加氣灌溉改善干旱區葡萄根際土壤化學特性及細菌群落結構

趙豐云，楊 湘，董明明，蔣 宇，于 坤，郁松林

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加氣灌溉改善干旱區葡萄根際土壤化學特性及細菌群落結構

趙豐云，楊 湘，董明明，蔣 宇，于 坤※，郁松林

（石河子大學農學院/特色果蔬栽培生理與種質資源利用兵團重點實驗室，石河子 832003）

為探討地下穴貯滴灌條件下根際注氣對干旱區葡萄根際土壤化學性質、細菌多樣性及群落結構影響。該研究以3a箱栽‘紅地球’葡萄為試驗材料，以自行設計的地下穴貯滴灌“水肥氣”一體化設備作為注氣裝置，16S高通量基因組測序作為研究土壤細菌多樣性及群落結構的關鍵技術手段。結果表明地下穴貯滴灌根際注氣可有效提高土壤pH值，顯著增加土壤速效磷（40～50 cm除外）和速效鉀含量，促進土層深度20～30 cm土壤有機質分解；對氮磷鉀相關菌屬的分析表明，根際注氣可促進與硝化作用相關的亞硝化螺菌屬，磷鉀代謝相關的假單胞菌屬、芽孢桿菌屬，抑制與反硝化相關的羅爾斯通菌屬，表明加氣灌溉能促進植株對氮磷鉀的吸收與能提高硝化作用、解磷解鉀相關菌群數量有關。chao1、shannon指數分析表明地下穴貯滴灌根際注氣可有效改變細菌群落豐度，但對細菌群落多樣性影響較小；對于細菌門，注氣處理增加了放線菌門和硝化螺旋菌門的豐度，其中在40～50 cm土層注氣處理放線菌門和硝化螺旋菌門分別比未注氣高16.7%與22.7%，達到極顯著水平；典型相關分析及相關分析表明，地下穴貯滴灌注氣條件下土壤pH值、速效磷和硝酸鹽含量是影響細菌群落結構的重要指標。該研究結果可為干旱區地下穴貯滴灌條件下科學合理注氣提供理論依據。

土壤；細菌；灌溉；地下穴貯滴灌；注氣；化學性質

0 引 言

在傳統農業灌溉中植物根部吸水與呼吸是相對矛盾的，當滿足水分條件時，有氧呼吸則不能充分進行；當根際呼吸充分時，則水分條件不能滿足。在地下滴灌的基礎上結合注氣，既保證了植物對水分的需要，又能有效防止植物根區缺氧。Benjamin等[1]研究發現增加根部O2含量會促進根系對水分和養分的吸收。Heuberger等[2]和Brzezinska等[3]認為根際通氣能夠提高植株根系的有氧呼吸，增強根區土壤酶活性，提高根系的水肥吸收效率，利于作物生長發育，從而提高產量。

由于地下滴灌可在不增加較多成本的情況下實現根際注氣，目前成為耕作模式改革的研究方向之一。但相關研究較多集中在注氣對植株生長、產量和水分利用效率的提高方面[4-5]，對地下滴灌加氣灌溉對土壤微生物多樣性及群落結構的影響研究比較少。土壤微生物是土壤生態環境中的一個關鍵因素，土壤微生物的群落結構和多樣性對保持土壤系統健康具有重要作用[6-7]，土壤微生物能夠促進土壤有機質分解和養分循環，直接關系到土壤養分的有效性[8]。因此開展根際注氣對土壤微生物群落結構的影響對驗證根際注氣的有效性及可持續性具有一定的理論價值和實踐意義。

地下穴貯滴灌“水肥氣”一體化技術是根據干旱區林果生產實際需求，為有效解決地表滴灌導致的根系上浮及傳統地下滴灌根區浸潤范圍小，對果樹等多年生作物不適用等問題，將滴灌技術與“穴貯肥水技術”有機結合而開發出的一項新的節水滴灌方法[9-10]。前期研究表明該技術在促進根系下扎、節水、提高果實產量等方面具有一定優勢，但關于地下穴貯滴灌根際注氣對干旱區葡萄土壤化學性質及細菌群落結構影響的研究還未見報道。

