李松旌，樊向阳，崔二苹，高峰，吴海卿，李胜曙，崔丙健，胡超

滴头流量对再生水灌溉作物根区典型微生物群落结构的影响

李松旌1,2，樊向阳1,3,4*，崔二苹1,3,4，高峰1,3,4，吴海卿1,3,4，李胜曙1,2，崔丙健1,3,4，胡超1,3,4

（1.中国农业科学院 农田灌溉研究所，河南 新乡 453002；2.中国农业科学院 研究生院，北京 100081；3.中国农业科学院 农业水资源高效安全利用重点开放实验室，河南 新乡 453002；4.中国农业科学院 新乡农业水土环境野外科学观测试验站，河南 新乡 453002）

【】探明再生水滴灌条件下不同滴头流量对根区土壤典型微生物群落结构及功能的影响和差异性。采用盆栽试验，以传统漫灌为对照，研究了不同滴灌滴头流量（2、4、8 L/h）下番茄根区各土层（0～5、5～10 cm和10～15 cm）微生物群落分布规律的差异性及其影响因素。滴灌处理微生物多样性指数均高于对照组漫灌处理，且在5～10 cm土层的差异达到了显著水平（<0.05）；不同滴头流量处理对番茄根区门水平、属水平优势菌群并无影响，但可通过影响根区土壤pH、及全磷等环境因子进而影响微生物群落的相对丰度，如滴头流量2 L/h处理较其他处理增加了10～15 cm土层中全磷质量分数，进而显著增加了拟杆菌门（）相对丰度，滴灌各处理增加了0～15 cm土层pH值进而降低了鞘脂单胞菌属（）的相对丰度；滴头流量为2 L/h时0～5 cm土层各功能微生物通路丰度最高。再生水滴灌条件下不同滴头流量可通过改变土壤理化性状，进而改变作物根区土壤微生物群落结构及分布特征，并提高部分功能菌群丰度，说明适宜滴头流量的选择对于再生水灌溉土壤微生物调控具有重要意义。

再生水；滴灌；滴头流量；根区土壤；微生物群落

0 引言

【研究意义】我国是水资源严重短缺的国家之一，其中农业用水供需矛盾尤为突出，正常年份缺水量达300亿m3[1]。作为潜在的农业灌溉水源，再生水具有量大（预测2030年农业可利用再生水资源量可达164.5亿m3）、面广、质稳、就近可取等特点[2]，和海水淡化、跨流域调水等相比具有明显的优势，用于农业灌溉对于缓解水资源短缺矛盾及降低污水排放造成的环境风险等具有重要意义。然而，我国再生水农业灌溉目前尚处于起步阶段，在再生水的农业利用机理研究、安全灌溉关键技术和设备研发、灌溉标准等方面，与发达国家和我国产业需求仍有较大差距。

【研究进展】近年来，国内外学者针对再生水灌溉对作物产量及品质、土壤理化性质、环境污染风险等相关领域展开了多方面研究[3-7]，并针对再生水灌溉条件下不同土壤、不同肥料施用、不同防控措施等对土壤微生物群落的影响进行了一定研究[8-10]。有关再生水灌溉土壤环境效应及微生物群落响应的研究表明，因再生水富含氮、磷、钾等营养物质，其灌溉可通过改变土壤环境进而对土壤微生物群落结构造成影响；再生水灌溉可增加土壤有机质和有效磷的质量分数，并在一定程度上造成盐分累积[11]，其中土壤有机质质量分数的增加可导致土壤微生物量的增加[12]，有效磷质量分数的增加可通过改善土壤碳的有效性和pH值增加土壤微生物的生物量[13]，盐分离子增加可抑制土壤微生物群落生长代谢并使其多样性降低[11]。

【切入点】土壤微生物作为土壤生态系统中的重要组成部分，在土壤结构形成、营养物质的循环、污染物的吸附与降解等方面均扮演着重要角色[14]；根区土壤是土壤-作物系统物质交换的活跃界面，其养分、酶活性及微生物群落结构直接决定了作物的生长状况[15]。滴灌因其节水、高效、可有效控制再生水中污染物在土壤中的分布等特点，是再生水农业灌溉的适宜方式。滴灌条件下滴头流量的改变会造成土壤中水分分布情况、土壤理化性质的差异性[16]。然而，再生水滴灌条件下，从灌水速率角度针对不同滴头流量对土壤微生物群落结构及功能的研究却鲜见报道。【拟解决的关键问题】本研究采用盆栽试验，针对再生水滴灌条件下不同滴头流量对作物根区土壤微生物群落结构及功能的影响及差异性开展研究，以期探明滴头流量对土壤微生物群落的影响规律及驱动机制，为再生水滴灌在农业的应用与实践提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验于2019年11月—2020年1月在中国农业科学院新乡农业水土环境野外科学观测试验站智能人工气候室进行。试验选用千禧矮生番茄（矮汤姆）作为供试作物。试验用土取自试验站周边农田0～20 cm耕层土壤，土壤质地为砂壤土。土壤取回后经自然风干并过5 mm筛，混合均匀后用于土箱填装，供试土壤基本理化性状及养分质量分数如表1所示。试验用再生水取自试验站附近河南省新乡市骆驼湾污水处理厂，污水来源主要为城市生活污水和部分工业废水，污水处理工艺为厌氧好氧工艺法（Anoxic Oxic，A/O），供试再生水相关指标如表2所示。

