夏季種植甜玉米及秸稈還田對(duì)設(shè)施番茄土壤微生物區(qū)系的影響

趙小翠 劉朋朋 王 倩 王敬國 陳 清*

（1中國農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，北京 100193；2中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193）

常年連作栽培引起的設(shè)施番茄土壤生物學(xué)障礙和高投入普遍引起的土壤化學(xué)性質(zhì)改變，導(dǎo)致土壤微生物多樣性降低，土壤質(zhì)量下降，嚴(yán)重影響蔬菜根系生長及對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，限制設(shè)施番茄可持續(xù)發(fā)展（蔡桂榮和孫愛武，2007；Duong & Marschner，2009；王敬國 等，2011）。目前多數(shù)研究者認(rèn)為，土壤微生物變化導(dǎo)致的土壤微生態(tài)系統(tǒng)失衡是土壤質(zhì)量下降的主要原因之一，是預(yù)測土壤質(zhì)量變化的敏感指標(biāo)（阮維斌 等，1999；Harris，2003；王敬國 等，2011）。Buyer等（2010）研究認(rèn)為，農(nóng)業(yè)管理措施對(duì)土壤微生物的調(diào)節(jié)效果要比簡單的環(huán)境因素效果好，填閑作物根茬及根系分泌物不僅為微生物提供豐富的碳源，而且可通過刺激下茬作物根系分泌物和凋落物分解，間接影響土壤微生物多樣性（朱麗霞 等，2003）。張雪艷等（2009）在一年兩季設(shè)施黃瓜研究中發(fā)現(xiàn)，夏季種植填閑作物青蒜或普通白菜（小白菜）均明顯增加土壤微生物量碳和微生物量氮含量。李元等（2008）研究夏季填閑作物對(duì)微生物特性的影響也得到相似結(jié)果。秸稈還田不僅可以增加土壤有機(jī)碳含量和 C/N比，而且還可以改善土壤物理性狀，通過促進(jìn)植物生長刺激根系分泌與凋落物分解，間接影響微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性（Kanchikerimath& Singh，2001；呂衛(wèi)光 等，2006；劉娟 等，2011）。

本試驗(yàn)以連作現(xiàn)象較普遍的設(shè)施番茄（Lycopersicon esculentumMill.）為研究對(duì)象，依據(jù)我國北方設(shè)施果菜種植體系，利用夏季2～3個(gè)月的休閑期種植填閑玉米并在下茬將其殘茬還田，通過填閑輪作及秸稈還田技術(shù)增加土壤碳源輸入，以期改善土壤微生物區(qū)系，為減緩連作障礙、促進(jìn)連作土壤修復(fù)的應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2010年2月～2011年2月在北京市昌平區(qū)金六環(huán)農(nóng)業(yè)園加溫溫室（N 40°10′56.36 ″，E 116°15′52.52 ″）內(nèi)進(jìn)行，供試溫室長50 m，跨度8 m，實(shí)際的種植面積為（45×5.0）m2。蔬菜種植方式為一年兩茬，即2～6月為冬春茬番茄，9月～翌年1月為秋冬茬番茄，6月底～9月初進(jìn)行夏季休閑/填閑處理。

供試溫室土壤為砂壤土，試驗(yàn)前耕層（0～30 cm）土壤容重為1 300 kg·m-3，有機(jī)質(zhì)含量28.2 g·kg-1，全氮 1.61 g·kg-1，有效磷 134 mg·kg-1，速效鉀 210 mg·kg-1，pH 值 6.41。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

供試番茄品種為仙客6號(hào)，每667 m2栽培2 467株；甜玉米品種為天紫22號(hào)，每667 m2栽培3 707株。

試驗(yàn)在 2008～2010年設(shè)施番茄水肥管理及填閑試驗(yàn)（姜春光，2009；趙小翠 等，2010）的基礎(chǔ)上，選用膜下滴灌裂區(qū)優(yōu)化施肥進(jìn)行2個(gè)處理，即填閑處理和休閑處理，3次重復(fù)。

