加气灌溉改善干旱区葡萄根际土壤化学特性及细菌群落结构

赵丰云，杨 湘，董明明，蒋 宇，于 坤，郁松林



加气灌溉改善干旱区葡萄根际土壤化学特性及细菌群落结构

赵丰云，杨 湘，董明明，蒋 宇，于 坤※，郁松林

（石河子大学农学院/特色果蔬栽培生理与种质资源利用兵团重点实验室，石河子 832003）

为探讨地下穴贮滴灌条件下根际注气对干旱区葡萄根际土壤化学性质、细菌多样性及群落结构影响。该研究以3a箱栽‘红地球’葡萄为试验材料，以自行设计的地下穴贮滴灌“水肥气”一体化设备作为注气装置，16S高通量基因组测序作为研究土壤细菌多样性及群落结构的关键技术手段。结果表明地下穴贮滴灌根际注气可有效提高土壤pH值，显著增加土壤速效磷（40～50 cm除外）和速效钾含量，促进土层深度20～30 cm土壤有机质分解；对氮磷钾相关菌属的分析表明，根际注气可促进与硝化作用相关的亚硝化螺菌属，磷钾代谢相关的假单胞菌属、芽孢杆菌属，抑制与反硝化相关的罗尔斯通菌属，表明加气灌溉能促进植株对氮磷钾的吸收与能提高硝化作用、解磷解钾相关菌群数量有关。chao1、shannon指数分析表明地下穴贮滴灌根际注气可有效改变细菌群落丰度，但对细菌群落多样性影响较小；对于细菌门，注气处理增加了放线菌门和硝化螺旋菌门的丰度，其中在40～50 cm土层注气处理放线菌门和硝化螺旋菌门分别比未注气高16.7%与22.7%，达到极显著水平；典型相关分析及相关分析表明，地下穴贮滴灌注气条件下土壤pH值、速效磷和硝酸盐含量是影响细菌群落结构的重要指标。该研究结果可为干旱区地下穴贮滴灌条件下科学合理注气提供理论依据。

土壤；细菌；灌溉；地下穴贮滴灌；注气；化学性质

0 引 言

在传统农业灌溉中植物根部吸水与呼吸是相对矛盾的，当满足水分条件时，有氧呼吸则不能充分进行；当根际呼吸充分时，则水分条件不能满足。在地下滴灌的基础上结合注气，既保证了植物对水分的需要，又能有效防止植物根区缺氧。Benjamin等[1]研究发现增加根部O2含量会促进根系对水分和养分的吸收。Heuberger等[2]和Brzezinska等[3]认为根际通气能够提高植株根系的有氧呼吸，增强根区土壤酶活性，提高根系的水肥吸收效率，利于作物生长发育，从而提高产量。

由于地下滴灌可在不增加较多成本的情况下实现根际注气，目前成为耕作模式改革的研究方向之一。但相关研究较多集中在注气对植株生长、产量和水分利用效率的提高方面[4-5]，对地下滴灌加气灌溉对土壤微生物多样性及群落结构的影响研究比较少。土壤微生物是土壤生态环境中的一个关键因素，土壤微生物的群落结构和多样性对保持土壤系统健康具有重要作用[6-7]，土壤微生物能够促进土壤有机质分解和养分循环，直接关系到土壤养分的有效性[8]。因此开展根际注气对土壤微生物群落结构的影响对验证根际注气的有效性及可持续性具有一定的理论价值和实践意义。

地下穴贮滴灌“水肥气”一体化技术是根据干旱区林果生产实际需求，为有效解决地表滴灌导致的根系上浮及传统地下滴灌根区浸润范围小，对果树等多年生作物不适用等问题，将滴灌技术与“穴贮肥水技术”有机结合而开发出的一项新的节水滴灌方法[9-10]。前期研究表明该技术在促进根系下扎、节水、提高果实产量等方面具有一定优势，但关于地下穴贮滴灌根际注气对干旱区葡萄土壤化学性质及细菌群落结构影响的研究还未见报道。

