秸稈還田對溫室黃瓜根際土壤代謝和菌群的影響

陳靜 胡云 崔文芳

摘? ? 要：以日光溫室黃瓜為試驗材料，通過在作物定植前土壤秸稈粉碎還田、秸稈過腹還田、炭化還田的不同處理，研究其對作物根際土壤代謝物、細(xì)菌菌群結(jié)構(gòu)變化的影響，探討秸稈還田方式影響作物根際代謝變化規(guī)律及其內(nèi)在機(jī)制。試驗結(jié)果表明，3種秸稈還田方式均可顯著提高黃瓜根際3-（4-羥基苯基）丙基-2-烯酸，20-三氫氧化白三烯-B4、甘草黃素等陰離子代謝物含量以及腺苷、氯氮平氮氧化物、焦脫鎂葉綠酸A、酰基肉毒堿、溶血磷脂酰乙醇胺、溶菌酶、溶血磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺等陽離子代謝物含量，均可明顯提高放線菌門和擬桿菌門比例，降低酸桿菌門比例。根際土壤中酸桿菌門、變形菌門、放線菌門、綠彎菌門、擬桿菌門比例與許多代謝物顯著正相關(guān)或負(fù)相關(guān)，部分代謝物對微生物菌群生長有一定的促進(jìn)或抑制作用。綜合來看，秸稈粉碎還田處理對根際代謝和菌群的影響和變化最大，效果優(yōu)于其他處理。

關(guān)鍵詞：黃瓜;秸稈還田;根際代謝;細(xì)菌菌群;溫室

中圖分類號：S642.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1673-2871（2020）07-014-05

Abstract：In present study， the cucumber of greenhouse was used to study the efect of straw crushed and returned farmland， straw turned into feces， and biochar on rhizosphere soil metabolites and bacterial flora structure， and to study the straw returned modes effecting rhizosphere metabolism of cucumber and its internal mechanism under drip irrigation. The study showed that three kinds of straw returned field significantly increased the content of? anion of 3-（4-Hydroxyphenyl）Prop-2-Enoic Acid， 20-Trihydroxy-leukotriene-B4， ALicorisoflavan A and the content of positive ion of Adenosine， Clozapine N-oxide， Pyrophaeophorbide a， Acylcarnitine， LysoPE， LysoDGTS， LysoPC， PE in rhizosphere， which significantly increased the proportion of Actinobacteria and Bacteroidetes，and decreased the proportion of Acidobacteria. The proportion of Acidobacteria， Proteobacteria， Actinobacteria， Chloroflexi， Bacteroidetes of rhizosphere soil were significantly positively or negatively correlated with many metabolites. Some metabolites promoted the growth of some rhizosphere microbial flora， while others inhibited. Generally， the effect of straw comminution returned to soil on rhizosphere metabolism was better than other treatments.

Key words：Cucumber; Straw returned soil; Rhizosphere metabolism; Bacterial communities; Greenhouse

秸稈還田是促進(jìn)農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的一種有效方式，可提高土壤水分利用效率，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤肥力，促進(jìn)作物根系、葉片生長并提高產(chǎn)量[1-2]。我國是農(nóng)業(yè)秸稈產(chǎn)出大國，基于目前農(nóng)業(yè)上肥料使用不合理所引發(fā)的面源污染問題日趨嚴(yán)重，新形勢下研究秸稈還田下的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)方式，不但能減輕對環(huán)境的污染、減少資源浪費，而且對作物產(chǎn)量、品質(zhì)提高具有積極作用[3]。作物根際代謝主要研究根際內(nèi)源性小分子變化，內(nèi)源性小分子是生物體分子信號傳導(dǎo)、信息傳遞與反饋的關(guān)鍵物質(zhì)，反映了生物基因、蛋白、外環(huán)境物質(zhì)等多因素作用下綜合的終末效應(yīng)[4-5]，其變化可提示生物代謝標(biāo)志物、代謝通路、酶活性與功能的變化[5]，對其分析有助于更好地理解土壤根際微域內(nèi)植物根系與土壤、土壤生物之間化學(xué)信號交流的生物學(xué)過程[6]。

近年來關(guān)于秸稈還田報道較多，但主要集中在單一還田方式對土壤物理性狀、養(yǎng)分和作物生長等方面的影響，在北方設(shè)施條件下秸稈還田方式影響黃瓜根際代謝物和細(xì)菌菌群變化的研究鮮見報道。筆者針對設(shè)施黃瓜作物，通過在黃瓜定植前土壤開展不同秸稈方式還田處理，研究其影響根際土壤代謝物和菌群變化規(guī)律內(nèi)在機(jī)制，以期為設(shè)施秸稈還田提供一定的理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。

