在酸性红土中，氢氧化钙与ARC微生物接种剂对花生中生长期根际微生物群及土壤化学性质的协同调控作用

《Rhizosphere》：Synergistic regulation of calcium hydroxide and ARC microbial inoculant on rhizosphere microbiota and soil chemical properties during peanut middle growth stages in acidic red soils

　　酸性红壤改良及花生增产机制研究：钙氢氧化合物与ARC微生物接种剂协同作用表明，钙处理通过中和土壤酸性和补充钙离子增强细菌多样性及养分循环相关菌群（如Sphingomonas），提升土壤有机质和矿质氮含量，显著提高单株总果重（较对照增加45.18%）。ARC接种剂通过促进磷钾活化菌群（如Paraglomus）富集，增强可溶性磷钾供应，并抑制病原菌Aspergillus flavus，使单株有效果数增加57.14%。协同应用（Ca50A4）较单一处理更具增效性，揭示化学改良与微生物调控的协同机制，为南方红壤区花生绿色生产提供理论依据。

　　
本研究聚焦于中国南方酸性红壤的改良与花生增产机制，通过化学与微生物协同调控策略，揭示了土壤理化性质、根际微生物群落结构与花生产量之间的多维关联。实验采用盆栽试验设计，将氢氧化钙（Ca(OH)?）与复合微生物接种剂（ARC）以不同剂量组合应用于酸性红壤，系统评估了其对花生中生长阶段（开花下针期至结荚期）土壤质量、微生物群落及产量指标的影响。

### 一、研究背景与核心问题
中国南方酸性红壤因频繁降雨导致H?积累，土壤pH长期处于5.0以下，同时存在钙、磷、钾有效性不足等问题。这种土壤环境抑制了根际微生物活性，导致作物养分吸收受限。花生作为该区域重要经济作物，其产量受土壤pH、钙含量及微生物群落功能特性共同影响。本研究旨在通过化学与生物调控的协同作用，探索酸性红壤改良与花生增产的协同机制。

### 二、实验设计与关键发现
#### 1. 添加剂应用策略
采用双因素交叉设计，设置氢氧化钙（0和750 kg/ha）与ARC接种剂（0、30和60 kg/ha）共6种处理组合：
- **Ca0A0（CK）**：未添加任何改良剂
- **Ca50A0**：仅添加750 kg/ha氢氧化钙
- **Ca50A4**：添加750 kg/ha氢氧化钙+60 kg/ha ARC
- 其他处理组合依此类推

#### 2. 土壤理化性质改良
- **pH与交换性钙（Ex-Ca）**：氢氧化钙显著提升土壤pH（最高增加22%）和Ex-Ca含量（最高增加56%），其释放的Ca2?通过竞争吸附位点，减少Al3?、Fe3?对养分的固定作用。
- **碳氮循环指标**：氢氧化钙单独应用使土壤有机质（OM）和易溶性氮（HN）分别提升15.8%和24.2%，而ARC接种剂通过增强功能菌代谢活性，使HN含量额外提升5.3%-14.8%。
- **磷钾有效性**：氢氧化钙通过pH调节促进磷钾活化（AP和AK分别提升3.7%-39.9%），而ARC接种剂富集解磷菌（Paraglomus）和解钾菌（如Bacillus mucilaginosus），使AP和AK分别增加19.7%和44.4%。

#### 3. 根际微生物群落结构
- **细菌多样性**：氢氧化钙显著提高细菌α多样性（物种丰富度Sobs增加10.2%-28.7%，均匀度Shannon指数提升6.1%-7.2%），主要富集与有机碳分解（如Sphingomonas）和氮循环相关的 Acidobacteriota。
- **真菌动态**：氢氧化钙通过降低pH间接抑制病原真菌（如Fusarium）增殖，同时ARC接种剂富集解钾真菌（如Clonostachys），其组合处理使Ascomycota（致病真菌）丰度下降33.1%-46.2%。
- **功能菌群定向调控**：Ca50A4处理中，固氮菌（Rhizobium etli）丰度达170.6%，显著高于单独处理；解磷菌（Paraglomus）丰度提升14.8%，形成“化学稳定环境+生物定向调控”的协同效应。

#### 4. 花生产量提升机制
- **单因素效应**：
- 氢氧化钙：主要促进单株荚果数（提升16%-21%）和百果重（增加5.9%-17.1%），通过增强钙有效性支持细胞壁合成。
- ARC接种剂：显著提高单株有效荚果数（增幅14.4%-35.4%），通过分泌有机酸活化磷钾，但单独应用时土壤pH调节能力较弱。
- **协同效应**：
- Ca50A4处理实现多项指标峰值：总荚果数（CK的157.1%）、总荚果重（CK的145.2%）、百果重（CK的105.9%），较单一处理增产幅度达45.2%-77.4%。
- 机制解析：氢氧化钙提供化学屏障（pH>5.5时微生物活性提升30%以上），同时释放的Ca2?促进ARC中解钾菌（B. mucilaginosus）分泌磷酸酶，形成“钙-微生物”正反馈循环。

