玉米秸稈對(duì)設(shè)施次生鹽漬化土壤微環(huán)境及番茄生長的影響

何志剛 董 環(huán) 婁春榮 王秀娟 韓瑛祚

（遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物營養(yǎng)與環(huán)境資源研究所，遼寧沈陽 110161）

設(shè)施農(nóng)業(yè)作為我國農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志和農(nóng)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要選擇而得到迅速發(fā)展，以遼寧省為例，從2008年開始，遼寧省政府啟動(dòng)設(shè)施農(nóng)業(yè)建設(shè)工程，在政策的推動(dòng)下，2011年以來，遼寧省設(shè)施蔬菜以年均新增超千公頃的速度，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。但隨著設(shè)施農(nóng)業(yè)的迅猛發(fā)展，地表長期覆蓋栽培改變了土壤原有的生態(tài)環(huán)境，其溫度、濕度、光照、小氣候等都發(fā)生了很大的變化，土壤經(jīng)常處于高溫、高濕、高蒸發(fā)、無雨水淋溶的環(huán)境中，同時(shí)生產(chǎn)中盲目追求高產(chǎn)采取了高施肥、高用藥等管理措施，使土壤的理化性狀和生物學(xué)特性產(chǎn)生了很大的變化（Ackson et al.，1993；Cheshire et al.，1999；王琦 等，2008；尹輝 等，2011）。過量施肥導(dǎo)致的設(shè)施蔬菜土壤次生鹽漬化已成為制約遼寧省設(shè)施蔬菜可持續(xù)發(fā)展的瓶頸（農(nóng)明英 等，2013）。

秸稈還田不僅是提高土壤有機(jī)碳含量和土壤可持續(xù)生產(chǎn)力的重要途徑，還可以減少野外焚燒秸稈出現(xiàn)的浪費(fèi)資源和環(huán)境污染等問題。錢曉雍等（2014）研究了不同廢棄物對(duì)設(shè)施菜地次生鹽漬化土壤的修復(fù)效果，其中水稻秸稈可以有效改善次生鹽漬化大棚土壤結(jié)構(gòu)，降低容重，提高總孔隙度，明顯降低可溶性鹽分含量，對(duì)降低Ca2+、NO3-、SO42-的效果較好。李尚科等（2012）研究表明，有機(jī)肥和秸稈均能顯著降低土壤可溶性鹽分含量并且提高植株生物量。適量添加以秸稈為原料的菇床廢料可以減少設(shè)施栽培土壤的鹽分積累（王秋靈等，2011）。秸稈還田可以提高連作土壤的保溫和保墑能力，顯著促進(jìn)土壤微生物活動(dòng)，提高土壤速效養(yǎng)分含量，改善土壤物理性質(zhì)，優(yōu)化作物根系生長環(huán)境，促進(jìn)根系生長（姜超強(qiáng) 等，2015；王勝楠等，2015）。研究表明，秸稈還田對(duì)耕作層土壤溫度的調(diào)節(jié)作用和對(duì)水分的保持作用確保了土壤酶在生化反應(yīng)過程中的合理環(huán)境條件，從而使土壤酶活性得到提高（Chen et al．，2014）。秸稈還田后分解產(chǎn)生如多糖、蛋白質(zhì)、木質(zhì)素等不同種類的有機(jī)質(zhì)以及土壤中微生物活性提高形成的腐殖物，對(duì)大團(tuán)聚體的形成產(chǎn)生了積極影響（Sodhi et al.，2009）。但秸稈還田在設(shè)施農(nóng)業(yè)中對(duì)設(shè)施蔬菜次生鹽漬化土壤的微生態(tài)環(huán)境修復(fù)的機(jī)理尚不明確。