1 材料和方法

1.1 材料

試驗于2018年3—7月在內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)科技園區(qū)基地進(jìn)行，試驗用日光溫室南北跨度7 m，東西長52 m，試驗選用黃瓜品種為‘津春改良2號，由天津市農(nóng)業(yè)科學(xué)院黃瓜研究所選育。土壤性質(zhì)為沙壤土，有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為41.92、1.29、1.41、12.98 g·kg-1，容重1.26 g·cm-3，電導(dǎo)率107.39 μS·cm-1。

1.2 方法

試驗采用隨機(jī)區(qū)組，以正常土壤設(shè)為CK，在黃瓜定植前土壤表層0～30 cm進(jìn)行玉米秸稈還田處理：粉碎還田秸稈按照20.00 t·hm-2均勻施入（FS處理）;按秸稈過腹轉(zhuǎn)化率20.00%計算，過腹還田干羊糞施入量4.00 t·hm-2（GF處理）;按秸稈33.33%轉(zhuǎn)化為生物炭計算，炭化還田生物炭施入量6.67 t·hm-2（TH處理）。黃瓜苗4月10日定植，種植密度為42 000株·hm-2，每處理小區(qū)面積20 m2，3次重復(fù)，各處理均為膜下滴灌，其他管理措施一致。在黃瓜結(jié)果盛期（6月15日），每種處理均用抖落法分別取6處樣地根際土樣進(jìn)行代謝物重復(fù)性定性和定量測定，將6處土樣混合測定細(xì)菌菌群。

1.3 測定方法

根際土樣用有機(jī)試劑沉淀蛋白法進(jìn)行代謝物提取，并在樣品中插入QC樣品以作試驗重復(fù)評估。樣品分別進(jìn)行質(zhì)譜掃描，利用高效液相色譜串聯(lián)高分辨率質(zhì)譜儀TripleTOF 6600在陰、陽離子模式下進(jìn)行土壤處理樣品非靶向代謝組學(xué)檢測。根際土樣細(xì)菌物種用16SrDNA高通量測序法測定，對測序獲得數(shù)據(jù)進(jìn)行樣品區(qū)分、拼接、過濾及質(zhì)控分析，對最終數(shù)據(jù)進(jìn)行OUT聚類和物種分類學(xué)分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理及分析

用XCMS軟件進(jìn)行代謝物檢測，用metaX軟件進(jìn)行二級代謝物定量和差異物篩選，對提取到的物質(zhì)用CAMERA進(jìn)行離子注釋，用質(zhì)譜二級信息與in-house標(biāo)準(zhǔn)品數(shù)據(jù)庫匹配，用HMDB、KEGG等數(shù)據(jù)庫進(jìn)行代謝物注釋。用RDP、Greengenes和NCBI數(shù)據(jù)庫資源做細(xì)菌物種分析并用R語言繪制物種熱圖，在門分類水平列出前20種優(yōu)勢菌群，利用不同顏色和長度反映細(xì)菌群落組成差異性和比例，基于OUT組成分析結(jié)果用Euclidean，Unweighted Unifrac，Weighted Unifrac 3種算法計算樣品間距離矩陣，用UPGMA法對樣品進(jìn)行豐度相似性聚類。處理間用SPSS 19.0 軟件進(jìn)行單因素方差分析與顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對黃瓜根際土壤代謝物含量的影響

由表1可知，與CK相比，F(xiàn)S、GF、TH處理均顯著提高3-（4-羥基苯基）丙基-2-烯酸、20-三氫氧化白三烯-B4和甘草黃素含量;FS、GF處理均顯著提高3a，7a，12a-三羥基-5b-膽甾烷-26-醛和嗜焦素含量，而TH處理與CK差異不顯著;FS、TH處理均可顯著提高賽克利嗪含量，而GF處理與CK差異不顯著;FS處理可顯著提高4-硝基苯酚含量，而GF、TH處理與CK差異不顯著;GF、TH處理可顯著提高脫氫卡巴堿II含量，而FS處理與CK差異不顯著。