表1 供试土壤基本理化性状及养分质量分数

表2 供试再生水相关指标

1.2 试验设计

试验采用随机化区组设计，以滴头流量为试验因子，设置2 L/h（DT）、4 L/h（DF）、8 L/h（DE）3个水平，以漫灌为对照（CK），每个处理设3组重复。

试验用土箱规格的选择以不影响滴灌湿润体分布为前提，长、宽、高分别为40、40、30 cm，土箱中装土深度为25 cm。每个土箱种植1株番茄，滴灌处理采用地表滴灌的方式，布置1个滴头在植株根部；漫灌处理采用在土箱上部均匀灌水的方式。对照处理与滴灌处理的灌水量比例为5∶3[17]，试验周期内滴灌处理单个滴头再生水灌水总量保持一致，均为68.84 L，对照组处理总灌水量为110.14 L。

人工气候室内设通风、补光、调温等环境控制系统；补光系统为飞利浦Green Power LED植株间照明模组，光照强度为300 μmol/(m2·s)，每天光照时段为06:00―20:00，共14 h；白天控制温度为（28±0.5）℃，晚间温度为（15±0.5）℃；相对湿度控制为60%。

1.3 样品采集与测定

1）再生水水质指标

每次灌水采集再生水，测定水中pH值及全氮（TN）、全磷（TP）、硝态氮（NO3⁻-N）、铵态氮（NH4+-N）质量分数。水样均通过0.45 μm滤膜过滤后进行测定，pH值采用pH S-1型酸度计（美国Orion奥立龙公司）测定，全氮（TN）、全磷（TP）、硝态氮（NO3⁻-N）质量分数采用TU-1810紫外线分光光度计（北京普析通用仪器有限责任公司）测定，铵态氮（NH4+-N）质量分数采用纳氏试剂比色法测定[18]。

2）土壤理化特性指标

试验开始前及结束后采集土样测定土壤pH、电导率（）和有机质（OM）、全磷（TP）等指标。试验前土样为经风干过筛后的土样，试验结束后土样为采集番茄根区0～5、5～10 cm和10～15 cm土样。土壤pH值采用pH S-1型酸度计（美国Orion奥立龙公司）测定，土壤电导率（）采用DDB-303A型便携式电导率仪（上海仪电科学仪器股份有限公司）测定，有机质（OM）质量分数采用低温外热重铬酸钾氧化-比色法测定，土壤全氮（TN）、全磷（TP）质量分数采用Seal-AA3型连续流动化学分析仪（德国SEAL）测定，有效磷质量分数采用碳酸氢钠提取分光光度计比色法测定，速效钾质量分数采用乙酸铵提取-火焰光度法测定[18]。

3）土壤典型微生物群落结构

土壤典型微生物群落结构的测定为试验结束后通过16S rDNA序列测序方法对所取土壤样品的细菌进行菌种鉴定。测序步骤为：采用Fast DNA抽提试剂盒对样本的基因组DNA进行提取，采用琼脂糖凝胶电泳和Nano Drop 2000检测DNA的浓度；以基因组DNA为模板，利用通用343F正向引物（5'-TACGGRAGGCAGCAG-3'）和反向798R引物（5'-AGGGTATCTAATCCT-3'）扩增细菌16S rRNA基因V3-V4高变区，使用带barcode的特异引物进行聚合酶链反应（polymerase chain reaction，PCR）扩增（定量PCR反应体系为15 μL 2×Gflex 缓冲剂、上下游引物各1 μL（5 pmol/μL）、DNA模板≥1 μL、30 μL无菌蒸馏水，具体扩增程序为94 ℃预变性5 min、94 ℃变性30 s、56 ℃退火30 s、72 ℃延伸5 min、26个循环）；PCR产物使用电泳检测，检测后使用磁珠（AMPure XP beads）纯化，纯化后作为二轮PCR模板，并取50 ng第一轮产物进行二轮PCR扩增，并再次使用电泳检测，检测后使用磁珠纯化，之后对PCR产物进行Qubit定量；根据PCR产物浓度进行等量混样，并上机测序。

