不同輪作模式對旱地番茄品質(zhì)、產(chǎn)量及土壤真菌多樣性的影響

李萬星，李 丹，李小霞，曹晉軍，靳鯤鵬，韓文清，蘇秀敏， 王 佼，黃學(xué)芳，劉永忠

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 谷子研究所，山西 長治 046000；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院，山西 太原 030031)

番茄(Solanumlycopersicum)是我國重要的設(shè)施果菜之一，富含多種維生素及礦物質(zhì)，是營養(yǎng)價值較高的果蔬之一。旱地番茄因其特殊的生長環(huán)境而得名，即露地種植，缺乏灌溉設(shè)施，利用自然降雨的方式生長。與普通番茄相比，旱地番茄具有糖酸比高、果瓤沙質(zhì)細(xì)膩、番茄紅素高等特點(diǎn)。由于地理環(huán)境、種植習(xí)慣、經(jīng)濟(jì)效益等因素的影響，導(dǎo)致旱地番茄連作現(xiàn)象嚴(yán)重。番茄連作會造成土壤養(yǎng)分積累或過度消耗、土壤理化性狀發(fā)生改變，使植株長勢減弱，進(jìn)而影響番茄品質(zhì)下降，產(chǎn)量降低，同時伴隨著土壤微生物多樣性降低、病蟲害加劇等現(xiàn)象[1-4]，連作障礙已成為制約旱地番茄農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一。

不同農(nóng)業(yè)措施(輪作、間作和套種)可以促進(jìn)作物生長發(fā)育、提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、抑制作物病害及改良農(nóng)田生態(tài)環(huán)境[5-7]。金莉[8]研究發(fā)現(xiàn)，不同蔬菜輪作可提高后茬番茄的可溶性糖、可溶性蛋白及抗壞血酸的含量，在一定程度上提高后茬番茄果實(shí)的營養(yǎng)品質(zhì)。鄧玉清[9]研究發(fā)現(xiàn)，番茄輪作后可提高土壤微生物多樣性，通過改善土壤微生物的組成和豐度來調(diào)節(jié)土壤碳、氮循環(huán)，同時改善土壤生態(tài)環(huán)境，從而影響后茬番茄的生長。吳宏亮等[10]研究發(fā)現(xiàn)，輪作可增加土壤有益微生物的比例，使連作障礙得到緩解。番茄與豇豆間作可控制番茄細(xì)菌性枯萎病大規(guī)模發(fā)生[11]?？茖W(xué)合理地輪作是緩解連作障礙發(fā)生的有效措施之一[12]。

本試驗(yàn)以特色蔬菜旱地番茄為研究對象，探討不同作物與旱地番茄輪作后對土壤真菌及后茬旱地番茄產(chǎn)量、品質(zhì)的影響，旨在篩選出適宜晉東南地區(qū)種植、具有高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的最佳番茄輪作模式，對旱地番茄特色產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試旱地番茄為日潤1號，糯玉米為晉糯10號，西葫蘆為東葫1號，秋葵為綠鹽，黃瓜為中農(nóng)18號，花生由長治縣裕盛豐農(nóng)業(yè)專業(yè)合作社提供，豆角和蔥為當(dāng)?shù)胤N植的常用品種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大田試驗(yàn)于2018—2020年在山西省長治市壺關(guān)縣東關(guān)壁村(E113°22′，N36°19′)進(jìn)行。2018—2020年旱地番茄生育期內(nèi)平均降水量為367.1 mm，為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤基礎(chǔ)肥力為：有機(jī)質(zhì)16.24 g/kg，全氮1.26 g/kg，有效磷8.65 mg/kg，速效鉀208.95 mg/kg，堿解氮450.23 mg/kg，pH值8.22。2018年在前茬作物為旱地番茄的農(nóng)田種植豆角和番茄，于當(dāng)年5月30日進(jìn)行移栽；2019年種植旱地番茄(LLLe)、糯玉米(LVZm)、西葫蘆(LVCp)、花生(LVAh)、蔥(LVAf)、秋葵(LVAe)、黃瓜(LVCs)7種作物，于當(dāng)年6月1日播種玉米，其余作物進(jìn)行移栽。2020年全部種植旱地番茄，于當(dāng)年5月28日進(jìn)行移栽。其中，以旱地番茄連續(xù)3 a進(jìn)行連作為對照。試驗(yàn)小區(qū)面積為52 m2，小區(qū)間用田埂隔開，每個處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。播種前統(tǒng)一撒施發(fā)酵過的雞糞，生長過程中不追肥。不同小區(qū)管理方式相同。