本研究中，我们以3 a‘红地球’葡萄为研究试材，通过温室箱栽试验探讨地下穴贮滴灌根际注气对土壤环境及土壤细菌群落结构的影响，以为地下穴贮滴灌条件下科学合理注气及进一步优化改进提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与设计

试验于2016年4－10月在新疆石河子市石河子大学农学院试验站（44°26′N，85°95′E）日光温室中进行，试验过程中最低气温和最高气温分别是17 ～33 ℃，温室空气相对湿度保持60%～80%。

试验采用箱栽法，设置注气和对照（CK）2个处理，供试葡萄品种为红地球葡萄。试验用长、宽均为35 cm，高为60 cm的硬质PVC箱做栽培箱（图1）。定植前将组装好的栽培箱排放于深60 cm的方形土坑中，箱子间距20 cm，9个为一小区，共3小区。土壤取自石河子大学农学院试验站葡萄园0～20 cm的表层土，土壤为灰漠土，土质为粘质土壤，过孔径为0.425 mm网筛。箱土pH值是6.56，含有机质13.61 g/kg，全氮1.22 g/kg，铵态氮2.63 mg/kg，硝态氮2.01 mg/kg，速效磷43.6 mg/kg，速效钾305 mg/kg，土壤容重1.40 g/cm3。于2016年5月6日将粗细均匀，长势一致的3 a生‘红地球’葡萄扦插苗定植于栽培箱中央，采用地下穴贮滴灌进行灌水，各株间灌水量相同，定植一个月后进行注气处理。注气采用自主设计的水肥气一体化注气设备（图2），通过太阳能板发电提供电能，用空气压缩机进行注气处理，压力为0.04 MPa，60 L/min，注气量根据公式=0.001(1−ρ/ρ)[11]，其中为每次加气量，L；为PVC箱表面积，cm2；为PVC箱高度，60 cm；ρ为土壤容重，1.40 g/cm3；ρ为土壤密度，2.65 g/cm3；为注气箱数量（15），计算出单次最低注气量为520.3 L。考虑到地下穴贮滴灌气体的逸散效应及预试验结果，最终将注气统一设置为一天一次，早上9时—9时20分（北京时间），每次注气时间持续20 min。地下穴贮滴灌注气小桶为直径5 cm、高10 cm的PVC管，PVC管上部密封只有进气孔，下部不密封，管上均匀分布直径0.3 cm的微孔，注气小桶与植株距离5 cm，埋深25 cm，主管与支管间加开关控制注气。

1.水泵 2.主管 3.过滤器 4.光伏注气系统 5.水表 6.开关 7.地下穴贮滴灌支管

①贮气箱 ②气体压力平衡箱 ③电池调控箱 ④底板 ⑤太阳能电池板

1.2 试验取样

土壤取样于地下穴贮滴灌注气处理90 d后进行。修枝剪掉葡萄地上部，采用根钻法取样。每栽培箱以注气小桶为中心，水平距离桶中心5 cm处均匀取4个点，分别在0～10、20～30、40～50 cm处取100 g土样，同一层4个取样位置混合均匀为一个栽培箱的土样，重复5次。所取土样立即过2 mm的网筛并混合均匀，储存于−80 ℃冰箱中待进行16 S高通量基因组测序取样，剩余土样进行土壤化学性质测定。

1.3 测定指标及方法

参照Shen等[12]的方法测定土壤化学性质。土壤pH值测定使用1:5土/水法；土壤有机质 （OM）是通过水合重铬酸钾氧化比色法；氨态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）用2 M氯化钾提取，用全自动流动分析仪测定（德国）；速效钾采用NH4OAC 浸提-火焰光度计法；速效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法；硝化强度采用李奕林等[13]改进Berg和Rosswall的方法测定。

