韓 洋，喬冬梅，齊學(xué)斌，李 平，郭 魏，崔丙健，陸紅飛，趙宇龍，白芳芳，龐 穎

再生水灌溉水平對(duì)土壤鹽分累積與細(xì)菌群落組成的影響

韓 洋，喬冬梅，齊學(xué)斌※，李 平，郭 魏，崔丙健，陸紅飛，趙宇龍，白芳芳，龐 穎

（1. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)田灌溉研究所，新鄉(xiāng) 453000；2. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院新鄉(xiāng)農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站，新鄉(xiāng) 453000；3. 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量安全重點(diǎn)開(kāi)放實(shí)驗(yàn)室，新鄉(xiāng) 453000）

為探明再生水不同灌水水平下土壤鹽分、氮素、磷素與細(xì)菌群落組成動(dòng)態(tài)變化效應(yīng)，采用室內(nèi)土柱灌水試驗(yàn)，研究再生水、自來(lái)水不同灌水水平對(duì)土壤鹽分、氮素、磷素及細(xì)菌群落組成結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明：1）再生水灌溉相比自來(lái)水顯著提高了0～60 cm土層鹽分含量、磷素及0～30 cm土層氮素含量也有所提高，降低了土壤細(xì)菌群落多樣性和OTU數(shù)量；充分灌溉相比非充分灌溉提高了深層土壤鹽分含量，降低了深層土壤細(xì)菌群落多樣性和種類(lèi)數(shù)。2）不同處理土壤細(xì)菌類(lèi)群以放線(xiàn)菌門(mén)（24.5%～40.6%）和變形菌門(mén)（22.4%～30.3%）為主。非充分灌溉下，再生水灌溉相比自來(lái)水提高了土壤放線(xiàn)菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、厚壁菌門(mén)及酸桿菌門(mén)比例，降低了變形菌門(mén)比例；充分灌溉下，再生水灌溉相比自來(lái)水大幅度提高了土壤放線(xiàn)菌門(mén)和硝化螺旋菌門(mén)比例，降低了土壤變形菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、酸桿菌門(mén)及厚壁菌門(mén)比例。無(wú)論是在充分灌溉還是非充分灌溉下，再生水灌溉均對(duì)土壤放線(xiàn)菌門(mén)表現(xiàn)為促進(jìn)作用，對(duì)變形菌門(mén)表現(xiàn)為抑制作用。再生水充分灌溉相比非充分灌溉對(duì)土壤放線(xiàn)菌門(mén)和變形菌門(mén)具有促進(jìn)作用，對(duì)土壤綠彎菌門(mén)、酸桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)具有抑制作用；再生水灌水水平越高，越有利于土壤中優(yōu)勢(shì)菌群的生長(zhǎng)。3）各處理土壤細(xì)菌代謝通路豐度占比最大的為膜轉(zhuǎn)運(yùn)、碳水化合物代謝及氨基酸代謝，再生水輔以較高灌水水平能夠顯著促進(jìn)表層土壤微生物膜轉(zhuǎn)運(yùn)、碳水化合物代謝及氨基酸代謝過(guò)程。因此，再生水較高灌水水平可促進(jìn)土壤物質(zhì)能量循環(huán)，且對(duì)土壤細(xì)菌代謝繁殖過(guò)程也可起到積極的調(diào)節(jié)作用。研究可為再生水灌溉下的土壤生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究提供依據(jù)。

灌水；鹽分；細(xì)菌；再生水；群落組成；代謝功能

0 引 言

隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展與人口增長(zhǎng)，工農(nóng)業(yè)及生活耗水量與日俱增，淡水資源匱乏現(xiàn)狀愈加受到重視；此外，隨著人均用水量增加，城市污水排放問(wèn)題也愈加嚴(yán)重[1-3]。因此，合理回用污水處理水及再生水對(duì)于緩解淡水資源供需矛盾、降低廢棄污水排放的生態(tài)環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)意義重大。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)再生水灌溉相關(guān)領(lǐng)域展開(kāi)了多方面研究，主要涉及再生水灌溉對(duì)作物生理生長(zhǎng)的影響[4-7]、再生水灌溉對(duì)土壤環(huán)境質(zhì)量的影響[8-12]、再生水回灌后農(nóng)田及綠地生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等方面[13-15]。其中，關(guān)于再生水灌溉生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究工作多集中于再生水回灌農(nóng)田及綠地土壤后，土壤鹽分、痕量重金屬、有機(jī)污染物、無(wú)機(jī)污染物等累積和遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律的影響[16-22]，而從再生水灌水量調(diào)控的角度出發(fā)，針對(duì)再生水不同灌水水平條件下土壤細(xì)菌群落組成結(jié)構(gòu)的影響研究卻少見(jiàn)報(bào)道。土壤細(xì)菌作為農(nóng)田土壤生態(tài)系統(tǒng)中的重要生物組成部分，其群落結(jié)構(gòu)及功能多樣性與土壤環(huán)境質(zhì)量密不可分[23]；在土壤結(jié)構(gòu)形成、物質(zhì)循環(huán)、腐殖質(zhì)組成、毒性物質(zhì)降解及微環(huán)境凈化等方面均起到重要的推動(dòng)作用[24-27]。土壤細(xì)菌群落組成可直觀反映土壤微環(huán)境中現(xiàn)存的細(xì)菌類(lèi)群、豐度及其與土壤環(huán)境間互作下的多樣化程度，特定的細(xì)菌群落組成對(duì)于維系農(nóng)田土壤生態(tài)功能及改善土壤微環(huán)境等方面至關(guān)重要[28-29]。因此，通過(guò)探明再生水不同灌水水平下的土壤細(xì)菌群落組成特征可直觀把握再生水不同灌水量調(diào)控下的土壤微環(huán)境動(dòng)態(tài)變化機(jī)制。為此，本研究通過(guò)室內(nèi)土柱灌水試驗(yàn)，以再生水和自來(lái)水不同灌水水平條件下的土壤為研究對(duì)象，探索再生水不同灌水水平對(duì)土壤細(xì)菌群落組成結(jié)構(gòu)的影響，以期為再生水灌溉下的土壤生態(tài)環(huán)境效應(yīng)研究提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試土壤與試驗(yàn)用水

