秸稈覆蓋及溝壟作對旱作田土壤細(xì)菌多樣性及馬鈴薯產(chǎn)量構(gòu)成的影響

姚彥紅 康益晨 楊昕宇

摘要 ? ?以馬鈴薯品種定薯4號為材料，研究了不覆膜平作（FP）、黑色地膜覆蓋溝壟作（FM）、玉米秸稈整稈覆蓋溝壟作（S1M）及玉米秸稈粉粹覆蓋溝壟作（S2M）等4種栽培耕作方式對旱作田土壤細(xì)菌多樣性及馬鈴薯產(chǎn)量的影響。結(jié)果表明，相對于黑色塑料地膜覆蓋及不覆蓋平作，玉米秸稈覆蓋溝壟作可以顯著提高馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落多樣性，降低土壤中變形菌門及芽單胞菌門，并提高放線菌門的相對豐度，利于馬鈴薯根際土壤中浮霉?fàn)罹鷮?、?jié)桿菌屬、溶桿菌屬及鏈霉菌屬的富集，對農(nóng)田狀況具有積極貢獻(xiàn);溝壟作覆蓋栽培可顯著提高薯塊產(chǎn)量及大、中薯百分率，顯著降低小薯百分率。

關(guān)鍵詞 ? ?馬鈴薯;秸稈還田;16S rDNA測序;土壤微生物群落;產(chǎn)量形成

中圖分類號 ? ?S532 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）04-0053-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識碼（OSID）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）作為世界最重要的糧食作物之一，對全球糧食安全至關(guān)重要[1]。由于馬鈴薯具備耐干旱、耐貧瘠且高產(chǎn)的特點(diǎn)，在我國北方旱區(qū)廣泛推廣種植[2]。但隨著近年來耕地面積的緊縮及干旱、低溫等環(huán)境因素的限制，該區(qū)域馬鈴薯產(chǎn)業(yè)發(fā)展受到了一定程度的制約[3]。應(yīng)用更加高效適宜的栽培耕作技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增產(chǎn)的目標(biāo)，已成為該區(qū)乃至全國馬鈴薯產(chǎn)業(yè)尋求突破性發(fā)展的必由之路[4]。溝壟耕作栽培是國內(nèi)旱區(qū)最主要的農(nóng)業(yè)高效栽培技術(shù)之一，可有效富集自然降水并提高作物產(chǎn)量[5]。溝壟作結(jié)合地面覆蓋能進(jìn)一步起到減少農(nóng)田水分流失、提高作物水分利用效率的作用[6]。Qin等[4]認(rèn)為，溝壟覆膜能顯著提高旱地馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率;謝軍紅等[7]在對旱作田玉米的研究上也取得了相似的結(jié)論，且認(rèn)為覆膜以及溝壟作具有明顯的疊加效應(yīng)。目前，僅甘肅省溝壟覆膜玉米的栽植面積就已近90萬hm2，隨著溝壟覆膜在玉米上的推廣，雖大幅提升了其產(chǎn)量，但也導(dǎo)致了秸稈的大量棄用、焚燒，引發(fā)了各界對資源浪費(fèi)及環(huán)境污染的思考與擔(dān)憂，秸稈還田再利用逐漸成為被關(guān)注的熱點(diǎn)[8]。同時，傳統(tǒng)塑料地膜的大量使用對土壤環(huán)境具有一系列的潛在危害，不利于農(nóng)田可持續(xù)發(fā)展[9]。鑒于此，國內(nèi)諸多學(xué)者開始了對秸稈還田方式的積極探索[10-11]，秸稈覆蓋代替地膜覆蓋成為其主要形式[12]。李 ?輝等[13]認(rèn)為，秸稈帶狀覆蓋保墑作用明顯，利于馬鈴薯薯塊的形成與膨大;陳玉章等[14]的研究認(rèn)為，玉米秸稈覆蓋能顯著提高馬鈴薯產(chǎn)量及水分利用效率。