### 三、创新性发现与理论突破
1. **双模调控机制**：
- 化学生调控：氢氧化钙通过中和H?（反应式：Ca(OH)? + 2H? → Ca2? + 2H?O）直接改变土壤离子平衡，其效应在酸性红壤中可维持6-8周。
- 生物调控：ARC接种剂包含4种功能菌株，形成“病原抑制（B. amyloliquefaciens）-固氮（E. ludwigii）-解磷（B. mucilaginosus）-解钾（B. laterosporus）”协同网络，其中B. mucilaginosus产生的有机酸（如柠檬酸）可提升土壤有效磷15%-20%。

2. **时空动态耦合**：
- **开花下针期（FPS）**：氢氧化钙主导作用，pH从5.27升至5.80，促进根际酸耐性菌（如Acidobacteriota）增殖，此时ARC接种剂通过分泌琥珀酸（浓度达8.7 mM）激活土壤酶活性。
- **结荚期（PSS）**：微生物调控效应凸显，ARC中E. ludwigii的固氮酶活性达2.3 μg/g/h，使根区NH??浓度提升42.7%，配合氢氧化钙释放的Ca2?（浓度>0.8 mM），形成“氮-钙协同”效应，促进荚果细胞分裂。

3. **微生物-土壤互馈网络**：
- **Sphingomonas**与**Paraglomus**形成功能互补：前者负责降解根系分泌的纤维素（周转速率加快2.1倍），后者通过菌丝网络将活化磷从土壤矿物相（如FeAlPO?）转移至植物可吸收形态。
- **负向调控网络**：Fusarium与Usitatibacter呈现强负相关（r=-0.716），说明氢氧化钙（降低pH至5.2）和ARC（抑制镰刀菌孢子萌发率78.2%）共同破坏病原菌的生态位。

### 四、应用价值与推广建议
1. **最佳技术组合**：Ca50A4（750 kg/ha氢氧化钙+60 kg/ha ARC）在酸性红壤中综合效益最优，较CK增产总荚果数57.1%，总荚果重45.2%，且土壤pH稳定在5.5-5.8（适宜花生生长的pH范围）。
2. **精准施用策略**：
- **pH>5.5时**：优先添加氢氧化钙（推荐用量600-900 kg/ha），配合低剂量ARC（30 kg/ha）以维持微生物多样性。
- **pH<5.2时**：采用高剂量ARC（60 kg/ha）并辅以氢氧化钙（750 kg/ha），通过“化学缓冲+生物活化”组合实现快速pH提升（7天内pH上升0.8单位）。
3. **环境效益**：每公顷施用Ca50A4组合可减少硫石膏（CaSO?）用量35%，同时降低Aspergillus flavus毒素产量（降幅达62.3%），符合绿色农业要求。

### 五、研究局限与未来方向
1. **模型验证不足**：目前仅验证单一地点（湖南作物所试验站）的适用性，需开展多区域田间试验（如江西赣州、广西玉林）验证技术稳定性。
2. **分子机制待深入**：建议利用宏基因组测序解析ARC中B. mucilaginosus分泌的有机酸（如柠檬酸、苹果酸）具体作用靶点，结合钙转运蛋白基因（如CAX1）表达数据分析钙-微生物互作机制。
3. **长期效应评估**：现有数据仅覆盖花生生长期（120天），需追踪土壤微生物群落的周年动态变化，特别是冬季低温（<10℃）对ARC存活率的影响。

本研究通过多组学整合（16S rRNA测序+代谢组学）首次揭示酸性红壤中“pH-Ex-Ca-微生物功能群-养分循环”的级联调控机制，为制定“化学改良+微生物接种”精准技术路线提供了理论依据。其创新点在于：①建立氢氧化钙与微生物接种的剂量-效应关系模型（钙添加量与ARC有效活性的二次函数关系）；②发现ARC接种剂中B. mucilaginosus通过分泌漆酶（laccase）分解土壤有机质，使磷有效性提升达38.7%；③证实“pH缓冲层（氢氧化钙）+功能菌群渗透层（ARC）”的协同结构可维持6-8周，有效规避单一处理导致的土壤团聚体崩解问题。

该成果已在中国南方7个县市进行中试，显示较传统石灰施用（单一处理增产23.5%）额外提升18.7%的荚果数，且土壤EC值（0-20 cm层）从1.2 dS/m稳定提升至2.8 dS/m，有效抑制了因pH过低导致的铝毒害（根系铝含量从28.6 mg/kg降至9.4 mg/kg）。建议在江西、湖南、广西等花生主产区推广该技术，配合精准灌溉（保持土壤含水量55%-65%）可实现荚果数与百果重的同步提升（增幅均超40%）。