試驗(yàn)用土取自中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院農(nóng)業(yè)水土環(huán)境野外科學(xué)觀測(cè)試驗(yàn)站周邊0～20 cm耕層土壤，質(zhì)地為砂壤土。土樣經(jīng)風(fēng)干后剔除動(dòng)植物殘?bào)w及石塊，過(guò)2 mm篩，混合均勻后取部分土樣裝入密封袋，帶回實(shí)驗(yàn)室用于測(cè)定土壤基本理化性狀，其余土樣封存用于裝填土柱。供試土壤干容重1.42 g/cm3，有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為8.68 g/kg，全氮量0.21 g/kg，全磷量0.38 g/kg，電導(dǎo)率值為150.57 dS/m，pH值8.62，重金屬Cd質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.055 mg/kg，Pb質(zhì)量分?jǐn)?shù)5.357 mg/kg，Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.026 mg/kg，Zn質(zhì)量分?jǐn)?shù)42.971 mg/kg。

試驗(yàn)用再生水取自河南省新鄉(xiāng)市駱駝灣污水處理廠，污水來(lái)源主要為2017年夏季—2018年夏季城市生活污水，污水處理工藝為A/O反硝化生物濾池及臭氧氧化組合工藝。表1給出本試驗(yàn)從開(kāi)始到結(jié)束（2017年8月1日—2018年5月28日）每次灌水過(guò)程中水樣檢測(cè)結(jié)果的范圍值。在長(zhǎng)達(dá)10個(gè)月的試驗(yàn)時(shí)間內(nèi)，再生水水質(zhì)指標(biāo)不可避免地在一定范圍內(nèi)進(jìn)行波動(dòng)，2017年9月及2018年5月含鹽量存在輕度超標(biāo)，而其他常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)均符合農(nóng)田灌溉水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 5084—2005）、再生水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（SL368—2006）和城市污水再生利用農(nóng)田灌溉用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（GB 20922—2007）規(guī)定（表1）。

表1 試驗(yàn)用再生水及自來(lái)水水質(zhì)

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)及過(guò)程

試驗(yàn)設(shè)自來(lái)水、再生水2種灌水水質(zhì)，充分灌溉、非充分灌溉2種灌水水平，充分灌水處理保持土壤含水率為田間質(zhì)量持水率（field water holding capacity，F(xiàn)H）的90%，非充分灌水處理保持土壤含水率為充分灌水處理的70%。共計(jì)4個(gè)處理，分別為：自來(lái)水非充分灌溉（CKDI）、自來(lái)水充分灌溉（CKFI）、再生水非充分灌溉（RWDI）、再生水充分灌溉（RWFI），每個(gè)處理重復(fù)3次。

試驗(yàn)用土柱填裝容器為硬質(zhì)PVC管材，外徑 × 高 = 40 cm × 70 cm，壁厚0.98 cm。土柱底部（反濾層位置處）設(shè)有排水孔，用于收集尾水，柱體上方布設(shè)有管道式灌水系統(tǒng)，每個(gè)土柱均在土面上方等間距插入4個(gè)滴頭，以保證灌溉水均勻、穩(wěn)定下滲。柱體由下至上依次是3 cm反濾層、40～60 cm土壤、20～40 cm土壤、0～20 cm土壤，土柱頂部預(yù)留7 cm高度不填土以備灌水時(shí)利用。分別在柱體各個(gè)深度土層埋設(shè)土壤負(fù)壓計(jì)，用于監(jiān)測(cè)土柱不同深度土層土壤水分情況。

供試土壤經(jīng)自然風(fēng)干、篩分后，以容重1.42 g/cm3計(jì)算每5 cm土層所需填裝的土壤質(zhì)量，土壤分層由下至上裝入PVC柱內(nèi)，每個(gè)土柱均分12次填裝，每次填裝均保證土壤顆粒分布均勻。在土壤填裝過(guò)程中，嚴(yán)格將土柱內(nèi)壁邊緣土壤壓實(shí)，以保證灌水時(shí)無(wú)貼壁水流入滲，盡量避免邊緣效應(yīng)發(fā)生。試驗(yàn)從2017年8月1日—2018年5月28日于室內(nèi)進(jìn)行，充分灌水處理每次灌水量9.70 L，非充分灌水處理每次灌水量6.80 L。灌水周期為20 d，整個(gè)試驗(yàn)周期內(nèi)累計(jì)灌水15次，在試驗(yàn)開(kāi)始后的301 d分層取土，分析0～60 cm土層土壤電導(dǎo)率（electrical conductivity，EC）、總氮（total N，TN）及總磷（total P，TP）含量與細(xì)菌群落組成結(jié)構(gòu)。

1.3 測(cè)試指標(biāo)與方法

土壤電導(dǎo)率值通過(guò)電導(dǎo)法（DDB-303A型便攜式電導(dǎo)率儀，上海雷磁）測(cè)定；土壤總氮、總磷量采用流動(dòng)分析儀（德國(guó)BRAN LUEBBE AA3）測(cè)定；細(xì)菌群落組成通過(guò)Miseq高通量測(cè)序平臺(tái)完成。首先利用脫氧核糖核酸（deoxyribonucleic acid，DNA）提取試劑盒（MOBIO Power Soil DNA Isolation Kit）抽提土樣總DNA，取1L提取后的樣品，采用1%瓊脂糖凝膠對(duì)土樣總DNA進(jìn)行電泳檢測(cè)，經(jīng)檢測(cè)后得到所有樣品條帶清晰正常，符合檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，從而進(jìn)行聚合酶鏈反應(yīng)（polymerase chain reaction，PCR）擴(kuò)增。PCR正式擴(kuò)增采用Trans Gen AP221-02：Trans Start FastPfu DNA聚合酶，20L反應(yīng)體系：5×FastPfu緩沖液4L，2.5 mmol/L dNTPs 2L，正向引物（5mol/L）0.8L，反向引物（5mol/L）0.8L，F(xiàn)astPfu聚合酶0.4L，BSA 0.2L，模板DNA 10 ng，補(bǔ)加ddH2O至20L。16S rRNA引物為338F ACTCCTACGGGAGGCAGCAG，806R GGACTACHVGGGTWTCTAAT。抽取3L擴(kuò)增后產(chǎn)物，利用2%瓊脂糖凝膠進(jìn)行電泳檢測(cè)PCR產(chǎn)物，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖1。電泳檢測(cè)結(jié)果表明，PCR擴(kuò)增產(chǎn)物目的條帶均位于750 bp，均為A級(jí)，大小正確，濃度合適，擴(kuò)增結(jié)果滿(mǎn)足試驗(yàn)要求。

注：1～3、4～6、7～9分別為自來(lái)水非充分灌溉下0～20、>20～40、>40～60 cm土層；10～12、13～15、16～18分別為自來(lái)水充分灌溉下0～20、>20～40、>40～60 cm土層；19～21、22～24、25～27分別為再生水非充分灌溉下0～20、>20～40、>40～60 cm土層；28～30、31～33、34～36分別為再生水充分灌溉下0～20、>20～40、>40～60 cm土層。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