本研究中，我們以3 a‘紅地球’葡萄為研究試材，通過溫室箱栽試驗探討地下穴貯滴灌根際注氣對土壤環境及土壤細菌群落結構的影響，以為地下穴貯滴灌條件下科學合理注氣及進一步優化改進提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與設計

試驗于2016年4－10月在新疆石河子市石河子大學農學院試驗站（44°26′N，85°95′E）日光溫室中進行，試驗過程中最低氣溫和最高氣溫分別是17 ～33 ℃，溫室空氣相對濕度保持60%～80%。

試驗采用箱栽法，設置注氣和對照（CK）2個處理，供試葡萄品種為紅地球葡萄。試驗用長、寬均為35 cm，高為60 cm的硬質PVC箱做栽培箱（圖1）。定植前將組裝好的栽培箱排放于深60 cm的方形土坑中，箱子間距20 cm，9個為一小區，共3小區。土壤取自石河子大學農學院試驗站葡萄園0～20 cm的表層土，土壤為灰漠土，土質為粘質土壤，過孔徑為0.425 mm網篩。箱土pH值是6.56，含有機質13.61 g/kg，全氮1.22 g/kg，銨態氮2.63 mg/kg，硝態氮2.01 mg/kg，速效磷43.6 mg/kg，速效鉀305 mg/kg，土壤容重1.40 g/cm3。于2016年5月6日將粗細均勻，長勢一致的3 a生‘紅地球’葡萄扦插苗定植于栽培箱中央，采用地下穴貯滴灌進行灌水，各株間灌水量相同，定植一個月后進行注氣處理。注氣采用自主設計的水肥氣一體化注氣設備（圖2），通過太陽能板發電提供電能，用空氣壓縮機進行注氣處理，壓力為0.04 MPa，60 L/min，注氣量根據公式=0.001(1?ρ/ρ)[11]，其中為每次加氣量，L；為PVC箱表面積，cm2；為PVC箱高度，60 cm；ρ為土壤容重，1.40 g/cm3；ρ為土壤密度，2.65 g/cm3；為注氣箱數量（15），計算出單次最低注氣量為520.3 L。考慮到地下穴貯滴灌氣體的逸散效應及預試驗結果，最終將注氣統一設置為一天一次，早上9時—9時20分（北京時間），每次注氣時間持續20 min。地下穴貯滴灌注氣小桶為直徑5 cm、高10 cm的PVC管，PVC管上部密封只有進氣孔，下部不密封，管上均勻分布直徑0.3 cm的微孔，注氣小桶與植株距離5 cm，埋深25 cm，主管與支管間加開關控制注氣。

1.水泵 2.主管 3.過濾器 4.光伏注氣系統 5.水表 6.開關 7.地下穴貯滴灌支管

①貯氣箱 ②氣體壓力平衡箱 ③電池調控箱 ④底板 ⑤太陽能電池板

1.2 試驗取樣

土壤取樣于地下穴貯滴灌注氣處理90 d后進行。修枝剪掉葡萄地上部，采用根鉆法取樣。每栽培箱以注氣小桶為中心，水平距離桶中心5 cm處均勻取4個點，分別在0～10、20～30、40～50 cm處取100 g土樣，同一層4個取樣位置混合均勻為一個栽培箱的土樣，重復5次。所取土樣立即過2 mm的網篩并混合均勻，儲存于?80 ℃冰箱中待進行16 S高通量基因組測序取樣，剩余土樣進行土壤化學性質測定。

1.3 測定指標及方法

參照Shen等[12]的方法測定土壤化學性質。土壤pH值測定使用1:5土/水法；土壤有機質 （OM）是通過水合重鉻酸鉀氧化比色法；氨態氮（NH4+-N）和硝態氮（NO3--N）用2 M氯化鉀提取，用全自動流動分析儀測定（德國）；速效鉀采用NH4OAC 浸提-火焰光度計法；速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法；硝化強度采用李奕林等[13]改進Berg和Rosswall的方法測定。

