水稻冬閑田栽培元胡試驗

馮林，石慶勝，陸中華，馬美蘭，厲永強(qiáng)，姜娟萍，陳衛(wèi)良*，毛碧增*

(1.浙江大學(xué) 農(nóng)業(yè)與生物技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州 310058； 2.浙江省農(nóng)技推廣中心，浙江 杭州 310058；3.東陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所，浙江 東陽 322100)

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)中庫和流的重要樞紐，作為土壤物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量流動的主要推動者，可合成、分解有機(jī)質(zhì)，并積極參與氮、磷、鉀和碳等養(yǎng)分循環(huán)，在一定程度上反映土壤的肥力狀況，從而對地表植被的生長產(chǎn)生影響[1-3]。土壤微生物以正反饋或負(fù)反饋的形式作用于地上植物群落，而土壤理化性質(zhì)、地形和季節(jié)等條件與土壤微生物的數(shù)量和分布密切相關(guān)，保持土壤微生物的多樣性對提高土壤質(zhì)量、促進(jìn)作物生長發(fā)育及保護(hù)農(nóng)田生態(tài)環(huán)境具有重要意義[4]。外界因素(如不同作物輪作換茬、輪作年限)對土壤微生物和理化性質(zhì)的影響十分明顯，是當(dāng)前研究的熱點問題之一。

不同作物不同區(qū)系會形成不同的土壤微生物群落，通過換茬種植可有效豐富根際微生物種群，改良土壤環(huán)境[5]。目前，水稻-油菜輪作、水稻-小麥輪作、玉米-大豆輪作換茬等模式研究廣泛，然而與中藥材換茬種植研究對土壤微生物和理化性質(zhì)的影響還較少。元胡(Corydalisyanhusuo)是浙江省道地藥材“浙八味”之一，具有活血、行氣、止痛之功效[6]。在元胡主產(chǎn)區(qū)浙江省東陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所試驗基地研究元胡種植對水稻冬閑田土壤微生物數(shù)量、生物量和土壤理化性質(zhì)的影響，完善水稻與中藥材換茬種植的科學(xué)模式。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗地位于浙江省東陽市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所的試驗基地(28°59′～29°30′N、120°05′～120° 44′E)，屬亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均年降雨量1 351 mm，年日照2 002 h，年平均氣溫17 ℃，土壤為水稻土。

1.2 處理設(shè)計

水稻收割后，翻耕整地，設(shè)12壟，每壟田長6 m，寬5 m。對照1(CK1)為水稻收獲田塊翻耕后的土樣(2017年10月24日收集)；處理(YH)為隨機(jī)選取其中9壟后茬種植元胡的土樣(2018年5月2日收集)；對照2(CK2)為水稻收獲田塊翻耕后茬空閑的土樣(2018年5月2日取的土樣)。采用“S”形取樣法，在壟中定5點采集0～20 cm的土層土壤，用滅菌鑷子去除植物根系、石礫等雜物，將土樣收集于無菌封口袋中，密封置于冰袋上帶回實驗室，測定土壤微生物數(shù)量、土壤微生物種類、土壤微生物生物量和理化性質(zhì)。

1.3 測定方法

1.3.1 微生物分離與計數(shù)

土壤細(xì)菌用LB培養(yǎng)基、真菌用PDA培養(yǎng)基培養(yǎng)，采用傳統(tǒng)的微生物平板計數(shù)法分離與測定微生物數(shù)量[7]。

1.3.2 微生物鑒定

細(xì)菌鑒定。采用Ezup柱式細(xì)菌基因組DNA抽提試劑盒提取DNA；采用通用引物519F(CAGCMGCCGCGGTAATWC)和907R(CCGTCAA TTCMTTTRAGTTT)擴(kuò)增16S rDNA基因的 V4-V5區(qū)；PCR擴(kuò)增體系為50 mL，包括25 mL的 Master Mix酶，各2 mL的正反向引物，1 mL DNA 模板，20 mL ddH2O；擴(kuò)增條件為95 ℃預(yù)變性3 min，95 ℃變性45 s，56 ℃退火45 s，72 ℃延伸 60 s，35個循環(huán)，最后72 ℃擴(kuò)增7 min。采用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測擴(kuò)增產(chǎn)物；擴(kuò)增產(chǎn)物送北京擎科新業(yè)生物技術(shù)有限公司測序，采用Blast比對序列確定菌屬。

真菌鑒定。采用UNIQ-10柱式真菌基因組DNA抽提試劑盒提取DNA；采用通用ITS4(TCCTCCGCTTATTGATATGC)和ITS6(GAAGGT GAAGTCGTAACAAGG)擴(kuò)增真菌18SrRNA基因；PCR擴(kuò)增體系為25 mL，包括13 mL Master Mix酶，正反向引物各1 mL，1 mL DNA模板，9 mL ddH2O；擴(kuò)增條件為94 ℃預(yù)變性5 min，94 ℃變性30 s，53 ℃退火30 s，72 ℃延伸2 min，35個循環(huán)，最后72 ℃擴(kuò)增10 min。采用0.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測擴(kuò)增產(chǎn)物送北京擎科新業(yè)生物技術(shù)有限公司測序，采用Blast比對序列確定菌屬。

