張京社 陳園園 閻世江

摘要：秸稈覆蓋是一項(xiàng)新興的農(nóng)田覆蓋技術(shù)，與地膜覆蓋相比較具有蓄水保墑、提高土壤肥力、減緩?fù)寥罍囟入S季節(jié)性變化產(chǎn)生變化的優(yōu)勢(shì)。探究長(zhǎng)期秸稈覆蓋對(duì)土壤養(yǎng)分、蔬菜產(chǎn)量、土壤微生物多樣性的影響，對(duì)于設(shè)施蔬菜生產(chǎn)具有重要意義。選取連續(xù)6年種植越冬茬蔬菜的日光溫室，采用番茄—黃瓜輪作方式，設(shè)地膜覆蓋（CK）、秸稈覆蓋2個(gè)處理，調(diào)查土壤養(yǎng)分含量及蔬菜產(chǎn)量。采用高通量測(cè)序方法分析土壤微生物豐度（16S rDNA 基因拷貝數(shù)）、α多樣性和β多樣性，分析主要功能種群的豐度在處理間的差異。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋處理使土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量及EC值上升，使pH值趨于中性，提高土壤養(yǎng)分含量，對(duì)蔬菜生長(zhǎng)發(fā)育有利，進(jìn)一步使蔬菜產(chǎn)量上升；采用塑料地膜覆蓋處理，有機(jī)質(zhì)含量基本不變，全氮、有效磷、速效鉀含量上升緩慢，EC值下降，pH值上升。秸稈覆蓋處理后土壤微生物的拷貝數(shù)達(dá)2 305個(gè)，地膜覆蓋處理達(dá)1 985個(gè)，經(jīng)α多樣性分析發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋處理的Shannon指數(shù)達(dá)8.9，地膜處理達(dá)8.5。β多樣性分析發(fā)現(xiàn)，地膜覆蓋處理、秸稈覆蓋處理后的微生物群落種類、豐度均不同，說(shuō)明多年來(lái)的不同覆蓋處理改變了微生物群落結(jié)構(gòu)，兩者出現(xiàn)分離。2個(gè)處理得到的土壤微生物主要有伽瑪變形桿菌門(mén)、α變形菌門(mén)、擬桿菌門(mén)、變形桿菌門(mén)、分組 6門(mén)、紅溫病門(mén)、厭食線蟲(chóng)科、寶石單胞菌門(mén)及其他，與CK 相比，除厭食線蟲(chóng)科及其他微生物外，秸稈覆蓋處理的8種微生物的相對(duì)豐度均較地膜覆蓋處理的高。10 個(gè)豐度較高的功能種群中，發(fā)酵作用的豐度最高，2個(gè)處理分別達(dá)20.21%、25.24%；化能異養(yǎng)和固氮作用種群的豐度次之，為8.57%～11.00%；葉綠體固氮、硝化作用、硝酸鹽還原、光養(yǎng)作用、亞硝酸鹽氧化、光養(yǎng)作用的豐度在10%以下；另外有11%～24%的功能尚不明確。表明秸稈覆蓋提高了土壤養(yǎng)分、蔬菜產(chǎn)量及土壤中微生物的數(shù)量和多樣性，減少白色污染，降低成本，對(duì)蔬菜生長(zhǎng)有利。

關(guān)鍵詞：秸稈覆蓋；土壤養(yǎng)分；產(chǎn)量；微生物；多樣性；蔬菜；日光溫室

中圖分類號(hào)：S630.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2023）08-0217-06

基金項(xiàng)目：山西省農(nóng)業(yè)綜合開(kāi)發(fā)科技推廣項(xiàng)目；山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)術(shù)恢復(fù)科研專項(xiàng)（編號(hào)：2020xshf29）。

作者簡(jiǎn)介：張京社（1962—），男，山西臨猗人，博士，研究員，主要從事設(shè)施蔬菜栽培及果蔬采后貯藏保鮮研究。E-mail：jingshez@163.com。