1.4 土壤DNA提取和测序

采用SDS方法对样本的基因组DNA进行提取，利用琼脂糖凝胶电泳检测DNA的纯度和浓度，在离心管中使用无菌水稀释适量样品至1 ng/L。利用引物515F(GTGCCAGCMGCCGCGGTAA)与806R (GGACTA CHVGGGTWTCTAAT)扩增其V4区基因片段。为确保扩增效率和准确性，使用高效和高保真的酶进行PCR。PCR反应体系（30L）：Phusion Master Mix15L，Primer 3L，DNA模板量10L（5～10 ng）。反应程序：98 ℃预变性1 min；30个循环包括（98 ℃，10 s；50 ℃，30 s；72 ℃，30 s）72 ℃，5 min。之后进行PCR产物的混样和纯化，纯化后进行文库的构建和上机测序。

1.5 生物信息分析及数据处理

根据Barcode序列和PCR扩增引物序列从下机数据中拆分出各样品数据，截取Barcode和引物的序列使用FLASH[14]对每个样品的序列进行拼接，得到高质量的原始数据。高质量序列数据参照QIIME[15]进行质量控制流程，进一步去除嵌合体序列，得到最终的有效数据。利用UPARSE软件将最终的有效序列进行聚类，默认以97%序列相似度对序列聚类获得OTUs（Operational taxonomic units 操作分类单元）；以Greengenes数据库[16]为参考，进行OTUs（Operational taxonomic units）聚类和物种分类分析，结合环境因素进行CCA分析、多样性指数及相关性分析，得到显著影响组间群落变化的环境因子。

1.6 数据分析

利用Excel 2007和SPSS19.0数据进行数据统计分析，Pearson系数分析土壤因子和土壤细菌多样性指数的相关性，显著性水平设定为=0.05，SigmaPlot 12.0软件作图。

2 结果与分析

2.1 地下穴贮滴灌根际注气对根际土壤不同土层化学性质的影响

由表1可知，土壤pH值、硝化强度、硝态氮、铵态氮、速效磷、钾含量随土壤深度增加的变化趋势并不一致，其中最为明显的差异为pH值在土层深度20～30 cm最高，但与土层深度0～10 cm的差异不显著；注气处理有机质含量在土层深度20～30 cm最低，与0~10、40~50cm处差异显著（<0.05）。在同一土层，地下穴贮滴灌根际注气处理的土壤速效磷、速效钾含量及土壤pH值均高于未注气处理，但土壤有机质含量低于未注气处理（40～50 cm除外）。在土层深度20～30、40～50 cm处注气处理的土壤硝态氮含量显著低于未注气处理（<0.05），而速效钾含量显著高于未注气处理（<0.05）。此外由表1可知注气处理增加了各土层土壤的硝化强度，但处理与对照间差异不显著（>0.05）。

表1 注气处理对土壤化学指标的影响

注：注气处理：Ta, Tb, Tc分别代表土层深度0～10、20～30、40～50 cm; 对照处理：CKa、CKb、CKc分别代表土层深度0～10、20～30、40～50 cm；同一列不同字母表示差异显著（<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　地下穴贮滴灌根际注气对土壤细菌群落的影响

高通量测序结果显示所有样品一共获得1357535条有效序列，其中最少序列为45551条，最多序列为85594条（平均序列条数是75418条）。这些序列的99.61%可以分类到不同的细菌门类，0.39%与数据库比对分类到古菌门类。由图3可看出2种处理土壤细菌优势门类为变形菌门（）（41.22%），酸杆菌门（）（14.77%）、芽单胞菌门（）（9.35%）、放线菌门（）（5.77%），绿弯菌（）（5.49%），它们的平均相对丰度大于5%，占总序列的76.6%；拟杆菌门（）、浮霉菌门（）、疣微菌门（）、硝化螺旋菌门（）、厚壁菌门（）平均相对丰度大于1%，但低于5%。

注：数字表示的10个最丰富的门：1.变形菌门 2.酸杆菌 3.芽单胞菌门 4.放线菌 5.绿弯菌 6.拟杆菌门 7.浮霉状菌 8.疣微菌门 9.硝化螺旋菌 10.硬壁菌门 11.其他细菌