休閑處理：栽培方式為冬春茬番茄—夏季休閑—秋冬茬番茄，兩茬番茄灌溉方式都采用膜下滴灌，灌溉量依據(jù)設(shè)施番茄冠層蒸發(fā)量進(jìn)行，即每次灌水量為上一次灌水至此次灌水前的冠層累積蒸發(fā)量；基肥施用均為1 333 kg·（667 m2）-1商品雞糞和49 kg·（667 m2）-1生物有機(jī)肥，追肥依據(jù)土壤養(yǎng)分含量和目標(biāo)產(chǎn)量，參照《中國主要作物施肥指南》進(jìn)行（張福鎖等，2009）。

填閑處理：栽培方式為冬春茬番茄—夏季甜玉米—秋冬茬番茄，其他管理措施與休閑處理相同，夏季種植甜玉米期間不進(jìn)行水肥管理，甜玉米收獲后將鮮莖葉粉碎成2～4 cm的小段還田。

秋冬茬番茄水肥及外源碳投入情況：休閑處理，氮肥（有機(jī)肥+化肥）17.7 kg·（667 m2）-1，P2O59.9 kg·（667 m2）-1，K2O 33.9 kg·（667 m2）-1，外源碳（有機(jī)肥）264 kg·（667 m2）-1；填閑處理，氮肥與休閑處理相同，外源碳在休閑處理的基礎(chǔ)上添加秸稈95.9 kg·（667 m2）-1。商品雞糞碳含量為19.8%，玉米秸稈碳含量為43.6%。兩處理灌水量均為93.4 m3·（667 m2）-1。

1.3 樣品采集與處理

土壤樣品采集：在秋冬茬番茄定植前、初花期、坐果期、盛果期和拉秧時(shí)，在溫室內(nèi)采集0～30 cm土層土樣，每個(gè)小區(qū)于處理行兩株番茄中間取4鉆，過2 mm篩混勻，十字法取30 g左右，充分冷凍24 h，放入冷凍干燥機(jī)冷凍干燥24 h（溫度-56 ℃，真空度1.0 Pa），冷凍結(jié)束后去除土樣密封，放入干燥器中保存待測。

1.4 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)測定方法

參照Frostegard等（1991）的方法并適當(dāng)改進(jìn)（李一丹，2009；郭中元，2010），應(yīng)用磷脂脂肪酸譜圖分析法測定土壤微生物各類PLFAs含量。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)整理采用Excel（2003）軟件，主成分分析采用Canoco for Windows（4.5）軟件，顯著性分析采用 SAS（6.0）軟件。試驗(yàn)數(shù)據(jù)取平均值，構(gòu)建以 PLFA生物標(biāo)記類群為樣本，以不同氮素管理方法為指標(biāo)的數(shù)據(jù)陣，應(yīng)用SPSS軟件進(jìn)行PLFA生物標(biāo)記數(shù)量結(jié)構(gòu)分析。PLFA生物標(biāo)記生態(tài)學(xué)參數(shù)分析參照馬克平（1994）的方法，計(jì)算 Shannon-Wienner多樣性指數(shù)（H）和Pielou均勻度（J）。

式中Pi=Ni/N，Ni為處理i的PLFA個(gè)數(shù)，N為該試驗(yàn)中總的PLFA個(gè)數(shù)。

式中S為微生物群落中PLFA生物標(biāo)記出現(xiàn)的頻次（S），即豐富度。

2 結(jié)果與分析

2.1 夏季填閑玉米并秸稈還田對(duì)設(shè)施番茄產(chǎn)量的影響

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，填閑處理夏季甜玉米產(chǎn)量為366.7 kg·（667 m2）-1，收獲后的甜玉米鮮莖葉粉碎成 2～4 cm的小段還田，秋冬茬還田的秸稈量為 1 980 kg·（667 m2）-1，折合干質(zhì)量 220 kg·（667 m2）-1。2010年秋冬季由于氣溫、病害等原因，在生產(chǎn)中番茄僅留3～4穗果，產(chǎn)量為1 828～2 989 kg·（667 m2）-1，填閑與休閑處理平均產(chǎn)量分別為2 478 kg·（667 m2）-1和2 488 kg·（667 m2）-1，二者之間無顯著差異，種植填閑玉米及秸稈還田沒有顯著增加番茄產(chǎn)量。