本試驗(yàn)運(yùn)用高通量測(cè)序技術(shù)研究不同玉米秸稈用量對(duì)設(shè)施番茄生長發(fā)育及次生鹽漬化土壤生物學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)特性的影響，對(duì)于有效地減少土壤鹽分累積，維持和提高土壤肥力均有重要的參考意義和實(shí)踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)在遼寧省農(nóng)業(yè)科學(xué)院設(shè)施蔬菜長期定位試驗(yàn)基地進(jìn)行，試驗(yàn)地耕層土壤為草甸土，壤質(zhì)，土壤次生鹽漬化嚴(yán)重，作物生長受到鹽分抑制。0～20 cm耕層土壤理化性質(zhì)：有機(jī)質(zhì)含量12.5 g·kg-1，全氮 0.153 g·kg-1，全磷 1.02 g·kg-1，全鉀 28.0 g·kg-1，速效氮 254.3 mg·kg-1，速效磷 102.58 mg·kg-1，速效鉀 529.7 mg·kg-1，容重 1.34 g·m-3，pH 為 6.01，電導(dǎo)率 730 μS·cm-1。

供試番茄品種為元鴻粉旺，供試肥料為撒可富復(fù)合肥（N-P-K為15-15-15），均購于沈陽市潤農(nóng)農(nóng)資商行。

1.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)設(shè)置借鑒前期試驗(yàn)結(jié)果（何志剛 等，2017），采用盆栽方式，設(shè)3個(gè)玉米秸稈用量水平，不添加玉米秸稈（CK）；添加0.67%玉米秸稈（LMS），玉米秸稈用量折合為15 000 kg·hm-2；添加1.33%玉米秸稈（HMS），玉米秸稈用量折合為30 000 kg·hm-2，玉米秸稈投入量按照質(zhì)量比以風(fēng)干土壤計(jì)。每個(gè)處理15盆，每盆種植1株番茄。

2016年3月28日定植，8月5日拉秧。盆栽土壤為連續(xù)種植8 a的草甸土，取耕層0～20 cm土壤，采用底部內(nèi)徑23 cm、上部內(nèi)徑28 cm、高25 cm的塑料盆，每盆裝鮮土20 kg。土壤以及秸稈、肥料〔底肥為復(fù)合肥（N-P-K為15-15-15）按照750 kg·hm-2施入〕混合均勻后裝盆，單因子隨機(jī)排列。于番茄不同生育時(shí)期分別取樣測(cè)定相關(guān)指標(biāo)。管理措施同常規(guī)大棚。在7月5日進(jìn)行土樣采集，每個(gè)處理2次重復(fù)，采集5個(gè)樣點(diǎn)土樣均勻混合后用聚乙烯袋密封，放入預(yù)先準(zhǔn)備好的冰盒，置于-80℃冰箱中保存，供土壤微生物分析用。另留取部分樣品自然風(fēng)干，用于土壤理化性質(zhì)測(cè)定。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目

1.3.1 微生物種群基因組DNA提取 參照Huse等（2007）、Zhang等（2015）的方法進(jìn)行DNA提取。DNA樣品純化后送至北京百邁客生物科技有限公司應(yīng)用Illumina平臺(tái)的HiSeq進(jìn)行測(cè)序。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)測(cè)定 7月5日（盛果期）測(cè)定土壤的速效氮、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)含量，以及EC、pH、容重、土壤團(tuán)聚體含量（鮑士旦，2005）。

1.3.3 植株生理植標(biāo)與光合性能測(cè)定 5月29日（盛果期）每小區(qū)選取10株番茄，測(cè)定株高、莖粗、標(biāo)記功能葉測(cè)定葉綠素SPAD值（主莖倒數(shù)第3片葉）；于晴朗天氣10：00～14：00使用LI-6400XT光合儀測(cè)定番茄苗期功能葉片（自上到下數(shù)第3～4片完全展開的葉片）凈光合速率（Pn）及細(xì)胞間隙二氧化碳濃度（Ci），測(cè)定10株取平均值，每個(gè)處理5次重復(fù)。

