摘要
长期过量施肥造成了稻田土壤酸化，而改良酸化土壤对提升水稻产量和促进土壤健康具有重要意义。试验设置农户常规施肥（FFP）、优化施肥（OPT）和优化施肥 + 牡蛎壳粉 + 秸秆还田（SHM）3 个施肥处理，分析不同施肥处理对土壤理化性质、细菌群落结构以及水稻产量的影响。结果表明，与 FFP 处理相比，OPT 和 SHM 处理均显著提升土壤 pH 值和养分含量，降低了交换性酸和铝含量。在土壤细菌群落方面，SHM 处理显著提高了土壤细菌多样性，改变了群落结构组成。与 FFP 和 OPT 处理相比，SHM 处理显著提高了变形菌门 （Proteobacteria）、脱硫杆菌门（Desulfobacterota）、厚壁菌门（Firmicutes）和螺旋体菌门（Spirochaetota）的相对丰度，而酸杆菌门（Acidobacteriota）放线菌门（Actinobacteriota）和泉古菌门（Crenarchaeota）的相对丰度则呈下降趋势。在属水平上，SHM 处理显著提高了 MND1、GOUTA6、厌氧菌属（Anaeromyxobacter）、螺旋体菌属（Spirochaeta）和硝化螺菌属（Nitrospira）的相对丰度，而 Candidatus_Nitrosotalea、节杆菌属（Arthrobacter）、 Candidatus_Solibacter、苔藓杆菌属（Bryobacter）、酸杆菌属（Acidibacter）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）、 HSB_OF53-F07 和 JG30a_KF_32 的相对丰度则显著下降。冗余分析表明，pH 值、交换性钙、交换性酸、速效钾、有机质是影响细菌群落组成的主要环境因子。在水稻产量方面，OPT 和 SHM 处理的水稻产量均显著高于 FFP，分别提升了 2.95% 和 10.23%。相关性分析表明，水稻产量与土壤 pH 值、土壤养分、细菌多样性指数均呈显著正相关，与土壤交换性酸、铝呈显著负相关。通过偏最小二乘路径模型（PLS-PM）进一步分析发现，土壤 pH 值、有机质、交换性酸是影响水稻产量及构成因素的主要因子。综上，优化施肥 + 牡蛎壳粉 + 秸秆还田处理可有效改良土壤理化性质，优化微生物群落结构，提高水稻产量，是一种有效的降酸培肥管理策略。
Abstract
Long-term excessive fertilization has caused soil acidification in paddy fields，and improving acidified soil is of great significance for increasing rice yield and promoting soil health. In the experiment，three fertilization treatments were set up：farmers’ conventional fertilization（FFP），optimized fertilization（OPT），and optimized fertilization + oyster shell powder + straw returning（SHM）. The effects of different fertilization treatments on soil physical and chemical properties， bacterial community structure，and rice yield components were analyzed. The results showed that compared with FFP， both OPT and SHM treatments significantly increased soil pH and nutrient content，and reduced exchangeable acid and aluminum content. In terms of the soil bacterial community，the SHM treatment significantly enhanced soil bacterial diversity and altered the composition of the community structure. Compared with the FFP and OPT treatments，the SHM treatment significantly increased the relative abundances of Proteobacteria，Desulfobacterota，Firmicutes，and Spirochaetota，while the relative abundances of Acidobacteriota，Actinobacteriota，and Crenarchaeota decreased. At the genus level，the SHM treatment significantly increased the relative abundances of MND1，GOUTA6，Anaeromyxobacter，Spirochaeta，and Nitrospira，while the relative abundances of Candidatus_Nitrosotalea，Arthrobacter，Candidatus_Solibacter，Bryobacter， Acidibacter，Sphingomonas，HSB_OF53-F07，and JG30a_KF_32 significantly decreased. Redundancy analysis indicated that pH，exchangeable calcium，exchangeable acid，available potassium，and organic matter were the main environmental factors affecting the bacterial community composition. In terms of rice yield，the rice yields of the OPT and SHM treatments were significantly higher than that of the FFP，with increases of 2.95% and 10.23%，respectively. Correlation analysis showed that rice yield was significantly positively correlated with soil pH，soil nutrients，and bacterial diversity indices， and significantly negatively correlated with soil exchangeable acid and aluminum. Further analysis through the partial least squares path model（PLS-PM）found that soil pH，organic matter，and exchangeable acid were the main factors affecting rice yield and its components. In conclusion，the treatment of optimized fertilization + oyster shell powder + straw returning could effectively improve soil physical and chemical properties，optimize the microbial community structure，and increase rice yield，which was an effective acid reduction and fertility improvement management strategy.
