玉米秸稈對設施次生鹽漬化土壤微環境及番茄生長的影響

何志剛 董 環 婁春榮 王秀娟 韓瑛祚

（遼寧省農業科學院植物營養與環境資源研究所，遼寧沈陽 110161）

設施農業作為我國農業現代化的重要標志和農業結構調整的重要選擇而得到迅速發展，以遼寧省為例，從2008年開始，遼寧省政府啟動設施農業建設工程，在政策的推動下，2011年以來，遼寧省設施蔬菜以年均新增超千公頃的速度，實現了跨越式發展。但隨著設施農業的迅猛發展，地表長期覆蓋栽培改變了土壤原有的生態環境，其溫度、濕度、光照、小氣候等都發生了很大的變化，土壤經常處于高溫、高濕、高蒸發、無雨水淋溶的環境中，同時生產中盲目追求高產采取了高施肥、高用藥等管理措施，使土壤的理化性狀和生物學特性產生了很大的變化（Ackson et al.，1993；Cheshire et al.，1999；王琦 等，2008；尹輝 等，2011）。過量施肥導致的設施蔬菜土壤次生鹽漬化已成為制約遼寧省設施蔬菜可持續發展的瓶頸（農明英 等，2013）。

秸稈還田不僅是提高土壤有機碳含量和土壤可持續生產力的重要途徑，還可以減少野外焚燒秸稈出現的浪費資源和環境污染等問題。錢曉雍等（2014）研究了不同廢棄物對設施菜地次生鹽漬化土壤的修復效果，其中水稻秸稈可以有效改善次生鹽漬化大棚土壤結構，降低容重，提高總孔隙度，明顯降低可溶性鹽分含量，對降低Ca2+、NO3-、SO42-的效果較好。李尚科等（2012）研究表明，有機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，顯著促進土壤微生物活動，提高土壤速效養分含量，改善土壤物理性質，優化作物根系生長環境，促進根系生長（姜超強 等，2015；王勝楠等，2015）。研究表明，秸稈還田對耕作層土壤溫度的調節作用和對水分的保持作用確保了土壤酶在生化反應過程中的合理環境條件，從而使土壤酶活性得到提高（Chen et al．，2014）。秸稈還田后分解產生如多糖、蛋白質、木質素等不同種類的有機質以及土壤中微生物活性提高形成的腐殖物，對大團聚體的形成產生了積極影響（Sodhi et al.，2009）。但秸稈還田在設施農業中對設施蔬菜次生鹽漬化土壤的微生態環境修復的機理尚不明確。

本試驗運用高通量測序技術研究不同玉米秸稈用量對設施番茄生長發育及次生鹽漬化土壤生物學、化學、物理學特性的影響，對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踐意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗在遼寧省農業科學院設施蔬菜長期定位試驗基地進行，試驗地耕層土壤為草甸土，壤質，土壤次生鹽漬化嚴重，作物生長受到鹽分抑制。0～20 cm耕層土壤理化性質：有機質含量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合肥（N-P-K為15-15-15），均購于沈陽市潤農農資商行。

1.2 試驗方法

試驗設置借鑒前期試驗結果（何志剛 等，2017），采用盆栽方式，設3個玉米秸稈用量水平，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量比以風干土壤計。每個處理15盆，每盆種植1株番茄。

2016年3月28日定植，8月5日拉秧。盆栽土壤為連續種植8 a的草甸土，取耕層0～20 cm土壤，采用底部內徑23 cm、上部內徑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，單因子隨機排列。于番茄不同生育時期分別取樣測定相關指標。管理措施同常規大棚。在7月5日進行土樣采集，每個處理2次重復，采集5個樣點土樣均勻混合后用聚乙烯袋密封，放入預先準備好的冰盒，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干，用于土壤理化性質測定。

1.3 測定項目

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用Illumina平臺的HiSeq進行測序。

1.3.2 土壤理化性質測定 7月5日（盛果期）測定土壤的速效氮、速效磷、速效鉀、有機質含量，以及EC、pH、容重、土壤團聚體含量（鮑士旦，2005）。

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

1.3.4 產量測定 在收獲期采摘全部果實稱重。

1.4 數據分析

根據1.3.1微生物種群測定中測序結果的Barcode序列和PCR擴增引物序列，從下機數據中拆分出各樣品數據，使用FLASH軟件對每個樣品的數據進行拼接，得到高通量測序原始數據。進一步去除嵌合體、兩端引物以及非靶區域序列后得到有效數據，明確OTU（operational taxonomic units）為研究中的最小分類單元；然后運用綜合考慮物種多樣性及豐度的weighted unifrac法進行UPGMA聚類分析；使用UniFrac軟件中jackkifed算法進行樣本之間的距離計算，之后利用SPSS 20.0軟件對土壤環境因子數據進行統計分析，得出3次重復的平均值，做土壤環境因子矩陣，再用CANOCO軟件進行RDA主成分分析，提取主要的環境因子；將土壤細菌高通量測序得出的土壤細菌豐度指數、多樣性指數做土壤細菌矩陣。分析結果使用CANOCO軟件制圖。其余常規數據采用Excel 2007、SPSS 19.0軟件進行處理及統計分析。

2 結果與分析

2.1 添加玉米秸稈對土壤細菌群落的影響

對3個處理根系土壤中的細菌16S rRNA基因序列進行高通量測序，結果表明，刪除掉低質量序列后，所有樣品共得到133 893.5條高質量的16S rRNA基因序列（表1），平均每個樣品的序列數為44 631.2，平均序列長度402 bp，幾乎所有序列均被鑒定為細菌，古菌占比低于0.01%。其中HMS處理高質量序列數目最多，其次為LMS處理，分別比對照顯著提高了25.6%和12.8%。可見秸稈還田豐富了鹽漬化土壤中微生物數量，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菌有效序列數量最多。3個處理土壤中細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）、藍藻門（Cyanbacteria）等。其中變形細菌、酸桿菌和綠彎菌是優勢菌。屬于變形菌門的細菌最多，達26.5%，包括α（10.2%）、β（0.7%）、γ（10.2%）、δ（5.4%）4個變形菌綱。