1.4 土壤DNA提取和測序

采用SDS方法對樣本的基因組DNA進行提取，利用瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的純度和濃度，在離心管中使用無菌水稀釋適量樣品至1 ng/L。利用引物515F(GTGCCAGCMGCCGCGGTAA)與806R (GGACTA CHVGGGTWTCTAAT)擴增其V4區基因片段。為確保擴增效率和準確性，使用高效和高保真的酶進行PCR。PCR反應體系（30L）：Phusion Master Mix15L，Primer 3L，DNA模板量10L（5～10 ng）。反應程序：98 ℃預變性1 min；30個循環包括（98 ℃，10 s；50 ℃，30 s；72 ℃，30 s）72 ℃，5 min。之后進行PCR產物的混樣和純化，純化后進行文庫的構建和上機測序。

1.5 生物信息分析及數據處理

根據Barcode序列和PCR擴增引物序列從下機數據中拆分出各樣品數據，截取Barcode和引物的序列使用FLASH[14]對每個樣品的序列進行拼接，得到高質量的原始數據。高質量序列數據參照QIIME[15]進行質量控制流程，進一步去除嵌合體序列，得到最終的有效數據。利用UPARSE軟件將最終的有效序列進行聚類，默認以97%序列相似度對序列聚類獲得OTUs（Operational taxonomic units 操作分類單元）；以Greengenes數據庫[16]為參考，進行OTUs（Operational taxonomic units）聚類和物種分類分析，結合環境因素進行CCA分析、多樣性指數及相關性分析，得到顯著影響組間群落變化的環境因子。

1.6 數據分析

利用Excel 2007和SPSS19.0數據進行數據統計分析，Pearson系數分析土壤因子和土壤細菌多樣性指數的相關性，顯著性水平設定為=0.05，SigmaPlot 12.0軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 地下穴貯滴灌根際注氣對根際土壤不同土層化學性質的影響

由表1可知，土壤pH值、硝化強度、硝態氮、銨態氮、速效磷、鉀含量隨土壤深度增加的變化趨勢并不一致，其中最為明顯的差異為pH值在土層深度20～30 cm最高，但與土層深度0～10 cm的差異不顯著；注氣處理有機質含量在土層深度20～30 cm最低，與0~10、40~50cm處差異顯著（<0.05）。在同一土層，地下穴貯滴灌根際注氣處理的土壤速效磷、速效鉀含量及土壤pH值均高于未注氣處理，但土壤有機質含量低于未注氣處理（40～50 cm除外）。在土層深度20～30、40～50 cm處注氣處理的土壤硝態氮含量顯著低于未注氣處理（<0.05），而速效鉀含量顯著高于未注氣處理（<0.05）。此外由表1可知注氣處理增加了各土層土壤的硝化強度，但處理與對照間差異不顯著（>0.05）。

表1 注氣處理對土壤化學指標的影響

注：注氣處理：Ta, Tb, Tc分別代表土層深度0～10、20～30、40～50 cm; 對照處理：CKa、CKb、CKc分別代表土層深度0～10、20～30、40～50 cm；同一列不同字母表示差異顯著（<0.05）。下同。

Note: Aeration treatment :Ta, Tb, Tc represent soil depth 0-10, 20-30, 40-50 cm , respectively. No aeration treatment : CKa, CKb, CKc represent soil depth 0-10, 20-30, 40-50 cm, respectively.Different letters in each column indicate significant differences at 0.05 level. The same as below.

2.2　地下穴貯滴灌根際注氣對土壤細菌群落的影響

高通量測序結果顯示所有樣品一共獲得1357535條有效序列，其中最少序列為45551條，最多序列為85594條（平均序列條數是75418條）。這些序列的99.61%可以分類到不同的細菌門類，0.39%與數據庫比對分類到古菌門類。由圖3可看出2種處理土壤細菌優勢門類為變形菌門（）（41.22%），酸桿菌門（）（14.77%）、芽單胞菌門（）（9.35%）、放線菌門（）（5.77%），綠彎菌（）（5.49%），它們的平均相對豐度大于5%，占總序列的76.6%；擬桿菌門（）、浮霉菌門（）、疣微菌門（）、硝化螺旋菌門（）、厚壁菌門（）平均相對豐度大于1%，但低于5%。

注：數字表示的10個最豐富的門：1.變形菌門 2.酸桿菌 3.芽單胞菌門 4.放線菌 5.綠彎菌 6.擬桿菌門 7.浮霉狀菌 8.疣微菌門 9.硝化螺旋菌 10.硬壁菌門 11.其他細菌