土壤作为农业生产的根基，其质量和健康状况对于农作物的生长和生态系统的稳定至关重要。然而，在现代农业生产中，长期过量投入化肥以及不均衡的养分管理方式已成为诱发土壤酸化的关键因素。土壤酸化不仅导致土壤养分流失和物理性质恶化，还增加了铝、锰等重金属的活性，降低了微生物活性，严重影响了土壤养分的循环和转化过程，影响植物对养分的吸收，从而导致农作物产量和品质的下降，甚至可能对人类健康构成威胁[1-2]。我国南方是稻米主产区，约有 65.4% 的耕地土壤 pH 值低于 6.5，土壤酸化问题十分严重[3]。因此，为了响应国家“藏粮于地、藏粮于技”的战略方针，确保粮食安全和耕地资源的可持续利用，防治土壤酸化、提高耕地肥力已成为一项紧迫的任务。
面对这一严峻的土壤生态问题，探索有效的改良措施迫在眉睫。近年来，众多研究致力于通过合理的施肥策略和土壤调理剂的应用来改善酸化土壤的性质，以恢复其肥力和生态功能。其中，优化氮、磷、钾肥的投入被认为是一种基础且关键的手段，通过调整肥料的种类和用量，能够调节土壤酸碱度，提高土壤的养分有效性，增加微生物生物量和活性[4-5]。牡蛎壳粉作为一种具有改良潜力的天然材料，因其独特的化学组成、物理结构以及庞大的可回收资源储量，受到了广泛关注[6]。大量研究表明，牡蛎壳经特定工艺处理后，富含氧化钙等成分，能够有效中和土壤酸性，提升土壤 pH 值，且调酸作用温和，复酸风险较低[7]。其多孔结构有助于改善土壤物理性质，增强土壤的保水保肥能力[8]。在茄科类作物上的研究表明，施用牡蛎壳粉可以显著降低致病细菌丰度，提高细菌群落稳定性[9-10]。然而，单一使用石灰类改良剂往往难以确保改良效果的长期稳定，多物料组合则能展现出良好的互补性[11]。秸秆还田作为一种传统而又环保的农业措施，不仅能有效补充土壤盐基离子，提升土壤 pH 值和酸碱缓冲能力，抑制土壤酸化，还能增加土壤有机质，改善养分状况，促进酶活性和微生物代谢，显著提高细菌群落多样性和物种均匀度，有利于作物增产提质[12-13]。将其与牡蛎壳粉及优化施肥相结合，有望形成一种综合的土壤改良策略，通过协同作用，共同促进酸化土壤的修复和生态系统的恢复。
目前，国内外关于牡蛎壳改良酸性土壤的研究已有较多报道，但关于优化施肥、秸秆还田与牡蛎壳联合施用以缓解稻田土壤酸化的研究却鲜有涉及。因此，本研究旨在深入探讨这一综合改良措施在改良酸化土壤理化性质、影响土壤微生物群落多样性和组成，以及提升水稻产量等方面的效果和潜在机制。期望通过揭示这种综合改良措施对土壤生态系统的多方面影响，为优化农田土壤管理、推动农业可持续发展提供新的思路和方法，并为解决农田土壤酸化问题提供科学依据和实践指导。
1 材料与方法
1.1 试验地概况
试验于 2022 年 4—9 月在福建省宁德市寿宁县大安乡温洋村的耕地改良实验基地（27°31′12.87″N， 119°34′40.25″E）进行，该区属于亚热带季风气候，年平均气温 15.1℃，无霜期 275 d，年降水量 1820 mm，年均日照时数 1800 h。供试田块多年种植水稻，土壤类型为水稻土，成土母质为坡积物，土壤质地为重壤。试验前耕作层（0～20 cm） 土壤主要基础理化性质为： pH 值 5.58，交换性酸 2.13 cmol/kg，交换性铝 1.68 cmol/kg，有机质 50.5 g/kg，铵态氮 2.14 mg/kg，硝态氮 5.36 mg/kg，有效磷 86.8 mg/kg，速效钾 117 mg/kg，交换性镁 32.7 mg/kg，交换性钙 783 mg/kg。
1.2 供试材料
供试水稻品种为野香优 148。供试土壤调理剂为高钙牡蛎壳粉（CaO 49.48%，pH 值 9.58，有机质 1.33%），由福建玛塔生态科技公司提供。试验过程中施用的肥料种类为氮肥：尿素（N 46％）； 磷肥：过磷酸钙（P2O5 12 ％）； 钾肥：硫酸钾 （K2O 60％）。秸秆养分含量为有机碳 44.2%、全氮 0.12%、全磷 0.45%、全钾 1.49%。
1.3 试验设计
试验共设 3 个处理，即农户习惯施肥（FFP）：肥料用量按照试验地农户的施肥习惯；优化施肥 （OPT）：根据水稻产量及测土配方的推荐施肥量； 土壤健康管理（SHM）：优化施肥 + 高钙牡蛎壳粉 + 秸秆全量还田。每个处理3次重复，共 9 个小区，随机区组排列。小区面积 100 m2 （长 10 m，宽 10 m），小区间田埂用塑料薄膜覆盖，隔离防渗，单排单灌。
