輪作蒜(青蒜)對(duì)大棚連作芋產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤微生物群落的影響

摘要： 為明確輪作蒜（青蒜）對(duì)大棚連作芋產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤微生物的影響，本研究通過芋連作、芋-蒜（青蒜）輪作的比較試驗(yàn)，分析了輪作蒜（青蒜）對(duì)大棚連作芋產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤細(xì)菌和真菌豐富度、多樣性和屬水平上群落結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，與芋連作相比，蒜（青蒜）輪作后茬芋產(chǎn)量、總淀粉含量和總多糖含量均有顯著提高；土壤有機(jī)質(zhì)含量、有效鐵含量顯著增加，交換性鈣含量無顯著差異；被孢霉菌屬（Mortierella）有益真菌的相對(duì)豐度顯著增加，鐮刀菌屬（Fusarium）、枝孢屬（Cladosporium）、新叢赤殼屬（Neonectria）、鏈格孢屬（ Alternaria）和曲霉屬（Aspergillus）等有害真菌的相對(duì)豐度顯著降低。因此，蒜（青蒜）-芋輪作不但可以提高后茬芋的產(chǎn)量和品質(zhì)，而且可以改善土壤理化性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)，有利于緩解大棚芋的連作障礙。

關(guān)鍵詞： 大棚種植；蒜（青蒜）-芋輪作；連作障礙

中圖分類號(hào)： S632.3

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 1000-4440（2024）11-2040-06

Effects of garlic （garlic sprouts） rotation on taro yield， quality and soil microbial community in plastic tunnel

LIU Decai， YIN Jianmei， JIN Lin， WANG Li， JIANG Lu， GUO Wenqi， HAN Xiaoyong， ZHANG Peitong

（Institute of Industrial Crops， Jiangsu Academy of Agricultural Sciences， Nanjing 210014， China）

Abstract： In order to clarify the effects of garlic rotation on the yield， quality and soil microorganisms of continuous cropping taro in greenhouse， a contrast test between taro continuous cropping and taro-green garlic rotation was conducted to analyze the effects of garlic rotation on the yield and quality of continuous cropping taro in greenhouse and the richness， diversity and community structure of soil bacteria and fungi at the genus level in this study. The results showed that compared with taro continuous cropping， the yield， total starch content and total polysaccharide content of taro under garlic rotation were significantly increased. The content of soil organic matter and available iron increased significantly， but" there was no significant difference in exchangeable calcium content. The relative abundance of beneficial fungi in Mortierella increased significantly， while the relative abundance of harmful fungi such as Fusarium， Cladosporium， Neonectria， Alternaria and Aspergillus decreased significantly. Therefore， the rotation of green garlic-taro can not only improve the yield and quality of subsequent taro， but also improve the soil physical and chemical properties and microbial community structure， which is conducive to alleviating the continuous cropping obstacles of greenhouse taro.

Key words： planting in greenhouse;garlic （garlic sprouts）-taro rotation;continuous cropping obstacles

芋頭是天南星科多年生草本植物芋[Colocasia esculenta （L.） Schott]的地下球莖，具有潔齒防齲、節(jié)食減肥、潤(rùn)腸通便等功效，深受消費(fèi)者歡迎。為更好地調(diào)控芋頭的上市期，滿足消費(fèi)者不同時(shí)間對(duì)新鮮優(yōu)質(zhì)芋頭的需求，目前大棚種植芋頭在生產(chǎn)中得到越來越多的應(yīng)用^[1]。生產(chǎn)中部分種植戶為追求芋頭的高產(chǎn)出和高收益，常采用連作的方式進(jìn)行芋頭的生產(chǎn)。因此，大棚芋連作障礙已成為制約大棚芋健康生產(chǎn)的主要限制因子。