2.3 地下穴贮滴灌根际注气对不同土层深度细菌多样性的影响

细菌群落多样性指标chao1指数分析表明，注气处理细菌丰度随土壤深度增加而增加，未注气处理细菌丰度呈先升高后下降的趋势，各土层chao1指数显著不同表明土壤深度显著影响了土壤细菌群落的丰度（<0.05）。由图4a可看出，同一土壤深度注气处理和未注气处理的细菌chao1指数亦有显著差异（<0.05），其中在土层深度0～10、20～30 cm处，细菌丰富度显著低于未注气处理（<0.05），而在土层深度40～50 cm注气处理细菌丰度比未注气处理高9.82%，差异显著（<0.05），表明除土壤深度外，地下穴贮滴灌根际注气处理亦是显著影响细菌丰度的关键因素。Shannon指数表明，注气处理和不同土层间土壤细菌的多样性差异均不显著（>0.05），说明注气处理和不同土壤深度对土壤细菌群落多样性无显著影响（图4b）。

注：不同大写字母表示同一处理不同深度的差异显著，不同小写字母表示同一深度不同处理的差异显著。

2.4 地下穴贮滴灌根际注气对细菌门水平上的影响

通过对相对丰度大于1%的细菌门类分析表明，在细菌门水平上注气处理对土壤中的放线菌、浮霉菌、硝化螺旋菌的影响较显著（图5）。进一步分析发现注气处理下土壤中放线菌门的相对丰度在各土层显著高于未处理（<0.05），在40～50 cm土层注气处理放线菌门和硝化螺旋菌门分别比未注气高16.7%与22.7%，达到极显著水平（<0.01）；而浮霉菌门的相对丰度显著低于对照处理（<0.05）；硝化螺旋菌门在20～30 cm土层极注气处理显著高于对照（<0.01），而在40～50 cm土层极显著低于对照（<0.01）。3种细菌门在20～30 cm土层均达到差异极显著水平（<0.01）（表2）。

图5　土壤细菌优势门类的相对丰度

表2 地下穴贮滴灌根际注气处理影响较大的3种菌门相对丰度

注：不同小写字母表示同一深度不同处理在5%水平存在显著差异（<0.05），不同大写字母表示同一深度不同处理在1%水平上存在显著差异（<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 地下穴贮滴灌根际注气对氮磷钾代谢相关菌属影响

由表3可看出，与氮代谢相关的菌属，亚硝化螺菌属（）在土层深度0～10、20～30、40～50 cm注气处理比未注气处理分别高18.75%、13.04%、16.67%，差异显著（<0.05）；罗尔斯通菌属（）则在土层深度0～10、20～30、40～50 cm注气处理均显著低于未注气处理（<0.05）。与磷、钾代谢相关的菌属，注气处理的假单胞菌属（）、芽孢杆菌属（）在土层深度20～30、40～50 cm均高于未注气处理，差异显著（<0.05）；节细菌属（）在土层深度0～10注气处理显著高于未注气处理（<0.05），而在土层深度20～30、40～50 cm注气处理分别比未注气处理低31.42%、31.67%，差异显著（<0.05）。

2.6 土壤化学性质与土壤细菌群落结构及微生物群落功能多样性相关分析

典型相关分析(canonical correlation analysis, CCA)二维排序图可以直观地给出研究对象与环境变量之间的关系，环境因子与排序轴的相关性由排序轴与箭头连线夹角表示，夹角越小表明关系越密切，而箭头连线的长短表示环境因子与研究对象相关程度的大小，连线越长，相关性越大；反之越小。从图6可知CCA分析排序结果可信，分析出在地下穴贮滴灌注气条件下土壤pH值、NO3--N和速效磷与土壤细菌群落结构密切相关。

表3 地下穴贮滴灌根际注气处理对氮磷钾代谢相关菌属影响

图6 土壤细菌群落结构与化学性质的CCA分析

土壤化学性质与微生物群落多样性的相关性分析表明（表4），注气90 d后土壤细菌群落功能多样性各指标与土壤pH值、有机质、铵态氮、硝态氮之间负相关，与土壤硝化强度、速效磷正相关。其中Shannon指数与速效磷和速效钾之间显著相关（<0.05），与pH值极显著相关（<0.01）；chao1指数与速效磷和硝态氮均显著相关（<0.05）。由此可见，pH值、速效磷、硝态氮和速效钾与土壤微生物群落功能多样性密切相关，是造成不同土层土壤细菌群落多样性差异的原因。

