不同農(nóng)藝型措施對(duì)溫室黃瓜連作土壤的改良效果

萬小琪， 竇維卉， 楊 雪， 謝 洋， 張 寧， 武春成

(河北科技師范學(xué)院園藝科技學(xué)院/河北省特色園藝種質(zhì)挖掘與創(chuàng)新利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北秦皇島 066004)

黃瓜(CucumissativusL.)是我國主要栽培的設(shè)施蔬菜，具有產(chǎn)量高、經(jīng)濟(jì)效益好的特點(diǎn)。但隨著設(shè)施黃瓜栽培年限的增加，導(dǎo)致了土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤微生物環(huán)境的惡化，降低了黃瓜的產(chǎn)量，制約了設(shè)施黃瓜產(chǎn)業(yè)的持續(xù)性發(fā)展。

目前設(shè)施蔬菜連作土壤改良方面的研究較多，如采用土壤消毒，或者施入微生物菌肥、有機(jī)物料、生物炭等均能起到一定的改良效果。微生物菌肥通過微生物的生命活動(dòng)，產(chǎn)生植株所需的特定養(yǎng)分，從而促進(jìn)土壤中的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和調(diào)控植株生長[1]。田偉等研究表明，微生物菌肥能促進(jìn)植株生長，促進(jìn)土壤中有益微生物的繁殖[2-4]。張玉博等研究發(fā)現(xiàn)，木霉菌是一類重要的生防菌[5]，能促進(jìn)幼苗生長，提高植株的抗性[6-7]。生物炭能改善土壤性質(zhì)和土壤微生物環(huán)境，進(jìn)而促進(jìn)植物生長，被廣泛關(guān)注[8-9]。王彩云等研究表明，施用添加質(zhì)量比為5%的生物炭能促進(jìn)黃瓜植株生長，提高果實(shí)產(chǎn)量[10]。涂玉婷等研究發(fā)現(xiàn)，生物炭可通過改變土壤理化性質(zhì)和微生物環(huán)境，達(dá)到促生、增產(chǎn)、提質(zhì)的效果[11]。雖然目前該方面的研究較多，但由于不同地域環(huán)境及土壤類型，各種措施的改良效果不盡相同。本研究以課題組在其他區(qū)域設(shè)施連作土壤改良方面表現(xiàn)較好的4種農(nóng)藝型措施為試驗(yàn)處理，在秦皇島市昌黎縣溫室秋冬茬黃瓜上進(jìn)行試驗(yàn)，綜合分析其對(duì)黃瓜產(chǎn)量、土壤化學(xué)性質(zhì)以及土壤微生物多樣性等方面的影響，以期探索出適合當(dāng)?shù)販厥尹S瓜連作土壤的改良方法。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

田間試驗(yàn)于2020年9月至2021年3月在河北省秦皇島市昌黎縣新集鎮(zhèn)小營村(119°10′E、39°42′N，海拔22 m)日光溫室進(jìn)行，試驗(yàn)土壤為溫室連續(xù)栽培黃瓜15年的土壤，基本理化性質(zhì)為pH值7.32，電導(dǎo)率(EC值)609.10 μS/cm，有機(jī)質(zhì)含量 55.04 g/kg，堿解氮含量196 mg/kg，速效磷含量49.82 mg/kg，速效鉀含量239.02 mg/kg。

1.2 試驗(yàn)材料

供試黃瓜品種為田驕八號(hào)，由青島碩豐源種業(yè)有限公司培育。微生物菌肥由山東友邦肥業(yè)科技有限公司提供，有機(jī)質(zhì)含量≥40%，有效活菌數(shù)≥0.20億個(gè)/g。微生物菌劑由甘肅鴻遠(yuǎn)生物科技有限公司提供，有效活菌數(shù)≥108CFU/g。高碳堆肥由寧夏農(nóng)林科學(xué)院園藝研究所提供，主要成分為檸條、雞糞和生物炭混合發(fā)酵而成，有機(jī)質(zhì)含量> 35.2%，基本理化性質(zhì)為pH值6.53，EC值 7.23 μS/cm，速效磷含量269.13 mg/kg，速效鉀含量2 370.36 mg/kg。生物炭以玉米秸稈為原料，由遼寧省的生物炭工程技術(shù)研究中心提供，基本性質(zhì)為平均孔徑 16.27 mm，粒徑1.5～2.0 mm，全碳含量70.38%，全氮含量1.53%，全磷含量0.78%，全鉀含量1.68%，pH值8.97。木霉菌為木霉復(fù)合粉劑，由黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)農(nóng)學(xué)院、黑龍江田利保生物科技有限公司和黑龍江牧康牧業(yè)生物有限公司提供，有效活菌數(shù)≥10億個(gè)/g。有機(jī)肥由昌黎縣嘉誠實(shí)業(yè)集團(tuán)有限公司提供，主要成分為菇渣和牛糞，有機(jī)質(zhì)含量>52%。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

