孫世君,劉 琦,葉英杰,魏 娜,郝水源
(1. 河套學(xué)院 農(nóng)學(xué)系,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾015000;2. 通遼市農(nóng)牧科學(xué)研究所,內(nèi)蒙古 通遼 028000;3. 巴彥淖爾市農(nóng)牧業(yè)技術(shù)推廣中心,內(nèi)蒙古 巴彥淖爾 015000)
黃瓜是我國(guó)設(shè)施栽培的主要瓜類蔬菜之一,栽培面積大、經(jīng)濟(jì)效益高[1]。然而,由于茬口安排單一,施肥量多和復(fù)種指數(shù)高,土壤連作障礙問(wèn)題日益突出,嚴(yán)重影響了黃瓜產(chǎn)業(yè)的持續(xù)發(fā)展[2?4]。因此,如何克服設(shè)施內(nèi)土壤連作障礙成了設(shè)施黃瓜生產(chǎn)面臨的重要問(wèn)題。前人研究發(fā)現(xiàn),增施有機(jī)肥可以在一定程度上緩解土壤連作障礙[5?7]。王雪玉等[8]的研究發(fā)現(xiàn),添加生物炭能顯著提高黃瓜連作10 a 土壤中的真菌豐度,促進(jìn)植株生長(zhǎng);胡云等[9]的研究表明,高粱綠肥對(duì)改良設(shè)施內(nèi)連作土壤條件和優(yōu)化設(shè)施土壤微生物群落結(jié)構(gòu)同樣具有積極作用。
腐植酸是生態(tài)農(nóng)業(yè)和無(wú)公害農(nóng)業(yè)中常用的有機(jī)肥料之一,具有改善土壤理化性質(zhì)、提高肥料利用率和調(diào)節(jié)植物體內(nèi)酶活性等特點(diǎn)。關(guān)于腐植酸的功能研究多集中在對(duì)作物生長(zhǎng)及產(chǎn)量的影響上。楊蘇等[10]的研究發(fā)現(xiàn),適量施用腐植酸會(huì)使玉米產(chǎn)量增加27.2%~50.6%;沈建生等[11]的研究表明,腐植酸處理能夠顯著提高草莓硬度、可溶性固形物含量;孫利萍等[12]的研究表明,番茄果實(shí)的維生素C、番茄紅素、可溶性糖和有機(jī)酸含量也與增施腐植酸有關(guān)。腐植酸主要通過(guò)提升土壤速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量,進(jìn)而增強(qiáng)植物光合作用,從而提高植物產(chǎn)量和品質(zhì)[13]。然而,關(guān)于施用腐植酸緩解設(shè)施內(nèi)土壤連作障礙方面的報(bào)道較少。因此,以溫室黃瓜連作4 a和11 a 的土壤為研究對(duì)象,探究增施腐植酸后對(duì)不同連作年限溫室黃瓜土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)的影響,揭示腐植酸修復(fù)根區(qū)土壤的微生態(tài)機(jī)制,以期為推廣腐植酸、防治設(shè)施蔬菜土壤連作障礙提供理論依據(jù)。
供試黃瓜品種為津優(yōu)35 號(hào)。供試土壤為日光溫室內(nèi)連續(xù)栽培4 a 和11 a 黃瓜的0~30 cm 耕層土壤(以下分別簡(jiǎn)稱連作4 a 土壤、連作11 a 土壤),以未栽培過(guò)蔬菜的溫室外土壤作為對(duì)照(以下簡(jiǎn)稱溫室外對(duì)照土壤)其基本理化性質(zhì)見(jiàn)表1。供試腐植酸水溶肥料由內(nèi)蒙古際美生物科技有限公司提供,腐植酸含量為252 g/L、全氮含量為94.3 g/L、速效磷含量為117.2 g/L、速效鉀含量為93.1 g/L、pH 值為7.12。
表1 供試土壤基本理化性質(zhì)Tab.1 Basic physical and chemical properties of test soil