通信作者：閻世江，博士，副研究員，主要從事蔬菜遺傳育種研究。E-mail：syauyan@163.com。

農(nóng)田覆蓋是一種重要的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)技術(shù)［1-2］，可以降低農(nóng)田水分無(wú)效蒸發(fā)，提高用水效率及土壤養(yǎng)分，我國(guó)勞動(dòng)人民早在2 000多年前就開(kāi)始應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)［3-5］。20世紀(jì)50年代，日本等國(guó)家開(kāi)始推廣塑料薄膜覆蓋技術(shù)，我國(guó)于20世紀(jì)70年代從國(guó)外引進(jìn)后進(jìn)行試驗(yàn)，后在全國(guó)開(kāi)始推廣。近年來(lái)，在設(shè)施蔬菜生產(chǎn)中該技術(shù)得到大規(guī)模的應(yīng)用。地膜覆蓋具有增溫、保墑的作用，但也存在一些問(wèn)題，如使用之后不易降解、對(duì)土壤環(huán)境有影響等。秸稈覆蓋是一項(xiàng)新興的農(nóng)田覆蓋技術(shù)，是指待作物成熟收獲后，將秸稈粉碎后均勻覆蓋在土壤表面，以替代塑料地膜的方法，其作用有蓄水保墑、提高土壤肥力、減緩?fù)寥罍囟入S季節(jié)性變化產(chǎn)生變化等。因此，秸稈覆蓋的研究逐步成為學(xué)者研究的熱點(diǎn)。周茂娟等研究認(rèn)為，秸稈覆蓋能改善辣椒品質(zhì)［6］；吳興等研究認(rèn)為，采用秸稈覆蓋能增加結(jié)果期辣椒、番茄產(chǎn)量［7-8］；閻世江等研究發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋使茄子、黃瓜的產(chǎn)量提高，并改善品質(zhì)［9-10］。目前有關(guān)秸稈覆蓋對(duì)作物的影響多集中在上述的幾個(gè)方面，如對(duì)產(chǎn)量、品質(zhì)的影響，對(duì)其深層次的如土壤養(yǎng)分機(jī)理的研究少見(jiàn)報(bào)道。

土壤存在的微生物較多，這類微生物本身既可以釋放養(yǎng)分，同時(shí)又能促進(jìn)作物吸收養(yǎng)分，在作物生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用［11-16］。長(zhǎng)期采用秸稈覆蓋的方法將形成特定的微生物群落［17］。因此探明不同地面覆蓋方式下微生物的多樣性，就能揭示秸稈覆蓋對(duì)土壤環(huán)境乃至蔬菜生長(zhǎng)影響的機(jī)理。而有關(guān)秸稈覆蓋對(duì)土壤微生物多樣性影響的研究少見(jiàn)報(bào)道。

本研究基于連續(xù)多年的蔬菜栽培試驗(yàn)，采用不同的覆蓋方式，對(duì)土壤進(jìn)行16S rDNA 擴(kuò)增子測(cè)序分析，探究微生物的數(shù)量、多樣性對(duì)不同的覆蓋方式的響應(yīng)差異，并結(jié)合蔬菜生長(zhǎng)、產(chǎn)量、土壤養(yǎng)分，探討微生物多樣性在作物生長(zhǎng)中的作用，為蔬菜高產(chǎn)栽培提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 蔬菜種植

試驗(yàn)在山西省農(nóng)業(yè)科學(xué)院東陽(yáng)試驗(yàn)示范基地（112°40′E，37°59′N）35號(hào)日光溫室（長(zhǎng)46 m、跨度8 m）進(jìn)行，土壤為褐土，從2015年10月開(kāi)始種植越冬茬蔬菜，采用番茄—黃瓜輪作方式，種植安排詳見(jiàn)表1。定植前施用腐熟羊糞6 m3，設(shè)地膜覆蓋（CK）及秸稈覆蓋2個(gè)處理，試驗(yàn)小區(qū)長(zhǎng)7 m、寬 2 m，面積為14 m2，隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)，共6個(gè)小區(qū)。地膜覆蓋處理：地面采用聚乙烯塑料地膜（厚度0.01 mm）覆蓋；秸稈覆蓋：在小區(qū)地面上覆蓋粉碎后的玉米秸稈，厚度為5～10 cm，并適當(dāng)壓實(shí)，用量為300 kg/667 m2。待下茬蔬菜施基肥時(shí)一同翻入土壤。

1.2 土壤養(yǎng)分含量及產(chǎn)量測(cè)定

每茬蔬菜拉秧后（2016年8月31日、2017年9月1日、2018年9月11日、2019年8月31日、2020年8月31日、2021年8月22日）測(cè)定土壤養(yǎng)分含量，包含有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀含量及土壤電導(dǎo)率（EC值）、pH值（均采用呂貽忠等的方法［18］），并記錄蔬菜小區(qū)產(chǎn)量，折算為公頃產(chǎn)量。