氮肥按基肥、分蘖肥、穗肥的施用质量比为 9∶8∶3，磷肥与土壤调理剂一次性作基肥施用，钾肥按基肥、分蘖肥的质量比为 1∶1 施用，秸秆为上一季收割后的稻草秸秆，将秸秆粉碎至长度为 2～5 cm 的小段施入田块与基肥一并翻耕。各处理小区其他管理措施一致。具体施肥用量如表1所示。
表1试验地不同处理施肥用量
水稻于 2022 年 4 月 20 日播种，6 月 15 日插秧，株行距 15 cm×20 cm，9 月 29 日按小区实割测产并采集土壤、稻株样本。
1.4 样品采集与处理
每个小区实割测产，计算产量。同时每小区随机采集 3 穴谷穗样品用于考种，并测定水稻的有效穗数、穗粒数、结实率、千粒重等产量构成指标。
每个小区采用五点取样法随机布点，取耕作层 0～20 cm 土壤，混合为一个复合土样，并去除石块和根茬等杂物，一部分用于土壤理化性质测定，另一部分放入灭菌袋在实验室-80℃条件下保存，后续送至广东美格基因生物科技有限公司进行土壤微生物测序分析。
1.5 测定指标及方法
1.5.1 土壤理化性质
土壤 pH 值采用电位法测定，土水比为 1∶2.5； 土壤有机质（SOM）含量采用重铬酸钾氧化-硫酸亚铁滴定法测定；土壤硝态氮、铵态氮采用氯化钾浸提-流动分析法（GB/T42487—2023）测定；土壤有效磷（AP）含量采用碳酸氢钠浸提－钼锑抗比色法测定；土壤速效钾（AK）含量采用乙酸铵浸提-火焰光度法测定；土壤交换性钙、镁采用乙酸铵浸提-电感耦合等离子体发射光谱法测定；土壤交换性酸含量采用氯化钾交换－中和滴定法测定，土壤交换性铝通过差减法计算得到。
1.5.2 土壤细菌群落测定
使用土壤 DNA 提取试剂盒提取土壤样品中微生物 DNA。利用 NanoDrop One（Thermo Fisher Scientific，MA，USA）检测提取后的 DNA 浓度和纯度。检查通过后，对细菌 16S rRNA 基因的 V4 区域进行扩增，引物序列为 515F（GTGCCAGCMGCCGC GGTAA）和 806R（GGACTACHVGGGTWTCTAAT）。 PCR 仪器为 BioRad S1000（Bio-Rad Laboratory， CA，USA）。纯化后的 PCR 扩增产物在美格基因的 Hiseq 2500 平台 PE250 模式（Illumina，USA）测序。下机数据使用 fastp V0.14.1 和 usearch-fastq_mergepairs V10 对样品测序序列进行质控和拼接。采用 UPARSE 方法按 97% 序列相似性进行聚类得到一个可分类操作单元（OTU），将 OTU 序列与 16S rRNA 数据库（Silva V138） 进行对比，根据 OTU 注释确定微生物群落组成。
1.6 数据处理与分析
数据使用 Excel 2019 进行整理，采用 SPSS 26.0 进行方差分析和 LSD 检验，并使用 R 4.4.2 中 vegan 包计算 Alpha 多样性指数以及 PCoA 和冗余分析 （RDA），使用 http://galaxy.biobakery.org/ 平台进行 LEfSe 分析，使用 plspm 包构建偏最小二乘路径模型（PLS-PM），绘图使用 ggplot2 与 Origin 2021。
2 结果与分析
2.1 不同施肥处理对土壤理化性质的影响
由表2可知，与 FFP 处理相比，OPT 和 SHM 处理均显著提高了土壤 pH 值、有机质、速效钾、交换性钙含量。与 FFP 和 OPT 处理相比，SHM 处理显著提升土壤铵态氮、有效磷和交换性镁含量。不同处理间土壤硝态氮含量变化显著，大小顺序为 SHM>FFP>OPT。与 FFP 处理相比，SHM 和 OPT 处理下土壤交换性酸和铝分别显著下降了 76.25% 和 84.97%。
表2不同处理下的土壤理化性质
注：表内数据为平均值 ± 标准差。同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。
2.2 不同施肥处理对土壤细菌群落多样性的影响
2.2.1 对土壤细菌群落 Alpha 多样性的影响