試驗(yàn)于2020 年9—10 月在內(nèi)蒙古鮮農(nóng)農(nóng)牧業(yè)有限公司博士科研工作站現(xiàn)代化溫室內(nèi)進(jìn)行。采用花盆(上口直徑20 cm、下口直徑15 cm,高16 cm)栽培黃瓜,隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì),共設(shè)7 個(gè)處理,CK:溫室外對(duì)照土壤;T4:連作4 a 土壤;300T4:連作4 a 土壤+腐植酸300 倍液;600T4:連作4 a 土壤+腐植酸600 倍液;T11:連作11 a 土壤;300T11:連作11 a 土壤+腐植酸300倍液;600T11:連作11 a土壤+腐植酸600 倍液。每個(gè)處理重復(fù)3 次,每個(gè)重復(fù)10 盆。2020 年9 月5 日于黃瓜幼苗兩葉一心時(shí)定植,每盆定植1 株。2020 年9 月12 日緩苗后開(kāi)始進(jìn)行腐植酸處理,腐植酸一次性施入。增施腐植酸時(shí)既要確保腐植酸能夠浸透80%的土壤,又不從花盆底部溢出。未增施腐植酸的處理,用等體積的水代替。日常管理中,除每次澆等體積的水(每次澆水均未從花盆底部溢出)外,其他管理措施均相同。
在增施腐植酸20 d后,每個(gè)重復(fù)隨機(jī)選取5盆,用抖根法收集黃瓜根際土壤。過(guò)2 mm 篩,將土壤分成2 份。一份立即置于-80 ℃超低溫冰箱保存,用于測(cè)定微生物多樣性;一份在室內(nèi)自然風(fēng)干過(guò)篩后保存,用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)。
1.4.1 土壤理化性質(zhì)測(cè)定 采用鉬銻抗比色法測(cè)定土壤速效磷含量;采用火焰光度計(jì)法測(cè)定速效鉀含量;采用濃硫酸消煮-流動(dòng)分析儀法測(cè)定全氮含量;采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量;采用pH計(jì)測(cè)定土壤pH值。
1.4.2 DNA 提取和高通量測(cè)序 每個(gè)土樣分別稱取0.500 g,3 次重復(fù),按照E.Z.N.A.?Soil DNA Kit 試劑盒的使用說(shuō)明,提取土壤微生物基因組總DNA。用338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)引物對(duì)各樣品內(nèi)細(xì)菌的16S rDNA 基因(V3—V4)進(jìn)行PCR擴(kuò)增;用ITS1F(5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTA?A-3′)和ITS1R(5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′)引物對(duì)各樣品內(nèi)真菌的ITS1可變區(qū)進(jìn)行PCR 擴(kuò)增。PCR 擴(kuò)增產(chǎn)物用Illumina MiSeq PE250 測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行高通量測(cè)序,建庫(kù)和測(cè)序委托聯(lián)川生物技術(shù)股份有限公司完成。
運(yùn)用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行土壤理化性質(zhì)指標(biāo)單因素方差分析;測(cè)序獲得原始數(shù)據(jù)后,利用QIIMEV1.8.0 軟件對(duì)序列進(jìn)行操作分類單元(Operational taxonomic unit,OTU)聚類,以獲得各樣品在門、屬水平上的細(xì)菌和真菌群落組成;使用Origin 8.5 軟件繪圖及進(jìn)行α 多樣性分析;利用Canoco 4.5 軟件進(jìn)行冗余分析(Redundancy analysis,RDA)。