國外學(xué)者普遍認(rèn)為根際土壤微生物對植物生長具有重要影響，并開展了大量關(guān)于土壤微生物與植物互作關(guān)系的研究[15-16]。有害土壤微生物通常是導(dǎo)致植物病害發(fā)生的主要原因[17];部分微生物則對植物生長有積極的影響[16]。同時，土壤微生物的多樣性被當(dāng)作衡量土壤狀況優(yōu)劣的重要指標(biāo)[18]。細(xì)菌作為土壤微生物中最主要的類群，研究意義極大。而目前關(guān)于秸稈覆蓋結(jié)合溝壟作對旱作田土壤細(xì)菌多樣性及馬鈴薯產(chǎn)量構(gòu)成影響的研究未見報道，故立項(xiàng)研究，以期探明旱作馬鈴薯田土壤細(xì)菌群落及馬鈴薯產(chǎn)量對該綜合栽培模式的響應(yīng)。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)于2018年4—10月在甘肅省定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院試驗(yàn)基地（北緯35°31′，東經(jīng)104°38′）進(jìn)行，該區(qū)屬中溫帶半干旱偏旱區(qū)，年日照時數(shù)約2 480 h，太陽輻射593 kJ/cm2，海拔1 925 m，年平均氣溫6.6 ℃，年均無霜期為142 d。土壤類型為土質(zhì)綿軟且質(zhì)地均勻的黃綿土，試驗(yàn)田基本養(yǎng)分狀況見表1。

1.2 ? ?試驗(yàn)材料

供試馬鈴薯品種為定薯4號，該品種由定西市農(nóng)業(yè)科學(xué)研究院選育，適宜試區(qū)栽培，屬中晚熟品種[19]。

1.3 ? ?試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)根據(jù)耕作模式的不同共設(shè)4個處理，分別為不覆膜平作（FP）、黑色地膜覆蓋溝壟作（FM）、玉米秸稈整稈覆蓋溝壟作（S1M）及玉米秸稈粉粹覆蓋溝壟作（S2M）（圖1）。3次重復(fù)，采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計，小區(qū)面積為44.275 m2（5.75 m×7.70 m），種植密度為49 950株/hm2。于2018年4月21日播種，10月1日采收，其間進(jìn)行日常田間管理。將尿素280 kg/hm2、磷酸二銨190 kg/hm2、硫酸鉀180 kg/hm2于播種前作基肥施入。

1.4 ? ?測定指標(biāo)及方法

1.4.1 ? ?土壤采集及土樣總DNA提取。利用五點(diǎn)法于盛花期（7月1日）采集馬鈴薯根際土壤，收集時先將根系外圍土壤抖落，后收集根系裹挾土壤，土樣采集完成后立即轉(zhuǎn)入-80 ℃超低溫冰箱內(nèi)凍藏，用于土壤總DNA的提取。

選用美國Mobio公司的PowerSoil DNA Isolation kit試劑盒進(jìn)行各處理土壤DNA提取，提取完成的DNA樣品保存于-80 ℃冰箱。

1.4.2 ? ?16S rDNA基因擴(kuò)增與測序。16S rDNA基因擴(kuò)增使用的通用引物序列為515F：5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′及907R：5′-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3′。以25 μL體系進(jìn)行PCR擴(kuò)增反應(yīng)，包含5 μL 5×reaction buffer、5 μL 5×GC buffer、2 μL dNTP（2.5 mmol/L）、1 μL上游引物（10 μmol/L）、15 μL下游引物（10 μmol/L）、2 μL DNA模板、8.75 μL ddH2O及0.25 μL QS DNA Polymeraseo。

PCR反應(yīng)條件：98 ℃預(yù)變性2 min，98 ℃變性15 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，共進(jìn)行25～30個循環(huán)，72 ℃延伸5 min后終止，10 ℃保存。每個樣本進(jìn)行3次重復(fù)，通過1%瓊脂糖凝膠電泳檢測重復(fù)樣本PCR擴(kuò)增產(chǎn)物，利用2%瓊脂糖凝膠電泳進(jìn)行PCR產(chǎn)物檢測，以美國Axygen公司的凝膠回收試劑盒對目標(biāo)片段切膠回收，濃度及特異性合格后委托廣州基迪奧生物科技有限公司Illumina Miseq平臺進(jìn)行16S rDNA測序。

1.4.3 ? ?土壤細(xì)菌群落鑒定與Alpha多樣性指數(shù)分析。采用滑動窗口法對FASTQ格式的雙端序列逐一進(jìn)行質(zhì)量篩查，隨后利用FLASH軟件根據(jù)重疊堿基對通過質(zhì)量初篩的雙端序列進(jìn)行配對連接。后根據(jù)各樣本的Index信息將連接后的序列識別分配入對應(yīng)樣本，以得到所有樣本的有效序列。使用QIIME軟件識別并剔除疑問序列，調(diào)用USEARCH工具，檢查嵌合體序列并剔除。后調(diào)用UCLUST序列比對工具，按97%相似度將獲得的序列進(jìn)行歸并及獲得OTU。利用Silva數(shù)據(jù)庫對各OTU的代表序列進(jìn)行分類地位鑒定。通過OTU劃分和分類地位鑒定結(jié)果，獲得各處理在門及屬分類水平的具體組成。

