李萬(wàn)星，李 丹，李小霞，曹晉軍，靳鯤鵬，韓文清，蘇秀敏， 王 佼，黃學(xué)芳，劉永忠

(1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 谷子研究所，山西 長(zhǎng)治 046000；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 山西有機(jī)旱作農(nóng)業(yè)研究院，山西 太原 030031)

番茄(Solanumlycopersicum)是我國(guó)重要的設(shè)施果菜之一，富含多種維生素及礦物質(zhì)，是營(yíng)養(yǎng)價(jià)值較高的果蔬之一。旱地番茄因其特殊的生長(zhǎng)環(huán)境而得名，即露地種植，缺乏灌溉設(shè)施，利用自然降雨的方式生長(zhǎng)。與普通番茄相比，旱地番茄具有糖酸比高、果瓤沙質(zhì)細(xì)膩、番茄紅素高等特點(diǎn)。由于地理環(huán)境、種植習(xí)慣、經(jīng)濟(jì)效益等因素的影響，導(dǎo)致旱地番茄連作現(xiàn)象嚴(yán)重。番茄連作會(huì)造成土壤養(yǎng)分積累或過(guò)度消耗、土壤理化性狀發(fā)生改變，使植株長(zhǎng)勢(shì)減弱，進(jìn)而影響番茄品質(zhì)下降，產(chǎn)量降低，同時(shí)伴隨著土壤微生物多樣性降低、病蟲(chóng)害加劇等現(xiàn)象[1-4]，連作障礙已成為制約旱地番茄農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要因素之一。

不同農(nóng)業(yè)措施(輪作、間作和套種)可以促進(jìn)作物生長(zhǎng)發(fā)育、提高作物產(chǎn)量、改善品質(zhì)、抑制作物病害及改良農(nóng)田生態(tài)環(huán)境[5-7]。金莉[8]研究發(fā)現(xiàn)，不同蔬菜輪作可提高后茬番茄的可溶性糖、可溶性蛋白及抗壞血酸的含量，在一定程度上提高后茬番茄果實(shí)的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)。鄧玉清[9]研究發(fā)現(xiàn)，番茄輪作后可提高土壤微生物多樣性，通過(guò)改善土壤微生物的組成和豐度來(lái)調(diào)節(jié)土壤碳、氮循環(huán)，同時(shí)改善土壤生態(tài)環(huán)境，從而影響后茬番茄的生長(zhǎng)。吳宏亮等[10]研究發(fā)現(xiàn)，輪作可增加土壤有益微生物的比例，使連作障礙得到緩解。番茄與豇豆間作可控制番茄細(xì)菌性枯萎病大規(guī)模發(fā)生[11]?？茖W(xué)合理地輪作是緩解連作障礙發(fā)生的有效措施之一[12]。

本試驗(yàn)以特色蔬菜旱地番茄為研究對(duì)象，探討不同作物與旱地番茄輪作后對(duì)土壤真菌及后茬旱地番茄產(chǎn)量、品質(zhì)的影響，旨在篩選出適宜晉東南地區(qū)種植、具有高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)的最佳番茄輪作模式，對(duì)旱地番茄特色產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要的現(xiàn)實(shí)指導(dǎo)意義。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試旱地番茄為日潤(rùn)1號(hào)，糯玉米為晉糯10號(hào)，西葫蘆為東葫1號(hào)，秋葵為綠鹽，黃瓜為中農(nóng)18號(hào)，花生由長(zhǎng)治縣裕盛豐農(nóng)業(yè)專(zhuān)業(yè)合作社提供，豆角和蔥為當(dāng)?shù)胤N植的常用品種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大田試驗(yàn)于2018—2020年在山西省長(zhǎng)治市壺關(guān)縣東關(guān)壁村(E113°22′，N36°19′)進(jìn)行。2018—2020年旱地番茄生育期內(nèi)平均降水量為367.1 mm，為典型的雨養(yǎng)農(nóng)業(yè)區(qū)。土壤基礎(chǔ)肥力為：有機(jī)質(zhì)16.24 g/kg，全氮1.26 g/kg，有效磷8.65 mg/kg，速效鉀208.95 mg/kg，堿解氮450.23 mg/kg，pH值8.22。2018年在前茬作物為旱地番茄的農(nóng)田種植豆角和番茄，于當(dāng)年5月30日進(jìn)行移栽；2019年種植旱地番茄(LLLe)、糯玉米(LVZm)、西葫蘆(LVCp)、花生(LVAh)、蔥(LVAf)、秋葵(LVAe)、黃瓜(LVCs)7種作物，于當(dāng)年6月1日播種玉米，其余作物進(jìn)行移栽。2020年全部種植旱地番茄，于當(dāng)年5月28日進(jìn)行移栽。其中，以旱地番茄連續(xù)3 a進(jìn)行連作為對(duì)照。試驗(yàn)小區(qū)面積為52 m2，小區(qū)間用田埂隔開(kāi)，每個(gè)處理3次重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。播種前統(tǒng)一撒施發(fā)酵過(guò)的雞糞，生長(zhǎng)過(guò)程中不追肥。不同小區(qū)管理方式相同。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 土壤真菌多樣性測(cè)定 于8月15日(番茄盛果期間)采集根際土樣。每個(gè)處理隨機(jī)選取5株長(zhǎng)勢(shì)相同的番茄植物，用鐵鍬將作物連根挖起，抖落外側(cè)大型土塊，用刷子、報(bào)紙收集附著在根系上的土壤，用鑷子去除落葉、毛細(xì)根等雜物，混勻充分后將樣品分成2份，其中一份放入離心管中，液氮保存、干冰寄送至上海派森諾生物科技公司，用于土壤真菌多樣性的檢測(cè)；另一份放入-80 ℃?zhèn)溆谩?/p>