從表2可以看出,T4和T11處理速效磷含量、速效鉀含量、全氮含量和有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于CK,T11 處理速效鉀含量、全氮含量又顯著高于T4,T11處理pH 值與CK 差異不顯著,而T4 處理pH 值顯著低于CK??梢?jiàn),隨連作年限增加,土壤養(yǎng)分含量呈增加趨勢(shì)。連作4 a土壤增施腐植酸后,300T4 處理速效磷含量、速效鉀含量、全氮含量和有機(jī)質(zhì)含量均高于T4 和600T4 處理,且300T4 處理速效鉀含量和全氮含量均顯著高于T4和600T4處理,pH值則顯著低于T4處理。連作11 a土壤增施腐植酸后,除全氮含量外,300T11 處理速效磷含量、速效鉀含量和有機(jī)質(zhì)含量均顯著高于T11 和600T11 處理,pH 值則顯著低于T11。
表2 不同處理對(duì)溫室黃瓜土壤理化性質(zhì)的影響Tab.2 Effect of different treatments on physical and chemical properties of cucumber soil in greenhouse
由表3 可知,隨著土壤連作年限增加,T4 和T11處理細(xì)菌和真菌的OTU數(shù)量、Shannon指數(shù)和Chao1指數(shù)均低于CK,而T11 處理細(xì)菌的Shannon 指數(shù)和真菌的OTU 數(shù)量、Shannon 指數(shù)和Chao1 指數(shù)均顯著高于T4處理,說(shuō)明連作導(dǎo)致土壤微生物群落多樣性降低,但連作11 a 土壤細(xì)菌和真菌的多樣性高于連作4 a 的土壤。連作4 a 土壤增施腐植酸后,除600T4 處理細(xì)菌的Shannon 指數(shù)顯著低于T4 處理(降低了8.38%)和300T4 處理、Chao1 指數(shù)顯著高于300T4 處理外,其余各指標(biāo)均無(wú)顯著差異。連作11 a 土壤增施腐植酸后,各處理間細(xì)菌和真菌的OTU 數(shù)量、Shannon 指數(shù)和Chao1 指數(shù)均無(wú)顯著差異。綜上,腐植酸對(duì)不同連作年限土壤細(xì)菌和真菌多樣性的影響不一致。
表3 不同處理對(duì)溫室黃瓜土壤細(xì)菌和真菌群落α多樣性的影響Tab.3 Effect of different treatments on α diversity of bacterial and fungal communities in greenhouse cucumber soil
2.3.1 不同處理溫室黃瓜土壤細(xì)菌在門水平上的豐度變化 由圖1 可知,在門分類水平上構(gòu)成溫室黃瓜根際土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌群落的依次為變形菌門(Proteobacteria)、綠彎菌門(Chloroflexi)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、酸桿菌門(Acidobacteria)、擬 桿 菌 門(Bacteroidetes) 、放 線 菌 門(Actinobacteria)、浮霉菌門(Planctomycetes)和疣微菌門(Verrucomicrobia)。與CK 相比,連作土壤中變形菌門、疣微菌門和酸桿菌門的相對(duì)豐度降低,其他菌門的相對(duì)豐度升高。連作4 a 的土壤增施腐植酸后,600T4 處理優(yōu)勢(shì)菌種占細(xì)菌總數(shù)的比值高于T4 和300T4 處理,且分別高2.00%和1.96%,主要表現(xiàn)在變形菌門、綠彎菌門和放線菌門上,而酸桿菌門和浮霉菌門的相對(duì)豐度則低于T4 和300T4。連作11 a 的土壤增施腐植酸后,600T11 處理優(yōu)勢(shì)菌種占細(xì)菌總數(shù)的比值高于T11 和300T11,其中變形菌門、芽單胞菌門和擬桿菌門的相對(duì)豐度高于T11 和300T11 處理。說(shuō)明不同連作年限土壤增施腐植酸后增加了土壤優(yōu)勢(shì)菌群的比值。
圖1 不同處理溫室黃瓜土壤細(xì)菌在門水平上的豐度變化Fig.1 Change of bacterial abundance in greenhouse cucumber soil at phylum level under different treatments