由表3可知，与 FFP 和 OPT 处理相比，SHM 处理显著提高了土壤微生物的 Ace、Chao1 和 Shannon-e 指数，显著降低了 Simpson 指数。而 FFP 与 OPT 处理间多样性指数差异不显著。
表3不同处理下土壤细菌 Alpha 多样性指数
2.2.2 对土壤细菌群落 Beta 多样性的影响
采用 Bray-Curtis 算法计算样品间距离，得到样本间的 Beta 值。由主坐标分析（PCoA）结果（图1）显示，第一个主坐标轴（PCoA1）解释了 60.08% 的变异，第二主坐标轴（PCoA2）解释了 10.98% 的变异，累积的解释度达到 71.06%。在 PCoA 中的各处理间点位分布较为分散且分别形成了 3 簇，说明不同处理之间微生物群落结构差异显著。
图1不同处理的土壤细菌群落主坐标分析
2.3 不同施肥处理对土壤细菌群落组成结构的影响
2.3.1 对土壤细菌群落 OTU 水平的影响
利用韦恩图对各处理的土壤样品间共有和特有 OTU 数进行分析（图2）。3 个处理的细菌共有OTU 为 5771 个，FFP、OPT 和 SHM 处理特有的 OTU 数量分别为 2082、1739 和 3508 个，其中 SHM 处理特有 OTU 数量最多，其次为 FFP、OPT 处理。
图2不同处理的土壤细菌群落 OTU 水平韦恩图
2.3.2 对土壤细菌群落门水平的影响
由图3可知，不同处理下门水平排名前 20 的土壤微生物群落组成存在差异。各处理土壤细菌群落相对丰度大于 1% 的优势菌门均为变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteriota）、泉古菌门 （Crenarchaeota）、绿弯菌门（Chloroflexi）、疣微菌门 （Verrucomicrobiota）、拟杆菌门（Bacteroidota）、放线菌门（Actinobacteriota）、浮霉菌门（Planctomycetota）、脱硫杆菌门（Desulfobacterota）、黏菌门（Myxococcota）、髌骨细菌门（Patescibacteria）、芽单胞菌门（Gemmatimonadota）、硝化螺旋菌门（Nitrospirota）和厚壁菌门（Firmicutes）。此外，OPT 和 SHM 处理的匿杆菌门 （Latescibacterota）、SHM 处理的甲烷氧化菌门（Methylomirabilota）相对丰度也均大于 1%。相较于 FFP 处理，OPT 处理的土壤中泉古菌门、疣微菌门、脱硫杆菌门、黏菌门、芽单胞菌门、硝化螺旋菌门和厚壁菌门的相对丰度均上升，而变形菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、拟杆菌门、放线菌门、浮霉菌门和髌骨细菌门的相对丰度均降低；SHM 处理的土壤中变形菌门、疣微菌门、浮霉菌门、脱硫杆菌门、黏菌门、髌骨细菌门、硝化螺旋菌门和厚壁菌门的相对丰度均上升，而酸杆菌门、泉古菌门、绿弯菌门、拟杆菌门、放线菌门和芽单胞菌门的相对丰度均下降。
图3不同处理的土壤细菌群落门水平分布柱状图
2.3.3 对土壤细菌群落属水平的影响
由图4可知，不同处理属水平土壤微生物群落组成存在差异。各处理土壤细菌群落相对丰度大于 1% 的优势菌属均为 Candidatus Nitrosotalea、节杆菌属（Arthrobacter）、Candidatus Solibacter、苔藓杆菌属 （Bryobacter）、ADurb.Bin063-1、MND1、海杆菌属 （Haliangium）、慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）、罗丹诺杆菌属（Rhodanobacter）、GOUTA6、厌氧菌属 （Anaeromyxobacter）、硝化螺菌属（Nitrospira）、假橄榄菌属（Pseudolabrys）、Candidatus_Omnitrophus、 Ellin6067、螺旋体菌属（Spirochaeta） 和 Candidatus_Udaeobacter。此外，FFP 和 OPT 处理的 HSB_OF53-F07、酸杆菌属（Acidibacter）和鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）相对丰度也均大于 1%。