武春成，馬 楠，曹 霞，魏新雨，張 寧，謝 洋，龐瑞斌

（1.河北省特色園藝種質挖掘與創(chuàng)新利用重點實驗室·河北科技師范學院園藝科技學院 河北秦皇島 066004；2.平泉市益農科技育苗有限公司 河北平泉 067500）

平泉市屬河北省承德市所轄，位于河北省東北部，遼寧、河北與內蒙古的交界處，是典型“七山一水兩田”的山區(qū)地貌。由于其獨特的場地環(huán)境和冬季光照充足的氣候優(yōu)勢，黃瓜種植規(guī)模大、產業(yè)基礎好、品質優(yōu)，已成為河北省日光溫室越冬茬黃瓜的主產區(qū)，2019 年平泉黃瓜成為河北省特色農產品優(yōu)勢產區(qū)。同時平泉市香菇產業(yè)發(fā)展迅速，平泉香菇是第一批河北省中國特色農產品優(yōu)勢區(qū)，目前該市每年可產生香菇廢料100 萬～150 萬t，如處理不當不僅會造成資源的極大浪費，還會污染環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計，香菇廢料造成平泉市的園區(qū)污染指數(shù)連年升高，阻礙了食用菌產業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。因此，香菇廢料的再利用成為亟待解決的一大難題。

食用菌生產后產生的廢棄物，除被菌絲吸收的營養(yǎng)外，仍然殘留了大量的營養(yǎng)物質，包含大量的有機質、氮、磷、鉀以及微量元素，這些都可供作物吸收。因此，常作為無土栽培的基質和土壤改良劑。有研究表明，黑木耳菌渣加入發(fā)酵劑制成有機肥施入土壤后可以提高土壤中的營養(yǎng)物質，從而提高土壤肥力。秸稈反應堆技術是改良設施土壤理化性質和微生態(tài)環(huán)境的一種重要方式，該技術是將生物技術與秸稈相結合，微生物菌種發(fā)酵會產生熱量、抗病孢子以及各種營養(yǎng)物質。其分解過程中還會產生大量的有益物質來改善土壤環(huán)境，減少土壤病原體，創(chuàng)造出適合園藝作物生長發(fā)育的環(huán)境，提高經濟產量和品質。目前，生產上秸稈反應堆的填充物主要是玉米秸稈，而利用食用菌廢料作為填充物的研究較少。如果能將平泉市香菇廢料作為秸稈反應堆的填充物，在越冬茬黃瓜上進行應用，不但能解決廢棄物的污染問題，而且可以促進該區(qū)域黃瓜產業(yè)綠色發(fā)展，一舉兩得。由此，筆者以香菇廢料作為秸稈反應堆的填充物與其他填充物進行比較，探明秸稈反應堆不同填充物對溫室越冬茬黃瓜生長、土壤理化性質和細菌多樣性的影響，以期為香菇廢料秸稈反應堆在平泉市溫室越冬茬黃瓜生產中的應用提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

供試黃瓜品種為抗寒性較強的密刺類黃瓜品種中荷17，由天津德瑞特種業(yè)有限公司培育。秸稈反應堆所需要的材料為香菇廢菌棒、整玉米秸稈、粉碎玉米秸稈、玉米芯、麥麩、腐熟有機肥，均采自平泉市榆樹林子鎮(zhèn)。發(fā)酵復合菌劑由承德豐酵素菌有限公司生產，有效菌素含量≥0.20 億·g，有機質含量（，后同）≥25.0%。

1.2 試驗設計

試驗于2019 年10 月至2020 年5 月在河北省承德市平泉市榆樹林子鎮(zhèn)平泉市益農科技育苗有限公司日光溫室內進行。試驗采用隨機區(qū)組設計，設整株玉米秸稈（T1）、粉碎玉米秸稈（T2）、玉米芯（T3）、香菇廢菌棒（T4）4 個不同秸稈反應堆填充物處理，以不使用秸稈反應堆為對照（CK）。每畦為1個小區(qū)，4 次重復，共20 個畦。