2.3 地下穴貯滴灌根際注氣對不同土層深度細菌多樣性的影響

細菌群落多樣性指標chao1指數分析表明，注氣處理細菌豐度隨土壤深度增加而增加，未注氣處理細菌豐度呈先升高后下降的趨勢，各土層chao1指數顯著不同表明土壤深度顯著影響了土壤細菌群落的豐度（<0.05）。由圖4a可看出，同一土壤深度注氣處理和未注氣處理的細菌chao1指數亦有顯著差異（<0.05），其中在土層深度0～10、20～30 cm處，細菌豐富度顯著低于未注氣處理（<0.05），而在土層深度40～50 cm注氣處理細菌豐度比未注氣處理高9.82%，差異顯著（<0.05），表明除土壤深度外，地下穴貯滴灌根際注氣處理亦是顯著影響細菌豐度的關鍵因素。Shannon指數表明，注氣處理和不同土層間土壤細菌的多樣性差異均不顯著（>0.05），說明注氣處理和不同土壤深度對土壤細菌群落多樣性無顯著影響（圖4b）。

注：不同大寫字母表示同一處理不同深度的差異顯著，不同小寫字母表示同一深度不同處理的差異顯著。

2.4 地下穴貯滴灌根際注氣對細菌門水平上的影響

通過對相對豐度大于1%的細菌門類分析表明，在細菌門水平上注氣處理對土壤中的放線菌、浮霉菌、硝化螺旋菌的影響較顯著（圖5）。進一步分析發現注氣處理下土壤中放線菌門的相對豐度在各土層顯著高于未處理（<0.05），在40～50 cm土層注氣處理放線菌門和硝化螺旋菌門分別比未注氣高16.7%與22.7%，達到極顯著水平（<0.01）；而浮霉菌門的相對豐度顯著低于對照處理（<0.05）；硝化螺旋菌門在20～30 cm土層極注氣處理顯著高于對照（<0.01），而在40～50 cm土層極顯著低于對照（<0.01）。3種細菌門在20～30 cm土層均達到差異極顯著水平（<0.01）（表2）。

圖5　土壤細菌優勢門類的相對豐度

表2 地下穴貯滴灌根際注氣處理影響較大的3種菌門相對豐度

注：不同小寫字母表示同一深度不同處理在5%水平存在顯著差異（<0.05），不同大寫字母表示同一深度不同處理在1%水平上存在顯著差異（<0.01），下同。

Note: Different lowercase letters denote significant difference at 5%probability levels respectively at the same depth with different treatments. Different capital letters denote significant difference at 1% probability levels at the same depth with different treatments, the same as below.

2.5 地下穴貯滴灌根際注氣對氮磷鉀代謝相關菌屬影響

由表3可看出，與氮代謝相關的菌屬，亞硝化螺菌屬（）在土層深度0～10、20～30、40～50 cm注氣處理比未注氣處理分別高18.75%、13.04%、16.67%，差異顯著（<0.05）；羅爾斯通菌屬（）則在土層深度0～10、20～30、40～50 cm注氣處理均顯著低于未注氣處理（<0.05）。與磷、鉀代謝相關的菌屬，注氣處理的假單胞菌屬（）、芽孢桿菌屬（）在土層深度20～30、40～50 cm均高于未注氣處理，差異顯著（<0.05）；節細菌屬（）在土層深度0～10注氣處理顯著高于未注氣處理（<0.05），而在土層深度20～30、40～50 cm注氣處理分別比未注氣處理低31.42%、31.67%，差異顯著（<0.05）。

2.6 土壤化學性質與土壤細菌群落結構及微生物群落功能多樣性相關分析

典型相關分析(canonical correlation analysis, CCA)二維排序圖可以直觀地給出研究對象與環境變量之間的關系，環境因子與排序軸的相關性由排序軸與箭頭連線夾角表示，夾角越小表明關系越密切，而箭頭連線的長短表示環境因子與研究對象相關程度的大小，連線越長，相關性越大；反之越小。從圖6可知CCA分析排序結果可信，分析出在地下穴貯滴灌注氣條件下土壤pH值、NO3--N和速效磷與土壤細菌群落結構密切相關。