1.3.3 土壤理化性質(zhì)測定

土壤全氮含量測定參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 53-1987，全磷含量測定參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 88-1988，全鉀測定參照標(biāo)準(zhǔn)NY/T 87-1988。土壤有機(jī)碳采用重鉻酸鉀外加熱法測定；堿解氮測定采用堿解擴(kuò)散法；有效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法；速效鉀測定采用火焰光度計法。土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸法，用K2Cr2O7氧化法測碳、靛酚藍(lán)比色法測氮[8]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016軟件整理試驗數(shù)據(jù)，SPSS 20.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤微生物數(shù)量

分別對水稻收獲田塊翻耕后的土樣(CK1)、水稻收獲田塊翻耕后茬空閑的土樣(CK2)和水稻收獲田塊翻耕后茬種植元胡的土樣(YH)進(jìn)行微生物分離研究。

由表1可見，與CK1相比，CK2和YH細(xì)菌數(shù)量分別降低64.6%和76.9%，降低差異顯著；CK2和YH放線菌數(shù)量分別提高518.4%和812.2%，提高差異顯著；與CK2相比，YH細(xì)菌數(shù)量降低35.1%，放線菌數(shù)量提高47.66%，差異不顯著。

表1 種植元胡對土壤微生物數(shù)量的影響

注：同列數(shù)據(jù)后無相同小寫字母表示組間差異顯著(P<0.05)。表2～3同。

2.2 土壤微生物種類

從CK1中分離得到14株細(xì)菌和18株真菌，經(jīng)分子生物學(xué)鑒定，14株細(xì)菌分別為芽孢桿菌屬、假單胞菌屬、沙雷氏菌屬、寡養(yǎng)單胞菌屬、葡萄球菌屬、產(chǎn)堿桿菌屬等6個屬；18株真菌分別為青霉菌屬、木霉菌屬、鐮刀菌屬、踝節(jié)菌屬、栓菌屬、曲霉菌屬、毛霉菌屬等7個屬。從CK2中分離得到16株細(xì)菌和11株真菌，經(jīng)分子生物學(xué)鑒定，16株細(xì)菌分別為芽孢桿菌屬、地桿菌屬、鞘氨醇桿菌屬等3個屬；11株真菌分別為青霉菌屬、踝節(jié)菌屬、木霉菌屬、梭孢殼屬等4個屬。從YH中分離得到25株細(xì)菌和18株真菌，經(jīng)分子生物學(xué)鑒定，25株細(xì)菌分別為芽孢桿菌屬、梭形桿菌屬、金黃桿菌屬、鏈霉菌屬等4個屬，18株真菌分別為青霉菌屬、木霉菌屬、踝節(jié)菌屬、赤霉菌屬、毛霉菌屬等5個屬。部分菌株形態(tài)見圖1。

圖1 部分菌落的形態(tài)

2.3 土壤基本理化性質(zhì)

元胡種植以后，對土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷、速效鉀等土壤基本理化性質(zhì)的影響見表2，對土壤微生物碳氮的影響見表3。

表2 種植元胡對土壤氮、磷、鉀的影響

土壤是各種有機(jī)、無機(jī)和礦物元素的混合體，土壤中碳、氮、磷和鉀含量代表著土壤的肥力水平[9]。如表2可知，與CK1相比，CK2土壤全氮、全磷、速效鉀、有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量降低，其中全氮、有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量降低達(dá)到顯著性水平，全鉀、堿解氮和速效磷含量升高，其中速效磷含量升高達(dá)到顯著性水平；YH土壤全氮、全磷、堿解氮、速效鉀、有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量降低，其中全氮、速效鉀和有機(jī)碳含量降低達(dá)到顯著性水平；全鉀和速效磷含量升高，其中速效磷含量升高達(dá)到顯著性水平。與CK2相比，YH土壤全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀含量降低，有機(jī)碳和有機(jī)質(zhì)含量升高，但上述指標(biāo)均未達(dá)到顯著性差異。由此可見，種植元胡對水稻冬閑田土壤的氮磷鉀含量水平影響較小。

表3 種植元胡對土壤微生物碳氮的影響

土壤微生物量是一個動態(tài)變化的過程，能間接反映土壤微生物數(shù)量的多少。土壤微生物碳和土壤微生物氮分別只占耕作層土壤總有機(jī)碳和全氮含量的3%和5%左右[10-11]。土壤微生物量碳與土壤總有機(jī)碳的比值稱為微生物熵，可作為土壤碳動態(tài)和土壤質(zhì)量研究的有效指標(biāo)[12]。CK2土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物熵最高，YH次之。與CK1相比，CK2和YH土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物熵顯著提高達(dá)到顯著性水平，其中YH土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物熵分別提高68.2%、57.7%、206.5%。與CK2相比，YH土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物熵有所降低，但差異不顯著。土壤微生物碳氮比的變化表明，微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，一般情況下細(xì)菌SMBC/SMBN在5∶1左右，放線菌在6∶1左右，真菌在10∶1左右[13]。試驗發(fā)現(xiàn)，CK2和YH土壤微生物碳氮比接近9∶1，表明該田塊以真菌為主，細(xì)菌和放線菌也占有一定的比例。