于90%的最低測序深度水平下對OTU豐度矩陣中的全體樣本，進(jìn)行統(tǒng)一隨機(jī)重抽樣以校正測序深度引起的多樣性差異。之后利用QIIME軟件對各樣本的Alpha多樣性指數(shù)（Chao1、ACE、Shannon和Simpson指數(shù)）進(jìn)行計算。其中，Chao1和ACE指數(shù)側(cè)重于樣本的微生物群落豐富度，香濃指數(shù)Shannon和辛普森指數(shù)Simpson則綜合體現(xiàn)群落豐富度及均勻度。

1.4.4 ? ?馬鈴薯產(chǎn)量與產(chǎn)量形成測定。收獲期以小區(qū)單收計產(chǎn)并折算為公頃產(chǎn)量;每小區(qū)隨機(jī)選取10株考種，對單株結(jié)薯數(shù)及大、中、小薯百分率進(jìn)行統(tǒng)計。統(tǒng)計時，175 g以上薯塊定義為大薯，50～175 g為中薯，50 g以下為小薯。

1.5 ? ?數(shù)據(jù)處理與統(tǒng)計分析

分別采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0進(jìn)行原始數(shù)據(jù)統(tǒng)計和分析，采用Adobe Illustrator CC 2018及Origin Pro 2018作圖;利用LSD法（P<0.05）進(jìn)行差異顯著性分析。

2 ? ?結(jié)果與分析

2.1 ? ?土壤細(xì)菌Alpha多樣性分析

借助土壤細(xì)菌稀疏曲線可以判斷各樣本的測序深度能否反映該樣本細(xì)菌群落多樣性。如圖2所示，測序量達(dá)到12 000后各曲線均趨于平坦，認(rèn)為該測序深度理想，可準(zhǔn)確衡量各處理細(xì)菌多樣性。相同測序深度下各處理OTU數(shù)目以FP最小，F(xiàn)M次之，S1M及S2M較大，秸稈覆蓋溝壟作可能會增加土壤細(xì)菌群落的物種多樣性及豐富度。

土壤微生物多樣性是衡量土壤微生態(tài)群落穩(wěn)定性的重要標(biāo)尺。由表2可知，處理S1M、S2M的Chao1指數(shù)和ACE指數(shù)顯著高于處理FM、FP，F(xiàn)M則顯著高于FP;其中處理S2M的Chao1指數(shù)及ACE指數(shù)最高，分別比FP高42.8%及42.9%。說明玉米秸稈覆蓋溝壟作及黑色地膜溝壟作均能顯著提高馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落豐富度。處理S1M、S2M的辛普森指數(shù)和香濃指數(shù)無顯著性差異，均顯著高于處理FM、FP;處理S2M的辛普森指數(shù)最高，比處理FP高17.2%;香濃指數(shù)則以處理S1M最高，比處理FP高7.4%。這說明玉米秸稈覆蓋溝壟作可以顯著提高馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落多樣性，黑色地膜溝壟作則對細(xì)菌群落多樣性無顯著性影響。

2.2 ? ?土壤細(xì)菌分類學(xué)組成和豐度分布

2.2.1 ? ?土壤細(xì)菌分類學(xué)門類組成和豐度分布。根據(jù)OTU劃分結(jié)果，對12個樣本門水平上的細(xì)菌種類及相對豐度進(jìn)行了統(tǒng)計分析，所有樣本的細(xì)菌種類共涵蓋40個門類。如圖3所示，各樣本細(xì)菌群落中相對豐度在1%以上的門類共有7個，分別為變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、浮霉菌門（Planctomycetes）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）及擬桿菌門（Bacteroidetes），以變形菌門及放線菌門的相對豐度最高，分別為23.7%及20.5%;酸桿菌門、綠彎菌門、浮霉菌門、芽單胞菌門及擬桿菌門依次占比15.1%、11.1%、9.7%、9.3%及5.3%;剩余33個門類相對豐度極小，總和為5.4%。覆蓋及溝壟作對細(xì)菌門類組成及豐度具有一定影響，其中部分門類豐度變化明顯，變形菌門相對豐度表現(xiàn)為FP>FM>S1M>S2M;放線菌門豐度表現(xiàn)為S2M>S1M>FM>FP;芽單胞菌門表現(xiàn)為FP>S1M>S2M>FM?？梢钥闯觯衩捉斩捀采w及溝壟作可明顯降低土壤中變形菌門及芽單胞菌門的相對豐度并對放線菌門有促進(jìn)作用。