1.4 数据处理

1）数据分析及绘图

单因素方差分析、Duncan多重比较和Pearson相关性分析采用SAS 9.4进行分析；主坐标分析（PCoA）、冗余分析（RDA）采用R语言vegan、devtools等包进行分析；微生物群落功能采用PICRUSt进行预测。图形采用R语言、Excel 2019绘制。

2）微生物α多样性计算

微生物丰度指数Chao1计算式为：

式中：为实际观测到的OTU数；1为只含有1条序列的OTU数目；为只含有2条序列的OTU数目。

Simpson指数计算公式为：

式中：obs为实际观测到的OTU数；n为第个OTU所含的序列数；为所有序列数。

2 结果与分析

2.1 土壤微生物多样性

不同土层土壤微生物丰度指数（Chao1）和多样性指数（Simpson）计算结果如表3所示。0～5 cm土层微生物群落丰度指数（Chao1）滴头流量8 L/h（DE）处理较滴头流量4 L/h（DF）、2 L/h（DT）处理分别增加5.10%、13.89%，且差异达到显著水平（<0.05）；5～10 cm土层DT处理较CK降低9.24%，且差异达到显著水平（<0.05）；10～15 cm土层DT处理较CK、DE和DF处理分别降低5.72%、6.86%和6.71%，且差异达均到显著水平（<0.05）。滴灌各处理微生物多样性Simpson指数均高于CK，且在5～10 cm土层的差异达到显著水平（<0.05）。

表3 不同处理下各土层微生物α多样性指数

注 不同字母表示不同处理在各土层间存在显著性差异（<0.05）。下同。

2.2 土壤微生物群落结构

不同处理番茄根区排名前15的土壤门水平微生物群落如图1所示。由图1可知，门水平微生物群落的主要优势群包括变形菌门（，38.75%～53.82%）、放线菌门（，14.16%～28.44%）、芽单胞菌门（，8.47%～13.55%）、拟杆菌门（，7.45%～14.21%）、酸杆菌门（，3.04%～28.44%）和厚壁菌门（，1.46%～5.73%）等；以上6个菌群相对丰度占番茄根区土壤微生物群落的98.22%以上，其中变形菌门（）占比最高。滴灌处理较CK显著降低了0～5 cm土层中拟杆菌门（）、厚壁菌门（）的相对丰度（<0.05），显著增加了0～5、5～10 cm和10～15 cm土层中放线菌门（）的相对丰度（<0.05）；DT处理较其他处理显著增加了10～15 cm土层中拟杆菌门（）、厚壁菌门（）的相对丰度（<0.05）。

不同处理番茄根区排名前15的土壤属水平微生物群落如图2所示。由图2可知，属水平主要优势群包括鞘脂单胞菌属（，4.90%～8.29%）、（2.68%～4.82%）、（1.10%～1.70%）、（0.19%～6.68%）、甲基娇养杆菌属（，0.09%～2.67%）和类诺卡氏属（，0.71%～1.72%）等；微生物优势属的相对丰度在不同处理间存在较大差异，滴灌处理较CK显著降低了0～5、5～10 cm土层中、的相对丰度（<0.05），以及10～15 cm土层中鞘脂单胞菌属（）的相对丰度（<0.05）；DF处理较其他处理显著增加了0～5 cm土层中甲基娇养杆菌属（）的相对丰度（<0.05）。

注 各处理后的数字5表示0～5 cm土层，10表示5～10 cm土层，15表示10～15 cm土层，下同

图2 不同处理番茄根区土壤属水平微生物群落

不同处理番茄根区土壤微生物群落主坐标（PCoA）分析如图3所示。由图3可知，PC1轴、PC2轴对结果的解释度分别为26.38%、5.46%。试验因子对番茄根区土壤微生物群落的影响如表4所示。结合图3和表4可知，各处理0～5、5～10 cm和10～15 cm土层间微生物群落结构存在差异，且土壤深度对番茄根区土壤微生物群落组成的影响达到显著水平（<0.05）；滴灌处理与对照组存在差异，且灌溉方式对番茄根区土壤微生物群落组成的影响达到显著水平（<0.05）；不同滴头流量下番茄根区土壤微生物群落组成的差异较小，滴头流量对番茄根区土壤微生物群落组成的影响未达到显著水平（>0.05）。

