劉 瑩 李 潔 趙凌霄 李春喜 姜麗娜 張黛靜 馬建輝

（1河南師范大學生命科學學院，453007，河南新鄉(xiāng)；2濮陽市農(nóng)業(yè)科學院，457000，河南濮陽）

黃河故道主要指公元前602年（周定王五年）至今黃河主流遷徙改道所形成的區(qū)域，全長730km，南北平均長度達32.5km，橫跨河南、山東、江蘇和安徽4省，總面積281萬hm2，其中耕地面積達183.2萬hm2[1-2]，是我國重要的糧食生產(chǎn)潛力區(qū)。由于長期流水沖積，該區(qū)域農(nóng)田類型以砂質(zhì)土壤為主，農(nóng)田質(zhì)量等級較低，主要為中低產(chǎn)田[2]，極大地限制了本區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的高質(zhì)量發(fā)展。因此，提升地力成為本地區(qū)農(nóng)業(yè)長期可持續(xù)發(fā)展的重要方向。

大量研究表明，合理輪作、秸稈還田均可對土壤理化性質(zhì)產(chǎn)生重要影響。陳丹梅等[3]研究表明，不同輪作方式有益于保持土壤肥力和土地的生產(chǎn)力。牛倩云等[4]研究表明，與連作相比，不同作物輪作模式下土壤的pH值升高，堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質(zhì)含量增加，作物產(chǎn)量也顯著增加。同時，輪作可使作物均衡利用土壤中的營養(yǎng)元素[5]，不僅可以減輕連作特有的病蟲草害，還可以使生物多樣性增加，土壤理化特性得到改善，從而減緩土壤肥力衰竭[6-8]。秸稈還田可增加土壤有機質(zhì)含量，改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)，提高土壤酶活性，提升農(nóng)田土壤肥力，是提高農(nóng)田土壤肥力的有效措施之一。Wang等[9]研究表明，秸稈還田可顯著提高作物產(chǎn)量、土壤有機碳和全氮含量。王永潔等[10]研究表明，秸稈還田土壤有機質(zhì)、速效氮和速效磷含量分別提高10%、12.1%和43.8%。在河南清豐黃河故道區(qū)域傳統(tǒng)種植模式條件下，探求合理的輪作模式和秸稈還田方式對當?shù)赝寥栏牧季哂兄匾饬x。

土壤微生物主要參與有機物的礦質(zhì)化和腐殖化等過程，是陸地生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分。不同種植模式可影響土壤理化性質(zhì)、微生物生活環(huán)境及植物化感等一系列過程，進而改變土壤微生物的群落結(jié)構(gòu)和功能[11]。張立成等[12]研究表明，輪作模式微生物多樣性較連作模式顯著提升。吳宏亮等[13]研究表明，輪作改變了土壤微生態(tài)環(huán)境，砂質(zhì)土壤的微生物多樣性和活性均顯著提高。秸稈還田可增加土壤碳源，提高土壤有機質(zhì)含量，加快微生物的生長繁殖[14]。因此，土壤微生物多樣性和豐度也是評價土壤肥力的重要指標之一。

黃河故道區(qū)域由于長期受流水沖擊，礦質(zhì)營養(yǎng)大量流失，有機質(zhì)匱乏，土壤砂質(zhì)化極為嚴重。目前該區(qū)域農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式主要以小麥-玉米、小麥-花生一年兩熟制為主。其中小麥和玉米秸稈長期還田，而花生秸稈因營養(yǎng)價值較高在收獲后被當?shù)仞B(yǎng)殖戶直接收購，沒有還田。試驗基于本地區(qū)廣泛種植的小麥、玉米、花生三大農(nóng)作物和常規(guī)的秸稈還田方式，研究不同輪作模式對河南地區(qū)黃河故道區(qū)域砂質(zhì)土壤養(yǎng)分特征的改良效果，以探究本區(qū)域較為合理的種植方式。