2.2 不同生育期土壤微生物總PLFAs含量的變化

各處理土壤微生物總 PLFAs含量表示該處理的微生物量，不同生育期各處理土壤微生物總 PLFAs含量測定結(jié)果如圖1所示。兩處理土壤微生物總 PLFAs含量在不同時(shí)期都呈現(xiàn)初花期和盛果期含量較高，其余時(shí)期稍低。對(duì)當(dāng)季設(shè)施環(huán)境分析發(fā)現(xiàn)，坐果期采樣前4 d溫度驟然下降（15 cm土層溫度下降 2～17℃），可能是導(dǎo)致坐果期土壤微生物總 PLFAs含量下降的主要原因。

各時(shí)期填閑處理土壤微生物總 PLFAs含量均高于休閑期，但僅在初花期二者差異顯著。表明夏季種植填閑玉米及秸稈還田對(duì)土壤微生物總PLFAs含量有增加的作用，且在番茄生長前期作用較顯著。

圖1 各生育期土壤微生物總PLFAs含量的變化

2.3 不同生育期土壤真菌與細(xì)菌PLFAs含量、相對(duì)含量及比值的變化

不同時(shí)期土壤細(xì)菌PLFAs含量變化趨勢與土壤微生物總PLFAs含量變化趨勢一致（圖2），細(xì)菌 PLFAs含量占總量的 72.1%～88.4%，細(xì)菌 PLFAs相對(duì)含量在坐果期前呈增長趨勢，然后下降，坐果期細(xì)菌PLFAs相對(duì)含量最高；土壤真菌PLFAs含量在坐果期前呈現(xiàn)下降的趨勢，然后增長，其相對(duì)含量變化趨勢與其含量變化相同，與細(xì)菌變化相反，細(xì)菌PLFAs含量對(duì)微生物總PLFAs含量的影響作用更大。各時(shí)期填閑處理細(xì)菌和真菌PLFAs含量也高于休閑處理，而且也僅在初花期差異顯著。

圖2 各生育期土壤細(xì)菌、真菌PLFAs含量及其相對(duì)含量的變化

F/B值變化趨勢與真菌PLFAs含量和相對(duì)含量變化趨勢一致，真菌PLFAs含量對(duì)F/B值的影響作用更大。不同時(shí)期填閑與休閑處理間F/B比值均無顯著差異。

2.4 不同生育期土壤微生物主成分分析

對(duì)不同時(shí)期各處理PLFAs進(jìn)行主成分分析（圖3），定植前填閑處理位于休閑處理左下側(cè)，在第 1主成分（PC1）和第 2主成分（PC2）上代表細(xì)菌的 12∶0、14∶0、15∶0、16∶0和代表真菌的 18：19c，及代表細(xì)菌的 14∶0、15∶0、16∶19、17∶0、20∶0和代表真菌的 18∶19c含量較高；初花期填閑處理位于休閑處理右上方，除代表細(xì)菌的16∶19、16∶0和20∶0以外的其他9種PLFAs，以及除16∶0以外的11種PLFAs含量較高；坐果期填閑處理位于休閑處理的下方，PC2中全部12種PLFAs含量較高，PC1上無變異；盛果期填閑處理位于休閑處理右側(cè)，PC1中除代表細(xì)菌的13∶0以外的11種PLFAs含量較高，PC2上無變異；拉秧后填閑處理與休閑處理在PC1和PC2上都比較接近，微生物群落結(jié)構(gòu)無較大變異。

不同時(shí)期填閑處理對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)在不同主成分上都有明顯的改變，尤其是初花期、坐果期和盛果期，填閑及秸稈還田都能改善設(shè)施番茄土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。

2.5 不同生育期土壤微生物多樣性指數(shù)和均勻度變化

Shannon-Wienner多樣性指數(shù)和Pielou均勻度可作為評(píng)價(jià)微生物群落PLFAs多樣性的指標(biāo)。由表1可見，填閑處理微生物多樣性指數(shù)在初花期稍有下降，后上升并處于相對(duì)穩(wěn)定的水平；休閑處理微生物多樣性指數(shù)在坐果期前持續(xù)下降，坐果期后上升；在盛果期和拉秧期兩處理微生物多樣性指數(shù)都趨于一個(gè)相對(duì)的穩(wěn)定水平。不同生育期各處理微生物Pielou均勻度變化與微生物多樣性指數(shù)變化完全一致，至盛果期和拉秧期兩個(gè)處理都趨于穩(wěn)定水平。