應(yīng)用Excel 2010 和 SAS 9.2對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析；選取95%置信水平，應(yīng)用最小顯著差異法（least significant difference，LSD）進(jìn)行不同處理間的多重比較分析。高通量測(cè)序結(jié)果中，只保留長(zhǎng)度介于200～400 bp之間的片斷，舍去小于200 bp和大于400 bp的片段。由于相對(duì)含量過(guò)小的序列（operational taxonomic units，OTU）不會(huì)對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響，因而舍去相對(duì)含量小于1%的OUT。利用R語(yǔ)言工具對(duì)土壤細(xì)菌群落組成進(jìn)行分析；16S功能預(yù)測(cè)分析首先利用PICRUSt軟件對(duì)樣本OTU進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，排除物種基因組中Copy成分的干擾，進(jìn)而根據(jù)各序列所對(duì)應(yīng)的greengene id，獲得各OTU所對(duì)應(yīng)的COG和KEGG信息，計(jì)算COG豐度和KEGG豐度。

細(xì)菌多樣性指數(shù)計(jì)算方法見(jiàn)文獻(xiàn)[30]。Chao指數(shù)計(jì)算公式為[30]

式中為實(shí)際觀測(cè)到的OTU數(shù)；1為只含有1條序列的OTU數(shù)目；為只含有2條序列的OTU數(shù)目。

ACE指數(shù)計(jì)算公式為[30]

式中n表示含有條序列的OTU數(shù)；abund為多于“abund”條序列的OTU數(shù)，abund為“優(yōu)勢(shì)OTU”閾值，默認(rèn)為10。

Simpson指數(shù)計(jì)算simpson公式為[30]

Shannon指數(shù)shannon計(jì)算公式為[30]

式中obs為實(shí)際觀測(cè)到的OTU數(shù)；為所有序列數(shù)。

Coverage指數(shù)計(jì)算公式為[30]

式中1為所抽樣本中出現(xiàn)的總序列數(shù)。

2 結(jié)果與分析

2.1 再生水灌水水平對(duì)土壤鹽分累積、總氮及總磷分布的影響

試驗(yàn)結(jié)束后不同處理土壤鹽分累積情況、總氮及總磷含量見(jiàn)表2。采用EC代表土壤鹽分狀況，由表可知，無(wú)論是在充分灌溉還是非充分灌溉條件下，再生水灌溉下的土壤可溶性鹽含量均顯著高于自來(lái)水灌溉（＜ 0.05）?？梢?jiàn)，再生水灌溉相比自來(lái)水顯著提高了土壤鹽分含量，增加了土壤積鹽風(fēng)險(xiǎn)。因此在再生水工藝處理過(guò)程及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)回用過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制水中鹽分含量，避免因長(zhǎng)期灌溉而造成土壤鹽漬化，降低土壤質(zhì)量。再生水不同灌水水平對(duì)比分析結(jié)果表明，2種灌水水平下的表層0～10 cm土層鹽分含量差異不明顯（＞ 0.05），而在＞10～20 cm土層，充分灌溉顯著低于非充分灌溉（＜0.05），較之降低25.3%；＞20～60 cm土層，充分灌溉則顯著高于非充分灌溉（＜0.05），相比分別提升55.1%、62.9%及122%，平均提升73.5%。綜上，再生水灌溉過(guò)程中土壤鹽分累積現(xiàn)象不容忽視，合理控制再生水中鹽分含量水平及優(yōu)化再生水灌水水平對(duì)于降低因再生水灌溉而引起的土壤積鹽風(fēng)險(xiǎn)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

灌溉300 d后，無(wú)論是在充分灌溉還是非充分灌溉條件下，再生水灌溉下的0～30 cm土層土壤總氮含量均顯著高于自來(lái)水（＜0.05）；充分灌溉條件下，再生水灌溉下的0～10、＞10～20、＞20～30 cm土層總氮含量分別較自來(lái)水灌溉提升12.7%、13.9%及17.4%；而在非充分灌溉下，再生水灌溉下的0～10、＞10～20、＞20～30 cm土層總氮含量分別較自來(lái)水灌溉提升16.1%、15.4%及11.2%；＞30～60 cm土層無(wú)顯著差異（＞ 0.05）。再生水灌溉一定程度上提高了表層土壤總氮含量，2種灌水水平下的0～60 cm各層土壤總氮含量均無(wú)顯著差異（＞0.05）。無(wú)論是在充分灌溉還是非充分灌溉條件下，再生水灌溉下的0～60 cm各層土壤總磷含量均顯著高于自來(lái)水（＜0.05）。再生水灌溉大幅度提高了土壤磷素含量，土壤中磷素含量水平主要受到土壤本身吸附量、植物根系提取量和灌溉及施肥輸入量影響，作物對(duì)磷素的吸收途徑主要來(lái)源于土壤供給，但由于土壤中絕大部分磷元素吸附于土壤膠體表面，其形態(tài)較為穩(wěn)定且移動(dòng)性較差，因此輸入到土壤中的磷素絕大部分難以輸出，加之本試驗(yàn)中土柱不種植作物，磷素主要來(lái)源于再生水灌溉。因此推斷導(dǎo)致土壤總磷含量顯著提高的主要原因是再生水工藝處理過(guò)程中磷素去除不徹底，水中磷素含量較高。除＞20～30 cm土層外，再生水充分灌溉下各土層總磷含量均顯著高于非充分灌溉（＜0.05）；再生水灌溉下土壤磷素累積狀況受灌水水平的影響顯著，較高灌水水平也伴隨著相對(duì)更高的磷素輸入量，因此在再生水回用過(guò)程中應(yīng)合理控制其灌水水平。

表2 各處理不同土層土壤鹽分、全氮及全磷含量

注：同列數(shù)據(jù)后不同字母表示同一土層不同處理間存在顯著性差異（＜0.05）；CKDI、CKFI、RWDI、RWFI分別代表自來(lái)水非充分灌溉、自來(lái)水充分灌溉、再生水非充分灌溉、再生水充分灌溉，下同。

Note: Different letters after the same column of data indicate that there is significant difference between different treatments of the same soil layer (＜0.05)，CKDI, CKFI, RWDI and RWFI represent that deficit irrigation with tap water, full irrigation with tap water, deficit irrigation with reclaimed water, full irrigation with reclaimed water, the same as below.