由表2可知，與CK相比，F(xiàn)S、GF、TH處理均顯著提高腺苷、氯氮平氮氧化物、焦脫鎂葉綠酸A、酰基肉毒堿、溶血磷脂酰乙醇胺、溶菌酶、溶血磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺含量;FS、GF處理均顯著提高鳥苷、醋酸阿伐他丁含量，而TH處理與CK差異不顯著;FS處理可顯著提高（Z）-2-辛烯、6，10，14-三甲基-5，9，1-十五碳二烯-2-酮、亞油酸含量，而GF、TH處理與CK差異不顯著;TH處理可顯著提高六氫芬寧、己酸香茅酯，而FS、GF處理與CK差異不顯著;GF處理可顯著提高1，2，4-苯三甲酸三（4-十二烯基）酯含量，而FS、TH處理與CK差異不顯著。

2.2 不同處理對黃瓜根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

由圖1可知，在門分類水平上，經(jīng)聚類分析結(jié)果表明，CK和TH處理為一類，GF處理與CK、TH處理相比有一定差異，F(xiàn)S處理與CK、TH、GF處理相比差異性最大;構(gòu)成黃瓜根際土壤優(yōu)勢細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)為酸桿菌門（Acidobacteria）、變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）、綠彎菌門（Chloroflexi）、厚壁菌門（Firmicutes）、擬桿菌門（Bacteroidetes）、浮霉菌門（Planctomycetes）等，占到各樣品土壤細(xì)菌群落比例89.79%～91.30%;與對照相比，F(xiàn)S處理可明顯提高細(xì)菌比例為：放線菌門50.23%、芽單胞菌門4.38%、綠彎菌門11.10%、擬桿菌門13.94%、浮霉菌門8.39%，可明顯降低的細(xì)菌比例為：酸桿菌門20.61%、厚壁菌門11.53%;GF處理可明顯提高細(xì)菌比例為：放線菌門19.44%、芽單胞菌門3.82%、厚壁菌門34.58%、擬桿菌門25.45%，可明顯降低的比例為酸桿菌門9.76%、變形菌門7.20%;TH處理可明顯提高比例為：放線菌門17.44%、擬桿菌門34.55%，可明顯降低比例為：酸桿菌門5.07%、芽單胞菌門5.16%、浮霉菌門21.68%。總體來看，3種處理均可明顯提高放線菌門和擬桿菌門比例，降低酸桿菌門比例。

2.3 根際代謝物與細(xì)菌菌群相關(guān)性分析

由表3可知，酸桿菌門比例與3-（4-羥基苯基）丙基-2-烯酸、（Z）-2-辛烯、6，10，14-三甲基-5，9，1-十五碳二烯-2-酮、亞油酸、醋酸阿伐他丁、酰基肉毒堿含量均顯著負(fù)相關(guān)，變形菌門比例與甘草黃素含量顯著負(fù)相關(guān)，放線菌門比例與3-（4-羥基苯基）丙基-2-烯酸、（Z）-2-辛烯、焦脫鎂葉綠酸A、6，10，14-三甲基-5，9，1-十五碳二烯-2-酮、亞油酸、酰基肉毒堿含量、溶血磷脂酰膽堿均顯著正相關(guān)，綠彎菌門比例與（Z）-2-辛烯、焦脫鎂葉綠酸A、6，10，14-三甲基-5，9，1-十五碳二烯-2-酮、亞油酸均顯著正相關(guān)，擬桿菌門比例與脫氫卡巴堿II顯著正相關(guān)。

3 討 論

根際代謝組學(xué)旨在分析植物根土交互界面根系分泌作用相關(guān)的初生代謝物、化學(xué)信號物質(zhì)等，以及與根系相關(guān)的微生物菌群分泌物[6]。根據(jù)對不同施氮處理下玉米根系分泌物檢測表明：與常規(guī)施氮比較，85%施氮量下分泌物中α-葡萄糖、蘋果酸、亮氨酸、纈氨酸水平顯著增加，而55%施氮量下分泌物水平呈下降趨勢[7]。有研究表明，作物根系分泌物釋放可通過增加土壤碳素有效性而降低潛在氮損耗風(fēng)險[8]。氮虧缺條件下玉米根系分泌物中天冬氨酸、酪氨酸、異亮氨酸、賴氨酸和麥芽糖含量下降[9]。玉米根系分泌物總量隨施氮量增加而增加，高氮條件下根系分泌物中糖、糖醇、酚顯著增加，而羧酸類化合物、胺類、多元醇、脂類沒有顯著差異[10]。本試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不同秸稈還田方式均可顯著提高設(shè)施黃瓜根際NA、脂肪酰基、異黃酮類等陰離子代謝物及核苷和核苷酸及其類似物、脂類和類脂分子等陽離子代謝物的含量，與前人直接施入氮素影響代謝物種類不完全相同。

