 98℃预变性 2 min，细菌样本进行 27 个循环、真菌样本进行 35 个循环，每个循环包括 98℃变性 15 s、55℃退火 30 s、72℃延伸 30 s，最后 72℃延伸 5 min，10℃ 保存样品。PCR 扩增完成后，所得产物经过回收、纯化，并进行质量检测和定量分析。最后，利用 Illumina Novaseq 测序平台对 DNA 样本进行测序（武汉百易汇能生物科技有限公司）。
1.6 数据处理
对高通量测序数据的质量初步筛选之后，根据Index 与 Barcode 信息对文库和样本进行精确区分，并移除 Barcode 序列。采用 QIIME2（2019.4），基于未进行稀有化处理的扩增子序列变体（ASV）数据，对土壤中的微生物群落进行 Chao1 和 Species 丰富度指数的计算，以此来评估群落中的物种丰富性。此外，通过计算 Shannon 和 Simpson 多样性指数，用以衡量群落内物种多样性程度。基于相对丰度利用线性判别分析效应大小（LEfSe）分析方法对菌群丰度差异检验。本研究利用 Canoco 5 进行冗余分析，建立土壤中关键微生物群落的相对丰度与环境因子之间的联系。数据计算和处理通过 Excel2019 和 Origin 2021 完成，图形编辑利用 Adobe Illustrator 进行。
统计显著性分析在 SPSS 24.0 中进行。首先通过 Levene 检验验证方差齐性，并通过 Shapiro-Wilk 检验评估数据正态性。所有处理组数据均满足方差齐性（P>0.05）和正态分布（P>0.05），因此采用单因素方差分析结合 LSD 法进行多重比较，检验 P<0.05 水平上的差异显著性。
2 结果与分析
2.1 钾肥用量对土壤理化性质的影响
表2结果显示，施用钾肥（K45、K90、K135、K180） 处理相较于未施钾肥（K0）处理改变了土壤养分含量，但不同指标对钾肥的响应存在差异。其中，土壤 pH 有所下降。当钾肥施用量达到 180 kg/hm2 （K180）时，土壤 pH 显著降低至 5.50，较K0 处理降低 6.6%（P<0.05）。土壤有机质在 K135 处理达到最高值（33.57 g/kg），较初始值显著提高 17.3%（P<0.05），并显著高于 K0、K45 和 K180 处理 （P<0.05）。各处理土壤碱解氮含量均显著高于初始值 145.7 mg/kg（P<0.05），施用钾肥的处理相较于初始值分别提升 68.2%、58.0%、62.8% 和 67.7%。钾肥施用对土壤有效磷含量影响呈现抑制现象，K0 处理有效磷含量较初始值显著提高 68.5%，高于所有施钾处理。随着施钾量增加，有效磷增幅从 K45 处理的 37.0% 显著下降至 K180 处理的 8.3%，其中 K90、K180 处理的有效磷含量（12.80、10.29 mg/kg） 显著低于 K0 处理（P<0.05）。相比之下，速效钾和缓效钾含量对钾肥施用响应显著，速效钾含量在 K90 处理达到峰值 236.8 mg/kg，显著高于其他施钾处理（P<0.05），较初始值提升 90.4%。缓效钾含量在 K180 处理显著积累至 793.8 mg/kg，较初始值和 K0 处理增幅分别高达 83.0% 和 119.0%，且显著高于其他施钾处理（P<0.05）。同时，水溶钾含量随施钾量增加呈指数增长，K180 处理中水溶钾含量高达 81.75 mg/kg，显著高于其他处理（P<0.05），较 K0 处理提升 348.9%。
数据分析结果表明，当钾肥施用量达到 180 和 135 kg/hm2 时，对土壤基本理化性质的改善效果最为显著。本田块已有产量结果表明，180 和 135 kg/hm2 的钾肥用量下，直播水稻和直播油菜的产量达到最大值[12]。这进一步证实该钾肥施用量对土壤理化性质具有较优影响。
表2不同钾肥用量对土壤理化性质的影响
注：同列不同小写字母代表不同处理间具有差异显著性（P<0.05）。
