不同輪作模式下旱地番茄土壤理化性質及細菌群落組成特征

李萬星， 李小霞， 李 丹， 靳鯤鵬， 韓文清， 劉永忠， 黃學芳， 蘇秀敏， 王 佼， 曹晉軍

(1.山西農業大學谷子研究所，山西 長治 046000； 2.山西農業大學山西有機旱作農業研究院，山西 太原 030000)

番茄廣泛種植于世界各地，既可作為蔬菜也可作為水果，喜食之人甚多，以溫室栽培為主。相對于溫室番茄，旱地番茄種植于旱季，靠自然降雨生長，多種植于山西省東南部，尤以長治市壺關縣生產的旱地番茄聞名。旱地番茄具有含糖量高、酸度低、番茄紅素含量高等特點，且沙瓤細膩、果形圓潤鮮亮、口感佳，因而深受各地人們喜愛[1]。但為追求經濟價值，當地百姓采用多年連作不換茬的種植方式，連作障礙現象嚴重，導致旱地番茄病害加重，土壤質量下降，嚴重影響旱地番茄品質。

在同一土地連續種植同種或同科作物，會使土壤酶活性下降和土壤微生物結構惡化，引起土傳病害和產量降低，產生連作障礙。輪作不同作物可以改善土壤物理性質[2]，均衡土壤養分[3]，改變土壤酶活性[4]，改善作物根際土壤微生物結構[5]，減少土傳病害的發生。楊尚東等[6]研究發現番茄連作降低了土壤細菌的豐富度和多樣性，土壤菌群失衡，而輪作黃瓜、白菜和菜豆等可以提高土壤微生物數量和土壤酶活性。細菌是土壤中最活躍的生物成分，在土壤中比例最大[7]，其在土壤中的豐富度和群落結構會因前茬作物的不同而不同。本研究以旱地番茄為研究對象，通過輪作不同作物，研究土壤容重、團聚體結構、土壤養分及土壤酶活性，并應用高通量測序技術研究土壤細菌多樣性及群落結構組成，探索旱地番茄連作障礙的形成機制，以期為通過輪作方式緩解旱地番茄連作障礙提供理論基礎和實踐依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于山西省長治市壺關縣東關壁村(113°22′E，36°19′N)。2018年至2020年旱地番茄生育期內平均降水量為367.1 mm，降水主要集中在6、7、8月份，冬季、春季降雨量少，為典型的雨養農業區。年蒸發量2 063 mm，年平均氣溫9.4 ℃，一月最低氣溫-13.6 ℃，七月最高氣溫35.3 ℃，無霜期151 d，年日照時數2 619 h。

1.2 供試材料

供試番茄為日潤1號，糯玉米為晉糯10號，西葫蘆為東葫1號，秋葵為綠鹽，黃瓜為中農18號，花生為長治縣裕盛豐農業專業合作社提供，豆角和蔥為當地種植品種。

1.3 試驗設計

試驗期為2018年3月-2020年11月，共7個處理。試驗地前茬為旱地番茄，2018年輪作豆角，2019年輪作6種作物，2020年所有處理種植旱地番茄，試驗設計見表1。每處理設置3個重復，隨機區組排列，小區面積52 m2(長8.0 m，寬6.5 m)，起壟鋪膜，每壟1.3 m，每小區5壟。播前統一撒施發酵過的雞糞，施肥量為54 000 kg/hm2，整個生長過程中不追肥，各小區管理方式一致。

表1 試驗的處理設置

1.4 土樣采集

2020年旱地番茄拉秧前于每個小區采集土壤，采用五點法取樣，土鉆鉆取0～20.0 cm表層土層(內徑為7 cm)，將土樣混合，自然風干，撿去石塊、根等雜物，按照鮑士旦方法[8]過不同孔徑的篩子得到較細膩的土樣用于測定土壤養分。拉秧前挖取旱地番茄的完整根部，將大塊土壤抖落至鐵盒，并將附著于根毛的土壤刷下，用篩子(1 mm)篩至自封袋內用于測定土壤酶活性。用鐵鍬挖取旱地番茄(三穗果時期)完整根部，將土壤抖落至無菌袋中，并將附著在根毛上的土壤輕輕刷下，置于冰盒帶回實驗室，保存于-80 ℃冰箱用于測定土壤細菌組成。

1.5 項目測定

1.5.1 土壤容重和團聚體結構測定 于2020年拉秧前取0～20.0 cm土層測土壤容重(采用環刀法)。分別取0～10.0 cm和10.1～20.0 cm土層的土壤，采用篩分法測定土壤水穩性團聚體。

1.5.2 土壤養分測定 土壤各養分的測定參考鮑士旦的方法[8]，pH采用pH計測定，電導率采用P4多功能測定儀測定。

1.5.3 酶活性測定 土壤過氧化氫酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶、脲酶和纖維素酶活性的測定參考關松蔭的方法[9]，蛋白酶活性用從南京卡文思檢測技術有限公司購買的試劑盒測定。