1 材料與方法

1.1 試驗地點與試驗設(shè)計

試驗于黃河中下游平原河南省濮陽市農(nóng)業(yè)科學院清豐縣試驗田進行，該地區(qū)為溫帶季風性氣候，年降水量為523～601.3mm，降水集中在6-9月，年平均氣溫為13.3℃，無霜期一般為205d。農(nóng)田土壤為砂質(zhì)土壤，漏水漏肥，全氮、全磷和全鉀含量分別為0.72g/kg、0.60g/kg和1.67g/kg，植物生長表現(xiàn)為養(yǎng)分匱乏，每年肥料投入均明顯高于河南省其他區(qū)域。

試驗始于2009年，設(shè)置小麥-玉米輪作（WM）、小麥-花生（WP）、小麥-玉米-小麥-花生（WMWP）和單季花生（P）4種種植模式，采用隨機區(qū)組設(shè)計，3次重復，小區(qū)面積60m2。其中小麥和玉米秸稈全部還田，采用機械翻耕入土，花生秸稈不還田。小麥和花生生長過程均施入復合肥1 350kg/hm2，復合肥氮、磷和鉀含量分別為337.5、202.5和108kg/hm2，肥料施入的基追比為1∶1；玉米季生長過程施入復合肥1 500kg/hm2，氮、磷和鉀含量分別為375、225和120kg/hm2，肥料施入的基追比為2∶3。

1.2 樣品采集與指標測定

1.2.1 土壤采樣 2017年秋收后，在每個處理隨機取表層（0～20cm）土樣，3個重復，將新鮮土壤樣品保存于–80℃超低溫冰箱中，用于微生物DNA提取和測定；使用5cm內(nèi)徑土鉆在每個處理取0～50cm土壤樣品（每10cm為一個土層），每個土層取3個重復，用于土壤養(yǎng)分含量和pH值等指標的測定；使用100cm3環(huán)刀取每個處理0～50cm土層樣品（每10cm為一個土層），每個土層取3個重復，用于土壤含水量和容重的測定。

1.2.2 土壤理化性質(zhì)分析 采用環(huán)刀法測定土壤容重和含水量；采用凱氏定氮法-AA3測定全氮含量；采用鉬銻抗比色法測定全磷含量；采用火焰光度法測定全鉀含量；利用TOC分析儀測定土壤有機質(zhì)含量；采用堿解擴散法測定土壤堿解氮含量；采用0.5mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗比色測定速效磷含量；采用1mol/L醋酸銨浸提-火焰光度法測定速效鉀含量；采用電極法測定土壤pH值[15]。

1.2.3 微生物測序分析 使用CTAB/SDS方法提取土壤樣品的總基因組DNA，經(jīng)瓊脂糖凝膠電泳檢測之后，使用無菌水將所提取的DNA稀釋至1ng/μL；進一步使用具有條形碼的特異性引物擴增16S/18S rRNA基因；在2%瓊脂糖凝膠上電泳檢測擴增產(chǎn)物。選取400～450bp的具有明亮主條帶進行純化，用于下一步試驗。采用Qubit@2.0熒光計（Thermo Scientific）和安捷倫生物分析儀2100系統(tǒng)對文庫質(zhì)量進行檢驗，經(jīng)檢驗合格后，在Illumina MiSeq平臺上進行測序。

1.3 數(shù)據(jù)分析

采用Excel 2010對數(shù)據(jù)進行初步的計算、作圖和整理，用SPSS 13.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析。采用Duncan法進行多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式對土壤物理性質(zhì)的影響

測定4種種植模式在0～50cm土層土壤含水量（圖1a）和容重（圖1b），發(fā)現(xiàn)隨著土層加深土壤含水量有所升高，并且WM和WMWP種植模式的土壤含水量一直處于較高水平。在0～30cm 3個土層中，長期WM和WMWP種植模式的土壤含水量顯著高于P和WP處理，而隨著土壤深度的增加，差值逐漸減??；土壤容重結(jié)果（圖1b）顯示，不同種植模式間0～20cm土層的土壤容重具有顯著性差異，而20～50cm土層的土壤容重無顯著差異?？傮w表現(xiàn)為WP種植模式的土壤容重最高，之后依次是P、WMWP和WM種植模式。

圖1 不同種植模式下土壤含水量和容重Fig.1 Soil moisture content and bulk density under different cropping patterns