图3 不同处理番茄根区土壤微生物群落PCoA分析

表4 试验因子对番茄根区土壤微生物群落的影响

注 ***：<0.001

2.3 微生物群落结构与土壤环境因子的相关性

再生水滴灌条件下不同滴头流量对土壤理化性状指标的影响如表5所示。由表5可知，各处理土壤pH值、值均随土层深度的增加呈下降趋势；较对照组（CK）而言，滴头流量为2 L/h（DT）处理增加了0～5、5～10 cm和10～15 cm土层pH值，增幅达0.27～0.54个单位，且差异均达到了显著水平（<0.05）；滴头流量为4 L/h（DF）处理、DT处理较CK降低了0～5、10～15 cm土层的值，降幅达33.31%～53.65%，且差异均达到了显著水平（<0.05）；DF处理较CK降低了0～5、5～10 cm和10～15 cm土层的OM值，降幅达9.25%～14.53%，且差异达到了显著水平（<0.05）；DT处理显著降低了0～5、5～10 cm土层的OM值，降幅达7.20%～10.50%，且差异均达到了显著水平（<0.05）；不同处理下各土层全磷质量分数的差异均未达到显著水平。总体来看，随着滴头流量的减小，土壤pH值呈增加趋势；DT处理较其他处理增加了各土层pH值及有机质质量分数。

表5 不同处理土壤理化指标

番茄根区土壤门水平及属水平微生物群落组成与不同环境因子之间的关系如图4所示。由图4可知，土壤pH值、值、有机质和全磷质量分数与根区土壤微生物群落结构具有相关性，说明上述土壤指标是影响根区土壤微生物群落多样性和组成的重要驱动因素。

图4 土壤微生物群落与土壤环境因子的RDA分析

土壤理化指标与番茄根区土壤门水平和属水平微生物群落相对丰度的相关性如图5所示。由图5可知，土壤变形菌门（）、髌骨细菌门（）、甲基娇养杆菌属（）、、芽单胞菌属（）与土壤pH值显著正相关（<0.05），鞘脂单胞菌属（）与土壤pH值显著负相关（<0.05）；变形菌门（）与土壤值显著正相关（<0.05），放线菌门（）、酸杆菌门（）、匿杆菌门（）、纤维杆菌门（）、1、、10、交替赤杆菌属（）、、单核杆菌属（）与土壤值显著负相关（<0.05）；溶杆菌属（）与土壤OM质量分数显著正相关（<0.05）；放线菌门（）、绿弯菌门（）、肠杆菌门（）、类诺卡氏属（）、、单核杆菌属（）与土壤全磷（TP）质量分数显著正相关（<0.05），拟杆菌门（）与土壤TP质量分数显著负相关（<0.05）。相关性热图分析表明，再生水滴灌条件下番茄根区不同门水平、属水平土壤微生物群落丰度受土壤理化性状指标的影响，这种差异与滴灌处理对土壤环境的改变程度有关。

图5 番茄根区土壤微生物群落与土壤环境因子相关性

2.4 对土壤微生物群落功能的影响

通过Kruskal-Wallis算法将KEGG结果做统计差异，差异结果如图6所示。根据基于Greengenes数据库注释的16S rDNA测序数据[19]，得出不同处理番茄根区土壤微生物群落的功能包括新陈代谢、其他次生代谢产物的生物合成、氨基酸代谢、核苷酸代谢、遗传信息处理、运输和分解代谢、聚糖的生物合成和代谢等。DT处理下0～5 cm土层各功能微生物KEGG通路丰度最高，CK下10～15 cm土层各功能微生物通路丰度最低；0～5 cm土层各功能微生物KEGG通路丰度随着滴头流量减小呈增加趋势，表现为DT处理>DF处理>DE处理>CK；5～10 cm土层除负责信号分子与相互作用的微生物丰度DE处理高于DT处理外，其他功能微生物KEGG通路丰度为DT处理>DE处理>DF处理>CK；10～15 cm土层DT处理较其他处理而言，除负责真核生物中的核糖体生物发生、醚脂类代谢、不饱和脂肪酸的生物合成的微生物通路丰度较低外，其他功能微生物KEGG通路丰度最高。

3 讨论

3.1 滴头流量对再生水滴灌条件下不同土层微生物群落结构的影响

不同处理通过改变土壤环境，进而影响微生物群落结构。由相关性分析可知拟杆菌门（）丰度与土壤全磷质量分数显著负相关（<0.05），结合不同处理下各土层全磷质量分数（表5）可知，在10～15 cm土层滴头流量为2 L/h（DT）处理较其他处理降低了全磷质量分数是造成该处理下拟杆菌门（）相对丰度增加的原因之一。同理可知，在10～15 cm土层DT处理较其他处理降低了值是造成该处理下厚壁菌门（）相对丰度显著增加的原因之一（<0.05），但在该土层DT处理下的值并不是最低的，因此其他因素对厚壁菌门（）相对丰度的影响仍需进一步探索。已有研究表明小滴头流量作物根系分布范围窄而深，根系结构紧凑[20]，拟杆菌门（）重要类群为噬胞菌属（），该菌属可与厚壁菌门（）参与分解碎屑及异养营养素的循环过程[21]，二者可以通过降解作物根部的纤维素为自身提供养分，进而增加了DT处理10～15 cm土层中的相对丰度。滴灌处理较CK显著降低了10～15 cm土层中鞘脂单胞菌属（）的相对丰度（<0.05），由表5可知，在10～15 cm土层滴灌各处理下土壤pH值均高于CK，其中流量为4 L/h（DF）处理、DT处理差异达到了显著水平，相关性分析可以得出鞘脂单胞菌属（）与土壤pH值显著负相关（<0.05），因此可以推测滴灌处理增加了pH值进而增加了鞘脂单胞菌属（）的相对丰度。DF处理较其他处理显著增加了0～5 cm土层中甲基娇养杆菌属（）的相对丰度（<0.05），相关性分析可以得出甲基娇养杆菌属（）与土壤pH值显著正相关（<0.05），但DF处理下土壤pH值处于中间水平，因此可以推测有其他因素决定了甲基娇养杆菌属（）的相对丰度，仍需进一步探索。