表4 土壤化学性质与微生物群落多样性相关性分析

注：*在0.05 水平上显著相关，**在0.01 水平上显著相关。

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

3 讨 论

3.1 地下穴贮滴灌根际注气对葡萄根际土壤化学性质的影响

土壤pH值、氮、磷、钾等是反映土壤长期肥力水平的重要指标[17]。土壤pH值过高或过低，都会影响植物所需养分元素的生物有效性，从而引起营养元素吸收失调[18-19]。孙波等[20]认为pH值的增大会增加有机质的可溶性。本研究发现在各土层根际注气土壤pH值均高于未注气处理，而有机质含量注气处理在土层深度0～10、20～30 cm处低于未注气处理，表明地下穴贮滴灌根际注气可在一定程度上提高根区土壤pH值，保证土壤根区良好的化学性质，加速土层中部有机质的分解，为细菌生长提供大量的碳、氮基质。

参与氮素循环的硝化作用、反硝化作用是土壤氮素循环的推动者，在氮素循环中发挥重要作用[21]。由氨氧化细菌催化的氨氧化反应是硝化作用的限速步骤[22]。本次试验发现的亚硝化螺菌属属于氨氧化细菌的一种，罗尔斯通菌属属于反硝化作用菌，本研究中注气处理能够显著增加亚硝化螺菌属，抑制罗尔斯通菌属（表3），土壤氨态氮在土层20～30 cm处注气处理显著低于未注气处理，表明通过根际注气能够提高土壤中氨氧化细菌数量，增强土壤的硝化作用，加快土壤氨态氮向硝态氮转化。土壤硝态氮含量在土层深度20～30，40～50 cm处注气处理低于未注气处理，可能是由于注气在提高土壤硝化作用的同时，同时促进了葡萄根系对硝态氮的吸收有关，此方面尚需进一步研究。

Bhattarai等[23]研究发现加气灌溉可有效促进植株叶片磷、钾的吸收。钾是响应氧环境最敏感的元素之一，一旦根系缺氧，钾含量先降低[24]。磷施入土壤大部分以难溶态形式在土壤中积累，影响植物的吸收利用[25]。本研究中根际注气显著提高了土层深度20～30、40～50 cm与磷有关的假单胞菌属，与钾有关的芽孢杆菌属的菌群数量，而对土壤化学指标分析表明，土层深度20～30，40～50 cm土壤速效磷、钾含量注气处理高于未注气处理。表明注气处理可通过促进解磷细菌和解钾细菌菌群数量的生长，从而提高土壤磷、钾素的有效性，促进植株对磷、钾的吸收。暗示加气灌溉能促进植株对磷、钾的吸收可能与根际注气能提高解磷、解钾菌群数量，促进土壤中磷、钾元素的分解活化有关。

地下滴灌装置的埋深不同，会导致不同土层土壤中气体分布的不同[26]。对不同土层土壤化学性质分析表明，注气处理的土壤速效钾含量在土层深度20～30 cm最高，而有机质含量在土层深度20～30 cm最低，表明地下穴贮滴灌根际注气改变了不同土层深度的营养结构状况，加速中部土层有机质的分解，促进土壤速效磷、钾活化，提高根系在土层深度20～30 cm的营养吸收效率。同时表明在0～50 cm土层中，地下穴贮滴灌注气处理对土层深度20～30 cm土壤化学指标的影响最为显著。

3.2 地下穴贮滴灌根际注气对葡萄根际土壤细菌群落结构的影响

近年来，高通量测序16S技术被广泛应用于研究微生物的结构与多样性[27-28]，这些技术比传统方法能够更详细描述微生物结构与组成，被证明是在微生物生态学研究非常有效的技术手段。研究表明[29]，随着土层的加深，微生物数量呈下降趋势。董立国等[30]认为这种趋势主要与土壤养分含量变化等因子有关。在本研究通过高通量测序技术探讨了土壤细菌群落对注气处理的响应，结果显示在土层深度0～10、20～30 cm处细菌丰度注气处理显著低于对照，而在土层深度40～50 cm注气处理细菌丰度显著高于未注气处理。可推测出本试验的注气频率及强度显著影响了深层土壤细菌的群落丰度及结构，改善了深层土壤的通气状况，使细菌生长的环境得到改善。