2.3.2 不同處理溫室黃瓜土壤細(xì)菌在屬水平上的豐度變化 由圖2可知,在屬的分類水平上,隨著連作年限的增加,RB41、芽單胞菌屬(Gemmatimonas)和MND1 的相對(duì)豐度整體上顯著降低,假單胞菌屬(Pseudomonas)和Altereythrobacter的相對(duì)豐度則顯著 升 高。 T4 處 理 的Chryseolinea、Anaerolinea、Thermomarinilinea和特呂珀菌屬(Truepera)的相對(duì)豐度高于CK 和T11 處理,鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)的相對(duì)豐度則相反。連作4 a 土壤增施腐植酸后,300T4 處理Chryseolinea和RB41 的相對(duì)豐度最高,600T4 處理假單胞菌屬、Altereythrobacter和Thermomarinilinea的 相 對(duì) 豐 度 最高。連作11 a 的土壤增施腐植酸后,300T11 處理Chryseolinea、RB41、MND1、Thermomarinilinea和 特呂珀菌屬的相對(duì)豐度均高于T11 和600T11 處理,600T11 處理芽單胞菌屬、假單胞菌屬、Altereythrobacter和鞘氨醇單胞菌屬的相對(duì)豐度均最高。
圖2 不同處理溫室黃瓜土壤細(xì)菌在屬水平上的豐度變化Fig.2 Change of bacterial abundance in greenhouse cucumber soil at genus level under different treatments
2.3.3 不同處理溫室黃瓜土壤真菌在門水平上的豐度變化 由圖3 可知,在門分類水平上構(gòu)成溫室黃瓜根際土壤優(yōu)勢(shì)真菌群落的依次為子囊菌門(Ascomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、接合菌門(Zygomycota)、被孢霉門(Mortierellomycota)和壺菌門(Chytridiomycota)。連作增加了土壤中子囊菌門的相對(duì)豐度,而擔(dān)子菌門和壺菌門的相對(duì)豐度則降低。連作4 a 土壤增施腐植酸后,子囊菌門的相對(duì)豐度顯著升高,且表現(xiàn)為600T4 處理>300T4 處理>T4 處理;擔(dān)子菌門的變化規(guī)律則相反,以600T4 處理?yè)?dān)子菌門的相對(duì)豐度為最低。連作11 a 的土壤增施腐植酸后,子囊菌門的相對(duì)豐度降低,且300T11 和600T11 處理子囊菌門相對(duì)豐度分別較T11 處理降低5.61%和2.22%,300T11 處理?yè)?dān)子菌門、接合菌門和被孢霉門的相對(duì)豐度最高,600T11處理壺菌門的相對(duì)豐度高于300T11和T11處理。
圖3 不同處理溫室黃瓜土壤真菌在門水平上的豐度變化Fig.3 Change of fungal abundance in greenhouse cucumber soil at phylum level under different treatments
2.3.4 不同處理溫室黃瓜土壤真菌在屬水平上的豐度變化 進(jìn)一步在屬水平上對(duì)真菌進(jìn)行分析。由圖4 可知,隨著連作年限的增加,毛殼菌屬(Chaetomium)、枝頂孢屬(Acremonium)的相對(duì)豐度先升高后降低,叢赤殼屬(Nectria)、被孢霉屬(Mortierella)、帚枝霉屬(Sarocladium)和赤霉屬(Gibberella)的相對(duì)豐度降低,鬼傘屬(Coprinus)、卷旋 孢 屬(Cirrenalia)和 假 霉 樣 真 菌 屬(Pseudallescheria)的相對(duì)豐度升高。連作4 a 土壤增施腐植酸后,600T4 處理毛殼菌屬的相對(duì)豐度顯著低于300T4 和T4 處理,而帚枝霉屬和鏈格孢屬(Alternaria)的相對(duì)豐度顯著高于300T4 和T4 處理。連作11 a 的土壤增施腐植酸后,毛殼菌屬、枝頂孢屬和卷旋孢屬的相對(duì)豐度降低,而被孢霉屬、鬼傘屬和假霉樣真菌屬的相對(duì)豐度升高。連作11 a 的處理中,300T11處理被孢霉屬和鬼傘屬的相對(duì)豐度較高;600T11處理假霉樣真菌屬的相對(duì)豐度最高。