根據(jù)DNeasyPowerSoil Kit(QIAGEN)試劑盒說(shuō)明書(shū)對(duì)土壤總DNA進(jìn)行提取，利用NanoDrop2000對(duì)提取的DNA濃度和純度進(jìn)行檢測(cè)；對(duì)真菌ITS1-ITS2區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增。構(gòu)建好高通量測(cè)序文庫(kù)進(jìn)行雙端測(cè)序。測(cè)序結(jié)果使用QIIME等分析軟件將OUT聚類(lèi)與劃分，開(kāi)展Alpha多樣性、beta多樣性以及不同分類(lèi)水平的群落結(jié)構(gòu)統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.2 旱地番茄品質(zhì)指標(biāo)測(cè)定 在第3穗果成熟時(shí)，選擇各處理發(fā)育狀況一致的果實(shí)洗凈去皮，將組織研磨進(jìn)行品質(zhì)測(cè)定，每個(gè)處理進(jìn)行3次重復(fù)?？扇苄怨绦挝?、可溶性蛋白、硝酸鹽、可溶性糖、有機(jī)酸、維生素C等品質(zhì)指標(biāo)采用常規(guī)分析法測(cè)定[13-18]，番茄紅素含量委托測(cè)試機(jī)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定。

1.3.3 旱地番茄產(chǎn)量測(cè)定 每小區(qū)選取中間2行，從旱地番茄第1穗果成熟時(shí)開(kāi)始采摘，直至4～5穗果，每次收獲時(shí)用電子秤稱(chēng)質(zhì)量，計(jì)算產(chǎn)量。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2000 軟件進(jìn)行整理；采用SPSS 20.0 軟件進(jìn)行顯著性分析(P<0.05)與主成分分析(Principal component analysis，PCA)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式對(duì)后茬番茄根際土壤真菌多樣性的影響

2.1.1 不同輪作模式對(duì)后茬番茄根際土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的影響 各處理土壤真菌門(mén)水平群落結(jié)構(gòu)和相對(duì)含量差異較大(圖1)。7個(gè)樣品豐度較高的前5個(gè)門(mén)的種類(lèi)分別是子囊菌門(mén)(Ascomycota)、被孢霉門(mén)(Mortierellomycota)、擔(dān)子菌門(mén)(Basidiomycota)、壺菌門(mén)(Chytridiomycota)與蛙糞菌門(mén)(Basidiobolomycota)，5個(gè)門(mén)的豐度占總豐度的93%以上，其中，子囊菌門(mén)在各處理含量均超過(guò)90%。芽枝霉門(mén)(Blastocladiomycota)在LVAh、LVAe中含量較高，而LVAf、LVCs中不含該菌；毛霉門(mén)(Mucoromycota)在LVAf、LVAe、LVZm中含量較高，在其余處理中含量較低；羅茲菌門(mén)(Rozellomycota)在LVZm中含量最高，而LVAh中不含該菌；捕蟲(chóng)霉門(mén)(Zoopagomycota)在LVAf、LLLe中未被檢測(cè)到；油壺菌門(mén)(Olpidiomycota)僅在LVAe、LVZm中發(fā)現(xiàn)。