土壤细菌是土壤微生物的重要组成部分，绝大多数土壤优势细菌种类基本相同，主要包括10个左右的细菌类群[31]，变形菌、放线菌、芽单胞菌门、酸杆菌、浮霉状菌在所有样本的细菌类群中是5个最丰富的类群，这一发现与以前的研究结果一致[32]。同时可看出与对照相比，地下穴贮滴灌根际注气处理下同一土层的土壤放线菌门和硝化螺旋菌门的相对丰度增加，而浮霉状菌门丰度降低。这可能是由于硝化螺旋菌门、放线菌门细菌种类绝大部分为好氧菌，地下穴贮滴灌根际注气处理改变了土壤通气状况，促进好氧细菌的活动和繁殖。同时表明在土层深度0～10、20～30 cm处细菌丰度注气处理低于未注气处理可能与注气处理土壤中厌氧细菌的减少有关。浮霉状菌门细菌部分属于好氧菌也有部分属于厌氧菌，加气后显著下降可能是由于菌群内部结构相互调整的结果，由于土壤细菌结构的复杂性，具体原因尚需进一步研究。

细菌是土壤中多样性最丰富的微生物类群，其群落特征对土壤养分、pH值等外界条件变化敏感，能够及时地反映土壤质量的变化[33]。秦杰等[34]对长期施肥黑土条件下研究表明pH值是影响土壤细菌和古菌群落结构的主效环境因子，而大豆连作条件下施肥对东北黑土细菌群落的研究表明[35]土壤全氮是主要影响元素。本研究结果显示在地下穴贮滴灌根际注气条件下，除注气外，pH值、速效磷和硝酸盐的浓度也是影响细菌群落结构与多样性的关键环境参数之一，是造成不同土层土壤细菌群落多样性差异的原因之一。

4 结 论

1）地下穴贮滴灌根际注气可提高土壤pH值、速效磷、速效钾含量，加速土层中部有机质的分解。其中速效磷在土层深度0～10、20～30 cm处注气处理显著高于未注气处理（<0.05），速效钾在各土层深度处均显著高于未注气处理（<0.05）。对氮磷钾相关菌属的分析表明，根际注气可促进与硝化作用相关的亚硝化螺菌属，磷、钾代谢相关的假单胞菌属、芽孢杆菌，抑制与反硝化相关的罗尔斯通菌属，表明加气灌溉促进植株对氮、磷、钾的吸收与根际注气能提高硝化作用、解磷、解钾相关菌群数量有关。

2）地下穴贮滴灌条件下根际注气能够有效增加深层土壤的细菌丰度，对细菌多样性影响不大；促进硝化螺旋菌等好氧菌的生长，抑制厌氧菌浮门状菌的生长。本研究表明注气处理增加了放线菌门和硝化螺旋菌门的丰度，其中在40～50 cm土层注气处理放线菌门和硝化螺旋菌门分别比未注气高16.7%与22.7%，达到极显著水平。典型相关分析及相关分析表明，除注气外，pH值、速效磷和硝酸盐的浓度也是影响细菌群落结构与多样性的关键环境参数。

3）地下穴贮滴灌可在不增加较多生产成本的情况下实现根际注气，以上耕作措施的改进对改善土壤通气质量，改善土壤化学性质，优化土壤微生物群落结构，提高肥料利用效率有一定作用，具有一定的应用推广前景。但对地下穴贮滴灌条件下根际注气的频率及强度等尚需进一步优化。

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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

国家自然科学基金地区项目（31360464，31760550）和石河子大学高层次人才项目（RCZX201423）

赵丰云，博士，主要从事果树节水灌溉技术及生理生态研究。Email：zhaofengyunag@163.com

于坤，博士，副教授，主要从事果树生理生态及分子机制研究。Email：yukun409@163.com