膠園間作不同馬鈴薯品種對土壤性質(zhì)及微生物多樣性的影響

關(guān)鍵詞：橡膠樹；馬鈴薯；間作；土壤化學(xué)性質(zhì)；酶活；微生物多樣性

中圖分類號：S154.3；S532 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

橡膠樹是一類喜溫暖和高光強(qiáng)，適于土層深厚、肥沃濕潤的酸性砂壤土種植的經(jīng)濟(jì)喬木[1]。我國現(xiàn)有橡膠種植面積位列世界第四，植膠業(yè)已成為我國熱區(qū)重要產(chǎn)業(yè)[2-3]。近年來研究發(fā)現(xiàn)長期單一種植橡膠樹會對土壤環(huán)境產(chǎn)生一定的影響，表現(xiàn)為土壤結(jié)構(gòu)惡化、保水保肥能力下降、微生物多樣性損失等方面[4-5]；而合理的膠園間作不僅增加單位面積的經(jīng)濟(jì)效益，而且還能在調(diào)節(jié)膠園土壤養(yǎng)分循環(huán)、增強(qiáng)土壤酶活性、豐富土壤微生物多樣性等方面發(fā)揮作用[6-7]，使膠園成為擁有良性循環(huán)系統(tǒng)的生態(tài)群落，促進(jìn)橡膠產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。

馬鈴薯作為世界第三大糧食作物，塊莖中富含淀粉、蛋白質(zhì)、礦質(zhì)元素、維生素等多種人體所需的營養(yǎng)物質(zhì)，被廣泛應(yīng)用于食品和加工原料[8]。海南島橡膠種植區(qū)屬熱帶季風(fēng)氣候，土壤為酸性，冬季溫度高、光照充足，降雨量少[9]，特有的地理及氣候優(yōu)勢適合馬鈴薯種植。本實驗室前期在海南多個膠園進(jìn)行了馬鈴薯間作，對冬季膠園不同種植密度下馬鈴薯長勢和產(chǎn)量進(jìn)行分析，并評估了馬鈴薯品質(zhì)。冬季膠園間作馬鈴薯的優(yōu)勢在于，冬季是橡膠樹的落葉期和停割期，橡膠樹爭水奪肥的能力較弱；林間陽光照射充足，大大減輕了對馬鈴薯現(xiàn)蕾期到開花期的遮蔽，為馬鈴薯的正常生長提供了較好的光照條件；同時冬季降雨量較少還降低了馬鈴薯病害的發(fā)生和流行，研究得出海南冬季膠園林下套種馬鈴薯存在較大可行性[10]。

目前，馬鈴薯間作主要作物為玉米、豆科、燕麥、向日葵等[11-14]。研究發(fā)現(xiàn)，間作馬鈴薯可改善土壤微生物區(qū)系、土壤養(yǎng)分及酶活性，如馬鈴薯-豆科間作系統(tǒng)中，可以發(fā)現(xiàn)間作后土壤pH和陽離子交換量（CEC 值）顯著升高，以及土壤P、N 和C 濃度較高[15]；馬鈴薯-玉米間作系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)可以顯著提高脲酶、酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性[16]，還可以改善細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，提高土壤細(xì)菌的多樣性水平[17]；真菌群落在門、綱和目分類水平上發(fā)生改變，表現(xiàn)為有害的致病真菌菌屬消失或比例下降，出現(xiàn)部分有益功能真菌[18]。但目前關(guān)于膠園間作馬鈴薯后對土壤性質(zhì)和微生物等方面的影響尚未明確，鑒于此，本研究以橡膠單作和間作不同馬鈴薯品種1 年后的膠園為研究對象，通過傳統(tǒng)生物化學(xué)方法和高通量測序技術(shù)，分析橡膠樹根際土壤化學(xué)性質(zhì)、酶活性和微生物群落多樣性，探究間作模式下根際土壤性質(zhì)的變化規(guī)律，為膠園間作馬鈴薯模式提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