田間試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，以每畦(每畦為1個(gè)小區(qū)，每個(gè)小區(qū)3次重復(fù)，畦長6 m，畦面寬1 m，畦間距20 cm)單施有機(jī)肥20.0 kg為對(duì)照(CK)，以課題組前期在不同區(qū)域試驗(yàn)過的4個(gè)農(nóng)藝型改良措施為處理。(1)微生物菌肥配施有機(jī)肥(MF)：每畦微生物菌肥13.0 kg配施有機(jī)肥20.0 kg，有機(jī)肥散施深翻，與土壤混合均勻后做畦，微生物菌肥在定植時(shí)平均施入定植穴；(2)高碳堆肥配施有機(jī)肥(CF)：每畦高碳堆肥 35.0 kg 配施有機(jī)肥10.0 kg，各施入物散施深翻，與土壤混合均勻后做畦；(3)微生物菌劑配施有機(jī)肥(MA)：每畦微生物菌劑73.6 g配施有機(jī)肥 20.0 kg，有機(jī)肥散施深翻，與土壤混合均勻后做畦，微生物菌劑在定植時(shí)平均施入定植穴；(4)生物炭和木霉菌配施有機(jī)肥(BT)：每畦生物炭20.0 kg、木霉菌100 g配施有機(jī)肥20.0 kg，各施入物散施深翻，與土壤混合均勻后做畦。于2020年10月9日定植，1葉1心黃瓜靠接苗，雙行定植，每畦定植46株，畦面覆蓋黑色地膜，膜下鋪設(shè)滴灌管，日常管理同常規(guī)。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.4.1 土壤取樣方法 于黃瓜盛瓜期(2021年1月6日)采集黃瓜根區(qū)土樣，每個(gè)處理采用五點(diǎn)法采集0～20 cm耕層土壤。將土壤樣品分別裝于無菌塑料袋中，立刻帶回實(shí)驗(yàn)室處理。一份放置在 -80 ℃ 的超低溫冰箱中待測(cè)土壤微生物多樣性，另一份在室內(nèi)自然風(fēng)干過2 mm的網(wǎng)篩后測(cè)定土壤化學(xué)性質(zhì)。

1.4.2 小區(qū)產(chǎn)量測(cè)定 采用稱量法定期按小區(qū)進(jìn)行單獨(dú)采摘，測(cè)定黃瓜質(zhì)量，拉秧后統(tǒng)計(jì)小區(qū)總產(chǎn)量。

1.4.3 土壤化學(xué)性質(zhì)測(cè)定 土壤pH值和EC值均用DZS-708型水質(zhì)分析儀(上海雷磁公司)測(cè)定；土壤有機(jī)質(zhì)含量用重鉻酸鉀容量-稀釋熱法測(cè)定；土壤堿解氮含量用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；土壤速效鉀含量用醋酸銨-火焰光度計(jì)法測(cè)定；土壤速效磷含量用鉬銻抗比色法測(cè)定；土壤全氮含量采用凱氏定氮法測(cè)定[12-13]。

1.4.4 土壤微生物多樣性測(cè)定 土壤細(xì)菌使用引物338F(A C T C C T A C G G G A G G C A G C A G)和806R(G G A C T A C H V G G G T W T C T A A T)對(duì)16S rRNA 基因 V3～V4區(qū)進(jìn)行聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增。土壤真菌使用引物ITS1F(C T T G G T C A T T T A G A G G A A G T A A)和ITS2R(G C T G C G T T C T T C A T C G A T G C)對(duì) ITS1F～I(xiàn)TS2R區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增，并根據(jù)上海美吉生物有限責(zé)任公司(上海)的標(biāo)準(zhǔn)方案在Illumina MiSeq 平臺(tái)上進(jìn)行測(cè)序，細(xì)菌和真菌高通量測(cè)序數(shù)據(jù)分析均是基于上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司提供的云服務(wù)結(jié)果進(jìn)行。

1.5 數(shù)據(jù)處理

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用DPS 9.01軟件中的新復(fù)極差法分析。根據(jù)操作分類單元(OTU)聚類，采用Mothur軟件進(jìn)行alpha多樣性分析；群落組成分析基于tax_summary_a文件夾中的數(shù)據(jù)表，利用Excel 2010作表；用R語言進(jìn)行層級(jí)聚類分析繪制樹狀圖；常采用歐氏距離(Euclidean distances)進(jìn)行基于距離的冗余分析(db-RDA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)黃瓜小區(qū)產(chǎn)量的影響