1.3 方法

1.3.1 秸稈反應堆的制作及黃瓜定植 定植前10 d，將充分腐熟的羊糞有機肥按10 m·667 m施入土壤旋耕后，在種植行下開溝，溝寬0.55 m，溝深0.35 m，溝長與栽培畦長一致，將土壤放在兩邊，向溝內填加不同填充物，鋪好后踏實，厚度約為0.30 m，而后將拌有麥麩的菌種均勻撒在填充物上，用鐵鍬輕拍使之充分接觸，覆土整平，然后澆水使填充物浸透。3 d 后覆土做畦，畦長6 m，畦寬1.2 m，大行距0.80 m，小行距0.40 m。2019 年11 月13 日定植2 葉1 心黃瓜插接嫁接苗，雙行定植，株距0.25 m，行距0.40 m，每畦定植48 株，畦面覆蓋黑色地膜，膜下鋪設滴灌管，整個生育期對照和秸稈反應堆處理的黃瓜水肥管理和植株調整保持一致。

1.3.2 黃瓜生長指標及產量的測定 于2020 年5月1 日黃瓜拉秧期，每個小區(qū)隨機選取4 株測定其生長指標，株高采用米尺測量黃瓜基部到生長點的長度；莖粗使用游標卡尺測量植株第1 片真葉下部節(jié)間的直徑；總節(jié)數(shù)采用計數(shù)法測定，準確數(shù)出黃瓜植株拉秧期的總節(jié)數(shù)。按小區(qū)定期采收成熟果實稱質量，于拉秧后統(tǒng)計黃瓜小區(qū)產量。

1.3.3 土壤樣品采集方法 于2020 年5 月1 日黃瓜拉秧后，采集根區(qū)土壤，每個處理采用五點法取0～20 cm 土層的土壤，將土壤中根系、雜物等去除干凈并過篩，混合均勻，一部分置于室內風干后進行理化性質測定，另一部分轉移至-80 ℃冰箱中用于土壤細菌多樣性的測定。

1.3.4 土壤理化性質的測定 土壤pH 值和EC 值采用上海雷磁多參數(shù)水質分析儀DZS-708 測定（土水質量比為1∶5）；土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量稀釋法測定；堿解氮含量采用堿解擴散法測定；土壤速效磷采用鉬藍比色法測定；土壤速效鉀含量采用火焰法測定。

1.3.5 土壤細菌群落結構分析 將土壤樣品送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司，采用Illumina Miseq 平臺進行高通量測序分析。采用338F/806R引物對16S rRNA V4-V5 區(qū)進行PCR 擴增，每個樣品的引物序列中包含6 bp 的特異標簽序列用于區(qū)分不同樣品，引物序列如下：

338F：ACTCCTACGGGAGGCAGCAG（5’-3’）；

806R：GGACTACHVGGGTWTCTAAT（5’-3’）。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Microsoft Excel 2019 整理數(shù)據(jù)，采用DPS 7.05 版分析軟件對數(shù)據(jù)進行顯著性分析。采用Mothur（V1.30.2）軟件進行微生物Alpha 多樣性分析；采用Qiime（V1.9.1）進行beta 多樣性距離計算。采用R 語言Vegan 包進行非度量多維尺度NMDS（Non-metric multi-dimensional scaling）分析。

2 結果與分析

2.1 不同秸稈反應堆對黃瓜生長及產量的影響

由表1 可以看出，T4 以香菇廢菌棒為填充物的秸稈反應堆的黃瓜株高、莖粗和總節(jié)數(shù)顯著高于T2以粉碎玉米秸稈為填充物的秸稈反應堆，與CK 不使用秸稈反應堆和T1 以整株玉米秸稈為填充物的秸稈反應堆無顯著差異，株高和總節(jié)數(shù)顯著高于T3以玉米芯為填充物的秸稈反應堆。秸稈反應堆可以提高黃瓜產量，各處理在黃瓜小區(qū)產量上表現(xiàn)為T3＞T4＞T1＞T2＞CK。其中，T1、T3 和T4 的產量無顯著差異，但均顯著高于CK 和T2；與對照相比，T4在黃瓜小區(qū)產量上的增幅為12.25%。