由圖2可知，7個(gè)樣品中，未知菌屬占比66%～79%，其余豐度較高的10個(gè)屬分別為頭囊聚孢霉屬(Cephaliophora)占比4.2%～10.7%；瓶毛殼屬(Lophotrichus)占比1.9%～6.6%；光黑殼屬(Preussia)占比1.7%～7.1%；毛葡孢屬(Botryotrichum)占比1.1%～4.9%；被孢霉菌(Mortierella)占比1.1%～4.7%；沙氏殼屬(Subramaniula)占比0.1%～4.4%；毛殼屬(Chaetomium)占比0.1%～2.5%；鐮刀菌屬(Fusarium)占比0.7%～2.1%；無(wú)莖真菌屬(Acaulium)占比0.2%～4.7%；帚枝霉屬(Sarocladium)占比0.2%～0.9%。有研究表明，連作障礙明顯的土壤中含有大量的致病真菌，根據(jù)有害真菌類(lèi)群及常見(jiàn)病害[19]，本試驗(yàn)7個(gè)處理中，只篩選出茄病鐮刀菌(Fusariumsolani)一種有害菌，且相對(duì)含量較低(0.002%～0.009%)，其余大部分菌屬于非致病菌[20]。

圖2 不同輪作模式屬水平豐富度比較Fig.2 Comparative of relative abundance at genus level in different treatments

由圖3可知，7個(gè)處理較為明顯地分為3類(lèi)，其中，LVCp單獨(dú)分為一支，LVAf、LVAe、LVAh分為一支，LVCs、LVZm、LLLe為一支。由此可見(jiàn)，輪作不同作物對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生顯著影響。

2.1.2 不同輪作模式對(duì)后茬番茄根際土壤真菌多樣性的影響 各樣品覆蓋度均大于99%，說(shuō)明測(cè)序結(jié)果可靠、具有代表性；Chao1指數(shù)是用來(lái)衡量物種數(shù)量的多少，該指數(shù)由大到小依次為L(zhǎng)VCs>LVZm>LVAh>LVAe>LLLe(CK)>LVAf>LVCp；香濃指數(shù)與辛普森指數(shù)是用來(lái)衡量物種多樣性，香濃指數(shù)由大到小依次為L(zhǎng)VAh>LVAe>LVCs > LVAf>LVZm> LLLe>LVCp，而辛普森指數(shù)由小到大依次為L(zhǎng)VCp

圖3 不同輪作模式聚類(lèi)分析Fig.3 Hierarchical clustering analysis of different crop rotation patterns

表1 土壤真菌多樣性指數(shù)Tab.1 Diversity index of fungi in soil

2.2 不同輪作模式對(duì)后茬旱地番茄品質(zhì)的影響

由表2可知，LVCs的可溶性糖最高，較LLLe(CK)增加了0.206百分點(diǎn)，LVAf的可溶性糖含量最低，較LLLe(CK)降低0.036百分點(diǎn)；LVAf的有機(jī)酸含量最高，較LLLe(CK)增加了0.346百分點(diǎn)，LVZm、LVCp含量最低，較LLLe(CK)降低0.040百分點(diǎn)。有研究表明[21-22]，糖酸比在6.9～10.8番茄食用風(fēng)味最佳。LVZm輪作模式的糖酸比最大，說(shuō)明該處理口味較佳；其次是LVCp輪作模式；LVAf輪作模式糖酸比最低，口感最差。維生素C含量以LVAh、LVCs含量最低，較LLLe(CK)降低37.5%，其余模式Vc含量差異不顯著?？扇苄缘鞍缀坎煌幚黹g沒(méi)有顯著差異?？扇苄怨绦挝锖恳訪LLe(CK)、LVCp模式最高，為6.5%，其余模式可溶性固形物含量較對(duì)照均顯著降低(P<0.05)，其中，LVZm、LVAf、LVAe含量最低，均為5.0%，較LLLe(CK)降低1.5百分點(diǎn)。各輪作模式的番茄紅素含量較LLLe(CK)均提高，其中以LVCp輪作模式增幅最大，達(dá)344.6%。硝酸鹽含量最高的為L(zhǎng)VAe，較LLLe(CK)顯著增加43.3%(P<0.05)。