如圖1所示，不同處理均提高了黃瓜的小區(qū)產(chǎn)量，表現(xiàn)為BT>CF>MA>MF>CK處理，其中CF和BT處理均顯著高于CK，較CK分別提高了4.69%、5.94%。

2.2 不同處理對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

由表1可知，MF處理的有機(jī)質(zhì)、全氮和堿解氮含量與CK相比均顯著提高；MF處理的pH值顯著高于CF，MF處理的全氮含量顯著高于MA和BT處理；除BT處理外，其他處理的土壤EC值均高于CK，但差異不顯著；各處理間速效磷含量和速效鉀含量均差異不顯著。

表1 不同處理對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的影響

2.3 不同處理對(duì)土壤細(xì)菌和真菌群落多樣性的影響

由表2可知，在細(xì)菌群落中，各處理的OTU數(shù)量和Shannon指數(shù)并無顯著差異，MF處理的Simpson指數(shù)顯著低于BT處理。在真菌群落中，CF處理的OTU數(shù)量顯著高于其他處理和CK；除MA處理外，各處理的Shannon指數(shù)均顯著高于CK，各處理的Simpson指數(shù)均顯著低于CK。

表2 不同處理對(duì)土壤細(xì)菌和真菌群落的多樣性分析

2.4 不同處理對(duì)土壤細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)的影響

由表3可知，對(duì)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，不同處理改變了土壤細(xì)菌門水平的相對(duì)豐度。各處理均降低了放線菌門的相對(duì)豐度，MA處理顯著提高了厚壁菌門和髕骨細(xì)菌門的相對(duì)豐度；BT處理與CK相比顯著降低了放線菌門的相對(duì)豐度，顯著提高了浮霉菌門的相對(duì)豐度。

表3 不同處理對(duì)土壤細(xì)菌門水平主要菌群相對(duì)豐度的影響

在屬水平上，選取各處理土壤前10個(gè)相對(duì)豐度較高菌屬。由表4可知，MF、MA處理與CK相比，變形菌門MND1菌屬的相對(duì)豐度顯著提高；各處理與CK相比，均顯著提高了Dongia屬的相對(duì)豐度。

表4 不同處理對(duì)土壤細(xì)菌屬水平主要菌群相對(duì)豐度的影響

由表5可知，在門水平上對(duì)土壤真菌群落分析發(fā)現(xiàn)，MF和CF處理均顯著提高了擔(dān)子菌門的相對(duì)豐度；MF、CF處理與CK相比顯著提高了未知真菌門的相對(duì)豐度；各處理間子囊菌門、被孢霉門和壺菌門的相對(duì)豐度差異不顯著。

由表6可知，各處理均顯著降低了腐質(zhì)霉屬的相對(duì)豐度；與CK相比，MF處理顯著降低了嗜熱毀絲霉屬的相對(duì)豐度，顯著提高了錐蓋傘屬的相對(duì)豐度。BT處理的曲霉屬相對(duì)豐度較CK顯著提高。

表5 不同處理對(duì)土壤真菌門水平主要菌群相對(duì)豐度的影響

表6 不同處理對(duì)土壤真菌屬水平主要菌群相對(duì)豐度的影響

2.5 不同處理對(duì)土壤細(xì)菌和真菌群落層級(jí)聚類分析

如圖2所示，土壤細(xì)菌群落門水平上，BT和MF、MA和CF分別在1個(gè)分枝，CK單獨(dú)在1個(gè)分枝上。說明與CK相比，各處理改變了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)。土壤真菌門水平上，BT、CK和MA聚合在一起，MF和CF聚合在另一個(gè)分枝上，說明各處理對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)有一定的影響。

2.6 不同處理的土壤細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的響應(yīng)

如圖3所示，通過冗余分析發(fā)現(xiàn)，影響程度排前2位的土壤環(huán)境因子依次為有機(jī)質(zhì)和速效磷含量。細(xì)菌群落中AN含量與AK、OM、TN含量和EC值呈正相關(guān)，pH值與OM含量呈負(fù)相關(guān)。真菌群落中AK含量與pH值呈正相關(guān)，EC值與AP、OM含量呈正相關(guān)，AP含量和OM含量呈正相關(guān)。