2.2 钾肥用量对土壤细菌和真菌 Alpha 多样性的影响
稀释曲线可以得出样品的取样量是否充足的结论。图2结果看出，随着样本测序深度逐渐增大，各处理中（a）细菌和（b）真菌的稀释曲线不再有明显升高，曲线转而趋于平滑，由此可知样本 Alpha 多样性指标达到稳定，测序数据合理、有效。
图2各处理中细菌（a）和真菌（b）的稀释曲线
表3结果显示，在各处理中，细菌和真菌测序量覆盖率均大于 0.99。方差分析结果表明，在不同的钾肥施用水平下，细菌与真菌群落的物种丰富度指标即 Chao1 和 Species 指数，各个处理间呈现出显著差异（P<0.05）。对于细菌群落而言， K90 处理丰富度最高，真菌群落中，K45 和 K90 处理物种丰富度最高。在多样性指数方面，Simpson 和 Shannon 指数显示，不同钾肥处理对细菌群落的多样性影响不具有显著性。真菌群落的多样性指数则呈现 K90>K180>K135>K45>K0，尤其在 K0 处理中，多样性的变化最为显著（P<0.05）。这表明，与细菌群落相比，不同钾肥施用水平对真菌群落的影响更为显著，且真菌群落结构的变化幅度也较大。
表3土壤中细菌和真菌物种组成 Alpha 多样性
注：同一种群同列不同小写字母代表不同处理间具有差异显著性（P<0.05）。
2.3 钾肥用量对土壤细菌和真菌物种差异的影响
图3a的结果显示，在细菌门分类水平上，不同处理下占主导地位的优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria），这 2 种菌门在各处理条件下的平均相对丰度分别达到 35.2% 和 28.0%。具体来看，K135 处理的变形菌门和 K0 处理的酸杆菌门的相对丰度分别达到 40.3% 和 33.5%，均显著高于其他处理条件下的相对丰度；与 K0 处理相比，K135 处理中拟杆菌门（Bacteroidetes）和厚壁菌门（Firmicutes）分别显著增加 116.6% 和 41.6%。由图2（b）所示结果显示，真菌在门水平分类下，各处理中子囊菌门（Ascomycota）为优势种，平均相对丰度为 69%；担子菌门（Basidiomycota）、被孢霉门（Mortierellomycota）、Unspecified Fungi、壶菌门 （Chytridiomycota）的相对丰度较高，平均值分别为 12.2%、10.7%、5.1%、2.0%，在担子菌门的相对丰度方面，K135 处理表现出尤为明显的差异，其相对丰度为 29.8%，相较于 K0 处理提升 385.3%。
图3细菌（a）和真菌（b）在门水平上的主要分类群的相对丰度
为识别不同钾肥处理间微生物群落中显著差异的分类单元，采用 LEfSe 分析通过线性判别分析得分值（LDA）量化不同分类单元对组间差异的贡献程度，并通过设定 LDA 阈值 >2.0 且 Kruskal-Wallis 检验 P<0.05 的显著性标准。结果显示，不同钾肥施用量下土壤细菌和真菌群落在门水平上存在显著差异。在细菌门水平上（图4a），K0 处理中土壤酸杆菌门（Acidobacteria）、疣微菌门 （Verrucomicrobia）、放线菌门（Actinobacteria）发生显著变化；K45 处理中硝化螺旋菌门（Nitrospir）的变化更为显著。K90 处理中 WPS-2 的相对丰度略高于其他处理。K135 处理中，变形菌门（Proteobacteria）、拟杆菌门（Bacteroidetes）、厚壁菌门（Firmicutes）、纤维杆菌门（Fibrobacteres）的变化显著。绿弯菌门（Chloroflexi）、Crenarchaeota、TM7、绿硫菌门 （Chlorobi）在 K180 处理中对相对丰度差异贡献有显著影响。在真菌门分类水平上（图4b），不同处理条件下，对相对丰度差异贡献显著的真菌门类包括 K0 处理中的子囊菌门（Ascomycota），K90 处理中的球囊菌门（Glomeromycota），K135 处理中的担子菌门（Basidiomycota），K180 处理中的被孢霉门 （Mortierellomycota）、壶菌门（Chytridiomycota）和罗兹菌门（Rozellomycota）。