圖4 不同處理溫室黃瓜土壤真菌在屬水平上的豐度變化Fig.4 Change of fungal abundance in greenhouse cucumber soil at genus level under different treatments
RDA 能夠直觀反映各處理土壤群落結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)的關(guān)系。由圖5 可知,細(xì)菌和真菌總變異量分別為52.86%、48.01%,而且隨連作年限增加,土壤細(xì)菌和真菌的樣品點(diǎn)均有明顯分離現(xiàn)象。說(shuō)明連作年限對(duì)細(xì)菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)影響較大。增施腐植酸后,300T11 和600T11 處理細(xì)菌和真菌與T11 處理在RDA2 方向上都存在明顯分離,說(shuō)明腐植酸較大地改變了連作11 a 土壤細(xì)菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)。
圖5 細(xì)菌(A)和真菌(B)群落結(jié)構(gòu)與土壤性質(zhì)間的RDA分析Fig.5 RDA of bacterial(A)and fungal(B)community structure and soil physiochemical properties
溫室是環(huán)境相對(duì)可控的半封閉空間,受人為干預(yù)的程度較大。由于溫室內(nèi)作物的長(zhǎng)期連作,導(dǎo)致其土壤出現(xiàn)質(zhì)量退化、有害微生物增加等問(wèn)題[14]。腐植酸作為自然界中廣泛存在的大分子有機(jī)物質(zhì),被用于設(shè)施內(nèi)土壤改良方面的研究漸多。本研究結(jié)果表明,隨連作年限的增加,土壤速效養(yǎng)分和有機(jī)質(zhì)含量顯著升高,而pH 值顯著下降,這與李晶晶等[15]的研究結(jié)果一致。增施腐植酸后連作4 a 和11 a的土壤速效磷含量、速效鉀含量、全氮含量和有機(jī)質(zhì)含量均升高,這與吳炳孫等[16]的研究結(jié)果類似。一方面可能由于腐植酸具有多孔性和較強(qiáng)表面吸附能力,能夠有效結(jié)合土壤中的磷離子和鉀離子,使其形成絡(luò)合物,減少土壤對(duì)磷離子和鉀離子的固定,進(jìn)而增加土壤中速效磷含量和速效鉀含量[17];另一方面可能由于腐植酸作為有機(jī)肥料,有機(jī)質(zhì)含量和有機(jī)氮含量高,再加上有機(jī)質(zhì)能減少化學(xué)氮素的損失,因此使得土壤中有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量均升高[18]。pH 值作為土壤重要的基本理化性質(zhì)之一,對(duì)土壤肥力性質(zhì)、微生物群落結(jié)構(gòu)都具有較大影響。本研究增施腐植酸后,土壤pH 值降低,這可能與腐植酸中的羧基、羥基等含氫官能團(tuán)在土壤中多為酸性,可有效增加土壤中H+濃度有關(guān)[19]。
大量研究表明,微生物種群結(jié)構(gòu)失衡,有益微生物數(shù)量減少,病原微生物數(shù)量增加,且微生物種群多樣性降低,是土壤連作障礙發(fā)生的主要原因之一[20]。本研究也取得了同樣的結(jié)果,連作土壤細(xì)菌和真菌的OTU 數(shù)量、Shannon 指數(shù)和Chao1 指數(shù)均降低。腐植酸因其具有增加土壤孔隙度、降低土壤容重、改善土壤物理結(jié)構(gòu)的特性,為土壤微生物生長(zhǎng)與繁殖提供了良好的棲息環(huán)境。袁婉潼[21]研究發(fā)現(xiàn),適量增施腐植酸可顯著提高鹽堿土壤細(xì)菌和真菌的數(shù)量。