馬鈴薯耕作方式對土壤微生物數量的影響

宋 鈺，李統華，金夢軍，楊成德*，張俊蓮

（1.甘肅農業大學植物保護學院/甘肅省農作物病蟲害生物防治工程實驗室，甘肅 蘭州730070；

2.甘肅省作物遺傳改良與種質創新重點實驗室，甘肅 蘭州730070）

馬鈴薯（Solanum tuberosumL.）又稱洋芋、土豆等，是世界上僅次于水稻（Oryza sativaL.）、小麥（Triticum aestivumL.）和玉米（Zea maysL.）的第四大糧食作物[1,2]，另外，馬鈴薯也是重要的飼料之一，如馬鈴薯秧及塊莖均可加工為飼料或飼料添加劑。目前有156個國家和地區種植馬鈴薯，中國是世界上主要種植基地[3]。甘肅省是中國的馬鈴薯種植大省，2016年種植面積68.42萬hm2，產量達1 130.35萬t，產量和面積均居全國第3位，已成為全國馬鈴薯種薯、商品薯生產及加工基地，全省農民每年人均從馬鈴薯產業中獲得純收入228元，占農民人均純收入的19.3%[4]，是甘肅省許多縣（區）脫貧致富的“金蛋蛋”。由于馬鈴薯所產生的經濟利益，致使馬鈴薯生產中普遍存在連茬或不合理輪作現象，引起土壤有害微生物增多、鹽漬化加重、養分比例失調等問題[5-7]，導致馬鈴薯產量下降、品質變劣等連作障礙，并且該現象逐年加重，嚴重威脅糧食安全[8]。近年來，利用生物間相互協同，相互抑制的原理，合理安排作物輪、套、間作制度，已成為有機農業發展、農田生態系統保護和可持續發展的研究熱點之一。研究表明，紫花苜蓿（Medicago sativaL.）、小麥和玉米輪作能顯著影響土壤微生物組成、降低自毒物質含量有效改善土壤環境[9]；小麥與油菜（Brassica napusL.）、馬鈴薯、蠶豆（Vicia fabaL.）輪作2年或以上能有效降低小麥禾谷孢囊線蟲（Heterodera avenae）種群密度[10]；小麥-豌豆（Pisum sativumL.）-馬鈴薯輪作后，微生物總量有不同程度的升高，真菌數量顯著降低，土壤中的放線菌、細菌數量最高[11]。甘肅省白銀市景泰縣條山農場處于半漠區，以灌溉農業為主，在這種特殊的地理環境條件下不同種植模式對土壤微生物有怎么樣的影響？目前未有相關文獻報道。因此，該試驗在條山農場選擇試驗地，研究馬鈴薯與不同作物輪作、馬鈴薯連作及輪休方式下土壤微生物數量的變化，旨在揭示馬鈴薯種植方式對土壤微生物的影響，以期為制定合理的栽培模式及恢復地力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗區概況

試驗區位于甘肅省中部引黃灌區的條山農場，位于N 103°33'～104°43'，E 36°43'～37°38'，海拔1 274～3 321 m，是典型的溫帶大陸干旱氣候，年平均氣溫9.1℃，無霜期在141 d左右[12]。年平均降水量193.72 mm，年平均蒸發量1 722.8 mm。年平均日照時數2 713 h，全縣光熱資源豐富，日照百分率62%，太陽年平均輻射量147.8 Kcal/m2，≥0℃活動積溫3 614.8℃，≥10℃有效積溫3 038℃[13]，是中國光熱資源最豐富的地區之一。試驗地土壤為灰鈣土，質地為砂壤。

1.2 試驗材料

供試馬鈴薯品種為‘大西洋’（原種），玉米品種為‘正德305’，藜麥（Chenopodium quinoaW.）品種為‘條藜2號’。

1.3 試驗方法

于2017年在條山農場前茬為馬鈴薯的田塊分別種植玉米、藜麥和馬鈴薯，2018年在種植玉米、藜麥和馬鈴薯的田塊上繼續種植馬鈴薯，形成馬鈴薯-玉米-馬鈴薯輪作、馬鈴薯-藜麥-馬鈴薯輪作、馬鈴薯-馬鈴薯-馬鈴薯和休耕（3年不種植任何農作物，處于自然狀態）4個處理，3次重復，小區面積30 m2，試驗采用隨機區組設計。馬鈴薯播種株距35 cm，壟寬20 cm，壟行距40 cm，播種密度約為56 250株/hm2；玉米定苗后的密度約為60 000株/hm2；藜麥播種密度為6 kg/hm2[14]。采用相同的施肥措施和大田管理方法，將土壤含水量控制在適宜范圍內。

