山藥不同種植模式對土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)的影響

范琳娟，劉子榮，徐雪亮，王奮山，彭德良，姚英娟，*

(1.江西省農(nóng)業(yè)科學院 農(nóng)業(yè)應(yīng)用微生物研究所，江西 南昌330200；2.中國農(nóng)業(yè)科學院 植物保護研究所，北京 100094)

山藥是重要的藥食同源優(yōu)勢作物，綜合種植效益遠高于其他糧食作物和經(jīng)濟作物[1]。但由于單一的種植結(jié)構(gòu)和種植特點，以及長期不變的種植茬口和品種，長期種植山藥的土壤環(huán)境逐漸劣變，土傳病害發(fā)生逐年加重[2]，尤其以植物寄生線蟲的發(fā)生最為嚴重。研究發(fā)現(xiàn)，為害山藥的病原線蟲主要為短體線蟲和根結(jié)線蟲[3-6]。據(jù)調(diào)查，其在江西省的田間發(fā)生率一般為10%～50%，重者可達100%，可致減產(chǎn)20%左右。作者團隊于2019年對江西省山藥主產(chǎn)區(qū)植物寄生線蟲的發(fā)生程度進行調(diào)查，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，大部分山藥塊莖和土樣中都檢出了根結(jié)線蟲或短體線蟲，山藥出現(xiàn)明顯的連作障礙。山藥病原線蟲的繁殖能力和抗逆性都很強，化學防治比較困難。為此，農(nóng)戶常采用新開墾荒地栽培或兩茬間撂荒3～10 a方才再次栽培的方式，這嚴重制約了山藥種植面積的擴大和山藥產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

土壤線蟲是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要構(gòu)成部分，按照食性的不同，可分為自由生活線蟲和植物寄生線蟲2類。自由生活線蟲對有機物分解、養(yǎng)分循環(huán)和土壤肥力保持等具有重要作用[7-9]；植物寄生線蟲主要寄生于植物的各種組織，對植物產(chǎn)生危害。由于土壤線蟲具有數(shù)量多、營養(yǎng)類群多樣、易于鑒別、世代周期短、對環(huán)境變化敏感等特點，能及時反映土壤環(huán)境的變化，因此也常被用作土壤生態(tài)系統(tǒng)受干擾的指示生物[10-12]。

杜峰等[13]研究表明，不同撂荒年限會對土壤生態(tài)環(huán)境，尤其是對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生影響。但在本研究檢索范圍內(nèi)，并未見到以土壤線蟲為指示生物研究山藥兩茬間不同撂荒年限對土壤生態(tài)環(huán)境影響的報道，而且，關(guān)于撂荒對控制山藥病原線蟲種群數(shù)量的效果也未得到有效研究。為此，特選擇山藥線蟲病發(fā)生較重的瑞昌山藥栽培試驗區(qū)，采取兩茬間隔0、3、6、10 a等4種種植模式，通過研究其對土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的影響，評價不同種植模式下山藥田的土壤狀況，以期為通過改變種植模式來防治山藥線蟲病提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 供試材料和試驗設(shè)計

供試土壤采自瑞昌市高豐鎮(zhèn)青豐村瑞昌山藥田(29°35′N，115°33′E)。試驗共設(shè)計4個處理：YPI-0，兩茬不間隔，2018年和2019年連續(xù)種植山藥2 a；YPI-3，兩茬間隔3 a，2016年和2019年各種植山藥1 a，2017年和2018年無作物種植；YPI-6，兩茬間隔6 a，2013年和2019年各種植山藥1 a，2014—2018年間連續(xù)5 a無作物種植；YPI-10，兩茬間隔10 a，2009年和2019年各種植山藥1 a，2010—2018年間連續(xù)9 a無作物種植。試驗田面積為20 m2(4 m×5 m)，株行距(20～30) cm×(45～55) cm，每小區(qū)種8行，每行20株，即每小區(qū)160株，每處理重復3次。不同處理的田間管理方式等基本一致。

1.2 試驗方法

分別在山藥苗期(2019-07-18)和成熟期(2019-11-20)2次在田間采樣。第一次采樣是在降雨后一周進行的，土壤含水量在20%左右；第二次采樣與第一次采樣期間降雨極少，至第二次采樣時土壤含水量在10%左右。采用隨機五點取樣法，取5～20 cm深度土樣，每個取樣點取約200 g，混勻后取約500 g土樣帶回實驗室。待測土樣一部分用于分離土壤線蟲，一部分自然風干后，用于測定含水量和土壤理化性狀。