图4细菌（a）和真菌（b）关键门 LEfSe 分析结果
图5展示了细菌和真菌在属水平上的种类组成。结果显示在施用不同钾肥量后，真菌群落相对丰度高于细菌群落。在细菌属水平上，克氏菌属（Koribacteraceae）为优势属，平均相对丰度为 9.8%，在 K0 处理中相对丰度显著高于其他处理，其比例高达 13.8%；其次为 Candidatus_Koribacter、地杆菌属（Geobacter）、Chitinophagaceae、红古菌 （Solibacterales）和梭状芽孢杆菌（Clostridium），其平均相对丰度分别为 4.8%、4.2%、3.0%、2.8% 和 2.6%。在真菌属水平上，Lectera 属平均相对丰度达到 11.8% 成为优势属。其次为 Pleosporales、Taeniolella 和被孢霉属（Mortierella），平均相对丰度分别为 8.5%、8.1% 和 6.5%。整体上，在 K0 处理中的 Lectera 和癣囊腔菌属（Plectosphaerella）、K45 处理中的 Pleosporales、K90 处理中的 Ascomycota、 K135 处理中的 Auriculariales，相对丰度占比分别为 44.2%、18.6%、28.9%、15.4%、25.2%，明显高于在其他处理中的相对丰度。
图5细菌（a）和真菌（b）在属水平上的主要分类群的相对丰度
2.4 钾肥用量对土壤细菌和真菌物种组成的影响
图6通过主成分分析在二维坐标系中呈现样本间微生物多样性的差异。图中颜色相同的点代表它们属于同一个样本组，点之间的距离反映了微生物群落差异。群落间距离越近，表明它们的微生物组成相似度越高；距离越远，表明差异性越大。图6的主成分分析结果显示，不同的施肥处理显著影响了土壤细菌和真菌群落的结构。在细菌群落（图6a）中，第一主成分（x 轴）解释了总变异的 33.3%，而第二主成分（y 轴）解释了 26.1% 的群落变异，总贡献率达到 59.4%，表明养分差异在细菌群落变异中起到了重要作用。而对于真菌 （图6b）而言，第一主成分解释了 32.1% 的变异，第二主成分解释了 23.7%，总贡献率为 55.8%，略低于细菌群落的变异解释率。
图6基于布雷-柯蒂斯差异的细菌（a）和真菌（b）处理差异的主成分分析图
图7清晰地展示了不同钾肥施用量下土壤样本中 ASV 的共有性和差异性。图7a显示，各处理的土壤样本中共检测到 8959 个细菌 ASV，其中 814 个 ASV 普遍存在；K0、K45、K90、K135 和 K180 处理特有的 ASV 数量分别为 1067、1117、1221、1107 和 1245 个，显示出随钾肥施用量的增加而上升的趋势，表明长期施用不同量的钾肥对稻油轮作土壤中的细菌群落结构产生了显著影响。图7b揭示了各处理土样中真菌 ASV 的分布特征，共有 919 个真菌 ASV，普遍存在的 ASV 为 70 个，每种处理均有其特有的 ASV，具体为 K0 有 102 个、K45 有 184 个、K90 有 166 个、K135 有 76 个、K180 有 108 个。结果表明在施肥处理中，不同钾肥施用量对土壤真菌群落有一定的影响，适量增加钾肥施用量可显著增加真菌群落的多样性。
图7土壤（a）细菌和（b）真菌 ASV 分布韦恩图
为了更深入地比较不同处理在属水平上的物种组成差异，本研究采用热图将不同相对丰度的 ASV 聚类（图8），每列代表一种处理，每行表示一个分类级别，颜色深度表示相对丰度由低到高。图8a所示结果可知 K90 处理的细菌相对丰富菌数高达 16 种，其次 K45 处理相对丰富菌数达到 15 种，而 K0、 K135、K180 的相对丰富菌数分别为 11、12、11 种； 整体上看 Koribacter 与地杆菌属（Geobacter）在各个处理中均为丰富度最高的两大优势菌。图8b所示真菌属的结果为 K45、K90 的优势菌数高达 20 种， K0、K135、K180 处理的真菌类群的优势菌分别有 17、 17、18 种。
