牛艷蕾,孫子壹,孫曉瑩,陳曉峰
(中國農業(yè)大學煙臺研究院,山東煙臺 264670)
辣椒源自墨西哥,是一年生或多年生的茄科植物,目前是中國重要的農產品之一,據(jù)2017 年統(tǒng)計,中國辣椒種植面積已超過133 萬hm2,其年播種面積占全國蔬菜總面積的8%~10%[1-3]。環(huán)境溫度為辣椒生長的重要影響因素之一,為解決環(huán)境溫度對辣椒生長的影響,地膜覆蓋成為辣椒生產中的一項高效增產技術。設施栽培中采用地膜栽培可以有效促進土壤保溫、促進根系和植株生長。研究表明,覆蓋地膜可減少土壤水分蒸發(fā)量43.61%,表層5 cm 處土壤溫度提高0.91~1.04 ℃,促進植株的生長,可提高作物產量20%~50%[4-6]。隨著農用地膜的廣泛應用,地膜使用量和覆膜年限增加,殘膜污染問題愈演愈烈,中國農田平均地膜殘留量為50~260 kg/hm2[7]。地膜材質的穩(wěn)定性導致其在土壤中難以降解,且殘留地膜的大量聚集會阻礙土壤與大氣的水、氣、熱交換能力,從而降低土壤的透氣性、熱容量和容水量,聚乙烯殘膜也使土壤pH、堿解氮、有效磷、速效鉀分別降低4.76%、21.50%、42.04%、51.30%[8-10]。因此,尋找對環(huán)境更加友好,適合多種栽培情況的地膜是辣椒種植的關鍵。
目前環(huán)保地膜的研究包括生物降解地膜、光降解地膜、光-生物復合降解地膜、液體降解地膜和微生物合成型、化學合成高分子型、天然高分子型等完全生物降解地膜,以及其他新型降解地膜[11-13]。其中,麻地膜于2004 年4 月26 日通過農業(yè)農村部科技成果鑒定并逐步應用于農業(yè)生產,其質地輕薄,但強度較高,保溫保濕效果好,能有效促進農作物的生長發(fā)育;在土壤中的降解性能良好,無污染并有培肥土壤作用,因此其在土壤種植中的應用成為人們研究的重點[14-16]。在設施栽培中,麻地膜覆蓋較PE 地膜覆蓋可提高小區(qū)產量和單位面積產量以及植株株高、莖粗、單株鮮重等[17-19],但關于麻地膜在設施無土栽培上的研究還很少見,其對作物的生長發(fā)育是否與在土壤中一樣,對基質的影響是否與土壤一致尚不明確。鑒于此,研究麻地膜對無土栽培蔬菜作物生長發(fā)育環(huán)境的影響至關重要。
試驗于2022 年3—6 月在中國農業(yè)大學煙臺研究院日光溫室內進行。
試驗采用辣椒品種為丹鳳朝陽(朝天椒)。栽培基質為草炭∶蛭石∶珍珠巖按4∶1∶1 比例(體積比)配制而成,麻地膜采用以苧麻纖維等為主要原料制成的白色膜,厚度2.4 mm,聚乙烯農用地膜(PE 地膜)采用厚度為0.02 mm 的黑色地膜。栽培土壤為日光溫室內土壤,基質與土壤基本理化性狀見表1。
表1 定植前基質和土壤的基本理化性狀
試驗所用的史丹利植物營養(yǎng)液購自史丹利公司,其主要成分見表2。
表2 營養(yǎng)液主要成分
于2022 年3 月20 日將辣椒(4 片真葉期)定植,2022 年6 月底一次采收結束。辣椒栽培于泡沫箱中,泡沫箱規(guī)格為長×寬×高=60 cm×50 cm×40 cm,裝填基質厚度30 cm,栽培株行距為10 cm×10 cm。
試驗采用單因素變量法分析,除栽培方式不同外,其他管理方式一致。試驗共設4 組處理,CK 為無地膜土壤栽培,T1 為PE 地膜土壤栽培,T2 為PE地膜基質栽培,T3 為麻地膜覆蓋無土栽培。
泡沫箱中每7 d 施稀釋史丹利植物營養(yǎng)液(1∶500)1 000 mL。
1.4.1 不同處理間土壤和基質基本理化性狀的測定 緩苗結束后,自2022 年3 月25 日開始,每7 d進行土壤和基質溫度測定(06:00),至2022 年6 月24 日。2022 年6 月25 日辣椒采收后用環(huán)刀法取0~30 cm 土樣或基質樣品,每個泡沫箱中5 點隨機取樣,取樣后充分混合并用四分法舍棄多余的部分。每泡沫箱中取樣品500 g,去除直徑大于2 mm 的石礫、殘留的根系和有機體,將土壤樣品風干、磨細和過篩后對其進行土壤理化性質的測定[20],土壤和基質項目測定方法見表3。
表3 土壤和基質理化性質指標測定方法