2.2 不同種植模式對土壤養(yǎng)分及pH值的影響

不同種植模式0～50cm土層有機質(zhì)含量結(jié)果（表1）顯示，0～40cm 4個土層WM和WMWP種植模式下的有機質(zhì)含量顯著高于P和WP處理，40～50cm土層差異不顯著。由于花生秸稈未還田，4種種植模式中WM秸稈還田量最高，其后依次為WMWP、WP和P。有機質(zhì)含量隨農(nóng)田秸稈還田量的增加而升高，WM種植模式有機質(zhì)含量最高，其后依次為WMWP、WP和P種植模式。有機質(zhì)含量的提升可顯著提高土壤的保水和蓄水能力，改善土壤砂質(zhì)，降低容重。本研究發(fā)現(xiàn)隨有機質(zhì)含量的升高土壤含水量也逐漸增加，0～20cm土壤容重則表現(xiàn)為下降趨勢，表明有機質(zhì)含量的提升對砂質(zhì)土壤結(jié)構(gòu)具有一定的改良效果。

土壤養(yǎng)分含量是土壤肥力水平的直接反映。如表1所示，各處理全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效磷和速效鉀含量隨著土層加深而降低，全鉀含量下降幅度較小；同一土層，WM種植模式下的全氮、全磷、全鉀和堿解氮含量最高，其次是WMWP、WP和P種植模式，全氮、全磷和堿解氮含量隨有機質(zhì)含量的升高總體上呈現(xiàn)出增加的趨勢；WM和WMWP種植模式0～30cm土層的速效磷和速效鉀顯著低于P和WP種植模式；不同種植模式下pH值變化范圍為7.6～8.3，下層土壤的pH值略高于上層土壤，在0～20cm土層中WM種植模式的pH值顯著低于另外3個處理。綜上結(jié)果，有機質(zhì)含量的提升對砂質(zhì)土壤的養(yǎng)分特性具有一定的改良效果。

表1 不同種植模式下土壤化學性質(zhì)Table 1 Soil chemical properties under different cropping patterns

2.3 不同種植模式細菌多樣性和豐富度分析

由表2可知，WMWP種植模式Chao指數(shù)顯著高于WP、P和WM種植模式，農(nóng)田生長作物越豐富其微生物的豐度越高；WMWP、WP和P種植模式OUT顯著高于WM種植模式，而Simpson指數(shù)與其呈相反趨勢，表明在有花生的輪作模式中微生物多樣性比只有小麥玉米輪作的豐富，說明種植花生可能有利于豐富土壤微生物的多樣性。因此，WMWP種植模式對微生物種類豐度和多樣性都具有明顯的正向作用。

表2 不同種植模式的細菌OUT豐度和多樣性指數(shù)Table 2 OUT abundance and diversity index of bacteria in different cropping patterns

2.4 不同種植模式土壤細菌類群分析

圖2 不同種植模式土壤門分類水平的細菌群落比較Fig.2 Comparison of bacterial communities in soil phylum classification of different planting patterns

由圖2知，在門分類水平上，在4個處理土壤細菌中變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）和酸桿菌門（Acidobacteria）是主要的門類，分別占WM種植模式微生物的25.2%、11.9%和20.5%，占WMWP種植模式微生物的28.5%、20.13%和14.3%，占P種植模式微生物的22.5%、21.1%和18.0%，占WP種植模式微生物的24.5%、18.6%和15.5%。綠彎菌門（Chloro flexi）和單芽孢菌門（Gemmatimonadetes）為次要的門類，這5個門代表了所有樣品中超過85%的序列。WMWP種植模式變形菌門所占比例高于其他種植模式；WM種植模式酸桿菌門所占比例高于其他種植模式，放線菌門所占比例低于其他種植模式。

用相對豐度前30的細菌屬構(gòu)建分層聚類圖（圖3），紅色較深的部分代表相對豐度較高的菌屬。4個種植模式土壤樣品較為明顯地分為兩類，WP、WMWP和P種植模式可以聚為一支，因為其土壤細菌群落結(jié)構(gòu)豐度較高而且比較接近；WM種植模式豐度較低可劃為另外一支。由此可見，黃河故道區(qū)域種植花生在一定程度上可提高微生物豐度。