1.3 測定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤真菌多樣性測定 于8月15日(番茄盛果期間)采集根際土樣。每個處理隨機(jī)選取5株長勢相同的番茄植物，用鐵鍬將作物連根挖起，抖落外側(cè)大型土塊，用刷子、報紙收集附著在根系上的土壤，用鑷子去除落葉、毛細(xì)根等雜物，混勻充分后將樣品分成2份，其中一份放入離心管中，液氮保存、干冰寄送至上海派森諾生物科技公司，用于土壤真菌多樣性的檢測；另一份放入-80 ℃?zhèn)溆谩?/p>

根據(jù)DNeasyPowerSoil Kit(QIAGEN)試劑盒說明書對土壤總DNA進(jìn)行提取，利用NanoDrop2000對提取的DNA濃度和純度進(jìn)行檢測；對真菌ITS1-ITS2區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增。構(gòu)建好高通量測序文庫進(jìn)行雙端測序。測序結(jié)果使用QIIME等分析軟件將OUT聚類與劃分，開展Alpha多樣性、beta多樣性以及不同分類水平的群落結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.2 旱地番茄品質(zhì)指標(biāo)測定 在第3穗果成熟時，選擇各處理發(fā)育狀況一致的果實(shí)洗凈去皮，將組織研磨進(jìn)行品質(zhì)測定，每個處理進(jìn)行3次重復(fù)?？扇苄怨绦挝?、可溶性蛋白、硝酸鹽、可溶性糖、有機(jī)酸、維生素C等品質(zhì)指標(biāo)采用常規(guī)分析法測定[13-18]，番茄紅素含量委托測試機(jī)構(gòu)進(jìn)行測定。

1.3.3 旱地番茄產(chǎn)量測定 每小區(qū)選取中間2行，從旱地番茄第1穗果成熟時開始采摘，直至4～5穗果，每次收獲時用電子秤稱質(zhì)量，計(jì)算產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2000 軟件進(jìn)行整理；采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行顯著性分析(P<0.05)與主成分分析(Principal component analysis，PCA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式對后茬番茄根際土壤真菌多樣性的影響

2.1.1 不同輪作模式對后茬番茄根際土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的影響 各處理土壤真菌門水平群落結(jié)構(gòu)和相對含量差異較大(圖1)。7個樣品豐度較高的前5個門的種類分別是子囊菌門(Ascomycota)、被孢霉門(Mortierellomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、壺菌門(Chytridiomycota)與蛙糞菌門(Basidiobolomycota)，5個門的豐度占總豐度的93%以上，其中，子囊菌門在各處理含量均超過90%。芽枝霉門(Blastocladiomycota)在LVAh、LVAe中含量較高，而LVAf、LVCs中不含該菌；毛霉門(Mucoromycota)在LVAf、LVAe、LVZm中含量較高，在其余處理中含量較低；羅茲菌門(Rozellomycota)在LVZm中含量最高，而LVAh中不含該菌；捕蟲霉門(Zoopagomycota)在LVAf、LLLe中未被檢測到；油壺菌門(Olpidiomycota)僅在LVAe、LVZm中發(fā)現(xiàn)。