供試馬鈴薯品種共3 個，為適應(yīng)海南氣候的馬鈴薯品種大牛角（DJN）、紫薯（ZS）和劍川紅（JCH），具體信息見表1，由云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院提供。

1.2 方法

1.2.1 實驗設(shè)計 實驗點位于海南省五指山市毛陽鎮(zhèn)毛陽農(nóng)場（18.9426°N，10.95145°E），橡膠樹品種為PR107，種植于1982年，橡膠樹行距7m，株距3 m。整個小區(qū)長133.4 m，寬100 m，小區(qū)總面積13 340 m²，劃分為4 塊樣地，每塊樣地面積3335 m²，隨機(jī)選擇其中1 塊地為橡膠樹單作地，另外3 塊地作為橡膠樹馬鈴薯間作地。馬鈴薯種植時間2021 年12 月15 日，收獲時間2022年4 月30 日。膠園馬鈴薯間作和管理方法參考王瑞仙等[10]適當(dāng)改進(jìn)，馬鈴薯行距30 cm，株距25 cm，通過起壟、點播方式種植馬鈴薯。

1.2.2 土壤樣品采集 馬鈴薯收獲后，分別從每塊樣地中按照“Z”型選擇15 個土壤采集點，用直徑為5 cm 的取土鉆對0～20 cm 土層進(jìn)行取樣，每3 個點的土樣混合為1 個正式樣品，每塊樣地得到5 個樣品。橡膠間作馬鈴薯土壤樣品共15 份，依照間作馬鈴薯品種的不同，分別命名為DJN1～5、ZS 1～5、JCH 1～5；橡膠單作土壤樣品5 份，標(biāo)記為CK 1～5。將土樣使用10 目土壤篩過篩2次，得到的每份樣品平均分成3 份，其中2 份迅速帶回實驗室分別保存在–80 ℃用于土壤微生物測序及土壤酶活性分析，一份自然風(fēng)干、研磨過篩后用于土壤化學(xué)性質(zhì)測定。

1.2.3 土壤化學(xué)性質(zhì)、酶活性及微生物高通量測序 參照常規(guī)土壤農(nóng)化分析方法[19]測定8 個土壤化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)：土壤pH、有機(jī)質(zhì)（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全鉀（TK）、堿解氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）。

采用蘇州科銘試劑盒通過微量法測定土壤β-葡萄糖苷酶（S-β-GC）、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶（S-NAG）、酸性磷酸酶（S-ACP）和芳基硫酸酯酶（S-ASF）。

分別利用細(xì)菌通用引物515F（5?-GTGCCAGCMGCCGCGG-3?）、806R（5?-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3?）和真菌通用引物ITS1F（5?-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3? ）、ITS2R（5?-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3?）擴(kuò)增土壤中細(xì)菌16S rRNA 基因區(qū)域和真菌ITS 基因區(qū)域。委托上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司進(jìn)行高通量測序。

1.3 數(shù)據(jù)處理

運用Microsoft Excel 2019 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，采用SPSS 27 軟件進(jìn)行差異顯著性檢驗，利用美吉生物i-sanger 云平臺對測序結(jié)果進(jìn)行分析繪圖。

2 結(jié)果與分析

２.1 膠園間作不同馬鈴薯品種土壤化學(xué)性質(zhì)比較

由表2 可知，與CK 相比，膠園間作JCH 馬鈴薯顯著降低了土壤pH，顯著增加土壤全磷含量（P<0.05），膠園間作均顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)、有效磷含量（P<0.05）。另外，膠園間作JCH 和ZS顯著增加土壤堿解氮和全氮含量，膠園間作DJN和ZS 顯著增加土壤全鉀含量，說明間作馬鈴薯可以提高膠園土壤養(yǎng)分含量。但間作不同馬鈴薯品種間表現(xiàn)出一定的差異，其中，間作JCH 土壤有機(jī)質(zhì)顯著高于間作DJN 和ZS 的土壤，其土壤的全氮和全磷顯著高于間作DJN 土壤（P<0.05）。