表2 不同輪作模式對(duì)后茬旱地番茄品質(zhì)的影響Tab.2 Effect of difference rotation patterns on quality traits of dryland tomato

2.3 不同輪作模式對(duì)后茬旱地番茄產(chǎn)量的影響

由圖4可知，旱地番茄產(chǎn)量由高到低為L(zhǎng)VAe>LVCp>LVAh>LVAf>LLLe(CK)>LVZm>LVCs，其中，LVAe、LVCp與LLLe(CK)相比產(chǎn)量顯著提高(P<0.05)；單果質(zhì)量由高到低為L(zhǎng)VCp>LLLe，LVAh>LVAf，LVAe>LVZm>LVCs，LVCp輪作模式番茄單果質(zhì)量顯著增加。

不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。 Different lowercase letters meant significant difference among treatments at 0.05 level.

2.4 不同輪作模式對(duì)旱地番茄品質(zhì)、產(chǎn)量影響的綜合分析

2.4.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取、標(biāo)準(zhǔn)化及指標(biāo)間的相關(guān)性 選取具有代表性的因子，包括旱地番茄品質(zhì)因子(可溶性糖、有機(jī)酸、糖酸比、硝酸鹽、Vc、可溶性蛋白、可溶性固形物、番茄紅素)和旱地番茄產(chǎn)量因子(產(chǎn)量、單果質(zhì)量)共10個(gè)作為主成分分析的評(píng)價(jià)指標(biāo)，為保證數(shù)據(jù)的客觀性與科學(xué)性，需對(duì)原始數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使選取因子在數(shù)量級(jí)和量綱上達(dá)到一致，然后對(duì)番茄品質(zhì)、產(chǎn)量各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行相關(guān)性分析，結(jié)果如表3所示。

表3結(jié)果表明，可溶性糖含量與可溶性蛋白含量顯著正相關(guān)(P<0.05)，與單果質(zhì)量顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05)；有機(jī)酸含量與糖酸比呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)；可溶性蛋白含量與單果質(zhì)量呈極顯著負(fù)相關(guān)(P<0.01)。

表3 番茄品質(zhì)、產(chǎn)量指標(biāo)相關(guān)性分析Tab.3 Correlation analysis of tomato quality and yield indexes

2.4.2 旱地番茄品質(zhì)、產(chǎn)量主成分結(jié)果分析 由表4可知，旱地番茄品質(zhì)、產(chǎn)量主成分分析貢獻(xiàn)率與累積貢獻(xiàn)率：第1個(gè)主成分的特征值是4.046，方差貢獻(xiàn)率為40.462%，第2個(gè)主成分的特征值為2.464，方差貢獻(xiàn)率為24.635%，第3個(gè)主成分的特征值為1.458，方差貢獻(xiàn)率為14.581%，第4個(gè)主成分的特征值是1.263，方差貢獻(xiàn)率為12.633%，4個(gè)主成分累積貢獻(xiàn)率為92.311%，即這4個(gè)主成分包含總體信息的92.311%，符合分析要求。所以能夠以這4個(gè)主成分來(lái)代表旱地番茄品質(zhì)、產(chǎn)量進(jìn)行性狀篩選。

2.4.3 旱地番茄品質(zhì)、產(chǎn)量綜合排名綜合評(píng)估 旱地番茄品質(zhì)、產(chǎn)量綜合排名從高到低為L(zhǎng)VCp> LVAe>LLLe(CK)>LVAh>LVAf>LVZm>LVCs(表5)，其中，LVAf、LVZm、LVCs這3個(gè)處理綜合得分為負(fù)數(shù)，說(shuō)明這3個(gè)輪作處理降低了旱地番茄的產(chǎn)量與品質(zhì)，是不適宜的輪作模式。

表4 主成分特征值與貢獻(xiàn)率Tab.4 Eigenvalues and contribution rate of variance analysis

表5 不同輪作模式因子得分與綜合排名Tab.5 Factor score and comprehensive ranking in different treatments