填閑處理多樣性指數(shù)和均勻度均在坐果期顯著高于休閑處理，說明夏季種植填閑甜玉米并秸稈還田可明顯改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，這可能是秸稈分解作用的結(jié)果。

圖3 各生育期微生物PLFAs主成分分析

表1 各生育期微生物群落多樣性指數(shù)和Pielou均勻度的變化

3 結(jié)論與討論

種植填閑玉米并秸稈還田對(duì)下一茬土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響可能會(huì)受到填閑玉米根系活動(dòng)和鮮玉米秸稈還田后的雙重效應(yīng)。本試驗(yàn)結(jié)果中，種植填閑甜玉米并秸稈還田后，秋冬茬番茄土壤微生物量及種群PLFAs含量都得到提高，尤其在番茄生長前期效果顯著，這可能是由兩方面原因造成的。一方面，填閑玉米根系分泌物在番茄生長前期為土壤微生物提供豐富的碳源、能源及營養(yǎng)物質(zhì)，而隨著時(shí)間推移，根系分泌物被利用完，效果減弱。Bolinder等（1999）收集總結(jié)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，玉米地下部碳（包括根系本身降解和碳淀積物）要比地上部轉(zhuǎn)化為土壤有機(jī)質(zhì)的比例要高 2.1～3.9倍，地下部轉(zhuǎn)化為有機(jī)質(zhì)的比例占到 16%～30%。齊鑫（2008）對(duì)露地夏玉米根系淀積研究發(fā)現(xiàn)，夏玉米一個(gè)生長季進(jìn)入土壤中的碳淀積量達(dá)26 kg·（667 m2）-1，可見填閑玉米的種植可通過根系活動(dòng)增加土壤碳源的輸入，為微生物提供可利用碳源和營養(yǎng)，促進(jìn)土壤微生物的生長和繁殖。另一方面，還田的鮮玉米秸稈在前期迅速降解，同樣為微生物提供豐富的碳源、能源和營養(yǎng)物質(zhì)，促進(jìn)土壤微生物的生長和繁殖。秸稈還田對(duì)微生物的影響與其分解速率也有關(guān)，雖然大多數(shù)研究（丁雪麗 等，2008；Division & Water，2011）認(rèn)為秸稈分解基本在20 d后便進(jìn)入緩慢分解階段，對(duì)微生物的營養(yǎng)和能源供應(yīng)能力有限，但這些研究基本都是將干秸稈粉碎至2～5 mm，甚至更小，并且是在室內(nèi)進(jìn)行的培養(yǎng)試驗(yàn)，而本試驗(yàn)是在田間進(jìn)行的秸稈還田，秸稈長度為2～4 cm，由于新鮮秸稈含有較多易分解的碳水化合物，較易分解供微生物生長和繁殖，因此填閑玉米鮮秸稈還田在番茄初花期顯著地增加微生物總PLFAs含量、細(xì)菌和真菌 PLFAs含量，而且在坐果期也達(dá)到顯著增加土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性的效果。

因此，填閑模式不僅可以增加土壤微生物量，改善微生物群落結(jié)構(gòu)，豐富微生物多樣性，尤其是在前期的作用較顯著，有利于促進(jìn)苗期生長，防治或減輕苗期病害發(fā)生，且前期研究（郭瑞英，2007；姜春光，2009；趙小翠 等，2010）也認(rèn)為填閑玉米還可以有效降低土壤氮素累積與損失風(fēng)險(xiǎn)，降低資源浪費(fèi)和環(huán)境污染。合理的利用休閑期，可以提高農(nóng)民的經(jīng)濟(jì)效益，在我國具有較好的應(yīng)用前景。

蔡桂榮，孫愛武.2007.設(shè)施蔬菜連作障礙的發(fā)生機(jī)制及防治措施.吉林蔬菜，（3）：46-49.