表3 地下穴貯滴灌根際注氣處理對氮磷鉀代謝相關菌屬影響

圖6 土壤細菌群落結構與化學性質的CCA分析

土壤化學性質與微生物群落多樣性的相關性分析表明（表4），注氣90 d后土壤細菌群落功能多樣性各指標與土壤pH值、有機質、銨態氮、硝態氮之間負相關，與土壤硝化強度、速效磷正相關。其中Shannon指數與速效磷和速效鉀之間顯著相關（<0.05），與pH值極顯著相關（<0.01）；chao1指數與速效磷和硝態氮均顯著相關（<0.05）。由此可見，pH值、速效磷、硝態氮和速效鉀與土壤微生物群落功能多樣性密切相關，是造成不同土層土壤細菌群落多樣性差異的原因。

表4 土壤化學性質與微生物群落多樣性相關性分析

注：*在0.05 水平上顯著相關，**在0.01 水平上顯著相關。

Note: * means significant correlation at 0.05 level and ** means significant correlation at 0.01 level.

3 討 論

3.1 地下穴貯滴灌根際注氣對葡萄根際土壤化學性質的影響

土壤pH值、氮、磷、鉀等是反映土壤長期肥力水平的重要指標[17]。土壤pH值過高或過低，都會影響植物所需養分元素的生物有效性，從而引起營養元素吸收失調[18-19]。孫波等[20]認為pH值的增大會增加有機質的可溶性。本研究發現在各土層根際注氣土壤pH值均高于未注氣處理，而有機質含量注氣處理在土層深度0～10、20～30 cm處低于未注氣處理，表明地下穴貯滴灌根際注氣可在一定程度上提高根區土壤pH值，保證土壤根區良好的化學性質，加速土層中部有機質的分解，為細菌生長提供大量的碳、氮基質。

參與氮素循環的硝化作用、反硝化作用是土壤氮素循環的推動者，在氮素循環中發揮重要作用[21]。由氨氧化細菌催化的氨氧化反應是硝化作用的限速步驟[22]。本次試驗發現的亞硝化螺菌屬屬于氨氧化細菌的一種，羅爾斯通菌屬屬于反硝化作用菌，本研究中注氣處理能夠顯著增加亞硝化螺菌屬，抑制羅爾斯通菌屬（表3），土壤氨態氮在土層20～30 cm處注氣處理顯著低于未注氣處理，表明通過根際注氣能夠提高土壤中氨氧化細菌數量，增強土壤的硝化作用，加快土壤氨態氮向硝態氮轉化。土壤硝態氮含量在土層深度20～30，40～50 cm處注氣處理低于未注氣處理，可能是由于注氣在提高土壤硝化作用的同時，同時促進了葡萄根系對硝態氮的吸收有關，此方面尚需進一步研究。

Bhattarai等[23]研究發現加氣灌溉可有效促進植株葉片磷、鉀的吸收。鉀是響應氧環境最敏感的元素之一，一旦根系缺氧，鉀含量先降低[24]。磷施入土壤大部分以難溶態形式在土壤中積累，影響植物的吸收利用[25]。本研究中根際注氣顯著提高了土層深度20～30、40～50 cm與磷有關的假單胞菌屬，與鉀有關的芽孢桿菌屬的菌群數量，而對土壤化學指標分析表明，土層深度20～30，40～50 cm土壤速效磷、鉀含量注氣處理高于未注氣處理。表明注氣處理可通過促進解磷細菌和解鉀細菌菌群數量的生長，從而提高土壤磷、鉀素的有效性，促進植株對磷、鉀的吸收。暗示加氣灌溉能促進植株對磷、鉀的吸收可能與根際注氣能提高解磷、解鉀菌群數量，促進土壤中磷、鉀元素的分解活化有關。

地下滴灌裝置的埋深不同，會導致不同土層土壤中氣體分布的不同[26]。對不同土層土壤化學性質分析表明，注氣處理的土壤速效鉀含量在土層深度20～30 cm最高，而有機質含量在土層深度20～30 cm最低，表明地下穴貯滴灌根際注氣改變了不同土層深度的營養結構狀況，加速中部土層有機質的分解，促進土壤速效磷、鉀活化，提高根系在土層深度20～30 cm的營養吸收效率。同時表明在0～50 cm土層中，地下穴貯滴灌注氣處理對土層深度20～30 cm土壤化學指標的影響最為顯著。