1.4.2 辣椒生長發(fā)育狀況以及品質的測定 辣椒定植后在旺盛生長期進行株高測定(2022 年5 月15日),對不同處理下辣椒初花期、盛花期和結果期等進行記錄,至試驗結束。株高和莖粗采用卷尺測量,對采收后新鮮辣椒果實樣本進行產量和營養(yǎng)品質(VC 含量、可溶性糖含量)測定,VC 含量采用2,6-二靛酚法測定[21],可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定[22]。
1.4.3 辣椒根際土壤微生物數(shù)量的測定 辣椒采收后采集根際土壤樣品,取樣采用5 點采樣混合法,清除表面雜質后,以抖落法采集根際5~10 cm 深度土壤樣品和基質樣品,將土樣充分混合后置于干冰盒內帶回試驗室,及時放于冰箱中儲存?zhèn)溆茫?3]。
采用分子生物學特性方法測定土壤微生物數(shù)量(古菌、細菌和真菌)。土壤DNA 利用OMBSA 試劑盒E.Z.N.A?Mag-Bind Soil DNA Kit 提取試劑盒提取,再利用Qubit3.0 DNA 檢測試劑盒對基因組DNA精確定量,PCR 所用的引物見表4。第一輪擴增完成后,引入Illumina 橋式PCR 兼容引物進行第二輪擴增。擴增后的產物通過2%瓊脂糖凝膠電泳檢測文庫大小,使用Qubit3.0 熒光定量儀進行文庫濃度測定,后交由生工生物工程(上海)股份有限公司進行高通量測序。
表4 用于PCR 檢測的特異引物
使用PEAR0.9.8、cutadapt1.18 和PRINSEQ0.20.4軟件優(yōu)化微生物序列后,利用Usearch11.0.667 軟件按照97%相似性對序列進行OUT 聚類,通過單樣品的多樣性分析(Alpha 多樣性)測定微生物群落的豐度和多樣性。使用軟件R3.6.0 和統(tǒng)計學分析方法,觀測樣本在不同分類水平上的群落結構。
采用Excel 2021 和SPSS 26.0 對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。
由表5 可以看出,不同處理對辣椒的農藝學和生物學性狀影響較大,麻地膜處理對株高、莖粗和小區(qū)產量增加有明顯效果。麻地膜具有可降解的特點,而PE 膜由于不降解,影響水分深入土壤,對株高、莖粗和產量的影響比麻地膜?。?4]。覆膜栽培下的T1、T2、T3 較CK 株高、莖粗和產量均有增長,株高分別增長5.77%、10.99%、14.15%,辣椒株高T3 與T2差異不顯著,與T1、CK 差異顯著;莖粗分別增加10.91%、14.55%、25.45%;產量分別增加5.08%、6.10%、9.15%??芍材ぬ幚砜稍黾又仓甑闹旮?、莖粗和產量。
表5 不同處理對辣椒農藝學和生物學性狀的影響
麻地膜處理明顯縮短果實成熟期。T1 初花期和結果期較CK 提前1 d,盛花期較CK 提前2 d;T2、T3 初花期較CK 分別提前3 d 和4 d,盛花期較CK 提前4 d,結果期分別提前3 d 和5 d,表明覆膜具有保溫、保濕作用,有助于農作物的生長,縮短果實成熟期,且麻地膜覆蓋的影響更大。
4 組處理下的辣椒可溶性糖和VC 含量也有一定差異,麻地膜處理提高果實質量的效果明顯。對比CK,T1 的可溶性糖和VC 含量分別提高了11.76%、30.37%,T2 分別提高14.81%、37.41%,T3 分別提高21.13%、49.26%,T3 的可溶性糖和VC 含量與其他處理差異顯著,表明地膜覆蓋可提高辣椒質量,且覆膜對無土栽培影響更大,提高果實質量的效益更好。
4 組處理下土壤和基質理化性狀見表6,土壤和基質溫度見圖1。根據(jù)表1 和表6 可知,麻地膜對基質有機質、速效氮、速效磷、速效鉀含量有明顯影響。與定植前數(shù)據(jù)相比,CK、T1、T2、T3 的土壤或基質中的有機質含量均增加,其中T3 增加最明顯,為9.43%,可見相較其他處理方式,麻地膜降解后對提高基質有機質的含量有明顯影響。CK、T1、T2、T3的土壤或基質中的速效氮、速效磷、速效鉀含量也均增加,其中CK 增加最少,分別為5.92%、4.34%和9.73%,T3 增加最明顯,分別為22.83%、18.95%和27.64%。4 組處理下的EC 值相對定植前分別增加42.67%、40.00%、36.67%和28.89%,可知T3 下的可溶性鹽濃度較低,有利于植物對基質中養(yǎng)分的吸收,避免過分鹽漬化。