2.4 元胡收益

元胡667 m2產(chǎn)量118 kg，市場價格43元·kg-1，667 m2效益5 074元，種植元胡能科學(xué)利用水稻冬閑田土地資源，增加農(nóng)民收入。水稻+元胡是一種高效的新型農(nóng)業(yè)耕作制度，對土地資源充分利用及農(nóng)民增益、鄉(xiāng)村振興具有重要意義。

3 小結(jié)與討論

不同栽培模式下作物殘體和根系分泌物在土壤中的積累不同，導(dǎo)致碳氮源數(shù)量和種類發(fā)生變化，根系分泌物能直接影響微生物的種類和數(shù)量[14-15]。研究表明，西蘭花和早稻輪作后，土壤細(xì)菌、真菌和放線菌的數(shù)量均有變化。本研究結(jié)果顯示，種植元胡后可減少土壤細(xì)菌數(shù)量，增加放線菌數(shù)量，這與張立成等[16]報道的稻-稻-油菜輪作顯著增加細(xì)菌數(shù)量有差異，與田福發(fā)等[17]報道的菇-菜輪作顯著增加放線菌數(shù)量的結(jié)論基本一致。試驗地在種植元胡后微生物種類有變化，細(xì)菌以芽孢桿菌屬居多，真菌以青霉菌屬和木霉菌屬占優(yōu)勢，這可能和常年良好的翻耕措施，及時清除病原菌越冬的雜草和病殘體有關(guān)。宋騰蛟等[18]報道元胡土壤細(xì)菌功能基因組成在道地和非道地產(chǎn)區(qū)間差異較大，功能基因組成與元胡生長密切相關(guān)，本試驗在種植元胡后的土樣中也分離到了芽孢桿菌屬、梭形桿菌屬、金黃桿菌屬和放線菌屬，各個屬細(xì)菌對元胡道地性的相關(guān)性還將進(jìn)行更加深入的研究。檢測發(fā)現(xiàn)，冬閑田和種植元胡后的田塊未檢測到葡萄球菌屬、假單胞菌屬、鐮刀菌屬等致病菌，說明冬閑田種植元胡不會加劇葡萄球菌、假單胞菌屬、鐮刀菌的積累；種植元胡后發(fā)現(xiàn)土壤有益真菌屬種類增多，可能和元胡根系分泌物有關(guān)。

速效養(yǎng)分對外界環(huán)境因素(如輪作模式等)的干擾響應(yīng)較為敏感，可作為預(yù)警土壤質(zhì)量變化的敏感指標(biāo)[19]。CK1、CK2和YH土壤全氮含量最高，全鉀含量次之，全磷含量最低，3種處理差異不顯著。YH土壤速效鉀含量最高，堿解氮含量次之，速效磷含量最低，且與CK1相比，CK2和YH土壤速效磷含量增加達(dá)到顯著性水平，表明元胡生長需要的磷肥大于氮鉀肥，在生產(chǎn)中應(yīng)注意增施磷肥，這與卜容燕等[20]認(rèn)為在兼顧“重旱輕水”的策略下應(yīng)充分考慮前茬作物水稻磷肥后效的基礎(chǔ)上優(yōu)化磷肥的推薦一致。與CK1相比，CK2和YH土壤堿解氮和速效鉀含量降低，這可能是由于土壤細(xì)菌屬如芽孢桿菌屬、產(chǎn)檢桿菌屬和梭形桿菌屬等固氮菌屬數(shù)量下降所致。

土壤微生物量是反映土壤變化的敏感性指標(biāo)，微生物參與土壤中有機(jī)質(zhì)和氮素的轉(zhuǎn)化，輪作換茬有利于土壤微生物量的累積[21]。李曉婷等[22]研究表明，燕麥-苜蓿-馬鈴薯輪作模式下，土壤微生物量碳和微生物量氮顯著高于3種作物連作。張帆等[23]研究表明，水稻-黑麥草輪作明顯提高了土壤微生物量碳和微生物熵，水稻-紫云英輪作明顯提高了土壤微生物量氮。本試驗中，與CK1相比，YH土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物熵分別提高68.2%、57.7%和206.5%，這可能是因為種植元胡后增加了根系分泌物多樣性，豐富了土壤中碳源、氮源的轉(zhuǎn)化途徑。與CK2相比，YH土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物熵略有降低，差異不顯著，這可能是因為種植元胡影響了土壤pH，使元胡藥理活性成分(如揮發(fā)油[24])對微生物生長繁殖造成一定影響所致。