1.4 測定指標與方法

1.4.1 土樣采集

試驗設馬鈴薯-玉米-馬鈴薯輪作、馬鈴薯-藜麥-馬鈴薯輪作、馬鈴薯-馬鈴薯-馬鈴薯和休耕4個處理，分別在9月25日馬鈴薯成熟期采用5點取樣法采集0～15，15～30和30～45 cm三個不同土層的土壤樣品，將各點土樣混合，按四分法除去多余土樣，過1 mm篩，留1 kg左右裝入無菌聚乙烯袋，帶回實驗室后立即用于微生物數量的測定。

1.4.2 微生物數量分離與測定

采用平板稀釋法分離不同土壤樣品中的真菌、放線菌和細菌。稱取土壤鮮樣1 g，于無菌條件下用無菌水配成不同濃度梯度懸浮液，取100μL稀釋液進行平板涂布；培養基分別為馬丁-孟加拉紅培養基、改良‘高氏1號’培養基及牛肉膏蛋白胨培養基；稀釋濃度分別為：真菌1×10-1和1×10-2，放線菌1×10-2和1×10-3，細菌1×10-3和1×10-4；培養時間及溫度：真菌25℃恒溫培養5～7 d，放線菌28℃恒溫培養7～10 d，細菌28℃恒溫培養3 d；統計菌落數，并按公式計算菌落數[15]，公式如下：

活菌數（CFU/g）＝（菌落平均數×稀釋倍數）/干土%

1.5 數據處理

采用Excel 2007進行數據統計。

2 結果與分析

2.1 不同耕作方式對真菌數量的影響

土壤真菌主要分布于0～15 cm土層中，休耕一年土壤中真菌數量最多，馬鈴薯連作土壤中真菌數量最少；隨著土壤深度增加，真菌數量降低（圖1）。

馬鈴薯-玉米-馬鈴薯輪作時，0～15 cm土層中真菌數量最多，菌落數為7.43×102CFU/g，隨著土層加深，真菌數量逐漸減少；與0～15 cm土層中真菌數相比，15～30 cm的土層中真菌數量減少了50.20%，30～45 cm土層中真菌數量減少了91.92%。馬鈴薯-藜麥-馬鈴薯輪作時，0～15 cm的土層中真菌數量高于其他土層真菌數量，菌落數為7.40×102CFU/g，隨著土層加深，真菌數量逐漸減少，但15～30和30～45 cm土層的菌量相差較小，分別為1.63×102和1.05×102CFU/g；與0～15 cm的土層中真菌數相比，15～30和30～45 cm的土層中真菌數分別減少了77.97%和85.81%。馬鈴薯-馬鈴薯-馬鈴薯連作時，0～15 cm土層中真菌數量高于其他土層真菌數量，菌落數為4.15×102CFU/g，隨土層深度的增加真菌數量減少。與0～15 cm土層中真菌數相比，15～30和30～45 cm土層中真菌數分別減少了10.84%和60.72%。休耕一年時，0～15 cm土層中真菌數量高于其他土層真菌數量，菌落數為11.00×102CFU/g，隨土層深度的增加真菌數量減少。與0～15 cm土層中真菌數相比，15～30和30～45 cm土層中真菌數分別減少了50.90%和66.09%。

由此結果知不同耕作方式間相同土層真菌數量不同，但0～15，15～30和30～45 cm土層中休耕真菌數量高于其他耕作方式，菌落數分別為11.00×102，5.40×102和3.73×102CFU/g。連作土壤表層真菌數量最低可能是土壤中有益真菌減少造成了差異。

2.2 不同耕作方式對放線菌數量的影響

不同耕作方式下放線菌數量均表現為0～15 cm土層最多，且隨土層加深數量降低，其中馬鈴薯-玉米-馬鈴薯輪作、馬鈴薯-藜麥-馬鈴薯輪作和馬鈴薯-馬鈴薯-馬鈴薯連作時0～15 cm土層放線菌菌落數分別為1.77×104，2.35×104和3.87×104CFU/g，30～45 cm土層較0～15 cm土層分別下降了28.25%，57.45%和42.89%（圖2）。