1.2.1 土壤理化性狀測定

土壤pH值，采用水土體積質(zhì)量比2.5∶1浸提-酸度計法測定；有機質(zhì)含量，采用重鉻酸鉀容量法測定；銨態(tài)氮含量，采用靛酚藍比色法測定；速效鉀含量，采用火焰光度法測定；速效磷含量，采用鉬銻抗比色法測定[14]。

1.2.2 土壤線蟲的分離與鑒定

采用貝爾曼漏斗法分離線蟲48 h，60 ℃殺死分離到的線蟲后，在顯微鏡下觀察線蟲的形態(tài)特征，依據(jù)謝輝[15]的《植物線蟲分類學》進行屬水平的鑒定，分別統(tǒng)計各屬線蟲的數(shù)量，以及4大營養(yǎng)類群——食細菌(bacterivores)、食真菌(fungivores)、雜食/捕食(omnivores/predators)和植物寄生(plant-parasites)線蟲的數(shù)量[16]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

(1)多樣性指數(shù)。參照文獻[17-18]的方法，計算Shannon多樣性指數(shù)(H’)和優(yōu)勢度指數(shù)(λ)。

(2)生態(tài)功能指數(shù)。參照文獻[19]的方法計算線蟲通路比值(NCR)和瓦斯樂斯卡指數(shù)(WI)。

(3)成熟度指數(shù)。參照文獻[20]的方法，計算植物寄生線蟲成熟度指數(shù)(PPI)和自由生活線蟲成熟度指數(shù)(MI)。

參考Bongers[20]，計算c-p值，根據(jù)線蟲不同的生活史策略，將陸地和淡水生活的線蟲劃分為r-對策者向K-對策者過渡的5個類群，分別對應(yīng)于1～5。

所有數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 2013進行整理，用SPSS 20.0做統(tǒng)計分析。采用冗余分析(RDA)研究不同處理的土壤線蟲群落組成與環(huán)境變量間的關(guān)系，變量的顯著性需經(jīng)過499次的蒙特卡羅(Monte Carlo)檢驗，用Canoco 4.5軟件制作RDA排序圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式對土壤理化性質(zhì)的影響

土壤理化性質(zhì)與山藥的生長狀況密切相關(guān)。由表1可知，不同種植模式對山藥苗期和成熟期的土壤pH值、有機質(zhì)和速效鉀含量，以及成熟期的土壤銨態(tài)氮含量無顯著影響。苗期時，YPI-10處理的土壤銨態(tài)氮含量顯著(P<0.05)高于其他處理。YPI-0和YPI-3處理的土壤速效磷含量在山藥苗期和成熟期均顯著(P<0.05)高于YPI-6和YPI-10處理。與苗期時相比，成熟期時不同處理的土壤pH值，以及土壤有機質(zhì)、銨態(tài)氮和速效磷含量均降低，而速效鉀含量大幅提高。

表1 不同種植模式的土壤理化性質(zhì)Table 1 Soil properties under different planting patterns

2.2 不同種植模式對土壤線蟲群落組成的影響

本研究共從山藥土壤中分離、鑒定出線蟲26個屬(表2)，其中從苗期土壤中分離鑒定到的有23屬，每100 g干土中線蟲的數(shù)量在500～700條(表3)，從成熟期土壤中分離鑒定到的有18屬，每100 g干土中線蟲的數(shù)量在200～300條。

表2 不同種植模式對土壤線蟲群落相對豐度的影響Table 2 Effects of different planting patterns on relative abundance of soil nematodes %

續(xù)表2 Continued Table 2

在苗期和成熟期，不同處理土壤中的食細菌線蟲均以小桿線蟲屬(Rhabditis)、真頭葉線蟲屬(Eucephalobus)和擬麗突線蟲屬(Acrobeloides)為極優(yōu)勢屬(相對豐度≥10%[21])，同一時期，不同處理這些屬的相對豐度間均無顯著差異。成熟期時，小桿線蟲屬的相對豐度較苗期大幅增加，增幅達50%～100%，而擬麗突線蟲屬的相對豐度大幅降低，降幅在50%～75%。

食真菌線蟲中，真滑刃線蟲屬(Aphelenchus)的相對豐度最高，且苗期和成熟期不同處理間的相對豐度均無顯著差異。苗期不同處理下，依照土壤中真滑刃線蟲屬的相對豐度，均判定其為次優(yōu)勢屬(相對豐度在2%～<5%)，至成熟期時，YPI-0、YPI-3和YPI-6處理的真滑刃線蟲屬相對豐度大幅增加，均達到優(yōu)勢屬的水平(相對豐度在5%～<10%)，但YP-10處理下仍為次優(yōu)勢屬。