表1 添加玉米秸稈對土壤細菌群落數目的影響

由圖1可知，3個處理土壤樣品在科水平上共檢測到36個豐度高于1%的科，其中有10個科的相對豐度不同處理間有顯著差異，添加玉米秸稈處理的相對豐度較高的優勢菌科為腸桿菌科（Enterobacteriaceae）、鞘脂單胞菌科（Sphingomonadaceae）和黃單胞菌科（Xanthomonadaceae），對照獨有優勢菌科為鹽單胞菌科（Halomonadaceae）。其中，HMS處理中黃單胞菌科（Xanthomonadaceae）的菌群數量明顯增加。對照腸桿菌科（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配對平均法（UPGMA）對樣品進行層次聚類，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個處理土壤樣品中細菌種群分布，HMS和LMS分為一個類群，對照為一個類群。

圖1 添加玉米秸稈土壤優勢細菌科水平類群比較

圖2 添加玉米秸稈土壤優勢細菌UPGMA聚類分析

2.2 添加玉米秸稈對土壤化學、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分含量，可能是由于添加秸稈導致土壤中C/N增加，微生物利用土壤中的氮素作為自身營養物質大量繁殖，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，使其數量和活性增加，從而促進了作物對土壤中速效養分的高效利用。

表2 添加玉米秸稈對土壤養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；土壤電導率顯著下降，HMS處理比對照顯著降低59.6%；有機質含量則顯著增加，LMS和HMS處理分別比對照顯著增加26.8%和34.3%。

從表3可以看出，施用玉米秸稈對土壤容重、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處理分別比對照顯著增加16.6%和36.6%。與對照相比，施用玉米秸稈顯著增加了＞2 mm和1～2 mm粒級團聚體含量，顯著降低了0.25～1 mm和＜0.25 mm粒級團聚體含量。

表3 添加玉米秸稈對土壤物理性狀的影響

2.3 環境因子對土壤優勢菌群的影響

用CANOCO軟件進行土壤樣品環境因子RDA分析，選擇11個環境因子中排名前5的環境因子，包括速效氮（AN）、電導率（EC）、酸堿度（pH）、容重（SBD）、有機質（SOM）。如圖 3所示，環境因子主要可以集中為2類：在第3象限存在3個環境因子EC、SBD、AN之間呈顯著正相關關系，主要影響的樣品為CK；在第1象限存在2個環境因子pH、SOM之間呈顯著正相關，和第3象限的環境因子呈負相關，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個環境因子中EC、SOM距離原點最遠，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勢細菌環境因子RDA分析

2.4 添加玉米秸稈對植株生理性狀及產量的影響

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值卻呈現下降的趨勢，HSM處理比對照顯著下降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，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，導致植株葉綠素SPAD值下降，與土壤速效養分數據變化趨勢相一致。

光合特性是葉片光合能力的有效表征，對作物產量的形成至關重要。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、氣孔導度、胞間CO2濃度、蒸騰速率均呈明顯上升趨勢。番茄產量呈顯著增加趨勢，增產幅度達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，為植物的生長提供了良好的營養基礎，尤其添加高量秸稈處理的增產效果更佳。

表4 添加玉米秸稈對植株生理、光合特性及產量的影響

3 結論與討論

番茄作為重要的設施蔬菜之一，復種指數高，連作障礙嚴重；同時，化肥在農業生產中的廣泛使用，使得化肥施用量不斷增加，由此而帶來的農產品安全和農業可持續發展問題日趨嚴重（周南華，2004；沙海寧 等，2010）。因此，研究如何在秸稈還田的同時有效解決土壤次生鹽漬化問題對于我國設施蔬菜的發展具有重要意義。

高通量測序技術實現了大規模土壤微生物基因直接測序（Gomez-Alvarez et al.，2009），促進了土壤微生物物種多樣性、結構多樣性、功能多樣性和遺傳多樣性研究的迅猛發展（薛超 等，2011）。本試驗結果表明：玉米秸稈的施加對設施土壤中細菌群落結構以及數量均產生一定影響，其中施加高量秸稈顯著增加了土壤中的細菌有效序列數量，比對照增加25.6%；菌群結構趨于豐富化，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個處理聚為一個類群，對照為一個類群。土壤細菌群落是一個相對穩定的系統，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）的研究結果一致。

土壤生物群落與土壤化學、物理性狀均有一定關聯（周文新 等，2008），本試驗結果表明，設施土壤細菌群落易受環境變化的影響，在土壤化學性狀和物理性狀的11個影響因子中，不同土壤環境因子間有很強的相關關系。隨著秸稈投入量的增加，速效氮、磷、鉀養分含量明顯下降，pH值呈現增加的趨勢，電導率顯著下降，有機質含量明顯增加，與前人研究結果一致（韓劍宏 等，2017）。本試驗中，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粒級團聚體含量。研究表明，大粒級團聚體是土壤團聚體有機碳的主要貢獻載體，提高土壤大粒級團聚體可在一定程度上提高土壤固碳能力（Lu et al．，2012），與本試驗結果一致。有機質可以改變土壤孔隙度、通氣度與土壤團粒結構，具有顯著的緩沖作用和持水力（賈曼莉等，2014），能夠為土壤微生態環境提供化學反應場所和細菌活動的適宜條件，土壤有機質含量增加對設施鹽漬化土壤的有效修復起到積極的影響。

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