由圖2可知，7個樣品中，未知菌屬占比66%～79%，其余豐度較高的10個屬分別為頭囊聚孢霉屬(Cephaliophora)占比4.2%～10.7%；瓶毛殼屬(Lophotrichus)占比1.9%～6.6%；光黑殼屬(Preussia)占比1.7%～7.1%；毛葡孢屬(Botryotrichum)占比1.1%～4.9%；被孢霉菌(Mortierella)占比1.1%～4.7%；沙氏殼屬(Subramaniula)占比0.1%～4.4%；毛殼屬(Chaetomium)占比0.1%～2.5%；鐮刀菌屬(Fusarium)占比0.7%～2.1%；無莖真菌屬(Acaulium)占比0.2%～4.7%；帚枝霉屬(Sarocladium)占比0.2%～0.9%。有研究表明，連作障礙明顯的土壤中含有大量的致病真菌，根據(jù)有害真菌類群及常見病害[19]，本試驗(yàn)7個處理中，只篩選出茄病鐮刀菌(Fusariumsolani)一種有害菌，且相對含量較低(0.002%～0.009%)，其余大部分菌屬于非致病菌[20]。

圖2 不同輪作模式屬水平豐富度比較Fig.2 Comparative of relative abundance at genus level in different treatments

由圖3可知，7個處理較為明顯地分為3類，其中，LVCp單獨(dú)分為一支，LVAf、LVAe、LVAh分為一支，LVCs、LVZm、LLLe為一支。由此可見，輪作不同作物對土壤真菌群落結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生顯著影響。

2.1.2 不同輪作模式對后茬番茄根際土壤真菌多樣性的影響 各樣品覆蓋度均大于99%，說明測序結(jié)果可靠、具有代表性；Chao1指數(shù)是用來衡量物種數(shù)量的多少，該指數(shù)由大到小依次為LVCs>LVZm>LVAh>LVAe>LLLe(CK)>LVAf>LVCp；香濃指數(shù)與辛普森指數(shù)是用來衡量物種多樣性，香濃指數(shù)由大到小依次為LVAh>LVAe>LVCs > LVAf>LVZm> LLLe>LVCp，而辛普森指數(shù)由小到大依次為LVCp

圖3 不同輪作模式聚類分析Fig.3 Hierarchical clustering analysis of different crop rotation patterns

表1 土壤真菌多樣性指數(shù)Tab.1 Diversity index of fungi in soil

2.2 不同輪作模式對后茬旱地番茄品質(zhì)的影響

由表2可知，LVCs的可溶性糖最高，較LLLe(CK)增加了0.206百分點(diǎn)，LVAf的可溶性糖含量最低，較LLLe(CK)降低0.036百分點(diǎn)；LVAf的有機(jī)酸含量最高，較LLLe(CK)增加了0.346百分點(diǎn)，LVZm、LVCp含量最低，較LLLe(CK)降低0.040百分點(diǎn)。有研究表明[21-22]，糖酸比在6.9～10.8番茄食用風(fēng)味最佳。LVZm輪作模式的糖酸比最大，說明該處理口味較佳；其次是LVCp輪作模式；LVAf輪作模式糖酸比最低，口感最差。維生素C含量以LVAh、LVCs含量最低，較LLLe(CK)降低37.5%，其余模式Vc含量差異不顯著?？扇苄缘鞍缀坎煌幚黹g沒有顯著差異?？扇苄怨绦挝锖恳訪LLe(CK)、LVCp模式最高，為6.5%，其余模式可溶性固形物含量較對照均顯著降低(P<0.05)，其中，LVZm、LVAf、LVAe含量最低，均為5.0%，較LLLe(CK)降低1.5百分點(diǎn)。各輪作模式的番茄紅素含量較LLLe(CK)均提高，其中以LVCp輪作模式增幅最大，達(dá)344.6%。硝酸鹽含量最高的為LVAe，較LLLe(CK)顯著增加43.3%(P<0.05)。