圖3 不同種植模式土壤細菌屬水平聚類分析Fig.3 Horizontal clustering analysis of soil bacteria on genus level in different planting patterns

2.5 不同種植模式土壤冗余分析

RDA是生態(tài)數(shù)量學中的一種直接梯度排序方法，可以解釋變量和多個響應(yīng)變量之間的相互關(guān)系，可用于評估土壤細菌群落結(jié)構(gòu)與其他土壤特性之間的相關(guān)性。不同種植模式土壤微生物的相對豐度與土壤的養(yǎng)分性質(zhì)之間的冗余分析如圖4所示，結(jié)果表明，在RDA1軸上全磷、堿解氮和全氮正方向貢獻最大，其次是全鉀和有機質(zhì)，而速效鉀在負方向貢獻最大；在RDA2軸的正方向和負方向分別貢獻較大的為堿解氮和pH值。WM處理主要處在第一象限，WP和P處理主要處在第三象限和第四象限，而WMWP處理則集中于RDA1軸的負方向，說明4個處理之間的土壤細菌存在差異，也表明黃河故道區(qū)域不同輪作對土壤環(huán)境因子和細菌分布存在一定影響。RDA分析還表明，在土壤理化性質(zhì)中，全鉀、有機質(zhì)、堿解氮、全氮和全磷均指向正方向第一象限，表現(xiàn)顯著正向相關(guān)；速效鉀、pH值和速效磷則指向第三象限，且與全鉀、有機質(zhì)、堿解氮、全氮和全磷呈負相關(guān)。土壤中豐度具有優(yōu)勢的細菌是變形菌門，與環(huán)境因子中的全磷呈負相關(guān)，與全鉀和有機質(zhì)呈正相關(guān)；放線菌門與全磷、速效氮、全氮、全鉀和有機質(zhì)呈負相關(guān)，與速效鉀、速效磷和pH值呈正相關(guān)；酸桿菌門與全磷、堿解氮、全氮、全鉀和有機質(zhì)呈正相關(guān)，與速效鉀、速效磷和pH值呈負相關(guān)。

圖4 不同種植模式土壤細菌（門水平）與土壤因子冗余分析Fig.4 Redundancy analysis of bacteria with soil factors in different planting patterns (phylum level)

3 討論

黃河故道區(qū)域是黃河中下游平原主要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)區(qū)域，隨著黃河流域綠色發(fā)展理念的不斷加深，對黃河中下游平原農(nóng)業(yè)生產(chǎn)改良已成為黃河流域綠色發(fā)展的焦點問題，該區(qū)域土壤砂質(zhì)化是農(nóng)業(yè)發(fā)展的限制因素。大量研究表明，秸稈長期還田可顯著提高有機質(zhì)含量[16]。而對于砂質(zhì)土壤而言，改良其土質(zhì)最直接的方式是提高有機質(zhì)含量[17]。在黃河故道區(qū)域，小麥、玉米和花生是種植最為廣泛的3種作物，由于花生秸稈營養(yǎng)價值較高，在其收獲后大多會被養(yǎng)殖戶收購用于飼養(yǎng)牲畜，而小麥和玉米秸稈則全量還田。因此，本研究在尊重本地生產(chǎn)習慣的條件下，設(shè)置4種種植模式，更接近于生產(chǎn)實際，便于推廣應(yīng)用。在所設(shè)置的4種種植模式中，秸稈還田量由多到少依次為WM、WMWP、WP和P處理，結(jié)果顯示，不同土層有機質(zhì)含量與秸稈還田量為正相關(guān)，WM處理的有機質(zhì)含量最高，其次為WMWP、WP和P處理。有機質(zhì)的增加對砂質(zhì)土壤的土質(zhì)具有改良作用，可進一步促進土壤容重降低，土壤含水量增加[18]。本試驗結(jié)果表明，秸稈還田量的增加可顯著降低土壤0～10和10～20cm土層容重，而對20～50cm較深土層容重未達到顯著影響。經(jīng)過多種作物輪作和秸稈還田后，上層土壤（10～20cm）容重可達1.39～1.44g/cm3，更接近作物生長適宜的范圍（＜1.35g/cm3）[19]，可能由于大量的秸稈還田減輕了人和動物的壓板影響以及降水對地表的直接沖擊，為維持土壤疏松創(chuàng)造了條件[20]。在不同土層中，長期的WM和WMWP種植模式的土壤含水量明顯高于WP和P種植模式，說明不僅表層土壤的含水量受不同輪作和秸稈還田的影響，同時較深土層的含水量也明顯增加，有機質(zhì)的增加對土壤含水量的提高具有明顯的正效應(yīng)。這與路文濤等[21]研究結(jié)果一致，即秸稈還田能較好地保蓄土壤水分，利于土壤水庫的擴蓄增容。