圖1 土壤和基質溫度
表6 不同處理對土壤和基質理化性狀的影響
麻地膜栽培對孔隙度的增加有明顯影響。相較于定植前,CK、T1、T2、T3 的土壤和基質孔隙度分別增加4.13%、7.64%、7.67%、9.12%。
由圖1 知,地膜覆蓋可改變土溫和濕度,麻地膜處理保溫效果最好,促進了作物對基質中養(yǎng)分的分解和吸收。CK、T1、T2、T3 的溫度變化分別為15.5~26.7 ℃、17.1~27.7 ℃、17.2~27.4 ℃、19.1~29.7 ℃。
2.3.1 群落豐度和多樣性 高通量技術是目前普遍應用的新一代測序技術,覆蓋深度高,數(shù)據(jù)量大,能夠真實地揭示微生物環(huán)境的豐度和多樣性[25]。群落豐度主要由Chao 指數(shù)和Ace 指數(shù)決定,與兩者皆呈正比;群落多樣性主要由Shannon 指數(shù)和Simpson指數(shù)決定,與Shannon 指數(shù)呈正比,與Simpson 指數(shù)呈反比。表7 為辣椒根際土壤微生物α 多樣性分析結果,試驗微生物經高通量測序后,樣本文庫的覆蓋率均大于99.9%,證明此次測序合理,能夠反映該樣本的微生物種類和群落的真實情況。
表7 辣椒根際土壤微生物α 多樣性分析
由表7 知,與CK 相比,T1、T2、T3 的樣本中古菌的OTUs、Chao 指數(shù)、Ace 指數(shù)均降低,T1 的Shannon指數(shù)增大,Simpson 指數(shù)減小,T2 和T3 的Shannon 指數(shù)都減小,Simpson 指數(shù)都增大。說明覆膜不利于古菌群落豐度的增加,但可以增加土壤中古菌群落多樣性,在基質中則降低了其多樣性,麻地膜較PE 膜影響更明顯。T1、T2、T3 的樣品中細菌的OTUs、Chao 指數(shù)、Ace 指數(shù)較CK 均降低,而T1 的Shannon指數(shù)減小,Simpson 指數(shù)增大,T2 和T3 的Shannon 指數(shù)都增大,Simpson 指數(shù)都減小。說明覆膜均不利于細菌群落豐度增加,同時降低了土壤中細菌群落多樣性,但在基質中增加了其多樣性,麻地膜較PE 膜影響更明顯。與CK 相比,T1、T2、T3 的樣品中真菌的OTUs、Chao 指數(shù)、Ace 指數(shù)均降低,而T1 的Shannon 指數(shù)增大,Simpson 指數(shù)不變,T2 和T3 的Shannon 指數(shù)都減小,Simpson 指數(shù)都增大。說明覆膜不利于真菌群落豐度增加,但可以增加土壤中真菌群落多樣性,在基質中則降低了其多樣性,麻地膜和PE 膜差異不明顯。
2.3.2 古菌群落組成與群落結構 根據(jù)圖2 可知,通過分析辣椒根際土壤古菌的群落結構,CK、T1、T2、T3 的主要古菌門種類相同,為奇古菌門(Thaumarchaeota)、烏斯古菌門(Woesearchaeota)、佩斯古菌門(Pacearchaeota)、未分類古菌門(Unclassified-Archaea)、Other(默認將在所有樣本中豐度占比均<1%的物種歸為Other),將相對豐度>5%的古菌門定義為優(yōu)勢種群。CK 的優(yōu)勢種群分別為奇古菌門、烏斯古菌門、未分類古菌門,T1 的優(yōu)勢種群分別為奇古菌門、烏斯古菌門、佩斯古菌門和未分類古菌門,T2 的優(yōu)勢種群分別為奇古菌門、烏斯古菌門、佩斯古菌門和未分類古菌門,T3 的優(yōu)勢種群分別為奇古菌門、烏斯古菌門和未分類古菌門。
圖2 辣椒根際土壤古菌的群落結構
與CK 相比,T1、T2、T3 的奇古菌門相對豐度下降,烏斯古菌門相對豐度提高,可見覆膜后辣椒根際奇古菌門的相對豐度降低,烏斯古菌門的相對豐度提高,其中麻地膜對烏斯古菌門的提升作用較為明顯。