相较于 FFP、OPT 处理，SHM 处理显著降低了 Candidatus_Nitrosotalea 相对丰度。与 FFP 处理相比， OPT 和 SHM 处理的土壤中 ADurb.Bin063-1、MND1、 GOUTA6、厌氧菌属、硝化螺菌属、Candidatus_Omnitrophus、Ellin6067 和螺旋体菌属的相对丰度呈上升趋势；而节杆菌属、HSB_OF53-F07、酸杆菌属、鞘氨醇单胞菌属、慢生根瘤菌属和罗丹诺杆菌属的相对丰度呈下降趋势。SHM 处理的 Candidatus_Solibacter、苔藓杆菌属相对丰度显著下降，海杆菌属、假橄榄菌属相对丰度上升，而 FFP 与 OPT 处理之间无显著差异。Candidatus_Udaeobacter 菌属相对丰度以 OPT 处理最高，SHM 处理次之，FFP 处理最低。对不同处理属水平相对丰度排名前 20 的土壤细菌群落进行聚类分析（图5），结果表明，FFP 和 OPT 处理菌属组成具有一定相似性并聚为一类，两者与 SHM 处理存在显著差异。
图4不同处理的土壤细菌群落属水平分布柱状图
图5不同处理的土壤细菌属水平聚类热图
2.3.4 土壤细菌群落差异性分析
采用 LEfSe 分析（LDA 阈值为 2）进一步筛选不同施肥处理下土壤细菌的显著差异物种，结果如图6所示。共识别出 60 个显著差异物种 （P<0.05），FFP、OPT、SHM 处理分别识别出 28、 3 和 29 个显著差异物种。FFP 处理下细菌主要富集在放线菌门（Actinobacteriota）、放线菌纲 （Actinobacteria）、嗜热菌纲（Thermoleophilia）、纤线杆菌纲（Ktedonobacteria）、微球菌目（Micrococcales）、盖氏菌目（Gaiellales）、纤线杆菌目 （Ktedonobacterales）、雷氏菌目（Reyranellales）、鞘脂单胞菌目（Sphingomonadales）、变形杆菌目（Gammaproteobacteria_Incertae_Sedis）、微球菌科（Micrococcaceae）、纤线杆菌科（Ktedonobacteraceae）、雷氏菌科（Reyranellaceae）、鞘脂单胞菌科 （Sphingomonadaceae）、Unknown_Family 菌科、节杆菌属（Arthrobacter）、HSB_OF53_F07、JG30a_KF_32、雷氏菌属（Reyranella）、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）和酸杆菌属（Acidibacter）等物种。OPT 处理下细菌主要富集在盐生球菌目（Salinisphaerales）、索利菌科（Solimonadaceae）和多环菌属（Polycyclovorans）等物种。SHM 处理下细菌主要富集在脱硫杆菌门（Desulfobacteria）、厚壁菌门 （Firmicutes）、螺旋体菌门（Spirochaetota）、厌氧绳菌纲（Anaerolineae）、互营菌纲（Syntrophia）、芽孢杆菌纲（Bacilli）、黏菌纲（Myxococcia）、螺旋体菌纲（Spirochaetia）、厌氧绳菌目（Anaerolineales）、互营菌目（Syntrophales）、芽孢杆菌目（Bacillales）、黏菌菌目（Myxococcales）、螺旋体菌目（Spirochaetales）、类固醇杆菌目（Steroidobacterales）、厌氧绳菌科（Anaerolineaceae）、厌氧黏杆菌科（Anaeromyxobacteraceae）、螺旋体菌科（Spirochaetaceae）、类固醇杆菌科（Steroidobacteraceae）、RBG_16_58_14、厌氧黏杆菌属 （Anaeromyxobacter）和螺旋体菌属（Spirochaeta）等物种。
图6不同施肥处理下土壤细菌群落物种差异分析
2.3.5 土壤理化性质与细菌群落的冗余分析