土壤質(zhì)地的改善和有機質(zhì)的增加會對土壤養(yǎng)分產(chǎn)生重要影響。本研究分析表明，WM和WMWP種植模式可以明顯改善土壤養(yǎng)分性狀，養(yǎng)分含量增加，這與徐蔣來等[22]研究結(jié)果一致。高日平等[23]研究表明，秸稈還田可促進土壤有機質(zhì)、全氮、全磷和全鉀含量提升。史云峰等[24]研究表明，秸稈還田條件下不同輪作處理可以提高土壤養(yǎng)分。土壤速效養(yǎng)分含量分析結(jié)果顯示，本研究與劉蘭清等[25]研究結(jié)果不同。本研究WM和WMWP種植模式下0～30cm的3個土層的速效磷和速效鉀含量顯著低于WP和P種植模式。堿解氮含量在秸稈還田下升高，表明秸稈還田可以增加上層土壤堿解氮儲備，這與龔萬濤等[26]研究結(jié)果一致。綜上所述，單一作物種植會使土壤養(yǎng)分性狀變差，而合理的秸稈還田與多作物輪作結(jié)合對土壤肥力具有積極的影響。

土壤微生物是土壤肥力的重要指標之一，易受人為干擾，種植模式可不同程度地改變細菌的種群結(jié)構(gòu)。本研究發(fā)現(xiàn)，WMWP種植模式下的土壤微生物多樣性和主要微生物種群豐度均最高，可對土壤起到綜合改良的作用；同時發(fā)現(xiàn)，含有花生的3種種植模式的微生物多樣性顯著高于WM種植模式，其主要原因可能是花生根瘤菌對微生物多樣性的提升作用。任豫霜等[27]研究表明根瘤菌可顯著提升土壤的pH值，本研究發(fā)現(xiàn)含有花生的3種種植模式0～30cm土層的pH值顯著高于WM種植模式，進一步證明這3種種植模式因存在花生根瘤菌而豐富了土壤微生物的多樣性。RDA分析結(jié)果顯示，4個處理土壤理化性質(zhì)與細菌群落具有顯著相關(guān)關(guān)系，具有優(yōu)勢的變形菌門與土壤全磷呈負相關(guān)，與全鉀和有機質(zhì)呈正相關(guān)；放線菌門與全氮、全磷、全鉀、堿解氮和有機質(zhì)呈負相關(guān)，與速效鉀、pH和速效磷呈正相關(guān)；酸桿菌門與全氮、全磷、全鉀、堿解氮和有機質(zhì)呈正相關(guān)，與速效鉀、pH和速效磷呈負相關(guān)。大量研究發(fā)現(xiàn)細菌群落受有機質(zhì)和全氮含量的影響較大[28]。本研究中細菌組成與全量養(yǎng)分和速效養(yǎng)分以及有機質(zhì)含量之間有顯著的相關(guān)性，全氮與細菌群落結(jié)構(gòu)相關(guān)性最高，可對土壤肥力產(chǎn)生重要影響。

4 結(jié)論

黃河故道區(qū)域砂質(zhì)土壤在有機質(zhì)提升的基礎(chǔ)上對土壤結(jié)構(gòu)、養(yǎng)分及微生物均具有較好的改良效果，因此本區(qū)域農(nóng)田土壤改良應(yīng)首先以提高土壤有機質(zhì)含量為主。小麥-玉米和小麥-花生的輪作模式對土壤有機質(zhì)提升和理化性狀改良效果顯著，有利于本區(qū)域農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。