2.5 土壤理化性质与微生物优势物种的相关分析
冗余分析图中，箭头与数据点的连线长度表示环境因子与微生物群落结构的相关性，连线越长，相关性越强。同时，箭头线与排序轴的夹角大小也指示了环境因子与排序轴的相关性，夹角越小，关联性越强。图9的分析结果显示，在二维排序中，4 个处理条件下的主要微生物群落相互分离，不同钾肥施用水平导致了土壤微生物群落的分化。有效磷、有机质、pH、速效钾、水溶钾、碱解氮和缓效钾对细菌群落产生了显著的作用，分别解释了 24.2%、20.3%、18.9%、14.2%、8.6%、 7.8% 和 5.8% 的变异属性。此外，土壤中的有机质、速效钾、有效磷、pH、水溶钾、碱解氮和缓效钾对真菌群落产生显著性影响，各自解释的变异度分别为 25.8%、24.3%、16.7%、14.2%、7.2%、6.5% 和 5.1%。
图8土壤细菌（a）和真菌（b）在属水平上的热图分析
图9土壤性质和主要细菌（a）和真菌（b）群落的冗余分析
注：红色箭头代表环境因子，蓝色箭头代表土壤关键微生物群落，箭头长度表示环境因子与微生物群落的相关性强弱，箭头与排序轴的夹角反映其与主成分的关联程度。SOM、Arailable-N、Olsen-P、Wate-soluble K、Arailable-K、Slowly-available K 分别为有机质、碱解氮、有效磷、水溶钾、速效钾、缓效钾。
3 讨论
3.1 长期钾肥施用对土壤养分含量的影响
水旱轮作是中国重要作物种植制度之一[14]，长江中下游长期以稻油轮作为基础种植制度，集约化高产条件下，该地区作物收获带走的钾量每年约为 210～360 kg/hm2，而当前钾肥的投入远不能维持钾素平衡，农田钾素亏缺已成为农业生产持续发展的限制因素之一[15-16]。研究结果表明，不同水平钾肥施用对土壤养分产生了显著影响（表1）。随着钾肥施用水平的增加，土壤 pH 轻微下降，这一现象暗示过量的钾肥施用可能引起土壤轻微酸化。总体而言，不同钾肥处理间的酸化效应并未表现出显著差异，这表明钾肥施用对土壤 pH 影响在所测试的用量范围内并非线性[17]。土壤有机质含量随钾肥施用量的增加而显著提高，其中在 K90 处理的增幅最为显著，在 K135 处理达到最大值，而在 K180 处理则呈现轻微下降的趋势，这些现象表明适量钾肥施用有助于土壤有机质的积累。此外，钾肥施用提高了土壤碱解氮含量，尽管不同处理间未观察到显著差异，但这一趋势显示钾肥对土壤氮素具有一定的提高作用。钾肥对土壤有效磷含量的影响大致随施用量增加而呈下降趋势，这表明在施用钾肥时需考虑配施磷肥，以适当提升各处理的磷肥施用量，满足作物生长的磷需求。土壤中速效钾含量在 K90 处理中达到峰值，这与李继福等[12]的研究结果一致，而缓效钾含量随钾肥施用量的增加显著增长，K180 处理中土壤钾含量达到峰值。这一现象有助于增加土壤中钾元素的储备，进而促进植物对表明钾肥的吸收和利用。
研究发现，土壤钾素的充足程度是由土壤速效钾、非交换性钾含量及其释放速率共同决定的。适量施用钾肥能有效提高作物对钾素的最大吸收速率，但需警惕钾元素过量施用可能引发的养分流失问题，以及其对环境，尤其是水质可能产生的负面影响[18-19]。合理控制钾肥施用量，因地制宜，以避免不必要的土壤养分损失和环境污染，是未来农业实践中需要考虑的重要方面[20-21]。
3.2 长期钾肥施用对土壤微生物多样性的影响