本研究結(jié)果表明,連作4 a 土壤增施腐植酸后,只有600T4 處理細(xì)菌的Shannon 指數(shù)顯著低于T4 和300T4 處理,而對(duì)土壤真菌的多樣性并無(wú)顯著影響。張慧等[22]的研究亦表明,施用腐植酸肥料對(duì)煙草土壤細(xì)菌群落豐富度的促進(jìn)效果不顯著,黃腐酸施入土壤后不能顯著改善微生物多樣性[23],這可能是由于增施腐植酸的濃度較低所致。YI等[24]的研究也證實(shí)了這一觀點(diǎn),當(dāng)施入腐植酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.5%增加至2.0%時(shí),土壤微生物多樣性才會(huì)明顯升高。此外,腐植酸自身結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定,含有大量不易被分解利用的芳香烴類物質(zhì),而土壤微生物群落結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定,施肥時(shí)間短難以真實(shí)反映對(duì)土壤微生物多樣性的影響。
腐植酸可以通過(guò)改變土壤理化性質(zhì)等方式間接影響微生物群落。本研究結(jié)果表明,連作導(dǎo)致土壤中變形菌門、疣微菌門和酸桿菌門的相對(duì)豐度降低,增施腐植酸可顯著提高變形菌門等的相對(duì)豐度。在屬水平上的研究同樣表明,腐植酸改變了細(xì)菌屬的群落結(jié)構(gòu)。這與施用腐植酸型生物有機(jī)肥對(duì)煙草土壤細(xì)菌群落組成的研究結(jié)果類似[22]。有研究表明,土壤碳、氮含量高,有利于變形菌門的生存[25],而本研究結(jié)果也表明,增施腐植酸后土壤有機(jī)質(zhì)含量和全氮含量上升,提高了土壤中變形菌門的相對(duì)豐度。研究表明,細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)受土壤環(huán)境、作物種類等因素的影響[26?28]。施入腐植酸改變了土壤理化性質(zhì),因此,對(duì)土壤中細(xì)菌優(yōu)勢(shì)類群相對(duì)豐度產(chǎn)生了一定影響。本研究結(jié)果還表明,不同連作年限土壤中施入腐植酸后,真菌的相對(duì)豐度在不同門和屬水平上表現(xiàn)不同。其中,連作4 a 的土壤中子囊菌門的相對(duì)豐度升高,擔(dān)子菌門的相對(duì)豐度降低。這可能由于子囊菌門屬于土壤腐生真菌,主要分解環(huán)境中的木質(zhì)素等有機(jī)質(zhì),腐植酸施入后提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量,因此促進(jìn)了菌群的快速增長(zhǎng)與繁殖[29];擔(dān)子菌門對(duì)有機(jī)質(zhì)中碳的利用能力有限,土壤有效養(yǎng)分過(guò)多,反而對(duì)擔(dān)子菌門的生長(zhǎng)具有抑制作用[30]。連作11 a 的土壤增施腐植酸后,子囊菌門的相對(duì)豐度降低,而擔(dān)子菌門、接合菌門和被孢霉門的相對(duì)豐度卻升高,這可能是由于真菌的生存能力相對(duì)較低、受外界環(huán)境干擾程度大,導(dǎo)致穩(wěn)定性差所致,但需進(jìn)一步研究。
細(xì)菌和真菌作為土壤中主要的微生物類群,通常隨土壤養(yǎng)分、pH 值等外界條件的變化而變化[31]。本研究發(fā)現(xiàn),土壤全氮含量和有機(jī)質(zhì)含量與細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)變化有關(guān)。
綜上所述,增施腐植酸提高了連作溫室黃瓜的土壤養(yǎng)分,使pH 值趨于中性,腐植酸對(duì)細(xì)菌和真菌α多樣性總體上無(wú)顯著影響,連作4 a的土壤施入腐植酸600 倍液降低了細(xì)菌的Shannon 指數(shù)。增施腐植酸提高了部分優(yōu)勢(shì)細(xì)菌和真菌在門和屬水平的相對(duì)豐度。