表1 不同秸稈反應堆對黃瓜生長及產量的影響

2.2 不同秸稈反應堆對土壤理化性質的影響

從表2 可以看出，秸稈反應堆處理均顯著提高了土壤pH，降低了土壤EC 值。T4 的pH 值顯著高于CK 和T2，分別提高了0.49 和0.28；與對照相比，T4 的EC 值降低了19.76%。秸稈反應堆處理能提高土壤有機質、堿解氮、速效磷含量。其中，T4效果最明顯，顯著高于對照，有機質含量增加了35.01%；速效鉀含量除T1 外，其他處理均高于對照。綜上說明秸稈反應堆在一定程度上能夠緩解土壤酸化和鹽漬化，提高土壤養(yǎng)分含量，改善土壤理化性質。

表2 不同秸稈反應堆對土壤養(yǎng)分含量的影響

2.3 不同秸稈反應堆對土壤細菌多樣性的影響

2.3.1 土壤細菌Alpha 多樣性和OTU 分析 高通量測序分析結果如表3 所示，各處理的土壤細菌群落OUT 數(shù)量均顯著高于對照，測序覆蓋率均大于96%，說明本試驗測序量能夠反映土壤樣本的細菌群落種類和結構多樣性。土壤細菌Alpha 多樣性指數(shù)中，ACE 指數(shù)和Chao1 指數(shù)可以表示物種的豐富度，秸稈反應堆處理后均顯著高于對照，但各處理之間差異不顯著；Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)反映種群多樣性，各處理的Shannon 指數(shù)均高于對照，Simpson 指數(shù)均低于對照，其中T4 的Shannon指數(shù)顯著高于除T1 以外的其他處理，其Simpson指數(shù)顯著低于CK 和T2 處理。表明秸稈反應堆可以增加土壤微生物的豐富度和種群多樣性。其中，以T4 香菇菌棒為填充物的秸稈反應堆效果最明顯。

表3 不同秸稈反應堆對土壤細菌Alpha 多樣性的影響

圖1 是根據(jù)各樣品測序數(shù)據(jù)計算出的每個樣品共有和獨有的OTU 數(shù)量，以此來反映各處理間OTU 的差異。CK、T1、T2、T3、T4 的土壤細菌群落總OTU 數(shù)分別為3523、3823、3844、3885、3821 個；各處理共有的OTU 為3320 個，CK、T1、T2、T3、T4處理各自特有的OTU 數(shù)量分別是88、152、139、127、202，分別占相應樣品總OTU 的比例為2.50%、3.98%、3.62%、3.27%、5.29%；由此可見，與對照相比各處理均增加了獨有土壤細菌群落數(shù)量。其中，T4以香菇菌為填充物的秸稈反應堆效果最明顯。

圖1 不同秸稈反應堆的土壤細菌組成維恩圖

2.3.2 土壤細菌Beta 多樣性分析 由層級聚類分析（圖2）可知在土壤細菌屬水平上，CK、T1 和T3處理能夠聚合在一起，T2 和T4 處理分別獨立處于一個分枝。土壤細菌屬水平上NMDS 分析結果如圖3 所示，每個處理中3 個重復的土壤細菌群落都能聚集在一個區(qū)域，與其他處理明顯分開，說明各個處理之間的細菌種群均有一定的差異，且同一處理內存在較強的一致性。其中，CK、T1 和T3 處理距離較近，T2 和T4 處理分別獨自處在一個區(qū)域。層級聚類分析結果和NMDS 分析結果相似，總體說明T2 以粉碎玉米秸稈為填充物的秸稈反應堆和T4 以香菇菌棒為填充物的秸稈反應堆能夠較明顯地影響越冬茬黃瓜根系周圍的土壤細菌群落多樣性。