本文主要分析了土壤pH值、值和有机质、全磷质量分数与土壤微生物群落的相关性。已有研究表明，微生物丰度与土壤有机质和pH值正相关关系[22]，本文中变形菌门（）、髌骨细菌门（）、甲基娇养杆菌属（）、、芽单胞菌属（）与土壤pH值均显著正相关（<0.05），但鞘脂单胞菌属（）与土壤pH值显著负相关，这可能是因为土壤中的氨在低pH值条件下倾向于转变成铵，使鞘脂单胞菌属（）中的氨氧化细菌对氨的利用受到了影响[29]。溶杆菌属（）与土壤有机质质量分数显著正相关（<0.05），但其他菌群与有机质质量分数无显著相关关系，这可能是由于供试土壤中有机质质量分数较低，未对土壤微生物产生主导效应。电导率可间接表示土壤中的含盐量，土壤含盐量的升高，可造成土壤中有机碳活性降低，从而降低土壤细菌群落多样性[11]。由本文相关分析可知，土壤值与多数微生物群落显著负相关关系（<0.05），但相关分析中变形菌门（）与土壤值显著正相关（<0.05），这可能是土壤盐分增加抑制其他微生物群落丰度及活性，由于变形菌门（）专性厌氧和异养生活的特性进而增加了自身的丰度。磷作为作物的营养物质，其质量分数的增加可提高土壤微生物的丰度[23]，本文相关性分析中多数微生物群落与全磷质量分数显著正相关关系（<0.05），但拟杆菌门（）与土壤全磷质量分数显著负相关（<0.05），这可能是因为变形菌门（）和拟杆菌门（）均为消耗磷的优势微生物种群[23]；且由图1可知变形菌门（）的相对丰度为拟杆菌门（）的3～5倍，由于二者的竞争关系，导致拟杆菌门（）的相对丰度随土壤全磷质量分数的增加而降低。

图6 KEGG差异结果聚类

3.2 滴头流量对再生水滴灌条件下不同土层微生物群落功能的影响

变形菌门（）包含多种代谢种类，多数营兼性或专性厌氧及异养生活，大部分类群具有固氮作用[24]；放线菌（）多为好氧性腐生菌，能促使土壤中的动、植物遗骸腐烂，可产生、提炼抗菌素和维生素，同时参与自然界的氮素循环[25]；芽单胞菌门（）可适应低湿度的环境，但无法抵抗干湿循环引起的水分波动[26]；酸杆菌门（）属于异养型种群，可分解单糖到更复杂的底物，如半纤维素、纤维素和几丁质，拥有纤维素合成基因、大量新型高分子量排泄蛋白、聚酮合成酶和大环内酯糖基化基因表明其对土壤抗干燥性、生物膜形成以及对土壤结构的改变和新型抗菌化合物发挥了潜在作用[27]；拟杆菌门（）能够分泌分解土壤中聚糖的多种碳水化合物活性酶，并利用基因组的节能系统，将它们大部分酶转化为多糖利用位点[28]；厚壁菌门（）可以抵抗脱水和极端环境，富含细胞壁生物合成和膜运输相关基因，并对肥料来源的碳水化合物的利用潜力较低[29]。本文滴头流量为2 L/h（DT）处理较其他处理显著增加了10～15 cm土层中拟杆菌门（）、厚壁菌门（）的相对丰度（<0.05），增加了负责果糖和甘露糖代谢、淀粉和蔗糖代谢等功能的微生物KEGG代谢通路丰度。以上6个菌群相对丰度占作物根区土壤微生物群落的98.22%，在微生物功能表达上起重要作用。本文的预测结果与以上研究中优势微生物群落功能类似，验证了本次试验微生物群落功能预测的正确性，但本文研究过程中对微生物的功能冗余特性关注较少，将在今后的研究中加以探索。

再生水滴灌一方面可改变土壤的理化性状，另一方面还可保持土壤表层的疏松状态、增加土壤通透性，有利于土壤中好氧微生物的生理活动，因此滴灌处理在0～5、5～10 cm和10～15 cm土层微生物KEGG通路丰度高于CK。本文中对不同滴头流量下微生物群落功能进行了预测，但再生水滴灌条件下不同土壤类型、不同作物类型与根区土壤微生物群落的协同作用仍需进一步研究。