采用长期定位试验，旨在探究不同钾肥施用水平，对长江中游水稻土壤中细菌和真菌群落多样性的影响。在细菌群落方面，变形菌门和酸杆菌门是土壤细菌群落的优势菌门，其相对丰度随钾肥施用量增加而降低（图3a），变形菌门包含多种功能多样的革兰氏阴性菌，在碳氮循环、有机质分解及植物共生关系中发挥重要作用[22]。而酸杆菌门多为寡营养型细菌，偏好酸性环境，其丰度下降可能与钾肥施用导致的 pH 轻微降低及养分可利用性变化有关[23]。K135 处理中拟杆菌门和厚壁菌门显著增加，前者在复杂有机物降解中具有活性[24]，后者可能通过分泌抗生素抑制病原菌[25]，表明适量钾肥施用（135 kg/hm2）或可增强土壤有机质转化与植物抗病能力。真菌群落的结构同样受到钾肥施用的影响。子囊菌门在所有处理中均为真菌群落优势种，是重要的有机基质（如木材、落叶和粪便）分解者[26]，但其相对丰度在 K135 和 K0 处理下与 K180 处理存在显著差异。此外，担子菌门、被孢霉门和壶菌门的相对丰度也显示出对钾肥施用水平的响应。担子菌门的相对丰度在 K135 和 K0 处理下显著高于 K180 处理，这一现象可能与钾肥对真菌生长条件的调节有关。结果表明，长期施用钾肥可以改变细菌群落组成，增加土壤细菌 Alpha 多样性，使微生物群落复杂化，这与 Danmei 等[27]的研究结果一致。钾肥施用对微生物群落结构的影响与土壤中养分有效性有关。钾肥通过改变土壤中钾素有效性，间接或直接影响微生物的代谢活动和生长。黄雪娇等[28]对钾肥与秸秆配施对微生物群落结构影响的研究结果表明，不同钾肥施用处理对土壤微生物特征具有一定影响，说明施钾肥可能会调节土壤微生物特征。细菌中变形菌门和酸杆菌门通常与土壤养分循环密切相关，真菌中子囊菌门和担子菌门在有机质分解中发挥重要作用。钾肥施用水平的变化能够调节土壤中碳、氮、磷等元素的循环，进而影响微生物群落的结构与功能[29]。
在属水平上，克氏菌属和地杆菌属为细菌优势属（图5a）。克氏菌属是酸杆菌门的典型代表，其丰度在 K0 处理中最高（13.8%），可能因其对低养分环境的适应性[30]；而地杆菌属具有铁还原能力，可通过电子传递参与土壤氧化还原过程[31]，其丰度变化可能影响土壤钾的形态转化。真菌中， Lectera 属（平均丰度 11.8%）在 K0 处理中占主导 （图5b），该属包含多种植物病原菌，其丰度降低与钾肥施用增强作物抗病性相关[32]；而被孢霉属在 K180 处理中显著富集，可能通过促进植物养分吸收缓解高钾引起的磷限制[33]。
主成分分析结果表明，钾肥的施用显著改变了土壤微生物群落的结构组成，且细菌群落相较于真菌表现出更高的变异性。这一发现突显了细菌在适应土壤环境变化中的卓越适应能力。通过韦恩图和热图分析，观察到随着钾肥施用量的增加，细菌和真菌的丰富度呈上升趋势，在 K45 和 K90 处理达到峰值后有所下降，这表明钾肥施用量对土壤微生物的影响存在最优水平，过量施用会造成对微生物群落不利的影响[34]。冗余分析揭示了土壤环境因子与微生物群落结构之间的显著相关性。分析结果表明，土壤有效磷、有机质、pH 和速效钾等因子对细菌群落的影响较大，而对真菌群落影响显著的因子包括土壤有机质、速效钾和有效磷等。这些变化反映出长期施用钾肥对土壤微生物群落结构的显著影响，进而可能导致微生物群落的分化。特别是，土壤有机质和速效钾对真菌群落的解释能力较高，暗示它们在真菌生态功能中扮演着重要角色。这些发现对于优化钾肥施用策略、维护土壤微生物多样性和促进土壤健康具有重要的实际意义。未来的研究应进一步探讨钾肥施用对微生物群落功能的影响以及如何通过平衡施肥提升土壤生态服务功能。
4 结论
本研究结果表明，钾肥用量 180 和 135 kg/hm2 有利于对土壤理化性质产生积极影响，同时会引起轻微的土壤酸化和有效磷含量下降。Chao1 指数和 Shannon 指数表明，90 和 45 kg/hm2 钾肥施用量分别对细菌、真菌丰富度影响最大；在门分类水平上，土壤中的细菌优势物种是变形菌门和酸杆菌门；真菌优势物种是子囊菌门和担子菌门；主成分分析、韦恩图和热图分析均显示钾肥施用量为 90 kg/hm2 时，对提升土壤微生物多样性和物种差异性方面表现最佳；冗余分析结果表明土壤有效磷、有机质、pH、速效钾等环境因子对土壤微生物群落结构的影响最为显著。