3.2 地下穴貯滴灌根際注氣對葡萄根際土壤細菌群落結構的影響

近年來，高通量測序16S技術被廣泛應用于研究微生物的結構與多樣性[27-28]，這些技術比傳統方法能夠更詳細描述微生物結構與組成，被證明是在微生物生態學研究非常有效的技術手段。研究表明[29]，隨著土層的加深，微生物數量呈下降趨勢。董立國等[30]認為這種趨勢主要與土壤養分含量變化等因子有關。在本研究通過高通量測序技術探討了土壤細菌群落對注氣處理的響應，結果顯示在土層深度0～10、20～30 cm處細菌豐度注氣處理顯著低于對照，而在土層深度40～50 cm注氣處理細菌豐度顯著高于未注氣處理。可推測出本試驗的注氣頻率及強度顯著影響了深層土壤細菌的群落豐度及結構，改善了深層土壤的通氣狀況，使細菌生長的環境得到改善。

土壤細菌是土壤微生物的重要組成部分，絕大多數土壤優勢細菌種類基本相同，主要包括10個左右的細菌類群[31]，變形菌、放線菌、芽單胞菌門、酸桿菌、浮霉狀菌在所有樣本的細菌類群中是5個最豐富的類群，這一發現與以前的研究結果一致[32]。同時可看出與對照相比，地下穴貯滴灌根際注氣處理下同一土層的土壤放線菌門和硝化螺旋菌門的相對豐度增加，而浮霉狀菌門豐度降低。這可能是由于硝化螺旋菌門、放線菌門細菌種類絕大部分為好氧菌，地下穴貯滴灌根際注氣處理改變了土壤通氣狀況，促進好氧細菌的活動和繁殖。同時表明在土層深度0～10、20～30 cm處細菌豐度注氣處理低于未注氣處理可能與注氣處理土壤中厭氧細菌的減少有關。浮霉狀菌門細菌部分屬于好氧菌也有部分屬于厭氧菌，加氣后顯著下降可能是由于菌群內部結構相互調整的結果，由于土壤細菌結構的復雜性，具體原因尚需進一步研究。

細菌是土壤中多樣性最豐富的微生物類群，其群落特征對土壤養分、pH值等外界條件變化敏感，能夠及時地反映土壤質量的變化[33]。秦杰等[34]對長期施肥黑土條件下研究表明pH值是影響土壤細菌和古菌群落結構的主效環境因子，而大豆連作條件下施肥對東北黑土細菌群落的研究表明[35]土壤全氮是主要影響元素。本研究結果顯示在地下穴貯滴灌根際注氣條件下，除注氣外，pH值、速效磷和硝酸鹽的濃度也是影響細菌群落結構與多樣性的關鍵環境參數之一，是造成不同土層土壤細菌群落多樣性差異的原因之一。

4 結 論

1）地下穴貯滴灌根際注氣可提高土壤pH值、速效磷、速效鉀含量，加速土層中部有機質的分解。其中速效磷在土層深度0～10、20～30 cm處注氣處理顯著高于未注氣處理（<0.05），速效鉀在各土層深度處均顯著高于未注氣處理（<0.05）。對氮磷鉀相關菌屬的分析表明，根際注氣可促進與硝化作用相關的亞硝化螺菌屬，磷、鉀代謝相關的假單胞菌屬、芽孢桿菌，抑制與反硝化相關的羅爾斯通菌屬，表明加氣灌溉促進植株對氮、磷、鉀的吸收與根際注氣能提高硝化作用、解磷、解鉀相關菌群數量有關。

2）地下穴貯滴灌條件下根際注氣能夠有效增加深層土壤的細菌豐度，對細菌多樣性影響不大；促進硝化螺旋菌等好氧菌的生長，抑制厭氧菌浮門狀菌的生長。本研究表明注氣處理增加了放線菌門和硝化螺旋菌門的豐度，其中在40～50 cm土層注氣處理放線菌門和硝化螺旋菌門分別比未注氣高16.7%與22.7%，達到極顯著水平。典型相關分析及相關分析表明，除注氣外，pH值、速效磷和硝酸鹽的濃度也是影響細菌群落結構與多樣性的關鍵環境參數。