表2 不同輪作模式對后茬旱地番茄品質(zhì)的影響Tab.2 Effect of difference rotation patterns on quality traits of dryland tomato

2.3 不同輪作模式對后茬旱地番茄產(chǎn)量的影響

由圖4可知，旱地番茄產(chǎn)量由高到低為LVAe>LVCp>LVAh>LVAf>LLLe(CK)>LVZm>LVCs，其中，LVAe、LVCp與LLLe(CK)相比產(chǎn)量顯著提高(P<0.05)；單果質(zhì)量由高到低為LVCp>LLLe，LVAh>LVAf，LVAe>LVZm>LVCs，LVCp輪作模式番茄單果質(zhì)量顯著增加。

不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。 Different lowercase letters meant significant difference among treatments at 0.05 level.

2.4 不同輪作模式對旱地番茄品質(zhì)、產(chǎn)量影響的綜合分析

2.4.1 評價指標(biāo)的選取、標(biāo)準(zhǔn)化及指標(biāo)間的相關(guān)性 選取具有代表性的因子，包括旱地番茄品質(zhì)因子(可溶性糖、有機(jī)酸、糖酸比、硝酸鹽、Vc、可溶性蛋白、可溶性固形物、番茄紅素)和旱地番茄產(chǎn)量因子(產(chǎn)量、單果質(zhì)量)共10個作為主成分分析的評價指標(biāo)，為保證數(shù)據(jù)的客觀性與科學(xué)性，需對原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使選取因子在數(shù)量級和量綱上達(dá)到一致，然后對番茄品質(zhì)、產(chǎn)量各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。

表3結(jié)果表明，可溶性糖含量與可溶性蛋白含量顯著正相關(guān)(P<0.05)，與單果質(zhì)量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；有機(jī)酸含量與糖酸比呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；可溶性蛋白含量與單果質(zhì)量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

表3 番茄品質(zhì)、產(chǎn)量指標(biāo)相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of tomato quality and yield indexes

2.4.2 旱地番茄品質(zhì)、產(chǎn)量主成分結(jié)果分析 由表4可知，旱地番茄品質(zhì)、產(chǎn)量主成分分析貢獻(xiàn)率與累積貢獻(xiàn)率：第1個主成分的特征值是4.046，方差貢獻(xiàn)率為40.462%，第2個主成分的特征值為2.464，方差貢獻(xiàn)率為24.635%，第3個主成分的特征值為1.458，方差貢獻(xiàn)率為14.581%，第4個主成分的特征值是1.263，方差貢獻(xiàn)率為12.633%，4個主成分累積貢獻(xiàn)率為92.311%，即這4個主成分包含總體信息的92.311%，符合分析要求。所以能夠以這4個主成分來代表旱地番茄品質(zhì)、產(chǎn)量進(jìn)行性狀篩選。

2.4.3 旱地番茄品質(zhì)、產(chǎn)量綜合排名綜合評估 旱地番茄品質(zhì)、產(chǎn)量綜合排名從高到低為LVCp> LVAe>LLLe(CK)>LVAh>LVAf>LVZm>LVCs(表5)，其中，LVAf、LVZm、LVCs這3個處理綜合得分為負(fù)數(shù)，說明這3個輪作處理降低了旱地番茄的產(chǎn)量與品質(zhì)，是不適宜的輪作模式。

表4 主成分特征值與貢獻(xiàn)率Tab.4 Eigenvalues and contribution rate of variance analysis

表5 不同輪作模式因子得分與綜合排名Tab.5 Factor score and comprehensive ranking in different treatments