4 结论

1）再生水灌溉条件下，滴灌处理土壤微生物多样性指数均高于CK，且在5～10 cm土层差异达到了显著水平（<0.05）；滴灌条件下，番茄根区0～5、10～15 cm土层微生物群落丰度指数随滴头流量增加呈上升趋势。

2）再生水滴灌不同滴头流量处理未造成番茄根区土壤门水平、属水平优势菌群变化。门水平优势群包括变形菌门（）、放线菌门（）、芽单胞菌门（）、拟杆菌门（）、酸杆菌门（）和厚壁菌门（），属水平优势群包括鞘脂单胞菌属（s）、1、、、甲基娇养杆菌属（）和类诺卡氏属（）等。

3）滴灌各处理增加了番茄根区0～15 cm土层土壤pH值，并降低了鞘脂单胞菌属（）的相对丰度；滴头流量2 L/h处理较其他处理增加了10～15 cm土层全磷质量分数，并显著增加了拟杆菌门（）相对丰度。

4）滴头流量的改变可影响各功能微生物KEGG通路丰度，再生水滴灌条件下番茄根区0～5、5～10 cm和10～15 cm土层各功能微生物KEGG通路丰度均高于对照组处理，其中滴头流量2 L/h时在0～5 cm土层各功能微生物KEGG通路丰度最高。

[1] 刘智超. 从河湖管理与保护角度看新时代兴水治水“系统治理”的必然：关于“系统治理”的学习心得[J]. 水利发展研究, 2018, 18(7): 22-23.

LIU Zhichao. Learning experience - From the perspective of river and lake management and protection, the inevitability of systematic water resource management in the new era[J]. Water Resources Development Research, 2018, 18(7): 22-23.

[2] 胡雅琪, 吴文勇. 中国农业非常规水资源灌溉现状与发展策略[J]. 中国工程科学, 2018, 20(5): 69-76.

HU Yaqi, WU Wenyong. Review and development strategy of irrigation with unconventional water resources in China[J]. Engineering Science, 2018, 20(5): 69-76.

[3] 曹玉钧, 田军仓, 沈晖, 等. 再生水灌溉对紫花苜蓿产量和品质的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(1): 55-61.

CAO Yujun, TIAN Juncang, SHEN Hui, et al. The effects of reclaimed water irrigation on growth and quality of alfalfa in Ningxia[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(1): 55-61.

[4] 王璐璐, 田军仓, 徐桂红, 等. 再生水滴灌对黄瓜叶绿素、光合、产量及品质的影响[J]. 灌溉排水学报, 2020, 39(5): 18-25.

WANG Lulu, TIAN Juncang, XU Guihong, et al. The effects of drip irrigation with reclaimed wastewater on chlorophyll, photosynthesis, yield and quality of cucumber[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2020, 39(5): 18-25.

[5] 盛丰, 李忠润, 方娴静, 等. 再生水中阴离子表面活性剂对土壤结构与水流运动的影响[J]. 中国环境科学, 2020, 40(10): 4 531-4 539.

SHENG Feng, LI Zhongrun, FANG Xianjing, et al. Effects of anionic surfactant in reclaimed water on soil structural properties and water flow characteristics[J]. China Environmental Science, 2020, 40(10): 4 531-4 539.

[6] LIANG X Y, RENGASAMY P, SMERNIK R, et al. Does the high potassium content in recycled winery wastewater used for irrigation pose risks to soil structural stability[J]. Agricultural Water Management, 2021, 243: 106 422.

[7] VERGINE P, SALIBA R, SALERNO C, et al. Fate of the fecal indicator Escherichia coli in irrigation with partially treated wastewater[J]. Water Research, 2015, 85: 66-73.

[8] ROCK C M, BRASSILL N, DERY J L, et al. Review of water quality criteria for water reuse and risk-based implications for irrigated produce under the FDA Food Safety Modernization Act, produce safety rule[J]. Environmental Research, 2019, 172: 616-629.

[9] JUNG K W, YOON C G, JANG J H, et al. Characteristics of indicator microorganisms in paddy rice plots after reclaimed water irrigation[J]. Water Science and Technology, 2007, 55(1/2): 267-273.

[10] 崔二苹, 崔丙健, 刘源, 等. 生物炭对非常规水源灌溉下土壤-作物病原菌的影响[J]. 中国环境科学, 2020, 40(3): 1 203-1 212.

CUI Erping, CUI Bingjian, LIU Yuan, et al. Effects of biochar supplementation on the behavior of pathogens in soil-plant System under unconventional water resources irrigation[J]. China Environmental Science, 2020, 40(3): 1 203-1 212.