2.2.2 ? ?土壤細(xì)菌分類學(xué)屬類組成和豐度分布。各處理共涵蓋650個屬，對相對豐度最大的20個進(jìn)行統(tǒng)計分析。由圖4可知，優(yōu)勢屬（相對豐度0.5%以上）共有6個，依次為浮霉?fàn)罹鷮伲≒lanctomyces，10.9%）、氨氧化菌屬（Candidatus Nitrososp-haera，0.85%）、溶桿菌屬（Lysobacter，0.82%）、節(jié)桿菌屬（Ar-throbacter，0.74%）、鏈霉菌屬（Streptomyces，0.70%）、甾類菌屬（Steroidobacter，0.65%），其余菌屬占比極低。部分優(yōu)勢菌屬的豐度受秸稈覆蓋及溝壟作的影響較大，其中浮霉?fàn)罹鷮偌肮?jié)桿菌屬的相對豐度表現(xiàn)為S2M>S1M>FM>FP;溶桿菌屬的豐度表現(xiàn)為S2M>S1M>FP>FM;鏈霉菌屬為S1M>S2M>FM>FP。由此說明，黑色地膜溝壟作可能對浮霉?fàn)罹鷮佟⒐?jié)桿菌屬及鏈霉菌屬具有促生作用，同時在一定程度上降低了溶桿菌屬的豐度;秸稈覆蓋溝壟作則更利于馬鈴薯根際土壤中浮霉?fàn)罹鷮佟⒐?jié)桿菌屬、溶桿菌屬及鏈霉菌屬的富集。

2.3 ? ?馬鈴薯產(chǎn)量構(gòu)成性狀

由表3可知，處理FM、S1M、S2M的大薯百分率及中薯百分率顯著高于處理FP，小薯百分率顯著低于處理FP;各處理單株結(jié)薯數(shù)無顯著性差異;與處理FP相比，處理FM、S1M、S2M的馬鈴薯產(chǎn)量顯著提高。由此說明，覆蓋及溝壟作能顯著提高旱作田馬鈴薯的大、中薯百分率，顯著降低小薯百分率，同時顯著增產(chǎn)。處理FM、S1M、S2M分別增產(chǎn)33.0%、43.4%及44.3%，3種溝壟作制度之間秸稈覆蓋增產(chǎn)幅度大于黑色地膜覆蓋，但未達(dá)顯著性水平。

3 ? ?結(jié)論與討論

土壤微生物多樣性用于衡量土壤微生態(tài)群落穩(wěn)定性，通常與土壤狀況優(yōu)劣成正相關(guān)[18]。本研究表明，玉米秸稈覆蓋溝壟作可以顯著提高馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落多樣性，而黑色地膜溝壟作則對細(xì)菌群落多樣性無顯著性影響。同時，2種玉米秸稈覆蓋方式明顯降低了土壤中變形菌門及芽單胞菌門的相對豐度并對放線菌門有促進(jìn)作用。另外，黑色地膜溝壟作可能對浮霉?fàn)罹鷮?、?jié)桿菌屬及鏈霉菌屬具有促生作用，同時在一定程度上降低了溶桿菌屬的豐度;秸稈覆蓋溝壟作則更利于馬鈴薯根際土壤中浮霉?fàn)罹鷮?、?jié)桿菌屬、溶桿菌屬及鏈霉菌屬的富集，該4種菌屬為常見生防菌屬，對農(nóng)田狀況具有積極貢獻(xiàn)。國內(nèi)學(xué)者[13-14]認(rèn)為，秸稈帶狀覆蓋及溝壟作可提高馬鈴薯產(chǎn)量。本試驗(yàn)在此基礎(chǔ)上的研究證明，溝壟作覆蓋栽培可顯著提高薯塊產(chǎn)量;此外，可顯著提高大、中薯百分率，顯著降低小薯百分率[20]。

4 ? ?參考文獻(xiàn)

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