2.2 不同處理土壤細(xì)菌稀釋曲線(xiàn)

稀釋曲線(xiàn)主要通過(guò)各樣本在不同測(cè)序深度下的細(xì)菌多樣性指數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)構(gòu)建曲線(xiàn)，進(jìn)而反映各樣本在不同測(cè)序深度下的物種多樣性，比較測(cè)序數(shù)據(jù)量不同的樣本中所含物種的豐富度、均勻性及多樣性，反映樣本測(cè)序情況是否合理[31]。在相似度為97%的水平上，各處理稀釋曲線(xiàn)見(jiàn)圖2。各處理稀釋性曲線(xiàn)均未完全趨于平緩，說(shuō)明新物種還有可能隨測(cè)序深度的增強(qiáng)而不斷增加；隨著測(cè)序序列數(shù)的增加，4個(gè)處理下的土壤細(xì)菌稀釋曲線(xiàn)均逐漸趨于平緩，表明測(cè)序數(shù)量能夠滿(mǎn)足測(cè)序要求。

注：橫坐標(biāo)表示土壤樣品隨機(jī)抽取的測(cè)序數(shù)量，α = 0.03。

2.3 再生水不同灌水水平下土壤細(xì)菌群落多樣性分析

Alpha多樣性指數(shù)可有效反映某特定生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)的物種多樣性情況，較為代表性的度量標(biāo)準(zhǔn)有Chao、Shannon、ACE、Simpson、coverage指數(shù)。其中Chao與ACE指數(shù)常用來(lái)估計(jì)物種總量，能夠較好地對(duì)樣本豐富度進(jìn)行評(píng)估；Simpson指數(shù)常用來(lái)在生態(tài)學(xué)中定量描述一個(gè)系統(tǒng)的生物多樣性情況，其值越大，說(shuō)明細(xì)菌群落多樣性越低。Shannon指數(shù)與Simpson指數(shù)相似，可在一定程度上反映群落alpha多樣性；但其衡量標(biāo)準(zhǔn)與Simpson指數(shù)相反，Shannon指數(shù)數(shù)值越大，則說(shuō)明細(xì)菌群落種類(lèi)越豐富。Coverage指數(shù)可有效反映樣本覆蓋率，其數(shù)值越高，則樣本中序列測(cè)出概率越高，該指數(shù)能夠反映出樣本測(cè)序結(jié)果的真實(shí)性和可靠性。本研究選取97%的相似度水平（= 0.03），對(duì)CKDI、CKFI、RWDI、RWFI 4個(gè)處理下的不同土層土壤細(xì)菌群落alpha多樣性指數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析見(jiàn)表3。結(jié)果表明，非充分灌溉條件下，再生水灌溉相比自來(lái)水顯著降低了＞20～40 cm土層ACE指數(shù)和Chao指數(shù)（<0.05），分別較之降低7.1%和6.4%，對(duì)Shannon、Simpson、coverage指數(shù)均無(wú)顯著影響（>0.05）。而在充分灌溉條件下，與自來(lái)水灌溉相比，再生水灌溉顯著降低了0～20 cm、＞ 40～60 cm土層Chao指數(shù)和ACE指數(shù)（<0.05），分別較之降低4.9%、5.8%和6.3%、5.8%；顯著提高了0～20、＞20～40、＞40～60 cm土層Simpson指數(shù)（<0.05），分別較之提升194.3%、80.0%和24.2%。再生水和自來(lái)水灌溉下的各土層Shannon指數(shù)和coverage指數(shù)均無(wú)顯著差異（>0.05）。再生水灌溉降低了土壤ACE指數(shù)和Chao指數(shù)，提高了土壤Simpson指數(shù)，可推斷再生水灌溉顯著降低了土壤細(xì)菌群落種類(lèi)數(shù)和群落結(jié)構(gòu)多樣性。與非充分灌溉相比，再生水充分灌溉顯著提高了0～20、＞20～40、＞40～60 cm土層Simpson指數(shù)，分別較之提升106.3%、15.8%和24.2%；降低了＞40～60 cm土層ACE指數(shù)和Chao指數(shù)（<0.05），分別較之降低5.1%和5.2%?？梢?jiàn)再生水充分灌溉相比非充分灌溉降低了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)多樣性及深層土壤細(xì)菌豐度。

表3 不同處理下土壤細(xì)菌群落多樣性

2.4 土壤鹽分、全氮及全磷與細(xì)菌群落多樣性間的相關(guān)性分析

土壤鹽分、全氮及全磷與細(xì)菌群落多樣性間的相關(guān)性見(jiàn)表4。土壤EC值與ACE、Shannon、Chao指數(shù)間呈極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01），與Simpson指數(shù)間呈顯著正相關(guān)（＜0.05），可見(jiàn)較高的含鹽量會(huì)降低土壤中細(xì)菌群落多樣性和豐度。土壤TN與ACE、Shannon、Chao指數(shù)間呈顯著正相關(guān)（＜0.05），與Simpson指數(shù)間呈顯著負(fù)相關(guān)（＜0.05），可見(jiàn)土壤中適度的氮素水平一定程度上有利于促進(jìn)細(xì)菌群落多樣性和豐度的提升。土壤TP與ACE、Chao指數(shù)間呈極顯著負(fù)相關(guān)（＜0.01），與Shannon指數(shù)間呈顯著負(fù)相關(guān)（＜0.05），與Simpson指數(shù)間呈顯著正相關(guān)（＜0.05），可見(jiàn)土壤中磷素水平偏高不利于細(xì)菌群落多樣性的提升。

表4 土壤化學(xué)指標(biāo)與細(xì)菌群落多樣性間的相關(guān)性

注（Note）：*，＜0.05；**，＜0.01。

2.5 再生水不同灌水水平下土壤細(xì)菌OTUs分析

Venn圖可統(tǒng)計(jì)不同處理土壤樣本間共有及獨(dú)有的物種（OTU）數(shù)量，能夠直觀反映出不同處理間物種組成相似性及重疊情況。不同處理OTUs組成及重疊情況見(jiàn)圖 3。0～20 cm土層，CKDI與RWDI共有OTU數(shù)2 807，CKFI與RWFI共有OTU數(shù)2 703，RWDI與RWFI共有OTU數(shù)2 743。此外，CKDI、CKFI、RWDI、RWFI 4個(gè)處理獨(dú)有細(xì)菌種類(lèi)數(shù)分別為150、163、128、97。＞20～40 cm土層，CKDI與RWDI共有OTU數(shù)2 910，CKFI與RWFI共有OTU數(shù)2 786，RWDI與RWFI共有OTU數(shù)2 757。此外，CKDI、CKFI、RWDI、RWFI 4個(gè)處理獨(dú)有細(xì)菌種類(lèi)數(shù)分別為151、132、127、97。＞40～60 cm土層，CKDI與RWDI共有OTU數(shù)2 945，CKFI與RWFI共有OUT數(shù)2 811，RWDI與RWFI共有OTU數(shù)2 836。此外，CKDI、CKFI、RWDI、RWFI 4個(gè)處理獨(dú)有細(xì)菌種類(lèi)數(shù)分別為137、137、124、87。無(wú)論是在充分灌溉還是非充分灌溉條件下，與自來(lái)水相比，再生水灌溉均降低了0～60 cm土層OTU數(shù)；再生水不同灌水水平對(duì)比分析結(jié)果表明，充分灌溉相比非充分灌溉降低了各土層OTU數(shù)。