1.3 DNA 提取和高通量測(cè)序

于2021年8月31日，每個(gè)小區(qū)在耕層土壤采集5個(gè)樣品，混合過(guò)20目網(wǎng)篩后分成4 份樣品，用于DNA 提取及16S rDNA 擴(kuò)增子測(cè)序分析。上述步驟由上海中科新生命生物科技有限公司完成。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0 進(jìn)行分析，采用Excel 2010作圖表。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同覆蓋條件下土壤養(yǎng)分與蔬菜產(chǎn)量

由圖1可以看出，采用秸稈覆蓋的處理，土壤有機(jī)質(zhì)含量從28.8 g/kg上升至31.9 g/kg，地膜覆蓋處理上升的幅度較小，基本趨于直線，在2016年8月31日測(cè)定時(shí)達(dá)23.7 g/kg，在2021年8月22日測(cè)定時(shí)達(dá)24.9 g/kg。在整個(gè)觀測(cè)期內(nèi)，秸稈覆蓋處理高于地膜覆蓋處理。

由圖2可以看出，秸稈覆蓋處理的全氮含量在2016年8月31日測(cè)定時(shí)達(dá)0.150%，之后逐漸上升，在2017年9月1日、2018年9月11日、2019年8月31日、2020年8月31日測(cè)定時(shí)分別達(dá)0.184%、0.193%、0.215%、0.226%，2021年8月22日出現(xiàn)小幅度下降，達(dá)0.221%，在測(cè)定的幾個(gè)階段均高于地膜覆蓋。地膜覆蓋處理在2016年8月31日時(shí)僅為0.110%，在2019年8月31日上升至0.191%，之后出現(xiàn)下降，分別達(dá)0.181%、0.178%。

由圖3、圖4可以看出，有效磷、速效鉀含量的變化類似，2種覆蓋方式下的養(yǎng)分含量均表現(xiàn)出逐漸上升的趨勢(shì)，秸稈覆蓋處理后有效磷含量、速效鉀含量在2016年8月31日、2017年9月1日測(cè)定時(shí)上升速度較慢，在2019年8月31日測(cè)定時(shí)出現(xiàn)快速上升，之后上升的速度減緩，而地膜覆蓋處理有效磷、速效鉀含量上升的變化趨勢(shì)基本表現(xiàn)為斜線，有效磷含量從29.2 mg/kg上升至51.8 mg/kg，速效鉀含量從255 mg/kg上升至452 mg/kg。

秸稈覆蓋處理后全氮含量、有效磷含量、速效鉀含量上升，進(jìn)一步提高土壤EC值。由圖5可以看出，秸稈覆蓋處理在2016年8月31日、2017年9月1日測(cè)定時(shí)EC值分別達(dá)769、806 μS/cm，與地膜覆蓋處理的差異較小，之后明顯高于地膜覆蓋處理。在地膜覆蓋條件下，EC值變化的幅度較小。

由圖6可以看出，從總體上看，地膜覆蓋處理pH值表現(xiàn)為緩慢上升的趨勢(shì)，從7.27上升至7.45，在2020年8月31日出現(xiàn)小幅度的下降。而秸稈覆蓋處理pH值逐步下降，在2016年8月31日測(cè)定時(shí)達(dá)7.22，之后下降至7.17，在2018年9月11日、2019年8月31日、2020年8月31日、2021年8月22日測(cè)定時(shí)在7.15～7.17小幅度波動(dòng)。說(shuō)明經(jīng)過(guò)秸稈覆蓋處理，土壤呈現(xiàn)低pH值、高EC值型，表明土壤養(yǎng)分充足，但未過(guò)剩，有利于蔬菜生長(zhǎng)。

由圖7可以看出，在2015—2016年，地膜覆蓋產(chǎn)量達(dá)103 905 kg/hm2，秸稈覆蓋達(dá)105 180 kg/hm2，差異不顯著。之后2種處理的產(chǎn)量差異較大，其中地膜覆蓋處理分別達(dá)105 615、107 310、108 375、109 635、110 310 kg/hm2，秸稈覆蓋處理達(dá)110 310、111 870、113 205、115 260、116 775 kg/hm2，秸稈覆蓋均高于地膜覆蓋，增幅分別達(dá)4.45%、4.25%、4.46%、5.13%、5.86%。