植物根系分泌物可影響并調(diào)節(jié)根際土壤物理特性、營養(yǎng)有效性、植物根系與根際微生物間信號交流[11]，特別在微生物生長促進(jìn)方面發(fā)揮著重要作用[12]，根系分泌物中糖和糖醇可作為許多微生物能量源和通用趨化性物質(zhì)[7]。另外，植物可通過根系分泌物增溶作用、還原/配位作用、配體交換反應(yīng)影響土壤營養(yǎng)有效性[13]。植物根系分泌物中碳水化合物和氨基酸可作為向化因子引誘植物生長，促進(jìn)根圍細(xì)菌到植物根際區(qū)域而有助于植物生長[14]。本試驗結(jié)果表明，根際土壤中酸桿菌門、變形菌門、放線菌門、綠彎菌門、擬桿菌門比例與許多代謝物顯著正相關(guān)或者負(fù)相關(guān)，說明根際代謝物通過一定的調(diào)控作用對根際微生物一些菌群生長發(fā)揮著重要的影響，最終影響作物生長和發(fā)育，與前人研究結(jié)果相符，但通過試驗發(fā)現(xiàn)一部分根際代謝物對根際微生物菌群生長有促進(jìn)作用，而另一部分根際代謝物對根際微生物菌群生長有抑制作用，這在一定程度上可補(bǔ)充前人的研究內(nèi)容。

已有研究結(jié)果表明，黃瓜根際土壤變形菌門、放線菌門細(xì)菌比例提高可促進(jìn)堿解氮、速效磷、速效鉀質(zhì)量比提升[15]，厚壁菌門細(xì)菌可提高速效磷質(zhì)量，而酸桿菌門抑制黃瓜莖粗和葉片生長，綠彎菌門抑制土壤脲酶活性[16]。結(jié)合本試驗相關(guān)分析可知，秸稈還田可提高根際土壤中3-（4-羥基苯基）丙基-2-烯酸、（Z）-2-辛烯、6，10，14-三甲基-5，9，1-十五碳二烯-2-酮、亞油酸、醋酸阿伐他丁、酰基肉毒堿、焦脫鎂葉綠酸A、溶血磷脂酰膽堿等代謝物含量，推測這些代謝物可能在黃瓜根際土壤養(yǎng)分供給和促進(jìn)根系生長方面起到一定作用。

4 結(jié) 論

（1）與對照相比，F(xiàn)S、GF、TH處理均顯著提高3-（4-羥基苯基）丙基-2-烯酸，20-三氫氧化白三烯-B4和甘草黃素等陰離子代謝物含量，顯著提高腺苷、氯氮平氮氧化物、焦脫鎂葉綠酸A、酰基肉毒堿、溶血磷脂酰乙醇胺、溶菌酶、溶血磷脂酰膽堿、磷脂酰乙醇胺等陽離子代謝物含量，均明顯提高放線菌門和擬桿菌門比例，降低酸桿菌門比例。

（2）根際土壤中酸桿菌門、變形菌門、放線菌門、綠彎菌門、擬桿菌門比例與許多代謝物顯著正相關(guān)或負(fù)相關(guān)，說明部分根際代謝物對根際一些微生物菌群生長有促進(jìn)作用，部分根際代謝物對一些根際微生物菌群生長有抑制作用。秸稈還田后可提高根際土壤中3-（4-羥基苯基）丙基-2-烯酸、（Z）-2-辛烯、6，10，14-三甲基-5，9，1-十五碳二烯-2-酮、亞油酸、醋酸阿伐他丁、酰基肉毒堿、焦脫鎂葉綠酸A、溶血磷脂酰膽堿等代謝物含量，對黃瓜根際土壤養(yǎng)分供給和促進(jìn)根系生長方面起到一定作用。

（3）綜合來看，F(xiàn)S處理對根際代謝影響最大，除與其他處理具有相同影響外，還可顯著提高3a，7a，12a-三羥基-5b-膽甾烷-26-醛，嗜焦素、4-硝基苯酚、賽克利嗪等陰離子代謝物含量，顯著提高鳥苷、醋酸阿伐他丁、（Z）-2-辛烯、6，10，14-三甲基-5，9，1-十五碳二烯-2-酮、亞油酸含量等陽離子代謝物含量。FS處理可明顯提高土壤根際放線菌門、芽單胞菌門、綠彎菌門、擬桿菌門、浮霉菌門比例，而明顯降低酸桿菌門細(xì)菌和厚壁菌門細(xì)菌比例。

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