3 結(jié)論與討論

真菌作為土壤微生物的重要組成部分，具有養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、有機(jī)質(zhì)分解等作用。動植物殘體主要依靠腐生真菌來分解，土壤真菌的多少與土壤有機(jī)質(zhì)含量多少密切相關(guān)[23]。真菌多樣性是判斷土壤生態(tài)系統(tǒng)是否健康運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件。另一方面，單一作物長時間連作會使土壤板結(jié)、有害真菌數(shù)量增加、有益菌數(shù)量較少，使作物發(fā)生病害、品質(zhì)下降，最終造成減產(chǎn)[24]。有研究表明，作物連作會影響土壤微生物的生長繁殖，使細(xì)菌和有益微生物數(shù)量減少、病原真菌數(shù)量增加[25]，導(dǎo)致土壤根際微生態(tài)系統(tǒng)失衡，造成連作障礙[26-27]。本研究中，番茄連作處理與其他處理相比，沒有發(fā)現(xiàn)明顯連作障礙現(xiàn)象，在8個處理中均篩選到有害菌茄病鐮刀菌，且相對含量較低(0.002%～0.009%)。這可能是因?yàn)榉堰B作時間為4 a，還未引起明顯的連作障礙；其次可能是因?yàn)樵诜N植過程中每年施用有機(jī)肥，可緩解連作障礙，改善土壤群落結(jié)構(gòu)，減輕土傳病害的發(fā)生[28]。因各處理絕大部分菌未被準(zhǔn)確檢測出來，在綜合評價時未被列入微生物多樣性這個因子，具體還需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。受限于測序數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)庫不夠完善等原因，使得相當(dāng)一部分物種無法被準(zhǔn)確檢測出來，未來考慮采用更精準(zhǔn)的宏基因組測序來解決這個問題。

本研究通過比較不同作物與旱地番茄輪作對土壤真菌門水平相對豐度可知，土壤真菌優(yōu)勢菌群為子囊菌門，在各處理中含量超過90%，與前人研究結(jié)果一致[29]；其次依次為被孢霉門、擔(dān)子菌門、壺菌門與蛙糞菌門。土壤真菌的種類和比例與以往研究不相同，這可能與植物的種類、土壤條件等因素有關(guān)。有研究表明，子囊菌門具有降解可溶性土壤中有機(jī)底物的功能，推測子囊菌門在各處理含量均超過90%的原因可能與連續(xù)施用有機(jī)肥有關(guān)，施用有機(jī)肥使土壤中有機(jī)物質(zhì)含量增加，進(jìn)而使土壤中子囊菌門數(shù)量升高[30]。子囊菌是自然界最為豐富的真菌之一，但絕大多數(shù)子囊菌的生物學(xué)功能尚不明確，需要進(jìn)一步研究其在土壤肥力和植物病害發(fā)生中的作用。

為了篩選出適宜晉東南地區(qū)最佳的輪作作物，應(yīng)綜合考慮后茬番茄的品質(zhì)、產(chǎn)量等多方面因素。本研究運(yùn)用主成分分析法將10個品質(zhì)、產(chǎn)量因子的原始指標(biāo)降維、提取出4個主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)92.31%。通過主成分分析法得知，不同作物與旱地番茄輪作模式的綜合得分順序?yàn)槲骱J>秋葵>旱地番茄>花生>蔥>糯玉米>黃瓜。其中，輪作西葫蘆得分最高，其次依次為輪作秋葵、旱地番茄連作、輪作花生，四者得分均為正值，說明輪作西葫蘆、秋葵、花生以及連作旱地番茄可使番茄品質(zhì)、產(chǎn)量保持較高的水平。輪作蔥、糯玉米、黃瓜三者得分為負(fù)值，說明輪作蔥、玉米、黃瓜降低了旱地番茄的品質(zhì)和產(chǎn)量。由此可知，不同輪作模式會影響后茬作物番茄的生長和品質(zhì)，考慮到長期連作必然會造成連作障礙，認(rèn)為西葫蘆、秋葵是較為適宜晉東南地區(qū)避免旱地番茄連作障礙的理想輪作作物。