合理輪作是預(yù)防和緩解連作障礙的有效方法之一^[2-4]。由于不同作物根系分泌物差異、根際微生物種群差異、根系土層深度差異和養(yǎng)分需求差異等，因此，作物輪作可以較好地平衡土壤養(yǎng)分，改善土壤微生態(tài)環(huán)境，緩解連作障礙給作物產(chǎn)量及品質(zhì)帶來的負(fù)面影響。蔥蒜類蔬菜是公認(rèn)的良好前茬作物^[5-6]。劉海嬌等^[7]研究認(rèn)為蔥與三七輪作可以改善土壤微生物群落，緩解三七的連作障礙。徐新雯等^[8]與陳玉藍(lán)等^[9]研究發(fā)現(xiàn)，煙蒜輪作可以優(yōu)化土壤細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)，降低土傳病害的發(fā)生。目前，芋與蒜（青蒜）輪作對(duì)芋頭產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)方面影響的研究還鮮有報(bào)道。為此，本研究通過芋連作和芋-蒜（青蒜）輪作比較試驗(yàn)，分析不同種植方式對(duì)后茬芋產(chǎn)量、品質(zhì)及土壤微生物組成與種群結(jié)構(gòu)的影響，以明確芋-蒜（青蒜）輪作對(duì)緩解大棚芋連作障礙的效果，為大棚芋優(yōu)質(zhì)高效栽培提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)于2021年2月至2022年9月在江蘇省太倉市城廂鎮(zhèn)電站村生態(tài)園的塑料大棚中進(jìn)行。大棚寬6 m、長(zhǎng)50 m， 2020年大棚內(nèi)種植的前茬作物是辣椒，大棚內(nèi)土壤條件一致性較好?？v向?qū)⒋笈锏确譃橛筮B作區(qū)和芋-蒜（青蒜）輪作區(qū)。2021年2月至9月，大棚內(nèi)全部種植芋，供試芋品種為太倉新毛芋。大棚芋采用行向種植，行距90 cm，株距25 cm，每區(qū)各種植3行?；适褂脤Ｓ脧?fù)合肥（總養(yǎng)分含量≥25%）6 000 kg/hm²，芋膨大期追施專用復(fù)合肥3 000 kg/hm²及氨基酸沖施肥（氨基酸含量15%）150 kg/hm²。

2021年芋收獲后，芋連作區(qū)作為空茬對(duì)照（CK），芋-蒜（青蒜）輪作區(qū)種植蒜（青蒜）。蒜（青蒜）品種為二水早，紫皮早熟蒜品種。2021年9月底種植，行距20 cm，株距5 cm。播種后覆蓋地膜保溫保濕，出苗后及時(shí)破膜放苗。12月初，大棚覆膜保溫。種植前施餅肥7 500 kg/hm²及三元復(fù)合肥（N含量、P₂O₅含量、K₂O含量均為15%）1 500 kg/hm²為基肥，大棚覆膜前追施尿素300 kg/hm²。2022年1月下旬收獲。

2022年2月至9月分別在芋連作區(qū)和芋-蒜（青蒜）輪作區(qū)種植后茬芋，栽培措施與2021年一致。每個(gè)區(qū)設(shè)3個(gè)重復(fù)，每個(gè)重復(fù)40 m²。

1.2 數(shù)據(jù)測(cè)定

1.2.1 芋頭產(chǎn)量及品質(zhì)測(cè)定 2022年9月23日，每處理隨機(jī)選擇3個(gè)取樣代表性點(diǎn)，每個(gè)取樣代表性點(diǎn)選取長(zhǎng)勢(shì)一致的連續(xù)植株5株測(cè)定單株子孫芋頭數(shù)、子孫芋頭鮮重，計(jì)算各處理的理論產(chǎn)量。參照文獻(xiàn)[10]、[11]的方法測(cè)定芋頭的總淀粉含量、總多糖含量和粗蛋白含量等品質(zhì)指標(biāo)。