1.3.4 產(chǎn)量測(cè)定 在收獲期采摘全部果實(shí)稱重。

1.4 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)1.3.1微生物種群測(cè)定中測(cè)序結(jié)果的Barcode序列和PCR擴(kuò)增引物序列，從下機(jī)數(shù)據(jù)中拆分出各樣品數(shù)據(jù)，使用FLASH軟件對(duì)每個(gè)樣品的數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接，得到高通量測(cè)序原始數(shù)據(jù)。進(jìn)一步去除嵌合體、兩端引物以及非靶區(qū)域序列后得到有效數(shù)據(jù)，明確OTU（operational taxonomic units）為研究中的最小分類單元；然后運(yùn)用綜合考慮物種多樣性及豐度的weighted unifrac法進(jìn)行UPGMA聚類分析；使用UniFrac軟件中jackkifed算法進(jìn)行樣本之間的距離計(jì)算，之后利用SPSS 20.0軟件對(duì)土壤環(huán)境因子數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出3次重復(fù)的平均值，做土壤環(huán)境因子矩陣，再用CANOCO軟件進(jìn)行RDA主成分分析，提取主要的環(huán)境因子；將土壤細(xì)菌高通量測(cè)序得出的土壤細(xì)菌豐度指數(shù)、多樣性指數(shù)做土壤細(xì)菌矩陣。分析結(jié)果使用CANOCO軟件制圖。其余常規(guī)數(shù)據(jù)采用Excel 2007、SPSS 19.0軟件進(jìn)行處理及統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 添加玉米秸稈對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響

對(duì)3個(gè)處理根系土壤中的細(xì)菌16S rRNA基因序列進(jìn)行高通量測(cè)序，結(jié)果表明，刪除掉低質(zhì)量序列后，所有樣品共得到133 893.5條高質(zhì)量的16S rRNA基因序列（表1），平均每個(gè)樣品的序列數(shù)為44 631.2，平均序列長度402 bp，幾乎所有序列均被鑒定為細(xì)菌，古菌占比低于0.01%。其中HMS處理高質(zhì)量序列數(shù)目最多，其次為LMS處理，分別比對(duì)照顯著提高了25.6%和12.8%?？梢娊斩掃€田豐富了鹽漬化土壤中微生物數(shù)量，尤其是玉米秸稈高量還田處理的鹽漬化土壤微生物群落中細(xì)菌有效序列數(shù)量最多。3個(gè)處理土壤中細(xì)菌主要包括變形菌門（Proteobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、酸桿菌門（Acidobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、藍(lán)藻門（Cyanbacteria）等。其中變形細(xì)菌、酸桿菌和綠彎菌是優(yōu)勢(shì)菌。屬于變形菌門的細(xì)菌最多，達(dá)26.5%，包括α（10.2%）、β（0.7%）、γ（10.2%）、δ（5.4%）4個(gè)變形菌綱。

表1 添加玉米秸稈對(duì)土壤細(xì)菌群落數(shù)目的影響

由圖1可知，3個(gè)處理土壤樣品在科水平上共檢測(cè)到36個(gè)豐度高于1%的科，其中有10個(gè)科的相對(duì)豐度不同處理間有顯著差異，添加玉米秸稈處理的相對(duì)豐度較高的優(yōu)勢(shì)菌科為腸桿菌科（Enterobacteriaceae）、鞘脂單胞菌科（Sphingomonadaceae）和黃單胞菌科（Xanthomonadaceae），對(duì)照獨(dú)有優(yōu)勢(shì)菌科為鹽單胞菌科（Halomonadaceae）。其中，HMS處理中黃單胞菌科（Xanthomonadaceae）的菌群數(shù)量明顯增加。對(duì)照腸桿菌科（Enterobacteriaceae）豐度極低，僅為0.1%，LMS與HMS處理則明顯增加，相對(duì)豐度分別為14.2%和15.8%。

由圖2可知，基于Beta多樣性分析得到的4種距離矩陣，通過R語言工具采用非加權(quán)配對(duì)平均法（UPGMA）對(duì)樣品進(jìn)行層次聚類，以判斷各樣品間物種組成的相似性。樣品越靠近，枝長越短，說明樣品的物種組成越相似。3個(gè)處理土壤樣品中細(xì)菌種群分布，HMS和LMS分為一個(gè)類群，對(duì)照為一個(gè)類群。