休耕處理下，15～30 cm土層中放線菌數量最多，達2.39×104CFU/g，與15～30 cm土層中放線菌數量相比較，0～15 cm土層中放線菌數降低了6.69%，30～45 cm土層中放線菌數降低了57.32%。

馬鈴薯-馬鈴薯-馬鈴薯耕作方式中放線菌數量高于其他耕作方式，0～15、15～30和30～45 cm土層中菌落數分別為3.87×104，2.42×104和2.21×104CFU/g，且在0～15和15～30 cm土層中馬鈴薯-玉米-馬鈴薯輪作時放線菌數量最低。

2.3 不同耕作方式對細菌數量的影響

土壤細菌主要分布于0～15 cm土層中，馬鈴薯-馬鈴薯-馬鈴薯連作模式中土壤細菌數量最多，馬鈴薯-藜麥-馬鈴薯輪作和馬鈴薯-玉米-馬鈴薯輪作模式中土壤細菌數最少；隨著土壤深度加深細菌數量逐漸減少（圖3）。

馬鈴薯-玉米-馬鈴薯輪作時，0～15 cm土層中細菌數量最多，菌落數為4.63×104CFU/g，隨著土層加深，細菌數量逐漸減少；與0～15 cm土層中細菌數相比，15～30和30～45 cm土層中細菌數分別下降了57.45%和85.96%。馬鈴薯-藜麥-馬鈴薯輪作時，0～15 cm土層中細菌數量最多，達4.63×104CFU/g，15～30和30～45 cm土層較0～15 cm土層分別減少了34.77%和56.80%。馬鈴薯-馬鈴薯-馬鈴薯連作時，0～15 cm土層中細菌數量最多，達77.68×104CFU/g；與0～15 cm土層中細菌數量相比，15～30 cm土層中細菌數減少了57.35%，30～45 cm土層中細菌數減少了75.64%。休耕一年時，0～15 cm土層中細菌數量高于其他土層，達11.92×104CFU/g，15～30和30～45 cm土 層 中 細 菌 數 分 別 減 少 了27.43%和59.48%。

相同土層中細菌數量在不同耕作方式下不同，其中0～15，15～30和30～45 cm土層中均為馬鈴薯-馬鈴薯-馬鈴薯連作細菌數量高于其他耕作方式，菌落數分別達77.68×104，33.13×104和18.92×104CFU/g，其次為休耕方式。

3 討論

土壤微生物參與土壤養分轉化、循環以及土壤有機質的分解和礦質營養的釋放等[16,17]，是促進物質循環的原動力，是土壤質量的生物學指標之一。因此，研究土壤微生物數量是明確耕作方式優劣的途徑之一。不同耕作方式下不同土層中微生物群落對研究作物種植模式意義重大，李桂喜等[18]報道土壤微生物數量在不同耕作方式下隨著土層深度的增加而明顯降低；唐超等[19]報道連作番茄保護地土壤0～20 cm土層微生物含量最高，隨著土層加深呈下降趨勢；王桂紅等[20]報道玉米和牧草典型種植模式下隨著土層加深土壤微生物量呈下降趨勢。本研究發現，在不同耕作方式中，除輪休中放線菌在15～30 cm中較大外，在其他種植輪作方式下，真菌、放線菌及細菌均隨著土層深度增加菌落數呈下降趨勢，與文獻報道一致。譚雪蓮等[21]報道土壤中細菌和放線菌數量隨馬鈴薯連作年限的增加呈下降趨勢，真菌呈上升趨勢；倪苗等[22]報道以豇豆為主茬，分別輪作莧菜、蕹菜、菜薹、芥菜或大白菜，提高了土壤細菌群落的豐度和真菌群落的多樣性；姚小東等[23]報道連作種植模式有利于病原真菌在根表定殖，抑制了有益細菌的生長；王悅等[24]報道輪作和套作可以提高根際細菌群落多樣性，改變微生物群落組成。本文研究表明，4種耕作方式中，休耕各個土層的真菌數量大于其他耕作方式下各土層的真菌數量，馬鈴薯連作下各土層中的細菌和放線菌均大于其他種植方式，這與譚雪蓮等[21]和倪苗等[22]的研究結果有差異，可能與種植的作物、輪作方式及土壤等有一定關系，但具體原因有待進一步研究。