2.2 膠園間作不同馬鈴薯品種土壤酶活性比較

根據(jù)間作不同馬鈴薯品種對膠園土壤酶活性結(jié)果可知（圖1），間作DJH、JCH 馬鈴薯相比CK 顯著增加土壤S-β-GC、S-NAG 的活性（P<0.05）。ZS 的土壤S-ACP 活性顯著降低（P<0.05）。整體而言，膠園間作后土壤酶活性表現(xiàn)較高的品種為DJN 和JCH，而間作ZS 品種的土壤酶活相對較低。

2.3 膠園間作不同馬鈴薯品種土壤微生物多樣性分析

2.3.1 間作不同馬鈴薯對土壤微生物多樣性的影響 本研究共選擇了4種α多樣性指數(shù)，代表物種多樣性的Shannon、Simpson 指數(shù)和代表物種豐富度的ACE、Chao1指數(shù)。膠園土壤細(xì)菌多樣性指數(shù)分析結(jié)果（表3）顯示，間作馬鈴薯后均顯著提高了土壤細(xì)菌的ACE、Chao1 指數(shù)（P<0.05），但3個馬鈴薯品種間的各類細(xì)菌多樣性指數(shù)差異不顯著。對于膠園土壤真菌多樣性指數(shù)分析發(fā)現(xiàn)，間作馬鈴薯相比橡膠單作均顯著提高了土壤中真菌的ACE、Chao1、Shannon 指數(shù)，降低了Simpson指數(shù)（P<0.05），3個馬鈴薯品種間的各類真菌多樣性指數(shù)差異不顯著。結(jié)果表明，在膠園間作馬鈴薯可以顯著提高土壤真菌和細(xì)菌的多樣性豐富和豐富度，但間作不同馬鈴薯品種對土壤多樣性的影響差異不顯著。

2.3.2 間作不同馬鈴薯對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響 對間作不同品種馬鈴薯的膠園土壤中細(xì)菌和真菌的OTU 數(shù)量進(jìn)行了分析（圖2）。細(xì)菌群落中，間作DJN、ZS 和JCH 以及CK 的總OTU分別為4058、4192、4065、3665，間作馬鈴薯相比橡膠單作分別增加10.72%、14.37%、10.91%。在真菌群落中，間作DJN、ZS 和JCH 以及CK的總OTU 分別為1654、1843、1786、854，間作相比橡膠單作分別增加93.67%、115.80% 、109.13%。表明膠園間作馬鈴薯會增加細(xì)菌和真菌總OTU 數(shù)量，增加特有真菌OTU 數(shù)量，降低特有細(xì)菌的OTU 數(shù)量。

細(xì)菌PCoA 分析的第1 主成分和第2 主成分分別解釋了36.77%和16.81%的群落變異，真菌PCoA 分析的第1 主成分和第2 主成分分別解釋了19.42%和14.70%的群落變異。間作樣品與單作樣品存在明顯分離，表明間作馬鈴薯后，土壤中細(xì)菌和真菌的組成與橡膠單作的土壤差異較大，且間作馬鈴薯對土壤中細(xì)菌群落（R2=0.4198，P=0.01）的影響程度要大于真菌群落（R2=0.3320，P=0.001）。同時，不同品種馬鈴薯樣品間出現(xiàn)重疊和聚集，表明膠園間作不同馬鈴薯品種后土壤微生物組成具有較大的相似性。

2.3.3 間作不同馬鈴薯對土壤微生物組成的影響根據(jù)門水平的膠園細(xì)菌群落TOP10 組成（圖3）可知，間作并未改變單作膠園的優(yōu)勢細(xì)菌菌門種類，放線菌門（Actinobacteriota）、變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteriota），平均相對豐度總占比為54.55%～68.41%。但間作馬鈴薯后顯著降低了綠彎菌門（Chloroflexi）、脫硫菌門（Desulfobacterota）以及Methylomirabilota的相對豐度（ P<0.05 ）。間作DJN 分別降低26.24%、51.82%、51.01%；間作ZS 分別降低33.54%、61.06%、50.33%；間作JCH 分別降低37.68%、56.65%、41.48%。在屬水平上，間作馬鈴薯后顯著增加了土壤中鏈霉菌屬（Streptomyces）相對豐度（P<0.05），其中間作DJN、ZS 和JCH分別提高295.66%、368.55%、417.76%。