圖1 添加玉米秸稈土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌科水平類群比較

圖2 添加玉米秸稈土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌UPGMA聚類分析

2.2 添加玉米秸稈對(duì)土壤化學(xué)、物理性狀的影響

從表2可以看出，隨著秸稈投入量的增加，土壤速效氮、速效磷、速效鉀含量均明顯下降，說明添加秸稈可以降低土壤中速效養(yǎng)分含量，可能是由于添加秸稈導(dǎo)致土壤中C/N增加，微生物利用土壤中的氮素作為自身營養(yǎng)物質(zhì)大量繁殖，從而使速效氮含量顯著下降；而速效磷、速效鉀含量下降，可能是由于添加秸稈刺激了微生物大量繁殖，使其數(shù)量和活性增加，從而促進(jìn)了作物對(duì)土壤中速效養(yǎng)分的高效利用。

表2 添加玉米秸稈對(duì)土壤養(yǎng)分和鹽分含量的影響

從表2還可以看出，隨著秸稈投入量的增加，土壤pH逐漸增加；土壤電導(dǎo)率顯著下降，HMS處理比對(duì)照顯著降低59.6%；有機(jī)質(zhì)含量則顯著增加，LMS和HMS處理分別比對(duì)照顯著增加26.8%和34.3%。

從表3可以看出，施用玉米秸稈對(duì)土壤容重、孔隙度和田間持水量影響較大，土壤容重隨著玉米秸稈用量增加而降低，LMS和HMS處理分別比對(duì)照降低了4.9%和16.9%，土壤孔隙度、田間持水量隨著玉米秸稈用量增加而升高，其中HMS處理分別比對(duì)照顯著增加16.6%和36.6%。與對(duì)照相比，施用玉米秸稈顯著增加了＞2 mm和1～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量，顯著降低了0.25～1 mm和＜0.25 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量。

表3 添加玉米秸稈對(duì)土壤物理性狀的影響

2.3 環(huán)境因子對(duì)土壤優(yōu)勢(shì)菌群的影響

用CANOCO軟件進(jìn)行土壤樣品環(huán)境因子RDA分析，選擇11個(gè)環(huán)境因子中排名前5的環(huán)境因子，包括速效氮（AN）、電導(dǎo)率（EC）、酸堿度（pH）、容重（SBD）、有機(jī)質(zhì)（SOM）。如圖 3所示，環(huán)境因子主要可以集中為2類：在第3象限存在3個(gè)環(huán)境因子EC、SBD、AN之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，主要影響的樣品為CK；在第1象限存在2個(gè)環(huán)境因子pH、SOM之間呈顯著正相關(guān)，和第3象限的環(huán)境因子呈負(fù)相關(guān)，主要影響的樣品為LMS和HMS，主要影響的微生物群落為鞘脂單胞菌科（Sphingomonadaceae）、腸桿菌科（Enterobacteriaceae）。5個(gè)環(huán)境因子中EC、SOM距離原點(diǎn)最遠(yuǎn)，說明影響菌群變化的主要因子是土壤的EC、SOM。

圖3 添加玉米秸稈的土壤優(yōu)勢(shì)細(xì)菌環(huán)境因子RDA分析

2.4 添加玉米秸稈對(duì)植株生理性狀及產(chǎn)量的影響

由表4可知，隨著秸稈投入量的增加，番茄植株的株高、莖粗均明顯增加，其中HSM處理的株高比對(duì)照顯著增加27.9%，莖粗顯著增加40.9%，功能葉片葉綠素SPAD值卻呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)，HSM處理比對(duì)照顯著下降22.6%。分析其中原因，可能是由于次生鹽漬化土壤氮素含量過高時(shí)，反映在植株上的葉綠素SPAD值較高，添加秸稈后土壤氮素含量下降，導(dǎo)致植株葉綠素SPAD值下降，與土壤速效養(yǎng)分?jǐn)?shù)據(jù)變化趨勢(shì)相一致。

光合特性是葉片光合能力的有效表征，對(duì)作物產(chǎn)量的形成至關(guān)重要。由表4可知，隨著秸稈投入量的增加，番茄功能葉片凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均呈明顯上升趨勢(shì)。番茄產(chǎn)量呈顯著增加趨勢(shì)，增產(chǎn)幅度達(dá)52.7%～114.3%。

綜上，添加秸稈處理的番茄植株高大，莖稈粗壯，光合速率較強(qiáng)，為植物的生長提供了良好的營養(yǎng)基礎(chǔ)，尤其添加高量秸稈處理的增產(chǎn)效果更佳。