雜食/捕食線蟲中，YPI-3、YPI-6和YP-10處理下矛線線蟲屬(Dorylaimus)在苗期和成熟期土壤中的相對豐度達到次優(yōu)勢屬或優(yōu)勢屬水平，而在YPI-0處理下則為稀有屬(相對豐度<1%)或常見屬(相對豐度在1%～<2%)水平。

植物寄生線蟲中，主要包括墊刃線蟲屬(Tylenchus)、根結(jié)線蟲屬(Meloidogyne)和短體線蟲屬(Pratylenchus)等，且其在苗期和成熟期不同處理間的相對豐度隨兩茬間隔年限的增加總體呈降低趨勢。其中，YPI-10處理土壤中墊刃線蟲屬的相對豐度在苗期和成熟期均為次優(yōu)勢屬的水平，且其在苗期時的相對豐度較YPI-0處理顯著(P<0.05)降低54.50%。YPI-3、YPI-6和YPI-10處理下苗期時根結(jié)線蟲屬和短體線蟲屬的相對豐度均較YPI-0處理顯著(P<0.05)降低，降幅分別達46.68%、59.96%和90.23%；至成熟期后，YPI-10處理的根結(jié)線蟲屬和YPI-6處理的短體線蟲屬相對豐度分別較YPI-0處理顯著(P<0.05)降低81.02%和100%。由此可見，不同種植模式不同時期的土壤線蟲群落種類具有較大差異，兩茬間撂荒一定年限可以降低土壤中山藥病原線蟲的種群數(shù)量。

2.3 不同種植模式對土壤線蟲營養(yǎng)類群的影響

如圖1所示，不同種植模式對山藥苗期和成熟期土壤中線蟲營養(yǎng)類群的影響不同。在苗期和成熟期，YPI-10處理的土壤食細菌線蟲的相對豐度均顯著(P<0.05)高于YPI-0處理，而YPI-3和YPI-6處理均與YPI-0處理無顯著差異。苗期時，不同處理土壤的食真菌線蟲相對豐度無顯著差異，但成熟期時YPI-10處理的食真菌線蟲相對豐度顯著(P<0.05)低于其他處理。苗期時，YPI-6和YPI-10處理的土壤雜食/捕食類線蟲的相對豐度顯著(P<0.05)高于YPI-0處理，但至成熟期后各處理間并無顯著差異。苗期時，不同處理土壤的植物寄生線蟲的相對豐度表現(xiàn)為YPI-0>YPI-3>YPI-6>YPI-10，且各處理間差異顯著(P<0.05)；至成熟期時，YPI-0和YPI-3處理的植物寄生線蟲的相對豐度仍顯著(P<0.05)高于YPI-6和YPI-10處理。以上結(jié)果說明，山藥兩茬間隔6 a或10 a可改善土壤線蟲營養(yǎng)類群，不僅可提高食細菌線蟲的相對豐度，還可有效控制植物寄生線蟲的種群數(shù)量，尤以間隔10 a的作用效果最為明顯。

2.4 不同種植模式對土壤線蟲生態(tài)指數(shù)的影響

土壤線蟲的多樣性指數(shù)和生態(tài)功能指數(shù)分別指示土壤食物網(wǎng)的循環(huán)途徑和穩(wěn)定性。由表4可知，不同處理對山藥苗期和成熟期土壤線蟲的Shannon多樣性指數(shù)(H’)和優(yōu)勢度指數(shù)(λ)均無顯著影響。苗期不同處理的土壤線蟲通路比值(NCR)無顯著差異，但成熟期時YPI-10處理的卻顯著(P<0.05)高于其他處理。苗期和成熟期不同種植模式下的NCR值均大于0.5，表明不同種植模式對土壤有機質(zhì)分解途徑的影響不大，均以細菌降解為主。苗期不同處理的土壤線蟲瓦斯樂斯卡指數(shù)(WI)表現(xiàn)為YPI-10>YPI-6>YPI-3>YPI-0，且各處理間差異顯著(P<0.05)；至成熟期時，YPI-6和YPI-10處理的WI仍顯著(P<0.05)高于YPI-0和YPI-3處理。苗期，YPI-0處理的土壤植物寄生線蟲成熟度指數(shù)(PPI)顯著(P<0.05)高于YPI-10處理；成熟期，不同處理間無顯著差異。自由生活線蟲成熟度指數(shù)(MI)在苗期表現(xiàn)為YPI-3、YPI-6和YPI-10處理均顯著(P<0.05)高于YPI-0處理，至成熟期YPI-6和YPI-10處理的MI顯著(P<0.05)高于YPI-0和YPI-3處理。苗期，YPI-3、YPI-6和YPI-10處理的PPI/MI均顯著(P<0.05)低于YPI-0處理；至成熟期，YPI-6和YPI-10處理的PPI/MI仍顯著(P<0.05)低于YPI-0和YPI-3處理。由此可知，山藥兩茬間隔6 a或10 a可在一定程度上影響土壤生態(tài)系統(tǒng)的成熟度和穩(wěn)定性。