[11] 韩洋, 乔冬梅, 齐学斌, 等. 再生水灌溉水平对土壤盐分累积与细菌群落组成的影响[J]. 农业工程学报, 2020, 36(4): 106-117.

HAN Yang, QIAO Dongmei, QI Xuebin, et al. Effects of reclaimed water irrigation levels on soil salinity and composition of soil bacteria community[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2020, 36(4): 106-117.

[12] 焦志华, 黄占斌, 李勇, 等. 再生水灌溉对土壤性能和土壤微生物的影响研究[J]. 农业环境科学学报, 2010, 29(2): 319-323.

JIAO Zhihua, HUANG Zhanbin, LI Yong, et al. The effect of reclaimed water irrigation on soil performance and the microorganism [J]. Journal of Agro- Environment Science, 2010, 29(2): 319-323.

[13] 隋跃宇, 焦晓光, 高崇生, 等. 土壤有机质含量与土壤微生物量及土壤酶活性关系的研究[J]. 土壤通报, 2009, 40(5): 1 036-1 039.

SUI Yueyu, JIAO Xiaoguang, GAO Chongsheng, et al. The relationship among organic matter content and soil microbial biomass and soil enzyme activities[J]. Chinese Journal of Soil Science, 2009, 40(5): 1 036-1 039.

[14] HUANG J S, HU B, QI K B, et al. Effects of phosphorus addition on soil microbial biomass and community composition in a subalpine spruce plantation[J]. European Journal of Soil Biology, 2016, 72: 35-41.

[15] NGUYEN T T, CAVAGNARO T R, THANH NGO H T, et al. Soil respiration, microbial biomass and nutrient availability in soil amended with high and low C/N residue - Influence of interval between residue additions[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2016, 95: 189-197.

[16] 章家恩, 刘文高, 陈景青, 等. 刈割对牧草地下部根区土壤养分及土壤酶活性的影响[J]. 生态环境, 2005, 14(3): 387-391.

ZHANG Jiaen, LIU Wengao, CHEN Jingqing, et al. Effects of different cutting intensities of Stylosanthes guianensis (Aubl.) SW. on soil nutrients and soil enzyme activities in rhizosphere[J]. Ecology and Environment, 2005, 14(3): 387-391.

[17] 晏清洪, 王伟, 任德新, 等. 滴灌湿润比对成龄库尔勒香梨树根系分布的影响[J]. 灌溉排水学报, 2011, 30(2): 63-67.

YAN Qinghong, WANG Wei, REN Dexin, et al. Effects of wetted percentage on the root redistribution of mature Korla fragrant pear trees under drip irrigation[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2011, 30(2): 63-67.

[18] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 2000.

LU Rukun. Methods for agricultural chemical analysis of soil [M]. China Agriculture Scientech Press, 2000.

[19] DESANTIS T Z, HUGENHOLTZ P, LARSEN N, et al. Greengenes, a chimera-checked 16S rRNA gene database and workbench compatible with ARB[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2006, 72(7): 5 069-5 072.

[20] 孙浩, 李明思, 丁浩, 等. 滴头流量对棉花根系分布影响的试验[J]. 农业工程学报, 2009, 25(11): 13-18.

SUN Hao, LI Mingsi, DING Hao, et al. Experiments on effect of dripper discharge on cotton-root distribution[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering, 2009, 25(11): 13-18.

[21] KOLTON M, MELLER HAREL Y, PASTERNAK Z, et al. Impact of biochar application to soil on the root-associated bacterial community structure of fully developed greenhouse pepper plants[J]. Appl Environ Microbiol, 2011, 77(14): 4 924-4 930.

[22] 侯雪燕. 土壤pH对硝化作用和氨氧化微生物群落结构的影响[D]. 重庆: 西南大学, 2014.

HOU Xueyan. Effects of soil ph on nitrification and community structure of ammonia-oxidizing microorganisms[D]. Chongqing: Southwest University, 2014.

[23] 高晨晨, 郑兴灿, 游佳, 等. 城市污水脱氮除磷系统的活性污泥菌群结构特征[J]. 中国给水排水, 2015, 31(23): 37-42.

GAO Chenchen, ZHENG Xingcan, YOU Jia, et al. Structure characteristics of activated sludge microbial communities in nitrogen and phosphorus removal system of municipal wastewater[J]. China Water & Wastewater, 2015, 31(23): 37-42.

[24] LIU J J, SUI Y Y, YU Z H, et al. High throughput sequencing analysis of biogeographical distribution of bacterial communities in the black soils of northeast China[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2014, 70: 113-122.

[25] VENTURA M, CANCHAYA C, TAUCH A, et al. Genomics of Actinobacteria: Tracing the evolutionary history of an ancient Phylum[J]. Microbiol Mol Biol Rev, 2007, 71(3): 495-548.