基于門水平的膠園真菌群落TOP10 組成可知， 膠園優(yōu)勢真菌菌門為擔(dān)子菌門（Basidiomycota）、子囊菌門（Ascomycota），平均相對豐度總占比為68.54%～81.99%。間作馬鈴薯后，并未改變優(yōu)勢真菌菌門的種類，但顯著提高了被孢菌門（ Mortierellomycota ）、壺菌門（Chytridiomycota）、梳霉門（Kickxellomycota）、羅茲菌門（Rozellomycota）的相對豐度（P<0.05）。間作DJN 分別提高14049.58% 、411.46% 、193.06%、831.51%；間作ZS 分別提高7587.86%、503.11%、253.91%、162.65%；間作JCH 分別提高12755.19%、375.92%、7697.66%、204.50%。在屬水平上，間作3 種馬鈴薯后抑制了肉齒菌屬（Sarcodon）活性，且顯著增加了被孢霉菌屬（Mortierell）以及Apiotrichum、Acrocalymma 的相對豐度（ P<0.05 ）， 間作DJN 分別提高13229.63%、1391.77%、910.55%；間作ZS 分別提高8476.17%、996.67%、77229.54%；間作JCH分別提高166625.76%、1417.84%、2924.35%。

進(jìn)一步通過LEfSe 分析（圖4）篩選間作不同品種馬鈴薯下的標(biāo)志細(xì)菌和真菌（LDA>3，P<0.05）。橡膠單作的標(biāo)志細(xì)菌多為未鑒定細(xì)菌，并未檢測到標(biāo)志真菌；間作DJN 土壤檢測出1 種未鑒定標(biāo)志細(xì)菌以及青霉菌（ Penicillium ）、Verruconis 等15 種標(biāo)志真菌；間作ZS 土壤共測出慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）、鞘氨醇單胞菌（ Sphingomonas ） 等9 種標(biāo)志細(xì)菌和沙蜥屬（Saitozyma）以及Acrocalymma 等17 種標(biāo)志真菌； 間作JCH 土壤主要檢測出鏈霉菌屬（Streptomyces）、紅球?qū)伲≧hodococcus）等8 種標(biāo)志細(xì)菌以及被孢霉屬（Mortierella）、地星屬（Geastrum）等23 種標(biāo)志真菌。

2.4 土壤性質(zhì)與微生物相關(guān)性分析

圖5冗余分析（RDA）表明，土壤細(xì)菌的RDA第一軸和第二軸的特征值分別為4 4 . 38%和17.95%，可以解釋約62.33%的土壤細(xì)菌群落總變異，其中土壤pH、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、全氮、全磷、土壤β-葡萄糖苷酶是細(xì)菌群落變異的6 個關(guān)鍵影響因子（P<0.05）。土壤真菌RDA 的第一個軸值為42.30%，第二個軸值為10.33%，可以解釋約52.63%的土壤真菌群落變異，其中土壤有效磷、全鉀、土壤β-葡萄糖苷酶是真菌群落變異的3 個關(guān)鍵影響因子（P<0.05）。

進(jìn)一步分析土壤細(xì)菌和真菌群落中門水平前10 菌群和土壤性質(zhì)的相關(guān)性熱圖也支持了冗余分析的結(jié)果（圖6）。結(jié)果表明，細(xì)菌門水平上，pH與酸桿菌門、綠彎菌門、粘菌門、Mthylomirabilota呈顯著正相關(guān)。全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、土壤β-葡萄糖苷酶與浮霉菌門、綠彎菌門、酸桿菌門呈顯著負(fù)相關(guān)。Methylomirabilota 與全氮、全鉀、堿解氮、有效磷、有機(jī)質(zhì)、土壤β-葡萄糖苷酶呈顯著負(fù)相關(guān)。Verrucomicrobiota 與有機(jī)質(zhì)、全磷、全鉀、有效磷和土壤β-葡萄糖苷酶呈顯著負(fù)相關(guān)。粘菌門與全氮、堿解氮、有機(jī)質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān)。脫硫菌門與有機(jī)質(zhì)、有效磷和土壤β-葡萄糖苷酶呈顯著負(fù)相關(guān)。浮霉菌門與全鉀呈顯著負(fù)相關(guān)。在真菌門水平上，羅茲菌門與全磷呈現(xiàn)顯著正相關(guān)；壺菌門與全鉀呈顯著正相關(guān)；羅茲菌門和被孢霉菌門與有機(jī)質(zhì)呈顯著正相關(guān)。