表4 不同種植模式對土壤線蟲生態(tài)指數(shù)的影響Table 4 Effect of different planting patterns on ecological indices of soil nematodes

2.5 土壤線蟲群落與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

經(jīng)分析，苗期不同種植模式土壤線蟲屬與環(huán)境因子間無顯著差異，因此僅通過RDA建立了山藥成熟期不同種植模式土壤線蟲屬組成與土壤環(huán)境因子的排序圖(圖2)，軸1和軸2共解釋了土壤線蟲屬與土壤養(yǎng)分因子總體變異的77.7%。從RDA排序圖可以看出，不同處理的土壤線蟲群落組成和土壤環(huán)境因子顯著(P<0.05)相關(guān)，土壤有機質(zhì)、速效磷和速效鉀對土壤線蟲群落種屬組成影響較大，而土壤pH值和銨態(tài)氮的影響較小。在YPI-0和YPI-3處理土樣中，土壤速效磷和速效鉀含量與小桿線蟲屬、根結(jié)線蟲屬、短體線蟲屬、墊刃線蟲屬、真滑刃線蟲屬等數(shù)量呈較強正相關(guān)，與擬麗突線蟲屬、棱咽線蟲屬(Prismatolainus)等少部分線蟲屬的數(shù)量呈較強負相關(guān)。YPI-6和YPI-10處理的土壤pH值、銨態(tài)氮、有機質(zhì)與其所對應(yīng)的大部分線蟲屬的數(shù)量均呈較強的負相關(guān)。在YPI-6處理土樣中，土壤pH值、銨態(tài)氮、有機質(zhì)與真頭葉線蟲屬、單宮線蟲屬(Monhystera)、棱咽線蟲屬等的數(shù)量呈較強正相關(guān)；在YPI-10處理土樣中，土壤pH值和銨態(tài)氮與棱咽線蟲屬、擬麗突線蟲屬等的數(shù)量呈較強正相關(guān)。

3 討論

3.1 山藥不同種植模式對土壤理化性質(zhì)的影響

土壤理化性質(zhì)是衡量土壤質(zhì)量的重要指標，對山藥的生長發(fā)育具有重要作用。本研究結(jié)果顯示，從山藥苗期至成熟期，不同種植模式下土壤速效鉀含量大幅增長，而有機質(zhì)、銨態(tài)氮和速效磷含量降低。這表明瑞昌山藥在生長過程中對有機質(zhì)、氮肥和磷肥有較大的需求，與范琳娟等[22]的研究結(jié)果基本一致。馬祥華等[23]研究表明，土壤速效磷含量會隨撂荒年限的增加而降低，具有明顯的植被土壤效應(yīng)；杜峰等[13]研究也表明，隨著撂荒年限的增加，土壤速效磷含量會逐漸降低。這些研究結(jié)果均與本研究一致。推測本研究中土壤速效鉀含量的變化可能與瑞昌山藥的生長特性或田間管理習慣(膨大期時追施了大量鉀肥)有關(guān)。