采用方差膨胀因子（VIF）分析剔除掉 VIF 大于 10 的环境因子（Mg 和 Al）。去趋势对应分析结果显示第一轴梯度长度为 1.8（<3），故选取 RDA 方法分析不同处理下细菌群落和土壤理化性质的关系。如图7所示，RDA1 轴、RDA2 轴分别解释了总变异的 47.46%、11.57%。其中 pH 值（P=0.001）、交换性钙（P=0.002）、交换性酸（P=0.004）、速效钾（P=0.010）、有机质 （P=0.017）是影响细菌群落的主要环境因素。
图7不同处理的土壤细菌群落组成与土壤理化性质的冗余分析
注：EA—交换性酸；SOM—有机质；NH4 +-N—铵态氮；NO3--N—硝态氮； AP—有效磷；AK—速效钾；Ca—交换性钙；Al—交换性铝；Mg—交换性镁。下同。
2.4 不同施肥处理对水稻产量构成的影响
由表4看出，相比于 FFP 处理，OPT 和 SHM 处理下水稻的穗粒数、有效穗数均呈上升趋势。其中，SHM 处理下水稻穗粒数、结实率、千粒重均显著高于 FFP 处理，分别提升了 5.19%、0.7%、 1.19%。相比于 FFP 处理，OPT 和 SHM 处理下水稻产量均显著上升，分别提升了 2.95%、10.23%。
2.5 水稻产量与土壤理化性质和细菌群落组成的关系
对不同处理土壤的理化性质、细菌 Alpha 多样性指数与水稻产量及构成指标进行相关性分析 （图8）可知，水稻产量与土壤 pH 值、土壤养分、 Chao1、Ace、Shannon-e 指数均呈显著正相关，与土壤交换性酸、铝、Simpson 指数呈显著负相关；水稻穗粒数和千粒重均与土壤 pH 值、有机质、有效磷、交换性钙呈显著正相关，与土壤交换性酸、铝呈显著负相关；土壤 pH 值、有机质、铵态氮、硝态氮、有效磷、交换性钙含量均与 Chao1、Ace、Shannon-e 指数呈显著正相关，与 Simpson 指数呈显著负相关。
表4不同处理下水稻产量及其构成因素
图8水稻产量及构成因素与土壤理化性质和细菌 Alpha 多样性的相关性分析
注：Yield—产量；GNPP—穗粒数；SSR—结实率；TGW—千粒重；EPN—有效穗数。*、** 分别表示在 0.05、0.01 水平上显著相关。
该 PLS-PM 模型（图9）解释了 96.2% 的水稻产量及构成因素方差，整体模型的拟合优度（GOF） 为 0.85。牡蛎壳结合秸秆还田对土壤交换性钙、有机质有直接的显著正向影响（路径系数分别为 0.84、0.82），相比于土壤交换性钙对交换性酸的直接负向影响（路径系数为-0.36），其间接通过提高土壤 pH 值（路径系数为 0.77）对交换性酸的负向影响更为显著（路径系数为-0.78）。土壤交换性酸对土壤细菌多样性与群落结构有直接的显著负向影响（路径系数分别为-0.60、-0.82），而土壤 pH 值对土壤细菌多样性与群落结构有直接的显著正向影响（路径系数分别为 0.73、0.55）。相比于土壤细菌群落结构，土壤有机质对细菌多样性的正向影响更为显著（路径系数为 0.64）。添加牡蛎壳与秸秆后，土壤 pH 值、有机质、细菌多样性是影响水稻产量及构成因素的关键因素（路径系数分别为 0.57、0.76、0.77）。
图9水稻产量及构成因素与土壤理化性质和细菌群落组成的偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析
注：图中线旁数字表示路径系数，红色实线表示系数为正，蓝色实线表示系数为负，灰色虚线表示不显著；GOF 值为模型拟合优度，R2 为模型解释方差；* 表示 P<0.05，** 表示 P<0.01，*** 表示 P<0.001。 Treatment 为 FFP ＋ OPT ＋ SHM；Bacterial diversity 为 chao1 指数；Bacterial community 为 PCoA1 第一主坐标轴。Yield 为产量＋穗粒数＋结实率＋ 千粒重＋有效穗数。
3 讨论
3.1 牡蛎壳粉与秸秆还田联用改良酸化土壤理化性质