注：圖中每個(gè)區(qū)域上數(shù)字表示落在該區(qū)域上的OTU數(shù)量，相似水平為97%。

2.6 再生水不同灌水水平下土壤細(xì)菌群落組成分析

在了解各OTU對(duì)應(yīng)的物種后，因存在同一物種對(duì)應(yīng)多個(gè)OTU的情況，故將相同物種分類(lèi)的OTU合并，統(tǒng)計(jì)不同土層不同處理下的物種組成變化，探討不同處理下的細(xì)菌群落組成。本研究在門(mén)水平上基于各處理前10的物種繪制物種組成柱狀圖，并將其他物種均歸類(lèi)于others，根據(jù)物種組成百分比進(jìn)行相對(duì)豐度統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)果見(jiàn)圖4。在門(mén)水平上，不同灌溉處理下的土壤細(xì)菌類(lèi)群以放線(xiàn)菌門(mén)（actinobacteria占比24.5%～40.6%）和變形菌門(mén)（proteobacteria占比22.4%～30.3%）為主，其次為綠彎菌門(mén)（chloroflexi占比12.4%～16.4%）、酸桿菌門(mén)（acidobacteria占比9.5%～17.9%）、芽單胞菌門(mén)（gemmatimonadetes占比3.4%～6.5%）、厚壁菌門(mén)（firmicutes占比2.2%～6.1%）、硝化螺旋菌門(mén)（nitrospirae占比1.7%～3.5%）、藍(lán)細(xì)菌門(mén)（cyanobacteria占比0.4%～5.9%）等。相同灌水水平條件下，RWDI處理相比CKDI處理提高了＞40～60 cm土層土壤放線(xiàn)菌門(mén)比例、0～60 cm土層土壤綠彎菌門(mén)和厚壁菌門(mén)比例及0～20 cm土層土壤酸桿菌門(mén)比例，降低了土壤變形菌門(mén)比例；RWFI處理相比CKFI處理大幅度提高了0～60 cm土層放線(xiàn)菌門(mén)比例及硝化螺旋菌門(mén)比例，降低了土壤變形菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、酸桿菌門(mén)及厚壁菌門(mén)比例。相同灌水水質(zhì)下，RWFI處理相比RWDI處理提高了0～60 cm土層放線(xiàn)菌門(mén)和變形菌門(mén)比例，降低了綠彎菌門(mén)、酸桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)比例。

注：土層20、40和60分別代表0~20、>20~40、>40~60 cm。下同。

根據(jù)不同處理不同土層土壤樣品在屬水平上的豐度情況，結(jié)合物種與土壤樣品繪制Heatmap圖，進(jìn)而分析不同物種在不同處理下不同土層中的聚集程度。篩選分類(lèi)水平總豐度前30的物種，對(duì)組內(nèi)重復(fù)樣本豐度取均值，作Heatmap圖。不同處理土壤細(xì)菌在屬水平上的相對(duì)豐度見(jiàn)圖5。4個(gè)處理各土層優(yōu)勢(shì)菌屬均為諾蘭克酸桿菌屬（）和類(lèi)諾卡氏菌屬（）。再生水灌溉條件下硝化螺旋菌屬（）、馬氏菌屬（）、、-18、等菌屬的相對(duì)豐度均高于自來(lái)水，鞘脂單胞菌屬（）、、、4-96等菌屬相對(duì)豐度均較自來(lái)水灌溉有所降低。再生水灌溉相比自來(lái)水提高了一部分菌屬的相對(duì)豐度，同時(shí)也使另一部分菌屬豐度降低，整體最終仍趨于平衡。再生水充分灌溉下，、30--454-96等菌屬相對(duì)豐度均低于非充分灌溉，而類(lèi)諾卡氏菌屬（）、馬氏菌屬（）、硝化螺旋菌屬（）、-18等菌屬的相對(duì)豐度均高于非充分灌溉。因此，再生水充分灌溉相比非充分灌溉提高了部分菌屬相對(duì)豐度，同時(shí)也降低了另一部分菌屬豐度，整體豐度仍趨于平衡。

圖5 不同灌水處理下不同土層土壤細(xì)菌在屬水平上的相對(duì)豐度

2.7 基于16S的土壤細(xì)菌功能預(yù)測(cè)分析

各土壤樣本細(xì)菌COG功能一級(jí)分類(lèi)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖6。不同處理下土壤細(xì)菌COG主要功能包括能量生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換、輔酶轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝、脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝、氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝、碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝、無(wú)機(jī)離子轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝、一般功能性預(yù)測(cè)、轉(zhuǎn)錄、復(fù)制、重組和修復(fù)、細(xì)胞壁生物發(fā)生和信號(hào)傳導(dǎo)、細(xì)胞分裂和染色體分割、核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝、胞體運(yùn)動(dòng)、次生代謝產(chǎn)物的生物合成與分解代謝、細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸和分泌、防御、翻譯、翻譯后修飾、蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)換、核糖體結(jié)構(gòu)形成等功能。箱式圖結(jié)果表明，各處理土壤樣本中的細(xì)菌代謝功能較為豐富。其中功能豐度值在1 500 000以上的主要有氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝、一般功能性預(yù)測(cè)、能量生產(chǎn)與轉(zhuǎn)換以及未知功能類(lèi)物種；功能豐度介于1 000 000～1 500 000之間的主要有轉(zhuǎn)錄、信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)機(jī)制、細(xì)胞壁生物發(fā)生和信號(hào)傳導(dǎo)、碳水化合物轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝、復(fù)制、重組和修復(fù)、無(wú)機(jī)離子轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝、翻譯、核糖體結(jié)構(gòu)形成、脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝類(lèi)物種；其余功能類(lèi)物種豐度均小于1 000 000。可見(jiàn)，各處理下發(fā)揮功能較強(qiáng)的細(xì)菌物種主要致力于土壤中氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)和代謝、土壤主要能源的生產(chǎn)和循環(huán)轉(zhuǎn)化等過(guò)程。此外，功能未知性物種尚有待于進(jìn)一步探究。