表4 添加玉米秸稈對(duì)植株生理、光合特性及產(chǎn)量的影響

3 結(jié)論與討論

番茄作為重要的設(shè)施蔬菜之一，復(fù)種指數(shù)高，連作障礙嚴(yán)重；同時(shí)，化肥在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的廣泛使用，使得化肥施用量不斷增加，由此而帶來的農(nóng)產(chǎn)品安全和農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展問題日趨嚴(yán)重（周南華，2004；沙海寧 等，2010）。因此，研究如何在秸稈還田的同時(shí)有效解決土壤次生鹽漬化問題對(duì)于我國設(shè)施蔬菜的發(fā)展具有重要意義。

高通量測(cè)序技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模土壤微生物基因直接測(cè)序（Gomez-Alvarez et al.，2009），促進(jìn)了土壤微生物物種多樣性、結(jié)構(gòu)多樣性、功能多樣性和遺傳多樣性研究的迅猛發(fā)展（薛超 等，2011）。本試驗(yàn)結(jié)果表明：玉米秸稈的施加對(duì)設(shè)施土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)以及數(shù)量均產(chǎn)生一定影響，其中施加高量秸稈顯著增加了土壤中的細(xì)菌有效序列數(shù)量，比對(duì)照增加25.6%；菌群結(jié)構(gòu)趨于豐富化，主要影響的菌群為腸桿菌科（Enterobacteriaceae）、鞘脂單胞菌科（Sphingomonadaceae）和黃單胞菌科（Xanthomonadaceae）。通過UPGMA樣品聚類分析，添加秸稈的2個(gè)處理聚為一個(gè)類群，對(duì)照為一個(gè)類群。土壤細(xì)菌群落是一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的系統(tǒng)，次生鹽漬化或施用秸稈等條件很可能只影響某些種群的豐度，與胡元森等（2007）的研究結(jié)果一致。

土壤生物群落與土壤化學(xué)、物理性狀均有一定關(guān)聯(lián)（周文新 等，2008），本試驗(yàn)結(jié)果表明，設(shè)施土壤細(xì)菌群落易受環(huán)境變化的影響，在土壤化學(xué)性狀和物理性狀的11個(gè)影響因子中，不同土壤環(huán)境因子間有很強(qiáng)的相關(guān)關(guān)系。隨著秸稈投入量的增加，速效氮、磷、鉀養(yǎng)分含量明顯下降，pH值呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)，電導(dǎo)率顯著下降，有機(jī)質(zhì)含量明顯增加，與前人研究結(jié)果一致（韓劍宏 等，2017）。本試驗(yàn)中，隨著秸稈用量增加，土壤容重降低，土壤孔隙度和田間持水量升高。施用玉米秸稈顯著增加了＞2 mm和1～2 mm粒級(jí)團(tuán)聚體含量。研究表明，大粒級(jí)團(tuán)聚體是土壤團(tuán)聚體有機(jī)碳的主要貢獻(xiàn)載體，提高土壤大粒級(jí)團(tuán)聚體可在一定程度上提高土壤固碳能力（Lu et al．，2012），與本試驗(yàn)結(jié)果一致。有機(jī)質(zhì)可以改變土壤孔隙度、通氣度與土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，具有顯著的緩沖作用和持水力（賈曼莉等，2014），能夠?yàn)橥寥牢⑸鷳B(tài)環(huán)境提供化學(xué)反應(yīng)場(chǎng)所和細(xì)菌活動(dòng)的適宜條件，土壤有機(jī)質(zhì)含量增加對(duì)設(shè)施鹽漬化土壤的有效修復(fù)起到積極的影響。

從番茄植株生長及產(chǎn)量變化來看，添加玉米秸稈的番茄株高、莖粗、光合特性指標(biāo)（Pn、Ci）明顯高于對(duì)照，番茄產(chǎn)量也顯著增加，增幅達(dá)52.7%～114.3%。綜上，添加玉米秸稈不僅對(duì)設(shè)施次生鹽漬化土壤具有很好的改良作用，還能提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，降低土壤鹽分含量，起到改善土壤微生態(tài)環(huán)境、提高作物產(chǎn)量的效果。