1.2.2 土樣采集與分析 在輪作蒜（青蒜）收獲后（2022年1月）及后茬芋收獲后（2022年9月）分別采集空茬對(duì)照和蒜（青蒜）輪作地塊的土樣，每個(gè)處理3個(gè)重復(fù)。根據(jù)文獻(xiàn)[12]的方法測(cè)定不同處理下的土壤有機(jī)質(zhì)含量、速效氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有效鐵含量和交換性鈣含量。土壤微生物高通量測(cè)序的方法如下：利用土壤微生物DNA提取試劑盒47014 DNeasy PowerSoil Pro Kit （德國QIAGEN公司產(chǎn)品）提取土壤微生物DNA，委托北京百邁客生物科技有限公司進(jìn)行細(xì)菌和真菌的高通量測(cè)序。利用正向引物F（5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′）及反向引物R （5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′）對(duì)細(xì)菌總DNA中16S rRNA V3～V4區(qū)進(jìn)行PCR擴(kuò)增。利用正向引物F（5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′）和反向引物R（5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′）對(duì)真菌DNA進(jìn)行擴(kuò)增?；贗llumina NovaSeq測(cè)序平臺(tái)，利用雙末端測(cè)序（Paired-End）法，構(gòu)建小片段文庫并進(jìn)行測(cè)序。利用Trimmomatic軟件對(duì)原始測(cè)序數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制，然后利用 Cutadapt軟件進(jìn)行引物序列的識(shí)別與去除，再利用 Usearch軟件對(duì)雙端reads進(jìn)行拼接并去除嵌合體，最終得到高質(zhì)量序列?；?7%的序列相似性對(duì)高質(zhì)量序列進(jìn)行聚類劃分操作分類單元（OTU）?；赟ILVA細(xì)菌數(shù)據(jù)庫，使用樸素貝葉斯分類器對(duì)細(xì)菌16S rRNA V3～V4區(qū)特征序列進(jìn)行分類學(xué)注釋；基于UNITE真菌數(shù)據(jù)庫，使用樸素貝葉斯分類器對(duì)真菌內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)（ITS）特征序列進(jìn)行分類學(xué)注釋。利用QIIME2軟件計(jì)算土壤細(xì)菌與真菌群落結(jié)構(gòu)的豐富度（ACE指數(shù)和Chao1指數(shù)）和多樣性（Shannon指數(shù)）; 使用STAMP軟件分析屬水平上真菌群落的差異。

1.3 數(shù)據(jù)分析與處理

采用Excel和SPSS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)整理與圖表制作，利用單因素方差分析（ANOVA）進(jìn)行處理間差異顯著性分析（Plt;0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 輪作處理對(duì)芋頭產(chǎn)量和品質(zhì)的影響

2021年連作區(qū)和輪作區(qū)的前茬芋理論產(chǎn)量分別為（25 042.5±683.2） kg/hm²和（25 516.5±352.3） kg/hm²，兩者無顯著差異，說明2個(gè)地塊的地力水平一致。輪作蒜（青蒜）后，2022年大棚芋的單株子孫芋頭數(shù)、單株子孫芋頭鮮重及理論產(chǎn)量分別比空茬對(duì)照增加81.40%、141.32%、128.04%，差異顯著。此外，輪作蒜（青蒜）后2022年后茬芋的總淀粉含量和總多糖含量分別比空茬對(duì)照提高11.33%和38.40%，粗蛋白含量下降32.51%，而折干率無顯著差異（表1）。

2.2 輪作對(duì)大棚土壤理化性質(zhì)的影響

秋冬季茬口輪作蒜（青蒜）對(duì)大棚芋連作土壤的理化性狀也產(chǎn)生了一定影響（表2）。輪作蒜（青蒜）土壤中有機(jī)質(zhì)含量和有效鐵含量分別比空茬對(duì)照顯著增加40.38%和51.53%，交換性鈣含量無顯著差異。同時(shí)，輪作蒜（青蒜）地塊的速效氮含量和速效鉀含量分別比空茬地塊顯著增加26.82%和14.61%，而速效磷含量差異不顯著。

2.3 大棚芋-蒜（青蒜）輪作對(duì)土壤微生物OTU的影響

秋冬季輪作蒜（青蒜）后，后茬芋收獲后土壤中細(xì)菌和真菌群落物種的豐富度和群落結(jié)構(gòu)的多樣性如表3所示。從表中可以看出，輪作蒜（青蒜）處理后，后茬芋收獲后土壤中細(xì)菌ACE指數(shù)和Chao1指數(shù)均低于空茬對(duì)照，而2個(gè)處理的Shannon指數(shù)無顯著差異。輪作蒜（青蒜）處理土壤中真菌ACE指數(shù)、Chao1指數(shù)和Shannon指數(shù)均顯著低于空茬對(duì)照。說明輪作處理后，土壤微生物群落的豐富度和多樣性在下降。