圖2 土壤細菌群落屬水平的樣本層級聚類分析

圖3 土壤細菌群落屬水平的NMDS 分析

2.3.3 土壤細菌相對豐度分析 由圖4 可知，各處理土壤細菌在門水平上相對豐度大于5%的細菌門有4 個，分別是變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、酸桿菌門（Acidobacteria），這些細菌優(yōu)勢門的相對豐度分別是28.67%～34.53%、13.76%～17.76%、13.44%～15.11%、10.29%～15.29%。通過對數(shù)據(jù)進行方差分析，可知秸稈反應堆處理后明顯增加了變形菌門（Proteobacteria）的相對豐度，各處理分別比對照增加3.24%、13.15%、4.54%、16.97%，其中，T4 處理增加幅度最大；降低了放線菌門（Actinobacteria）的相對豐度，各處理之間無明顯差異；T4 的酸桿菌門和綠彎菌門相對豐度明顯降低，其他處理較對照無明顯變化。

圖4 土壤細菌在門水平上種群的相對豐度

進一步分析屬水平上的種類和豐度（圖5），各處理的優(yōu)勢屬或亞屬主要屬于變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、酸 桿 菌 門（Acidobacteria）、芽 單 胞 菌 門（Geaumtimonadota）、厚壁菌門（Fimmicutes）。通過對數(shù)據(jù)進行方差分析，可知T4 處理使變形菌門（Proteobacteria）屬的豐度顯著升高，酸桿菌門（Acidobacteria）屬的豐度顯著降低。綜上所述，香菇廢料秸稈反應堆處理后能夠增加較多細菌門和屬的相對豐度，且以有益細菌為主。

圖5 土壤細菌在屬水平上種群的相對豐度

3 討論與結論

秸稈反應堆對提高越冬茬黃瓜產量和品質效果顯著，能夠明顯改善設施內土壤微環(huán)境，促進園藝作物的生長發(fā)育。有研究者發(fā)現(xiàn)秸稈反應堆技術與菌劑共施能夠提高設施土壤溫度，為植株根系創(chuàng)造出適宜生長的環(huán)境。本試驗結論與前人相似，研究結果表明香菇廢料秸稈反應堆處理后的溫室越冬茬黃瓜株高、莖粗、總節(jié)數(shù)均高于對照，產量顯著高于對照，與生產上常用的整株玉米秸稈反應堆無顯著性差異，這說明香菇廢料秸稈反應堆有利于溫室越冬茬黃瓜的生長和產量的提高。

多數(shù)研究表明，秸稈反應堆技術不僅能夠改善土壤理化性質，同時秸稈在分解過程中會連續(xù)向土壤釋放營養(yǎng)物質，提高土壤有機質含量和氮磷鉀等有效養(yǎng)分含量，提高了土壤肥力。本試驗結果表明，秸稈反應堆處理后均提高了土壤pH 值，降低了土壤EC 值，一定范圍內緩解了土壤酸化和鹽漬化；香菇廢料秸稈反應堆處理后與對照相比顯著提高了有機質、堿解氮和速效磷的含量，與其他秸稈反應堆相比，也表現(xiàn)出了相對優(yōu)勢，說明香菇廢料秸稈反應堆可以改善土壤理化性質。

秸稈還田可以顯著影響細菌群落結構，增加土壤中變形菌門等的豐度并且增加了土壤微生物多樣性。本研究結果表明，添加香菇廢料顯著增加了土壤細菌群落的豐富度和均勻度，保持了較高的細菌群落多樣性，這可能與其自身富含多種微生物有關。通過聚類分析和非度量多維尺度（NMDS）分析發(fā)現(xiàn)，以香菇廢料為填充物的秸稈反應堆顯著影響了細菌群落結構。土壤中的優(yōu)勢菌門為變形菌門，其次為放線菌門、綠彎菌門和酸桿菌門；較多的細菌門和屬處于上升趨勢，且以有益細菌為主。

綜上所述，香菇廢料秸稈反應堆增加了土壤養(yǎng)分含量，改善了土壤理化性狀，提高了土壤細菌種群多樣性，改善了黃瓜根區(qū)土壤微環(huán)境，促進了黃瓜生長和產量提高。綜合考慮認為在平泉市等香菇主產區(qū)，香菇廢料可替代生產上常用的其他填充物來制作秸稈反應堆，不僅可以促進溫室越冬茬黃瓜生長發(fā)育，還可減少環(huán)境污染，實現(xiàn)農業(yè)廢棄物循環(huán)利用。