2.2 土壤微生物豐度

由圖8可以看出，不同覆蓋處理下土壤微生物的拷貝數(shù)有顯著性差異，其中地膜覆蓋處理達(dá)1 985個(gè)，秸稈覆蓋處理達(dá)2 305個(gè)。說(shuō)明秸稈覆蓋顯著提高了土壤微生物的豐度。

2.3 α多樣性

進(jìn)一步進(jìn)行土壤微生物的α多樣性分析，結(jié)果（表2）表明，秸稈覆蓋處理中微生物豐富度指數(shù)最高，達(dá)8.9，地膜處理達(dá)8.5，多樣性指數(shù)表現(xiàn)與豐富度指數(shù)相似，均勻度指數(shù)在2個(gè)處理間無(wú)顯著性差異。

2.4 β多樣性

由圖9可以看出，其中PCo1、PCo2 分別解釋57.09%、17.22%的變異，共解釋細(xì)菌群落變異的74.31%。地膜覆蓋、秸稈覆蓋處理后的微生物群落結(jié)構(gòu)出現(xiàn)分離，說(shuō)明多年來(lái)的不同覆蓋處理改變了微生物群落結(jié)構(gòu)，兩者出現(xiàn)分離。

2.5 微生物種類及豐度

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)本試驗(yàn)中2個(gè)處理得到的土壤微生物種類較多，因此主要分析豐度較高的幾類，詳見(jiàn)圖10?？偟膩?lái)說(shuō)，伽瑪變形桿菌門(mén)、α變形菌門(mén)的豐度較高，2個(gè)處理均在14%以上，擬桿菌門(mén)、變形桿菌門(mén)、分組 6門(mén)、紅溫病門(mén)、厭食線蟲(chóng)科、寶石單胞菌門(mén)及其他微生物的相對(duì)豐度較低，在10%以下。其中秸稈覆蓋處理后，除厭食線蟲(chóng)科及其他微生物外，8種微生物的相對(duì)豐度均較地膜覆蓋處理的高。說(shuō)明采用秸稈覆蓋后有效提高了微生物的豐度。

2.6 土壤微生物功能

本項(xiàng)研究采用FAPROTAX 的方法，對(duì)主要的土壤微生物群落功能注釋共獲得的功能種群進(jìn)行分組（圖11）。其中10 個(gè)豐度較高的功能種群中，發(fā)酵作用的相對(duì)豐度最高，2個(gè)處理分別達(dá)20.21%、25.24%；地膜覆蓋處理中化能異養(yǎng)、固氮作用的豐度排在第2、3位，相對(duì)豐度分別為10.26%、8.57%；秸稈覆蓋處理排在第2、3位的分別為固氮作用、化能異養(yǎng)，相對(duì)豐度分別為10.25%、10.24%。葉綠體固氮、硝化作用、硝酸鹽還原、光養(yǎng)作用、亞硝酸鹽氧化、光養(yǎng)作用的相對(duì)豐度在10%以下，另外有11%～24% 的功能尚不明確。

3 討論與結(jié)論

3.1 不同覆蓋方式對(duì)土壤養(yǎng)分及蔬菜產(chǎn)量的影響

杜守宇等在多年地膜覆蓋與秸稈覆蓋實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，秸稈覆蓋能提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀的含量［19-21］；劉玉含等研究發(fā)現(xiàn)，覆蓋稻草、玉米秸稈后作物產(chǎn)量上升［22-27］。本研究的結(jié)論與上述學(xué)者的研究結(jié)論相同，究其原因主要是秸稈覆蓋后，秸稈在土壤中腐解，成為有機(jī)質(zhì)，使土壤有機(jī)質(zhì)含量上升，同時(shí)產(chǎn)生熱量，減緩了全氮、有效磷、速效鉀的流失，促進(jìn)了蔬菜的生長(zhǎng)。秸稈覆蓋還可以降低溫室內(nèi)的濕度，又在其腐爛分解過(guò)程中釋放出CO2氣體，增強(qiáng)土壤通透能力；同時(shí)，還可改善農(nóng)田環(huán)境，抑制雜草和病蟲(chóng)害的發(fā)生。堅(jiān)持常年秸稈還田，不但對(duì)當(dāng)季作物有顯著增產(chǎn)作用，而且后效十分顯著，對(duì)下茬作物有持續(xù)增產(chǎn)的作用。秸稈還田還有減少秸稈焚燒、減少環(huán)境污染、減輕勞動(dòng)強(qiáng)度、加快收種進(jìn)度等多方面的生態(tài)效益和社會(huì)效益［22］。