不同處理后茬芋收獲后土壤中細(xì)菌和真菌群落的物種維恩圖如圖1所示。從圖中可以看出，空茬對(duì)照和蒜（青蒜）輪作2個(gè)處理土壤共有的細(xì)菌OTU數(shù)量為262個(gè)，而空茬對(duì)照土壤獨(dú)有的細(xì)菌OTU數(shù)量為694個(gè)，高于蒜（青蒜）輪作處理的462個(gè)（圖1A）?？詹鐚?duì)照和蒜（青蒜）輪作2個(gè)處理土壤共有的真菌OTU數(shù)量占比為11.5%，而空茬對(duì)照土壤獨(dú)有的真菌OTU數(shù)量為169個(gè)，仍然高于蒜（青蒜）輪作處理的138個(gè) （圖1B）。

2.4 土壤細(xì)菌在屬分類水平上的差異分析

依據(jù)分類學(xué)注釋，土壤中細(xì)菌群落在屬分類水平上主要檢測(cè)到unclassified_Vicinamibacterales（未分類Vicinamibacterales）、Sphingomonas（鞘氨醇單胞菌屬）、unclassified_Gemmatimonadaceae（未分類Gemmatimonadaceae）、unclassified_Bacteria（未分類Bacteria）、unclassified_Vicinamibacteraceae（未分類Vicinamibacteraceae）、unclassified_SC_I_84（未分類SC_I_84）、Lysobacter（溶桿菌屬）、Nitrospira（硝化螺菌屬）、MND1與Dongia等。蒜（青蒜）輪作后土壤中鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）的細(xì)菌相對(duì)豐度比空茬對(duì)照顯著增加2.04個(gè)百分點(diǎn)，其他屬細(xì)菌的相對(duì)豐度無顯著變化（圖2A）。蒜（青蒜）輪作后茬芋種植后土壤中unclassified_Bacteria、unclassified_Vicinamibacteraceae和unclassified_Vicinamibacterales等屬的細(xì)菌相對(duì)豐度分別比與空茬對(duì)照后茬芋種植后的土壤顯著降低4.60個(gè)百分點(diǎn)、3.73個(gè)百分點(diǎn)和2.52個(gè)百分點(diǎn)，而unclassified_Gemmatimonadaceae、Dongia、unclassified_SC_I_84和Sphingomonas等屬的細(xì)菌相對(duì)豐度分別顯著增加3.28個(gè)百分點(diǎn)、2.38個(gè)百分點(diǎn)、2.24個(gè)百分點(diǎn)和1.60個(gè)百分點(diǎn)（圖2B）。

2.5 土壤真菌基于屬分類水平上的差異分析

蒜（青蒜）輪作后，土壤中被孢霉菌屬（Mortierella） 有益真菌的相對(duì)豐度比空茬對(duì)照增加12.05個(gè)百分點(diǎn)，而新叢赤殼屬（Neonectria）、鐮刀菌屬（Fusarium）、鏈格孢屬（Alternaria）和枝孢屬（Cladosporium） 有害真菌的相對(duì)豐度分別顯著降低18.56個(gè)百分點(diǎn)、1.72個(gè)百分點(diǎn)、0.21個(gè)百分點(diǎn)和0.13個(gè)百分點(diǎn)（圖3A）。蒜（青蒜）輪作后茬芋收獲后，土壤中被孢霉菌屬（Mortierella）有益真菌的相對(duì)豐度比空茬對(duì)照后茬芋收獲后增加11.88個(gè)百分點(diǎn)，而枝孢屬（Cladosporium）、鐮刀菌屬（Fusarium）、曲霉屬 （Aspergillus）和鏈格孢屬（Alternaria）有害真菌的相對(duì)豐度分別顯著降低4.53個(gè)百分點(diǎn)、3.17個(gè)百分點(diǎn)、1.46個(gè)百分點(diǎn)和0.23個(gè)百分點(diǎn)（圖3B）。