2.3.3 細菌群落組成與群落結構 根據(jù)圖3 可知,通過分析辣椒根際土壤細菌的群落結構,CK、T1、T2、T3 的主要菌群相同,為變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、未分類細菌門(unclassified-bacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、Other(默認將在所有樣本中豐度占比均<1%的物種歸為Other),將相對豐度>5%的菌門定義為優(yōu)勢種群。其中4 組處理共同的優(yōu)勢種群為變形菌門、擬桿菌門、放線菌門。對占比較大的優(yōu)勢種群進行分析,與CK 相比,T1、T2、T3 變形菌門、擬桿菌門的相對豐度增加,酸桿菌門的相對豐度減少??梢姼材ず罄苯犯H中變形菌門和擬桿菌門的相對豐度提高,酸桿菌門的相對豐度降低。T3 放線菌門(5.28%)占比大于其他3 組,說明麻地膜處理有利于放線菌門的生長。
圖3 辣椒根際土壤細菌的群落結構
2.3.4 真菌群落組成與群落結構 根據(jù)圖4 可知,通過分析辣椒根際土壤真菌的群落結構,CK、T1、T2、T3 的共同主要真菌門為被孢霉門(Mortierellomycota)。其中,CK 組的優(yōu)勢種群為被孢霉門,糞殼菌綱(Sordariomycetes),盤菌綱(Pezizomycetes),T1的優(yōu)勢種群為被孢霉門、盤菌綱,T2 的優(yōu)勢種群為被孢霉門、子囊菌門(Ascomycota),T3 的優(yōu)勢種群為糞殼菌綱、被孢霉門。
圖4 辣椒根際土壤真菌的群落結構圖
對優(yōu)勢種群進行分析可知,與CK 相比,T1、T2、T3 被孢霉門的相對豐度降低,可見覆膜后辣椒根際被孢霉門的相對豐度下降,其中麻地膜的影響較PE 膜更為明顯,T3 的優(yōu)勢種群糞殼菌綱,高于其他3 組。
本研究發(fā)現(xiàn),麻地膜為可降解的新型環(huán)保地膜,透氣保濕,當季就能完全降解,全天然、無殘留,具有能增加地溫、保持水分、促進對基質中養(yǎng)分的分解和抑制雜草生長等作用,可促使辣椒提早播種并提升辣椒產量和品質[26]。
辣椒在生長過程中增溫時,在光照弱的實驗室中麻地膜處理的保溫效果和對孔隙度的增加作用好于無膜處理和PE 膜處理,有利于土壤的通氣狀況與水分運行狀況,提高基質中有機質和營養(yǎng)元素含量,改善基質孔隙度,對基質含水量提升明顯,緩解基質含鹽量升高,從而提高基質肥力,為辣椒生長發(fā)育創(chuàng)造有利條件。
本試驗結果發(fā)現(xiàn),與CK 相比,覆膜可提高基質中細菌的多樣性,降低基質中古菌和真菌的多樣性,進而降低真菌與細菌比例,與鄒麗娜等[27]研究結果相同,有利于減少土傳病害的發(fā)生,加快養(yǎng)分的分解與供應。微生物群落豐度的試驗結果表明,覆膜處理下古菌、真菌、細菌豐度都低于CK,與Luo 等[28]的研究結果相符。可能是由于PE 膜覆蓋使土壤孔隙度降低等原因使微生物豐度降低,另一方面可能是麻地膜覆蓋使植物生長旺盛,根部吸收較多養(yǎng)分,導致微生物生長受抑制且植物生長過程中基質內鹽濃度不斷增大有關,與Ikram 等[29]的結論相符。
分析古菌的群落組成與結構發(fā)現(xiàn),4 組處理的優(yōu)勢古菌均為奇古菌和烏斯古菌門,其中,麻地膜處理增加烏斯古菌門的相對豐富度最明顯。而烏斯古菌門可能與產甲烷菌存在共生關系[30],故有利于基質中草炭等物質腐熟,同時對調控基質甲烷排放可能有積極影響[31]。
分析細菌群落組成與結構發(fā)現(xiàn),麻地膜覆蓋處理有利于基質中放線菌的生長,預防多為真菌引起的土傳病害促進作物生長[32]。分析真菌的群落組成與結構發(fā)現(xiàn),麻地膜覆蓋明顯提高糞殼菌綱相對豐度,糞殼菌綱與土壤含水量呈正相關[33],有利于植物根系水分的吸收及養(yǎng)分的運輸。麻地膜的使用改變了土壤微生物的環(huán)境,使土壤微生物的多樣性、豐度和群落組成與結構發(fā)生了一定程度的改變。