3 討論

已有研究表明微生物肥料和生物炭對(duì)連作土壤具有明顯的改良作用。微生物肥料是通過其自身攜帶的多種有益微生物將土壤中的營養(yǎng)元素轉(zhuǎn)化為可以被植株吸收利用的形式來促進(jìn)養(yǎng)分吸收[14-15]，本試驗(yàn)結(jié)果與之相似。微生物菌肥配施有機(jī)肥施入土壤后，明顯提高了速效鉀含量，顯著提高了有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量。研究發(fā)現(xiàn)生物炭施入土壤后能提高有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤的速效養(yǎng)分含量[16-17]。本試驗(yàn)中生物炭和木霉菌配施有機(jī)肥處理提高了土壤pH值、有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量，降低了土壤EC值。

不同施肥處理會(huì)引起土壤化學(xué)環(huán)境的改變，從而影響微生物物種的多樣性[18]。Ding等研究表明，施入有機(jī)肥能改善土壤的生物多樣性[19]。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，各處理細(xì)菌群落多樣性與對(duì)照相比差異明顯，這可能與施肥時(shí)間、施入量有關(guān)。本試驗(yàn)中有機(jī)肥和微生物菌肥、高碳堆肥、微生物菌劑、生物炭、木霉菌等的施入時(shí)間較短，因此對(duì)土壤細(xì)菌群落的生物多樣性產(chǎn)生的影響較小[20]。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，土壤細(xì)菌群落在門水平上的主要優(yōu)勢(shì)菌群有變形菌門、酸桿菌門、綠彎菌門和放線菌門，這些菌群在其他植物連作土壤研究中也被認(rèn)為是優(yōu)勢(shì)種群[21-22]。已有研究表明，酸桿菌門可以產(chǎn)生多種代謝物，分解難降解物質(zhì)，從而促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定[23-25]。在本試驗(yàn)中微生物菌肥配施有機(jī)肥、生物炭和木霉菌配施有機(jī)肥處理的土壤變形菌門和酸桿菌門的相對(duì)豐度較高，說明微生物菌肥和生物炭施入土壤后加速了土壤中物質(zhì)的分解和代謝，提高了土壤的有機(jī)質(zhì)含量，增加了作物抗病能力，促進(jìn)了作物生長。放線菌門是有機(jī)質(zhì)礦化的主要微生物，能在營養(yǎng)較低或有難降解碳的土壤中生長，促進(jìn)土壤中動(dòng)植物殘?bào)w分解[26-28]。在本試驗(yàn)中生物炭和木霉菌配施有機(jī)肥處理較對(duì)照相比，顯著降低了放線菌門的相對(duì)豐度，說明生物炭和木霉菌施入土壤提高了土壤養(yǎng)分含量增加，從而抑制了放線菌門細(xì)菌的生長。

本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)真菌群落門水平土壤中相對(duì)豐度最高的是子囊菌門，子囊菌門是最大的病原菌構(gòu)成群體，黃瓜連作土壤中子囊菌門豐度的增加極有可能與黃瓜病害的發(fā)生有關(guān)，是黃瓜連作障礙發(fā)生的原因之一[29]。在本試驗(yàn)中，微生物菌肥配施有機(jī)肥(MF)處理降低了子囊菌門真菌的相對(duì)豐度，從而降低了黃瓜病害的發(fā)生。多數(shù)研究表明有機(jī)質(zhì)、全氮、速效磷含量和pH值是驅(qū)動(dòng)溫室黃瓜連作土壤細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)變化的環(huán)境因子[30-31]，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在細(xì)菌群落和真菌群落在所選環(huán)境因子中，有機(jī)質(zhì)含量的解釋度最高，其次是速效磷含量。

4 結(jié)論

微生物菌肥配施有機(jī)肥處理提高了土壤pH值、EC值、有機(jī)質(zhì)、全氮、堿解氮和速效鉀含量；生物炭和木霉菌配施有機(jī)肥處理提高了土壤pH值、有機(jī)質(zhì)和速效鉀含量，降低了土壤EC值。土壤細(xì)菌群落門水平下，微生物菌肥配施有機(jī)肥處理提高了變形菌門的相對(duì)豐度；生物炭和木霉菌配施有機(jī)肥處理提高了酸桿菌門的相對(duì)豐度，顯著降低了放線菌門的相對(duì)豐度。土壤真菌門水平下微生物菌肥配施有機(jī)肥處理降低了子囊菌門的相對(duì)豐度。由于不同處理對(duì)土壤化學(xué)性質(zhì)的改良和土壤微生物環(huán)境條件的改善，從而促進(jìn)黃瓜產(chǎn)量的提高。通過冗余分析，本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)和速效磷含量是影響溫室黃瓜連作土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化的主要環(huán)境因子。綜合分析認(rèn)為，微生物菌肥配施有機(jī)肥和生物炭、木霉菌配施有機(jī)肥處理更有利于改善土壤化學(xué)性質(zhì)和土壤微生物環(huán)境，促進(jìn)黃瓜的生長和產(chǎn)量的提高。