[26] DEBRUYN J M, NIXON L T, FAWAZ M N, et al. Global biogeography and quantitative seasonal dynamics of Gemmatimonadetes in soil[J]. Appl Environ Microbiol, 2011, 77(17): 6 295-6 300.

[27] WARD N L, CHALLACOMBE J F, JANSSEN P H, et al. Three genomes from the Phylum Acidobacteria provide insight into the lifestyles of these microorganisms in soils[J]. Appl Environ Microbiol, 2009, 75(7): 2 046-2 056.

[28] LARSBRINK J, MCKEE L S. Bacteroidetes bacteria in the soil: Glycan acquisition, enzyme secretion, and gliding motility[J]. Advances in Applied Microbiology, 2020, 110: 63-98.

[29] LI W X, ZHANG Y P, MAO W, et al. Functional potential differences betweenandin response to manure amendment in a reclaimed soil[J]. Canadian Journal of Microbiology, 2020, 66(12): 689-697.

Effects of Dripping Rate with Reclaimed Water on Typical Microbial Community Structure in the Root Zone Soil of Tomato

LI Songjing1,2, FAN Xiangyang1,3,4*, CUI Erping1,3,4, GAO Feng1,3,4,WU Haiqing1,3,4, LI Shengshu1,2, CUI Bingjian1,3,4, HU Chao1,3,4

(1. Farmland Irrigation Research Institute, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China; 2. Graduate School of Chinese Academy of Agricultural Sciences, Beijing 100081, China; 3. Key Laboratory of High-efficient and Safe Utilization of Agriculture Water Resources, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China; 4. Agricultural Water Soil Environmental Field Research Station of Xinxiang, Chinese Academy of Agricultural Sciences, Xinxiang 453002, China)

【】Rhizosphere is the interface of soil and plant housing a unique microbial community which not only mediates carbon and nutrient cycles but is also the underlying drivers of soil structure genesis. Soil microorganisms self-restructure following environmental change, which has a consequence for all biogeochemical processes. The purpose of this study is to investigate if and how dripping rate affects the microbial community of the rhizosphere of tomato drip-irrigated using reclaimed water.【】Pot experiment was conducted in an intelligent artificial climate chamber. It compared three dripping rates: 2, 4 and 8 L/h, with traditional flood irrigation taken as the control. After harvesting the plants, microbial community in the different root zone soil layers (0～5, 5～10, and 10～15 cm) of each treatment was analyzed using the 16S rDNA microbial diversity sequencing method.【】Microbial diversity index under drip irrigation was higher than that under the control, regardless of the dripping rate, and their difference was most significant in the 5～10 cm soil layer (<0.05). Dripping rate did not show a significant impact on dominant flora at phylum and genus level, but the relative abundance of microbial community changed with edaphic factors such as pH,, total phosphorus. Dripping at the rate of 2 L/h increased the total phosphorus content in the 10～15 cm soil compared with other treatments, and it also significantly increased the relative abundance of. Compared with the control, the drip irrigations increased pH and reduced the relative abundance ofin the 10～15 cm soil. When the dripping rate was 2 L/h, the abundance of each functional microbial pathway was the highest in the top 0～5 cm soil.【】Dripping rate in using reclaimed water to irrigate tomato altered the physical and chemical properties of soil, thereby shifting microbial community and microbial distribution in the rhizosphere. It also reshaped the distribution of the abundance of some functional flora in soil profile. Our finding implicates that selecting an appropriate drip irrigation rate could have a significant consequence for carbon and nutrient cycles in drip-irrigated crops using reclaimed water due to its impact on microbial community and the associated functions.

reclaimed water irrigation; drip irrigation; dripping rate;root soil; microbial community

1672 - 3317（2021）12 - 0026 - 10

X172

A

10.13522/j.cnki.ggps.2021077

李松旌, 樊向阳, 崔二苹, 等. 滴头流量对再生水灌溉作物根区典型微生物群落结构的影响[J]. 灌溉排水学报, 2021, 40(12): 26-35.

LI Songjing, FAN Xiangyang, CUI Erping, et al. Effects of Dripping Rate with Reclaimed Water on Typical Microbial Community Structure in the Root Zone Soil of Tomato[J]. Journal of Irrigation and Drainage, 2021, 40(12): 26-35.

2021-02-26

国家自然科学基金项目（51479201）；“十三五”国家重点研发计划项目（2017YFC0403503）；中央级公益性科研院所基本科研业务费专项（FIRI202003-01）；河南省科技攻关项目（192102110094）

李松旌（1996-），男。硕士研究生，研究方向为农业水资源安全高效利用。E-mail: 627888123@qq.com

樊向阳（1974-），男。研究员，主要从事农业水资源与水环境方面的研究。E-mail: fxy0504@126.com

责任编辑：陆红飞