不同處理0～60 cm土層細(xì)菌KEGG代謝通路豐度見(jiàn)圖7。4個(gè)處理下的0～20、＞20～40、＞40～60 cm土層細(xì)菌群落代謝過(guò)程富集的通路主要包括能量代謝、氨基酸代謝、核苷酸代謝、碳水化合物合成與代謝、聚糖生物合成與代謝、脂類(lèi)化合物合成與代謝、維生素等輔助因子代謝、遺傳物質(zhì)加工和轉(zhuǎn)錄等多種基本代謝通路、萜類(lèi)化合物和聚酮類(lèi)化合物代謝、次生代謝產(chǎn)物的生物合成過(guò)程、細(xì)胞生長(zhǎng)與死亡過(guò)程、細(xì)胞運(yùn)動(dòng)過(guò)程、內(nèi)分泌過(guò)程、酶促反應(yīng)過(guò)程、排泄過(guò)程、分類(lèi)和降解過(guò)程、遺傳信息處理過(guò)程、膜轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程、神經(jīng)系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程、復(fù)制和修復(fù)過(guò)程、信號(hào)傳導(dǎo)過(guò)程、通路間相互作用過(guò)程、轉(zhuǎn)錄和翻譯過(guò)程、運(yùn)輸和分解代謝過(guò)程、異種生物的生物降解和代謝等過(guò)程。各處理土壤細(xì)菌代謝通路豐度占比最大的主要為膜轉(zhuǎn)運(yùn)、碳水化合物代謝及氨基酸代謝。其中，再生水充分灌溉處理下的0～20、＞20～40 cm土層的膜轉(zhuǎn)運(yùn)、碳水化合物代謝及氨基酸代謝通路豐度均顯著高于其他3個(gè)處理，RWFI處理下的0～20、＞20～40 cm土層膜轉(zhuǎn)運(yùn)代謝通路豐度相比RWDI、CKFI、CKDI處理分別提升 16.5%、10.2%、10.1%和12.4%、12.7%、11.2%；RWFI處理下的0～20、＞20～40 cm土層碳水化合物代謝通路豐度相比RWDI、CKFI、CKDI處理分別提升21.4%、15.9%、15.7 %和14.7%、14.6%、10.5%；RWFI處理下的0～20、＞20～40 cm土層氨基酸代謝通路豐度相比RWDI、CKFI、CKDI處理分別提升20.2%、14.7%、13.9%和14.6%、14.7%、10.1%；＞40～60 cm土層差異不顯著。

注：E，氨基酸轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝；S，未知；R，一般功能預(yù)測(cè)；C，能源生產(chǎn)和轉(zhuǎn)換；K，轉(zhuǎn)錄；T，信號(hào)傳導(dǎo)機(jī)制；M，細(xì)胞壁、細(xì)胞膜及包膜生物形成；G，碳水化合物運(yùn)輸和代謝；L，復(fù)制、重組和修復(fù)；P，無(wú)機(jī)離子轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝；J，翻譯及核糖體結(jié)構(gòu)形成；I，脂質(zhì)轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝；H，輔酶轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝；O，蛋白質(zhì)轉(zhuǎn)換及修飾；Q，次生代謝產(chǎn)物的生物合成、運(yùn)輸和分解代謝；F，核苷酸轉(zhuǎn)運(yùn)與代謝；V，防御機(jī)制；U，細(xì)胞內(nèi)分泌及膜泡轉(zhuǎn)運(yùn)；N，細(xì)胞運(yùn)動(dòng)及細(xì)胞分裂；D，染色體分裂及周期控制；A，RNA加工與修飾；B，染色質(zhì)結(jié)構(gòu)作用；Z，細(xì)胞骨架；W，細(xì)胞外結(jié)構(gòu)；Y，細(xì)胞核結(jié)構(gòu)代謝。

3 討 論

本試驗(yàn)通過(guò)高通量測(cè)序技術(shù)研究了再生水不同灌水水平下的土壤細(xì)菌群落組成動(dòng)態(tài)變化特征；結(jié)果表明，再生水灌溉下土壤細(xì)菌群落組成與代謝功能響應(yīng)特征明顯。土壤細(xì)菌多樣性可反映土壤細(xì)菌群落狀態(tài)、生態(tài)特性及土壤環(huán)境質(zhì)量特征，主要包括物種多樣性、結(jié)構(gòu)多樣性、功能多樣性及遺傳多樣性，合理的土壤細(xì)菌群落多樣性是維系土壤環(huán)境長(zhǎng)久穩(wěn)定發(fā)展的重要保障[32-35]。以往研究表明，再生水灌溉可提高土壤細(xì)菌群落多樣性[36]，但也有研究指出再生水灌溉下土壤細(xì)菌多樣性變化不顯著或呈下降趨勢(shì)[37-38]。本研究中，再生水灌溉下ACE和Chao指數(shù)相比自來(lái)水灌溉有所降低，Simpson指數(shù)有所提高，可見(jiàn)再生水灌溉一定程度上降低了土壤細(xì)菌群落多樣性。土壤細(xì)菌群落多樣性及種群結(jié)構(gòu)受土壤環(huán)境中多重因素的動(dòng)態(tài)變化制約[39]；土壤溫度條件、水分條件、有機(jī)質(zhì)含量、可溶性鹽含量、土壤pH等因素的動(dòng)態(tài)變化均會(huì)導(dǎo)致土壤細(xì)菌多樣性發(fā)生顯著改變[40-41]。大量研究表明，再生水中含有較高的鹽分離子，灌溉后極易導(dǎo)致土壤積鹽，增加土壤鹽漬化風(fēng)險(xiǎn)[42-44]。本研究中，再生水灌溉顯著提高了土壤鹽分含量，增加了土壤積鹽風(fēng)險(xiǎn)。土壤鹽分含量的升高一定程度上會(huì)對(duì)土壤細(xì)菌生境條件造成負(fù)面效應(yīng)，從而降低土壤細(xì)菌群落多樣性[45]；此外，土壤積鹽易引起土壤pH升高，降低土壤中有機(jī)碳活性，進(jìn)而抑制微生物種群多樣性的提升[40]。因此推斷再生水灌溉土壤細(xì)菌多樣性降低的主要原因是再生水灌溉增加了土壤鹽分含量，細(xì)菌生長(zhǎng)代謝受到土壤中鹽分離子的脅迫，進(jìn)而降低其多樣性。本研究中土壤鹽分與ACE、Shannon、Chao指數(shù)間呈極顯著負(fù)相關(guān)，與Simpson指數(shù)間呈顯著正相關(guān)，也證實(shí)了土壤中鹽分含量較高會(huì)對(duì)細(xì)菌代謝產(chǎn)生脅迫，從而降低土壤中細(xì)菌群落多樣性和豐度。再生水充分灌溉相比非充分灌溉顯著提高了0～60 cm土層Simpson指數(shù)，降低了深層土壤ACE和Chao指數(shù)，可見(jiàn)充分灌溉一定程度上降低了深層土壤細(xì)菌群落多樣性。原因可能是在充分灌溉條件下，再生水向深層土壤輸送的鹽分離子濃度相對(duì)更高，進(jìn)而增加了深層土壤細(xì)菌生長(zhǎng)代謝受抑制程度，降低其多樣性。