常年氮肥过量投入及不均衡的养分管理是导致稻田土壤酸化、肥力下降、生态系统失衡的重要原因[1]。本研究结果表明，针对土壤基础养分情况与水稻生长养分需求特性，优化氮、磷、钾肥投入配比，可以显著提高土壤 pH、有机质、速效钾、交换性钙和降低交换性酸、铝含量（表2）。这与 Zhang 等[4]的研究结果相似，通过降低氮肥投入可以有效减少因硝化作用释放的氢离子和被置换淋失的盐基离子含量，从而显著提高土壤 pH 值，降低交换性酸、铝浓度。卞倩倩等[14]研究表明，根据作物的生长需求提高钾肥用量可以降低其对氮肥的奢侈吸收，避免氮素盈余导致微生物扩张繁殖对土壤有机物质的过度消耗。此外，Chen 等[15]发现，稻田减小氮、磷投入比例能有效减少磷肥径流损失，提高磷肥利用效率，增加土壤有效磷含量 47.3%～60.4%，显著改善土壤质量。本研究结果表明，SHM 处理可以消除土壤酸化障碍，提升土壤缓冲性能，同时显著提高了多项土壤养分含量 （表2）。大量研究表明，施用牡蛎壳调理剂显著提高土壤 pH 值、钙、镁等盐基阳离子含量，同时有效改良土壤酸度，缓解土壤铝毒[16-18]。主要因为牡蛎壳经保护性烘焙分段活化工艺处理后含有高量氧化钙，与氢离子发生中和反应，从而减少土壤中氢离子浓度，同时释放的大量钙离子吸附于土壤胶体，补充正电荷，提高土壤酸化缓冲能力[7-8]。这一过程促进可交换性铝离子的水解和沉淀，降低其在土壤中的浓度[19]。牡蛎壳内外致密多孔的结构，使比表面积增大，不仅大幅提高了交换和吸附性能，还改善了土壤物理结构，增加土壤的孔隙度和通透性，提高了保水保肥能力[20]。有研究表明，牡蛎壳与化肥配施可以缓、控释肥料，提高肥料利用率，减少养分流失，显著提高土壤有机质、铵态氮、硝态氮、有效磷以及速效钾等含量，从而满足作物生长周期养分供应需求[21-23]。稻草秸秆是水田最直接、清洁的有机肥源，可更新和提高土壤有机质以及氮、磷、钾元素含量，改善土壤养分状况，提高化肥利用效率，减少养分流失[12]。研究发现，秸秆还田结合施用石灰类调理剂更有利于改良酸化土壤[24-25]。调理剂的碱性物质可以中和秸秆腐解时产生的有机酸及高浓度碳酸，减少土壤中的还原性物质，促进秸秆腐解养分释放。
3.2 牡蛎壳粉与秸秆还田联用对土壤细菌群落多样性及组成的影响
微生物是农田土壤生态系统的重要组成部分，通过分解有机物质，释放植物可利用的无机养分，如氮、磷、钾等，从而驱动土壤养分循环，提高植物生产力[26]。土壤微生物的群落结构与土壤环境密切相关，酸化改良措施通过改变其理化性质，进而影响微生物群落结构的变化。土壤 pH 值是重要的土壤理化性质，通过调节土壤酶活性、影响养分有效性以及改变重金属和其他潜在有毒物质的活性，进而直接或间接地影响土壤微生物群落的组成和多样性[28]。大量研究表明，土壤酸化会导致土壤微生物群落多样性降低[2，28]。本研究结果表明相比于 FFP 处理，OPT 处理显著改变了水稻细菌群落结构组成。OPT 处理显著提升了疣微菌门、泉古菌门和脱硫杆菌门的相对丰度。这些菌群促进了土壤复杂有机物质降解以及氨氧化、硫酸盐还原过程，对土壤氮和硫元素的形态转化与循环有重要意义[29]。有研究表明，低浓度的氮素对疣微菌门和泉古菌门的生长有促进作用[30]。脱硫杆菌门的富集可能与高量钾肥中硫酸根离子的投入有关。而绿弯菌门、变形菌门和拟杆菌门的相对丰度下降，可能是因为减少氮肥投入显著降低了土壤中氢离子的净释放量，导致 pH 值上升，从而改变了这些菌门的适宜生境，抑制其生长和繁殖[31]。在属水平上， OPT 处理显著提升了多环菌属、Candidatus_Nitrosotalea、Candidatus_Solibacter、Candidatus_Udaeobacter 的相对丰度，有研究表明，多环菌属、Candidatus_Udaeobacter 和 Candidatus_Solibacter 等化能异养菌能够在低氮环境下，通过降解有机污染物以及多糖类物质来维持代谢，在土壤有机碳动态平衡中发挥重要作用[32]。Candidatus_Nitrosotalea 是一类氨氧化细菌，在低氮条件能够充分利用氮素，更具竞争力，且增施磷肥可以促进此类细菌的生长[33]。而 OPT 处理显著降低了节杆菌属、HSB_OF53-F07、酸杆菌属和鞘氨醇单胞菌属的相对丰度。有研究表明，土壤 pH 值上升会显著抑制此类嗜酸性细菌生长[34-35]。罗丹诺杆菌属是一类对氮素具有较强依赖性的化能异养细菌，减少氮肥投入会降低其活性[36]。进一步发现，与 FFP 和 OPT 处理相比，SHM 处理显著提高了土壤细菌群落多样性及丰度。可能是牡蛎壳调理剂的施用迅速提升了土壤 pH 值，降低了土壤酸度，改善了土壤环境，从而促进了土壤微生物群落多样性和丰度的增加[37]。