3 討論

間作已被證實可以改善土壤養(yǎng)分，提高土壤酶活性[20]。ZHOU 等[21]通過研究烤煙間作時，發(fā)現(xiàn)間作相比單作顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、速效氮、速效磷、速效鉀、脲酶活性和蔗糖酶活性，丁怡飛等[22]研究發(fā)現(xiàn)油茶地間作鼠茅草可以顯著提高有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷與速效鉀，還顯著提高土壤脲酶、酸性磷酸酶與過氧化氫酶的活性。本研究結(jié)果與他們的研究基本一致，膠園間作不同馬鈴薯品種相比橡膠單作顯著增加土壤養(yǎng)分含量及酶活性，可能是由于間作馬鈴薯土壤的凋落物和根系分泌物等有機(jī)物的數(shù)量增加所導(dǎo)致[23]，還可能與試驗中施有機(jī)肥有關(guān)，能夠促進(jìn)釋放養(yǎng)分，增強(qiáng)土壤酶活性[24]，不同馬鈴薯品種間土壤性質(zhì)與酶活性存在顯著差異的原因可能與其自身根系分泌物有關(guān)[25-26]。

間作能夠影響微生物多樣性與組成 [27]。本研究結(jié)果表明，間作馬鈴薯顯著提高了膠園根際土壤微生物豐富度指數(shù)和多樣性，變形菌門、放線菌門、酸桿菌門、子囊菌門和擔(dān)子菌門為主要的優(yōu)勢菌門，同前人研究結(jié)果一致[28]。但間作馬鈴薯后土壤細(xì)菌特有OTU 降低和真菌特有OTU 增加， 導(dǎo)致綠彎菌門、脫硫菌門以及Methylomirabilota 特定細(xì)菌豐度受到抑制，而被孢菌門、壺菌門、梳霉門、羅茲菌門特定真菌豐度得到提升，上述微生物在土壤生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用[29-31]。導(dǎo)致這種變化的原因可能是間作條件下增加的土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分可能促進(jìn)了真菌與馬鈴薯根系之間的共生，這種共生關(guān)系有助于增加了真菌的多樣性和豐度[32]，真菌和細(xì)菌間的相互作用或者根系釋放的分泌物可能影響土壤微生物群落豐度[33-35]。同時，間作不同馬鈴薯品種對土壤性質(zhì)影響有顯著差異，可能與其對功能性細(xì)菌和真菌的特定菌群富集[21]能力相關(guān)，尤其是能參與物質(zhì)循環(huán)和拮抗植物病原菌的有益微生物[36-37]。

4 結(jié)論

綜上所述，膠園間作馬鈴薯顯著降低了土壤pH，提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷含量，改善土壤養(yǎng)分狀況。除ZS外，還顯著提高土壤β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和芳基硫酸酯酶，不同品種間存在顯著差異。同時，膠園間作馬鈴薯顯著提升土壤微生物的豐富度和多樣性，并富集一些參與物質(zhì)循環(huán)和拮抗植物病原菌的有益微生物，不同品種富集能力也存在顯著差異。本研究探討了膠園林下間作對土壤生態(tài)的影響，由于選取的樣本為馬鈴薯一個生育期后的土壤，為數(shù)據(jù)分析帶來一定的影響，但與相關(guān)學(xué)者的研究結(jié)果較為一致，可為膠園林下間作生態(tài)研究提供一定的理論依據(jù)。