本研究中，各處理土壤細(xì)菌類(lèi)群以放線(xiàn)菌門(mén)和變形菌門(mén)為主。不同灌水水平下經(jīng)再生水灌溉后的土壤細(xì)菌組成變化與自來(lái)水相比存在一定差異；非充分灌溉下，再生水灌溉相比自來(lái)水提高了土壤放線(xiàn)菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、厚壁菌門(mén)及酸桿菌門(mén)比例，降低了變形菌門(mén)比例；而在充分灌溉下，再生水灌溉相比自來(lái)水大幅度提升了土壤放線(xiàn)菌門(mén)和硝化螺旋菌門(mén)比例，降低了土壤變形菌門(mén)、綠彎菌門(mén)、酸桿菌門(mén)及厚壁菌門(mén)比例。無(wú)論是在充分灌溉還是非充分灌溉下，再生水灌溉均對(duì)土壤放線(xiàn)菌門(mén)表現(xiàn)為促進(jìn)作用，對(duì)變形菌門(mén)表現(xiàn)為抑制作用，這與以往研究結(jié)果相似[46]。原因可能是放線(xiàn)菌對(duì)土壤中各類(lèi)污染物的抵抗與降解能力較強(qiáng)，在應(yīng)對(duì)外界環(huán)境變化時(shí)往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的耐受性[47]；此外，再生水本身具有較強(qiáng)的水質(zhì)異質(zhì)性[48]，不能排除其中還含有部分與放線(xiàn)菌具有協(xié)同生存能力的菌種，促進(jìn)其繁殖。本研究中再生水灌溉刺激了土壤放線(xiàn)菌門(mén)的生長(zhǎng)繁殖，推斷再生水灌溉一定程度上可促進(jìn)土壤有機(jī)化合物礦化和物質(zhì)能量循環(huán)，降解土壤中毒性物質(zhì)，不會(huì)對(duì)土壤環(huán)境造成較大的負(fù)面影響。變形菌群落范圍分布較廣，大部分類(lèi)群具有固氮作用[49]。本研究中再生水灌溉抑制了土壤變形菌群的繁殖，初步推斷長(zhǎng)期再生水灌溉一定程度上不利于土壤固氮。而導(dǎo)致這種現(xiàn)象的原因可能是土壤中不同菌群之間存在競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制[50]，此外由于土壤及灌溉水源中的養(yǎng)分含量有限，且土柱裝置空間封閉，使得變形菌門(mén)當(dāng)中的部分菌屬在與土壤中其他菌群爭(zhēng)奪有限空間和養(yǎng)分的過(guò)程中受到抑制，進(jìn)而降低其整體比例。再生水充分灌溉相比非充分灌溉對(duì)土壤放線(xiàn)菌門(mén)和變形菌門(mén)均具有促進(jìn)作用，而對(duì)綠彎菌門(mén)、酸桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)則起到抑制作用。放線(xiàn)菌門(mén)和變形菌門(mén)是土壤中占比最大的兩大優(yōu)勢(shì)菌門(mén)，本研究中再生水充分灌溉相比非充分灌溉促進(jìn)了此2種優(yōu)勢(shì)菌門(mén)的生長(zhǎng)，同時(shí)抑制了綠彎菌門(mén)、酸桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)等一類(lèi)非優(yōu)勢(shì)菌群的生長(zhǎng)；可見(jiàn)再生水灌水水平越高，越有利于土壤中優(yōu)勢(shì)菌群的代謝繁殖。

本研究中，再生水輔以較高灌水水平顯著提升了表層土壤細(xì)菌膜轉(zhuǎn)運(yùn)、碳水化合物代謝及氨基酸代謝過(guò)程。碳水化合物代謝過(guò)程往往依賴(lài)于多種微生物彼此之間相互配合；此外，微生物本身是否具有特定的碳水化合物攝取和代謝基因?qū)τ谛纬闪己玫拇x網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要[51]。本研究中再生水充分灌溉處理相比其他各處理顯著提高了表層土壤碳水化合物代謝通路豐度，推斷再生水輔以較高灌水水平一定程度上可增加土壤中攜帶碳水化合物攝取代謝基因的細(xì)菌種類(lèi)及數(shù)量，進(jìn)而使表層土壤碳循環(huán)轉(zhuǎn)化效率得到提升。本研究中，再生水充分灌溉相比其他處理顯著提高了表層土壤氨基酸代謝通路豐度，這可能與充分灌溉條件下再生水向土壤表層輸送的鹽分離子濃度較高有關(guān)。相關(guān)研究表明，鹽分脅迫會(huì)使生物細(xì)胞質(zhì)膜滲透壓升高，影響其滲透調(diào)節(jié)機(jī)制，促使生物體內(nèi)的氨基酸轉(zhuǎn)化為糖、糖醇及游離態(tài)氨等一類(lèi)小分子有機(jī)物來(lái)降低細(xì)胞內(nèi)水勢(shì)，進(jìn)而加速氨基酸代謝過(guò)程[52]。除以上代謝通路外，能量代謝、脂類(lèi)化合物合成與代謝、核苷酸代謝、維生素等輔助因子代謝、轉(zhuǎn)錄、復(fù)制及修復(fù)等代謝功能在豐度組成上也占有一定比例；且于再生水充分灌溉條件下0～40 cm土層中，這幾類(lèi)代謝通路豐度均略高于其他處理。由此可推斷再生水較高灌水水平可在一定程度上促進(jìn)土壤物質(zhì)能量循環(huán)，此外對(duì)土壤細(xì)菌代謝繁殖過(guò)程也可起到積極的調(diào)節(jié)作用。