此外，秸秆腐解释放大量的养分，为微生物的生长提供了充足的碳源，土壤中营养元素得到补充，促进了微生物的生物量与活性的上升[29]。PCoA 分析结果表明，SHM 处理使土壤细菌群落结构发生变化，与其他处理显著区分。间接验证了 SHM 处理对土壤微生物环境有较好的改良效果，促进了微生物群落的生存和繁殖。本研究结果表明，SHM 处理显著提升了变形菌门、脱硫杆菌门的相对丰度。说明土壤酸化改良有利于其定殖，并且这些有益菌群可以加快有机物周转与养分循环，提高氮素有效性，减轻硫酸盐及重金属物质毒害，对土壤生态系统发挥着重要作用[38-39]。而酸杆菌门、放线菌门、泉古菌门、拟杆菌门相对丰度的下降可能是因为改良后土壤 pH 值大幅提升，使好酸类细菌生长繁殖受到抑制，从而导致相对丰度显著降低[31]。也有可能与菌种间竞争导致的养分资源限制有关[40]。在属水平下， SHM 处理显著提高了 MND1、GOUTA6、厌氧菌属的相对丰度。其中，变形菌门中 MND1 菌属具有抑制土壤病原菌生长的能力；GOUTA6 是一类好氧氨氧化功能细菌，在土壤氮循环中发挥重要作用[41-42]。厌氧菌属是一类厌氧固氮细菌，能够将大气中的氮气转化为生物可利用氮素[43]。而 SHM 处理显著降低了 Candidatus_Nitrosotalea、节杆菌属、Candidatus_Solibacter、苔藓杆菌属（Bryobacter）、酸杆菌属、HSB_OF53-F07、鞘氨醇单胞菌属的相对丰度。许多研究认为，Candidatus_Nitrosotalea、节杆菌属、Candidatus_Solibacter、苔藓杆菌属、酸杆菌属均是嗜酸性菌属，适应了酸性环境，碱性牡蛎壳粉添加可能导致嗜酸性菌属的生长受到抑制[34-35]。也有研究表明，HSB_OF53-F07、鞘氨醇单胞菌属是寡营养细菌，它们对营养物质的摄取和利用机制适配于低浓度养分环境[44-45]。秸秆还田增加的土壤养分刺激了富营养型的种群的增长，同时抑制了寡营养细菌[46]。此外，SHM 处理下其他未知菌属占全部菌属的 42% 左右，显著高于其他处理，酸化改良后土壤中依然存在着大量属水平细菌有待研究。说明了土壤酸化引发的土壤生境退化显著限制了微生物群落的生态位宽度，导致生态位压缩，菌群向少数几种嗜酸类细菌为主导的结构转变。而改良后生境恢复，促进不同微生物物种之间的生态位分化，减少种间直接竞争的压力，增加了微生物群落结构的多样性与稳定性。
3.3 牡蛎壳粉与秸秆还田联用对水稻产量及构成因素的影响
农田长期过量施用化肥会导致土壤快速酸化，进而造成作物产量显著下降。我国南方土壤的酸化速率超过北方，尤其在水稻种植区土壤酸化问题尤为严重[47]。研究结果表明，优化施肥显著提高了水稻产量。这与张慧芋等[48]的研究结果一致，优化施肥配比促进了土壤有机碳积累，提高了作物产量。此外，有研究表明，减小氮、磷肥料配比可以促进小麦养分吸收，提高磷、钾肥料利用效率，从而增加作物干物质积累和籽粒产量[49]。前人大量研究结果表明，在酸性土壤上施用牡蛎壳调理剂可显著增加作物产量[9-10，50]。此外，刘丽华等[13] 和陈浩等[51]研究表明，秸秆还田通过增加有效穗数、穗粒数、结实率和千粒重使水稻产量大幅提高。本研究结果表明，SHM 处理显著提升水稻的穗粒数、结实率、千粒重、产量至最高水平。这与刘芳禧等[52]和 Liao 等[53]的研究结果相似。相关性分析揭示了水稻产量与土壤交换性酸、铝呈显著负相关，而与 pH 值、有机质等养分含量呈显著正相关。这些结果表明，SHM 处理具有降低土壤酸度、提高土壤养分含量、增强细菌群落多样性和丰度的作用。这种施肥管理方式确保了水稻在整个生长季节内获得充足的养分供应，并促进了其对养分的有效吸收和利用，有利于作物的生长发育，从而提高产量水平。
4 结论
与农户常规施肥相比，优化施肥 + 高钙牡蛎壳粉 + 秸秆全量还田处理显著提高土壤 pH 值、有机质、铵态氮、硝态氮、速效钾、有效磷、交换性钙、交换性镁含量，同时大幅度降低土壤交换性酸、铝。土壤环境得到改善，从而显著提升细菌群落多样性及丰度，氮循环和有机质降解的相关富营养型细菌丰度上升，嗜酸类及寡营养细菌的丰度下降，细菌群落结构趋于多样且稳定，进而促进水稻生长发育，提高水稻产量。综上，优化施肥 + 高钙牡蛎壳粉 + 秸秆全量还田处理可作为缓解稻田土壤酸化、养土培肥、增产增效的施肥管理措施。