3.2 山藥不同種植模式對土壤線蟲群落結(jié)構(gòu)的影響

不同種植模式對土壤理化性質(zhì)的改變可通過直接或間接影響作物生長或土壤微生物活動而影響線蟲的營養(yǎng)類群、群落結(jié)構(gòu)和豐度[24]。Vink等[25]研究表明，休耕會對土壤線蟲群落產(chǎn)生影響。李琪等[26]研究發(fā)現(xiàn)，撂荒可大幅降低土壤中短體線蟲的相對豐度，但根結(jié)線蟲在土壤中無寄主存在的情況下仍可存活約3 a。本研究結(jié)果也顯示，隨著兩茬間撂荒年限的增加，不同種植模式土壤中植物寄生線蟲豐度較高的墊刃線蟲屬、根結(jié)線蟲屬和短體線蟲屬的相對豐度基本均呈降低的變化趨勢，而食細菌線蟲，如小桿線蟲屬等的相對豐度大幅提高。小桿線蟲屬依據(jù)c-p值屬于1類群，是典型的機會主義者，生命周期短，但繁殖能力強，耐受外界干擾的能力較強[27]。這與Walker[28]提出的“冗余種”假說基本一致，即為了維持相對穩(wěn)定，某些線蟲種群會大幅增加來替代不易存活的線蟲。劉貝貝等[29]、焦加國等[30]研究表明，土壤線蟲數(shù)量、群落組成與土壤養(yǎng)分、含水量，以及氣候均有密切的關(guān)系。2019年7月中旬后江西省降雨一直極少，由此推測，成熟期山藥土壤線蟲數(shù)量大幅降低可能與土壤含水量太低有關(guān)。食細菌線蟲對土壤食物網(wǎng)和營養(yǎng)循環(huán)具有重要作用，可作為指示土壤肥力的一個潛在指標[31]。高密度的植物寄生線蟲種群數(shù)量不僅會對植物造成機械損傷，還有可能使植物感染微生物，對植物造成更嚴重的危害[32]。綜合本研究結(jié)果，山藥兩茬間隔撂荒一定年限可在一定程度上影響土壤線蟲數(shù)量、群落組成和各營養(yǎng)類群的相對豐度，改善土壤環(huán)境，減輕線蟲病的發(fā)生程度。

本研究表明，山藥不同種植模式對Shannon多樣性指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)無顯著影響，這表明其對山藥土壤線蟲群落中的稀有種多樣性和屬內(nèi)線蟲的數(shù)量無顯著影響。這與陳璐等[33]研究的草原植被人工恢復4 a和8 a對土壤線蟲群落多樣性的影響基本一致。WI值可反映土壤的健康狀況，當WI值>1時，值越大，說明土壤健康狀況越好[19]。MI值越高，生態(tài)系統(tǒng)成熟度越高，抵抗外界干擾的能力越強；PPI值則與擾動的頻率呈正相關(guān)，PPI/MI值在受擾動的情況下會升高[20]。本研究表明，兩茬間隔6 a或10 a的處理下，在山藥苗期和成熟期，其WI值顯著高于間隔0 a的處理，而PPI/MI值顯著低于間隔0 a的處理。這表明撂荒一定年限有利于提高土壤的健康狀況，提高土壤生態(tài)系統(tǒng)的抗干擾能力。

在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中，影響土壤線蟲群落多樣性的因素有很多，主要包括耕作方式、養(yǎng)分管理、土壤含水量和食物的可利用性等[34-35]。本研究的RDA排序圖同樣表明，山藥成熟期時土壤養(yǎng)分因子與線蟲群落具有一定的相關(guān)性，土壤中豐度較高的植物寄生線蟲，如墊刃線蟲屬、根結(jié)線蟲屬、短體線蟲屬等數(shù)量與土壤速效磷、速效鉀含量呈正相關(guān)，與土壤pH值，及有機質(zhì)和銨態(tài)氮含量呈負相關(guān)，而大部分食微線蟲與土壤pH值，及有機質(zhì)和銨態(tài)氮含量呈正相關(guān)。這與蘇蘭茜等[36]的研究結(jié)果基本一致。7月上旬至10月上旬是瑞昌山藥莖葉和塊莖生長最旺盛的時期，這一時期山藥對水肥的要求比較高。不同種植模式下，土壤養(yǎng)分狀況有很大的變化，而土壤生物與土壤環(huán)境具有密切的關(guān)系，據(jù)此推測，可能是土壤養(yǎng)分的改變通過影響地上植被生長狀況和微生物活動，進而改變了土壤線蟲的群落結(jié)構(gòu)[33]。苗期時土壤養(yǎng)分因子與線蟲群落無顯著相關(guān)性，可能是由于瑞昌山藥在苗期生長較為緩慢，不同種植模式下山藥的生長對土壤環(huán)境的影響較小，因此其相關(guān)性未達顯著水平。

本研究表明，山藥兩茬間撂荒6 a或10 a，一方面可使土壤速效磷含量顯著降低，影響山藥對土壤中磷元素的吸收；另一方面可顯著降低土壤中植物寄生線蟲的相對豐度，增加土壤食細菌線蟲相對豐度，提高土壤生態(tài)系統(tǒng)的健康狀況和抗干擾能力，且以兩茬間撂荒10 a的效果更佳。這說明改變種植模式可以在一定程度上控制山藥病原線蟲的種群數(shù)量，是替代化學防治行之有效的辦法，但基于對現(xiàn)有耕地的有效利用，建議山藥與其他非線蟲寄主植物進行輪作或間作。