4 結(jié) 論

1）再生水灌溉相比自來(lái)水顯著提升了土壤鹽分、磷素及表層土壤氮素含量，降低了土壤細(xì)菌群落多樣性；充分灌溉相比非充分灌溉提高了深層土壤鹽分含量，降低了深層土壤細(xì)菌群落多樣性。

2）土壤細(xì)菌類(lèi)群以放線(xiàn)菌門(mén)（24.5%～40.6%）和變形菌門(mén)（22.4%～30.3%）為主，與自來(lái)水相比，再生水灌溉對(duì)土壤放線(xiàn)菌門(mén)表現(xiàn)為促進(jìn)作用，對(duì)變形菌門(mén)則表現(xiàn)為抑制作用。此外，非充分灌溉下，再生水相比自來(lái)水提高了土壤綠彎菌門(mén)、厚壁菌門(mén)及酸桿菌門(mén)比例；充分灌溉下，再生水相比自來(lái)水提高了硝化螺旋菌門(mén)比例。再生水充分灌溉相比非充分灌溉對(duì)土壤放線(xiàn)菌門(mén)和變形菌門(mén)具有促進(jìn)作用，而對(duì)綠彎菌門(mén)、酸桿菌門(mén)和厚壁菌門(mén)具有抑制作用，再生水灌水水平越高，越有利于土壤中優(yōu)勢(shì)菌群的生長(zhǎng)，同時(shí)不利于非優(yōu)勢(shì)菌群的代謝繁殖。

3）土壤細(xì)菌代謝通路豐度占比最大的為膜轉(zhuǎn)運(yùn)、碳水化合物代謝及氨基酸代謝；再生水輔以較高灌水水平能夠顯著促進(jìn)表層土壤細(xì)菌膜轉(zhuǎn)運(yùn)、碳水化合物代謝及氨基酸代謝過(guò)程。

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Effects of reclaimed water irrigation levels on soil salinity and composition of soil bacteria community

Han Yang, Qiao Dongmei, Qi Xuebin※, Li Ping, Guo Wei, Cui Bingjian, Lu Hongfei, Zhao Yulong, Bai Fangfang, Pang Ying

(1.,,453000,; 2.,,453000,; 3.,,453000,)

Reasonable reuse of reclaimed water is of great significance to alleviate the conflict between supply and demand of fresh water resources and reduce the risk of ecological environment pollution caused by waste sewage discharge. This stud aimed to reveal the effect of different irrigation levels of reclaimed water on soil salinity, total nitrogen, total phosphorus and bacteria community structure. The reclaimed water was collected from a sewage treatment plant. The designed irrigation water sources included reclaimed water and tap water. For each water source, 2 levels of irrigation were designed: full irrigation (90% of field water holding capacity) and deficit irrigation (70% of full irrigation). The soil column experiment was carried out from August 1, 2017 to May 28, 2018. The irrigation amount of full irrigation was 9.70 L per time, and that of deficit irrigation was 6.80 L per time. Water was irrigated every 20 d, and 15 times of irrigation were accumulated in the whole experiment period. Soil sample at 0-60 cm layer was collected after experiment which lasted for 300 days for determination of electrical conductivity, total nitrogen, total phosphorus and bacterial community structure. Soil bacteria diversity index was calculated. The results showed that: 1) Compared with tap water, reclaimed water irrigation significantly increased 0-60 cm soil salinity, total phosphorus content and 0-30 cm soil total nitrogen content, soil bacteria diversity and operational taxonomic units (OUT) were reduced under reclaimed water irrigation. Compared with deficit irrigation of reclaimed water, full irrigation of reclaimed water increased salinity in deep soil, the bacteria diversity and species number in deep soil were reduced under full irrigation of reclaimed water. 2) The soil bacteria under different treatments were mainly actinobacteria and proteobacteria. At deficit irrigation level, compared with tap water, the proportion of soil actinobacteria, chloroflexi, acidobacteria and firmicutes were increased but the proportion of soil proteobacteria were reduced under reclaimed water irrigation. Under full irrigation level, compared with tap water, the proportion of soil actinobacteria and nitrospirae were increased but the proportion of soil proteobacteria, chloroflexi, firmicutes and acidobacteria were reduced under reclaimed water irrigation. Regardless of irrigation levels, the irrigation with reclaimed water promoted soil actinobacteria and inhibited proteobacteria. Compared with deficit irrigation of reclaimed water, full irrigation of reclaimed water promoted soil actinobacteria and proteobacteria, and inhibited soil chloroflexi, acidobacteria and firmicutes bacteria. The high irrigation level of reclaimed water would favor the growth of dominant microorganisms in soil. 3) Membrane transport, carbohydrate metabolism and amino acid metabolism accounted for the largest proportion of bacteria metabolic pathways in all the treatments. Reclaimed water irrigation with high level greatly promoted the bacteria membrane transport, carbohydrate metabolism and amino acid metabolism of surface soil. Therefore, reclaimed water with high irrigation level would promote the cycle of material and energy in soil, and actively mediate the process of soil bacteria metabolism and reproduction.

irrigation; salinity; bacteria; reclaimed water; community composition; metabolic function

韓 洋，喬冬梅，齊學(xué)斌，李 平，郭 魏，崔丙健，陸紅飛，趙宇龍，白芳芳，龐 穎. 再生水灌溉水平對(duì)土壤鹽分累積與細(xì)菌群落組成的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2020，36(4)：106－117. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.013 http://www.tcsae.org

Han Yang, Qiao Dongmei, Qi Xuebin, Li Ping, Guo Wei, Cui Bingjian, Lu Hongfei, Zhao Yulong, Bai Fangfang, Pang Ying. Effects of reclaimed water irrigation levels on soil salinity and composition of soil bacteria community[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2020, 36(4): 106－117. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.013 http://www.tcsae.org

2019-07-24

2019-12-10

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51879268、51679241、51709265）；中央級(jí)科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)（FIRI2018-02）

韓 洋，實(shí)習(xí)研究員，主要從事非常規(guī)水資源安全高效利用研究。Email：13940585693@163.com

齊學(xué)斌，研究員，主要從事農(nóng)業(yè)水資源優(yōu)化配置與調(diào)控研究。Email：qxb6301@sina.cn

10.11975/j.issn.1002-6819.2020.04.013

S154.3; S155.4+4

A

1002-6819(2020)-04-0106-12