丁雪麗，何紅波，李小波，白震，解宏圖，張旭東.2008.不同供氮水平對(duì)玉米秸稈降解初期碳素礦化及微生物量的影響.土壤通報(bào)，3（4）：784-788.

郭瑞英.2007.設(shè)施黃瓜根層氮素調(diào)控及夏季種植填閑作物阻控氮素?fù)p失研究〔博士論文〕.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué).

郭中元.2010.連作大豆根際微生物與大豆異黃酮間的相互作用〔碩士論文〕.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué).

姜春光.2009.水肥投入及輪作糯玉米對(duì)周年設(shè)施番茄養(yǎng)分利用的影響〔碩士論文〕.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué).

李一丹.2009.設(shè)施番茄不同管理措施對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響〔碩士論文〕.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué).

李元，司力珊，張雪艷，田永強(qiáng)，郭瑞英，任華中，高麗紅.2008.填閑作物對(duì)日光溫室土壤環(huán)境作用效果比較研究.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，24（1）：224-229.

劉娟，田永強(qiáng)，高麗紅.2011.夏季填閑作物及秸稈還田對(duì)日光溫室黃瓜連作土壤養(yǎng)分和微生物的影響.中國蔬菜，（8）：12-16.

呂衛(wèi)光，楊廣超，沈其榮，張春蘭，諸海燾，余廷園.2006.有機(jī)肥對(duì)連作西瓜生長和土壤微生物區(qū)系的影響.上海農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)，22（4）：96-98.

馬克平.1994.生物多樣性的測度方法.北京：中國科學(xué)技術(shù)出版社.

齊鑫.2008.作物根系碳淀積的定量研究及其與土壤氮素水平的關(guān)系〔博士論文〕.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué).

阮維斌，王敬國，張福鎖，申建波.1999.根際微生態(tài)系統(tǒng)理論在連作障礙中的應(yīng)用.中國農(nóng)業(yè)科技導(dǎo)報(bào)，1（4）：53-58.

王敬國，陳清，林杉.2011.設(shè)施菜田退化土壤修復(fù)與資源高效利用.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社.

張福鎖，陳新平，陳清.2009.中國主要作物施肥指南.北京：中國農(nóng)業(yè)大學(xué)出版社.

張雪艷，劉軍，田永強(qiáng)，郭文忠，高麗紅.2009.不同栽培制度溫室土壤養(yǎng)分和微生物群落的動(dòng)態(tài)變化.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)，42（11）：3972-3979.

趙小翠，姜春光，袁會(huì)敏，陳清，王倩.2010.夏季種植甜玉米減少果類菜田土壤氮素?fù)p失的效果.北方園藝，（15）：194-196.

朱麗霞，章家恩，劉文高.2003.根系分泌物與根際微生物相互作用研究綜述.生態(tài)環(huán)境，12（1）：102-105.

Bolinder M A，Angers D A，Giroux M，Laverdière M R.1999.Estimating C inputs retained as soil organic matter from corn（Zea maysL.）.Plant and Soil，215：85-91.

Buyer J S，Teasdle J R，Roberts D P，Zasada I A，Maul J E.2010.Factors affecting soil microbial community structure in tomato cropping systems.Soil Biology & Biochemistry，42（5）：831-841.

Division S，Water M.2011.Tracing the source and fate of dissolved organic matter in soil after incorporation of a13C labeled residue：a batch incubation study.Soil Biology & Biochemistry，43：513-519.

Duong T，Marschner P.2009.Frequent addition of wheat straw residues to soil enhances carbon mineralization rate.Soil biology & biochemistry，41（7）：1475-1482.

Frostegard A，Tunlid A，Baath E.1991.Microbial biomass measured as total lipid phosphate in soils of different organic content.Journal of Microbiological Methods，14：151-163.

Harris J A.2003.Measurements of the soil microbial community for estimating the success of restoration.Eur J Soil Sci，54：801-808.

Kanchikerimath M，Singh D.2001.Soil organic matter and biological properties after 26 years of maize-wheat-cowpea cropping as affected by manure and fertilization in a Cambisol in semiarid region of India.Agriculture Ecosystem & Environment，86（2）：155-162.