3）地下穴貯滴灌可在不增加較多生產成本的情況下實現根際注氣，以上耕作措施的改進對改善土壤通氣質量，改善土壤化學性質，優化土壤微生物群落結構，提高肥料利用效率有一定作用，具有一定的應用推廣前景。但對地下穴貯滴灌條件下根際注氣的頻率及強度等尚需進一步優化。

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Aeration irrigation improving grape rhizosphere soil chemical properties and bacterial community structure in arid area

Zhao Fengyun, Yang Xiang, Dong Mingming, Jiang Yu, Yu Kun※, Yu Songlin

(/,,832003,)

In traditional agricultural irrigation, uptake of water of plant root and its own respiration are relatively contradictory. When the water content is satisfied, aerobic respiration can not fully carry out due to limited air supply in soil. Good soil aeration is beneficial for maintaining higher soil fertility and crop growth and development. Once air capacity in soil decreases and gas exchange is restricted, the soil physical and chemical properties would become deteriorated, which affects the normal growth of the crops, resulting in reduced production. Aeration irrigation is an improvement of subsurface drip irrigation (SDI), and it involves the delivery of oxygen or oxygenated material to the root zone of the crop through subsurface drip irrigation systems to improve soil aeration, and to meet the needs of root growth and development, thereby promoting growth and development of crops and improving crop yield and quality. Soil microorganisms are the most important and active part of soil ecosystems and reflect changes in soil quality in a sensitive, timely, and accurate manner. However, few reports have described the effects of aeration on soil microbial diversity. In this study, Red Globe grape planted in boxes was used as experimental material, self-designed integrated equipment of SDI with tanks of fertilizer-water-gas was involved as gas injection device, and high-throughput 16S genome sequencing was the key technique to study effect of aeration of rhizosphere under condition of SDI with tanks on the rhizosphere soil and bacterial community structure. The results showed that aeration of rhizosphere under condition of SDI with tanks could raise the pH values of soils, increase the contents of Olsen-P and available K in soil, and promote decomposition of organic matter in the 20-30 cm soil layer. Analysis of bacteria related to nitrogen, phosphorus and potassium metabolism showed that rhizosphere aeration can promote theassociated with nitrification，andassociated with phosphorus and potassium metabolism, and inhibited Ralstonia associated with denitrifying bacteria. It showed that absorption of nitrogen, phosphorus and potassium in the plant maybe due to the increase of nitrifying bacteria and bacteria of decomposition of organic phosphorus and potassium. According to the analysis of microbial community structure, we learned that aeration of rhizosphere under condition of SDI with tanks promoted the growth of aerobic bacteria such as, inhibited the growth of anaerobic bacteria. Furthermore, Chao1 and Shannon index analyses indicated that aeration of rhizosphere under condition of SDI with tanks could change the abundance of bacterial community effectively. However, it had little effect on bacterial community diversity. In addition, for bacterial phylum, aeration treatment increased the abundance of actinomycetes and, which were 16.7% and 22.7% higher (<0.01) with aeration treatment than that without aeration in the 40-50 cm soil layer, respectively, and reached extremely significant levels (<0.01). Canonical correspondence analysis (CCA) and correlation analyses showed that the pH values of soils, Olsen-P and available K contents were important indicators of bacterial community structure when applying aeration of rhizosphere under condition of SDI with tanks. The results of this study showed that the SDI system can be used for aeration without extensive increases cost. This irrigation approach can improve soil aeration quality, optimize soil microbial community structure, and improve fertilizer use efficiency, which has certain application and promotion prospects. However, the frequency and intensity of aeration of rhizosphere under SDI with tanks need to be further optimized.

soils; bacteria; irrigation;subsurface drip irrigation with tanks; aeration; chemical properties

10.11975/j.issn.1002-6819.2017.22.015

S152.7; S275.4;S152.5

A

1002-6819(2017)-22-0119-08

2017-05-23

2017-11-06

國家自然科學基金地區項目（31360464，31760550）和石河子大學高層次人才項目（RCZX201423）

趙豐云，博士，主要從事果樹節水灌溉技術及生理生態研究。Email：zhaofengyunag@163.com

于坤，博士，副教授，主要從事果樹生理生態及分子機制研究。Email：yukun409@163.com