3.2 不同覆蓋方式對(duì)微生物豐度、多樣性和功能的影響

有關(guān)覆蓋方式對(duì)設(shè)施蔬菜土壤微生物豐度、多樣性的研究少見(jiàn)報(bào)道。肖健等對(duì)桑園進(jìn)行多年的秸稈覆蓋研究，發(fā)現(xiàn)秸稈覆蓋桑園后土壤微生物豐度增加［28-29］。本研究發(fā)現(xiàn)，在連續(xù)多年的秸稈覆蓋處理后，基因拷貝數(shù)達(dá)2 305個(gè)，與上述研究的結(jié)論類似。張紅等研究證實(shí)，植物根系在土壤中生長(zhǎng)，與土壤中的微生物存在著密切的關(guān)系［30］。微生物在生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的功能，微生物豐度、多樣性越強(qiáng)，越有利于作物的生長(zhǎng)。同時(shí)地膜覆蓋使土壤堿化，不利于細(xì)菌多樣性的維持，而秸稈覆蓋使土壤趨于中性，也可提高微生物的多樣性［31］。

長(zhǎng)期不同覆蓋方式處理后，土壤微生物的β 多樣性發(fā)生了顯著的改變，說(shuō)明采用地膜覆蓋與秸稈覆蓋處理后土壤原有的生態(tài)系統(tǒng)受到影響，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化［32-33］。本研究中2個(gè)不同處理的微生物優(yōu)勢(shì)類群相似，均在14%以上，放線菌門(mén)、酸性微生物門(mén)、擬桿菌門(mén)、變形桿菌門(mén)、分組 6門(mén)、紅溫病門(mén)、厭食線蟲(chóng)科、寶石單胞菌門(mén)及其他的豐度較低在10%以下。這與以前的研究結(jié)論相似［34-35］。但不同處理中優(yōu)勢(shì)類群的相對(duì)豐度各不相同，經(jīng)過(guò)秸稈覆蓋伽瑪變形桿菌門(mén)、α變形菌門(mén)的相對(duì)豐度較高，2個(gè)處理均在14%以上，放線菌門(mén)、酸性微生物門(mén)、擬桿菌門(mén)、變形桿菌門(mén)、分組 6門(mén)、紅溫病門(mén)、寶石單胞菌門(mén)豐度較低，可能是由于秸稈覆蓋為土壤提供豐富的營(yíng)養(yǎng)元素，也間接促進(jìn)微生物的繁殖［36］；在地膜覆蓋處理中，酸桿菌門(mén)、厭食線蟲(chóng)科的相對(duì)豐度較高，地膜覆蓋后土壤養(yǎng)分較低，酸桿菌門(mén)和厭食線蟲(chóng)科易富集在低肥力土壤中［37］。從本試驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，2個(gè)處理中分別仍然有30.01%、24.77%的未知微生物，因此其具體種類及作用還需深入的研究。

秸稈覆蓋、地膜覆蓋處理后的土壤微生物以發(fā)酵作用、化能異養(yǎng)、固氮作用為主，上述的作用均為生態(tài)系統(tǒng)的重要功能，并由大多數(shù)微生物執(zhí)行［38］，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期的秸稈覆蓋，發(fā)酵作用、化能異養(yǎng)、固氮作用、葉綠體固氮作用均較強(qiáng)，表明秸稈覆蓋使更多的微生物參與到土壤碳循環(huán)的過(guò)程中，秸稈中含有大量的有機(jī)碳，不僅提供大量碳源，而且有利于土壤中有機(jī)碳的礦化［39］，同時(shí)釋放出更多作物可利用的無(wú)機(jī)養(yǎng)分，使作物產(chǎn)量提高。

綜上，秸稈覆蓋解決了生產(chǎn)上存在的很多問(wèn)題，起到了增產(chǎn)、增溫、增肥、增效、改善土壤質(zhì)量的“四增一改”的作用，提高了土壤中微生物的數(shù)量和多樣性，減少白色污染，降低成本，對(duì)蔬菜生長(zhǎng)有利。

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