3 結(jié)論與討論

真菌作為土壤微生物的重要組成部分，具有養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、有機(jī)質(zhì)分解等作用。動(dòng)植物殘?bào)w主要依靠腐生真菌來(lái)分解，土壤真菌的多少與土壤有機(jī)質(zhì)含量多少密切相關(guān)[23]。真菌多樣性是判斷土壤生態(tài)系統(tǒng)是否健康運(yùn)轉(zhuǎn)的前提條件。另一方面，單一作物長(zhǎng)時(shí)間連作會(huì)使土壤板結(jié)、有害真菌數(shù)量增加、有益菌數(shù)量較少，使作物發(fā)生病害、品質(zhì)下降，最終造成減產(chǎn)[24]。有研究表明，作物連作會(huì)影響土壤微生物的生長(zhǎng)繁殖，使細(xì)菌和有益微生物數(shù)量減少、病原真菌數(shù)量增加[25]，導(dǎo)致土壤根際微生態(tài)系統(tǒng)失衡，造成連作障礙[26-27]。本研究中，番茄連作處理與其他處理相比，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯連作障礙現(xiàn)象，在8個(gè)處理中均篩選到有害菌茄病鐮刀菌，且相對(duì)含量較低(0.002%～0.009%)。這可能是因?yàn)榉堰B作時(shí)間為4 a，還未引起明顯的連作障礙；其次可能是因?yàn)樵诜N植過(guò)程中每年施用有機(jī)肥，可緩解連作障礙，改善土壤群落結(jié)構(gòu)，減輕土傳病害的發(fā)生[28]。因各處理絕大部分菌未被準(zhǔn)確檢測(cè)出來(lái)，在綜合評(píng)價(jià)時(shí)未被列入微生物多樣性這個(gè)因子，具體還需要進(jìn)一步試驗(yàn)驗(yàn)證。受限于測(cè)序數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)庫(kù)不夠完善等原因，使得相當(dāng)一部分物種無(wú)法被準(zhǔn)確檢測(cè)出來(lái)，未來(lái)考慮采用更精準(zhǔn)的宏基因組測(cè)序來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

本研究通過(guò)比較不同作物與旱地番茄輪作對(duì)土壤真菌門(mén)水平相對(duì)豐度可知，土壤真菌優(yōu)勢(shì)菌群為子囊菌門(mén)，在各處理中含量超過(guò)90%，與前人研究結(jié)果一致[29]；其次依次為被孢霉門(mén)、擔(dān)子菌門(mén)、壺菌門(mén)與蛙糞菌門(mén)。土壤真菌的種類(lèi)和比例與以往研究不相同，這可能與植物的種類(lèi)、土壤條件等因素有關(guān)。有研究表明，子囊菌門(mén)具有降解可溶性土壤中有機(jī)底物的功能，推測(cè)子囊菌門(mén)在各處理含量均超過(guò)90%的原因可能與連續(xù)施用有機(jī)肥有關(guān)，施用有機(jī)肥使土壤中有機(jī)物質(zhì)含量增加，進(jìn)而使土壤中子囊菌門(mén)數(shù)量升高[30]。子囊菌是自然界最為豐富的真菌之一，但絕大多數(shù)子囊菌的生物學(xué)功能尚不明確，需要進(jìn)一步研究其在土壤肥力和植物病害發(fā)生中的作用。

為了篩選出適宜晉東南地區(qū)最佳的輪作作物，應(yīng)綜合考慮后茬番茄的品質(zhì)、產(chǎn)量等多方面因素。本研究運(yùn)用主成分分析法將10個(gè)品質(zhì)、產(chǎn)量因子的原始指標(biāo)降維、提取出4個(gè)主成分，累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)92.31%。通過(guò)主成分分析法得知，不同作物與旱地番茄輪作模式的綜合得分順序?yàn)槲骱J>秋葵>旱地番茄>花生>蔥>糯玉米>黃瓜。其中，輪作西葫蘆得分最高，其次依次為輪作秋葵、旱地番茄連作、輪作花生，四者得分均為正值，說(shuō)明輪作西葫蘆、秋葵、花生以及連作旱地番茄可使番茄品質(zhì)、產(chǎn)量保持較高的水平。輪作蔥、糯玉米、黃瓜三者得分為負(fù)值，說(shuō)明輪作蔥、玉米、黃瓜降低了旱地番茄的品質(zhì)和產(chǎn)量。由此可知，不同輪作模式會(huì)影響后茬作物番茄的生長(zhǎng)和品質(zhì)，考慮到長(zhǎng)期連作必然會(huì)造成連作障礙，認(rèn)為西葫蘆、秋葵是較為適宜晉東南地區(qū)避免旱地番茄連作障礙的理想輪作作物。