3 討論

前人研究結(jié)果表明，連作會(huì)造成芋頭產(chǎn)量的大幅下降^[13]，芋頭中粗脂肪含量、維生素C含量、淀粉含量、鐵含量和鋅含量的降低，口感變差^[14]。本研究分析了蒜（青蒜）-芋輪作對(duì)大棚芋連作障礙的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)蒜（青蒜）-芋輪作能提高后茬芋的產(chǎn)量及總淀粉含量和總多糖含量。此外，輪作蒜（青蒜）還能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量和有效鐵含量，這不但有助于芋頭對(duì)營養(yǎng)元素的吸收，還能促進(jìn)芋頭的生長(zhǎng)發(fā)育^[15]。Lithourgidis等^[16]研究發(fā)現(xiàn)，芋連作后土壤會(huì)出現(xiàn)磷含量過剩、鉀含量不足的狀況，而本研究結(jié)果表明，蒜（青蒜）-芋輪作后，土壤速效鉀含量顯著增加，而速效磷含量與空茬對(duì)照相比無顯著差異，即輪作能在一定程度上解決土壤的營養(yǎng)平衡問題，緩解大棚芋的連作障礙，促進(jìn)大棚芋生產(chǎn)。

土壤中真菌群落的構(gòu)成對(duì)作物的病害發(fā)生有重要影響。Fusarium屬真菌能夠引起芋莖腐病的發(fā)生，芋莖腐病嚴(yán)重地塊芋頭產(chǎn)量減產(chǎn)高達(dá)70%^[17]；Alternaria屬真菌能夠引起作物葉片的斑枯病和萎蔫病；Neonectria屬真菌是引起作物局部組織潰爛、壞死以及木栓層增生的病原菌；Cladosporium和Aspergillus屬真菌也會(huì)引起作物的腐爛、發(fā)霉和萎蔫等。本研究結(jié)果表明，輪作蒜（青蒜）后土壤中有益真菌的相對(duì)豐度提高，而Fusarium、Alternaria、Neonectria、Cladosporium和Aspergillus等屬有害真菌的相對(duì)豐度下降，說明輪作能改善土壤真菌群落結(jié)構(gòu)，降低真菌病害風(fēng)險(xiǎn)，這與張慧等^[18]的研究結(jié)果一致。李春宏等^[19]的研究發(fā)現(xiàn)，芋頭根際土壤中的亡革菌屬、鐮刀菌屬、周刺座霉屬和小畫線殼屬是連作障礙的主要有害真菌。這與本研究中相對(duì)豐度顯著下降的真菌類型有一些差異。但有害菌相對(duì)豐度的降低和有益菌相對(duì)豐度的增加對(duì)芋連作障礙的緩解能起到一定的正向效果。

秋冬季輪作種植對(duì)土壤微生物的數(shù)量及種類造成影響的主要原因，一方面是由于秋冬季作物的根際效應(yīng)，另一方面是由于秋冬季作物在土壤中遺留的殘?bào)w物質(zhì)。選擇合適的輪作作物對(duì)土壤微生物群落的組成與結(jié)構(gòu)有較大影響。本研究初步討論了蒜（青蒜）-芋輪作對(duì)大棚土壤微生物結(jié)構(gòu)的影響，但其具體的影響機(jī)制還有待進(jìn)一步深入分析。

4 結(jié)論

大棚秋冬季茬口輪作蒜（青蒜）能夠增加后茬芋的產(chǎn)量、總淀粉含量和總多糖含量，提高土壤有機(jī)質(zhì)含量、有效鐵含量、速效氮含量和速效鉀含量，提升被孢霉菌屬（Mortierella）有益真菌的相對(duì)豐度，降低新叢赤殼屬（Neonectria）、鐮刀菌屬（Fusarium）、鏈格孢屬（Alternaria）和枝孢屬（Cladosporium）有害真菌的相對(duì)豐度。因此，蒜（青蒜）與芋輪作具有緩解大棚芋連作障礙的潛力。

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（責(zé)任編輯：石春林）