1.5.4 土壤微生物的測定 DNA提取和PCR擴增：將樣品充分混勻，去除雜質，稱取1.00 g鮮樣。土壤細菌總DNA提取按照DNeasy PowerSoil Kit(QIAGEN)試劑盒說明書進行，DNA濃度和純度利用NanoDrop2000進行檢測，對細菌DNA的16S rRNA V3-V4區段擴增,建庫，并進行質檢與定量。利用QIIME2軟件對操作分類單元(Operational Taxonomic Units，OTU)在門和屬水平上(97%相似度)進行聚類分析。根據樣品OTU數量進行Alpha多樣性(Chao1、Shannon、Shimpson指數[10-12])分析。

1.6 數據分析

采用Excel2007軟件進行數據處理，使用SPSS17.0軟件進行方差分析與多重比較(Duncan’s新復極差法)、Person相關分析檢驗和主成分分析(Principalcomponent analysis，PCA)。

2 結果與分析

2.1 輪作對土壤容重和團聚體結構的影響

輪作不同作物對土壤容重影響不同。由圖1可知，與對照比較，LVZm、LVAh、LVAf、LVCs處理顯著降低了土壤容重，降幅為5.43%～7.75%，而LVCp、LVAe處理土壤容重顯著增加。根據土壤容重分級標準，容重在1.00～1.25 g/cm3范圍內屬容重適宜，LVZm處理、LVAh處理、LVAf處理和LVCs處理土壤容重適宜，而對照、LVCp處理和LVAe處理容重均大于1.25 g/cm3，土壤屬于偏緊和緊實程度。

各處理見表1。不同字母表示處理間在0.05水平上差異顯著。 圖1 輪作對旱地番茄土壤容重的影響Fig.1 Effects of rotation on soil bulk density of dryland tomato

由表2可知，各處理≥0.25 mm的土壤團聚體含量在0～10.0 cm土層和10.1～20.0 cm土層有差異。與對照比較，LVAh、LVCs處理顯著提高了0～10.0 cm土層≥0.25 mm的土壤團聚體含量，其他處理差異不顯著；LVZm、LVAh處理顯著提高了10.1～20.0 cm土層≥0.25mm的土壤團聚體含量。與對照比較，LVAe處理0～10.0 cm土層<0.25 mm的土壤團聚體差異不顯著，其余各輪作處理顯著降低了<0.25 mm的土壤團聚體含量，降幅為9.01%～18.90%；10.1～20.0 cm土層，LVZm、LVAe、LVCs處理顯著降低了<0.25 mm的土壤團聚體含量，其余輪作處理與對照差異不顯著。

表2 輪作對旱地番茄土壤團聚體結構的影響

2.2 輪作對旱地番茄土壤養分的影響

由表3可知，各處理土壤養分差異顯著。與對照比較，LVAf、LVAe處理土壤有機質含量與對照差異不顯著，其余各輪作處理有機質含量均顯著增加。LVAh處理全氮含量顯著增加，其余處理與對照差異不顯著。LVCs處理全磷含量顯著低于對照，其余各輪作處理均顯著高于對照，其中LVAf處理全磷含量最高，比對照高36.63%。LVZm處理全鉀含量顯著高于對照，LVCs處理全鉀含量顯著低于對照，其余各處理與對照差異不顯著。各輪作處理堿解氮含量顯著高于對照，增幅為25.11%～102.64%。除LVAe處理有效磷含量顯著低于對照外，其余各輪作處理有效磷含量均顯著高于對照。LVAe處理速效鉀含量與對照含量差異不顯著，其余各輪作處理均顯著高于對照。pH值各處理土壤均呈堿性，且對照最大為8.63，各輪作處理間差異不顯著。對照土壤電導率為112.50 μs/cm，各輪作處理均顯著降低了土壤電導率，降幅為18.13%～29.96%，說明各輪作處理可以降低旱地番茄土壤鹽漬化程度。

表3 輪作對旱地番茄土壤養分的影響

2.3 輪作對土壤酶活性的影響

由表4可知，與對照相比，LVAh、LVCs處理分別顯著提高了過氧化氫酶活性4.87%和3.68%， 而LVAf處理降低了過氧化氫酶活性，其余輪作處理與對照差異不顯著。與對照相比，各輪作處理堿性磷酸酶活性均增加，增幅為1.85%～18.38%。與對照相比，LVCp、LVAf、LVAe與對照脲酶活性差異不顯著，其余各輪作處理脲酶活性均高于對照，其中LVAh脲酶活性比對照高34.78%。各輪作處理與對照相比均可提高纖維素酶和蔗糖酶活性，增幅分別為22.14%～102.86%和21.43%～122.86%。與對照比較，LVCs、LVAh、LVCp處理顯著增加了蛋白酶活性，增幅為39.13%～47.83%。

表4 輪作對旱地番茄土壤酶活性的影響

2.4 輪作對土壤細菌Alpha多樣性的影響

各處理樣品的覆蓋度均大于90%，達到分析要求。由表5可知，與對照比較，LVCp處理顯著降低了Chao1指數和Shannon指數，其余輪作處理Chao1指數和Shannon指數與對照差異不顯著，說明輪作并沒有顯著增加土壤細菌豐富度和多樣性。各輪作處理與對照Simpson指數差異不顯著，均大于0.998，說明各處理細菌群落優勢度高而多樣性低。

表5 輪作對土壤細菌Alpha多樣性的影響

2.5 輪作對土壤細菌群落組成的影響

由圖2可知，7個處理細菌群落組成主要集中在10個細菌門類，分別是變形菌門(Proteobacteria)(34.97%～39.62%)、放線菌門(Actinobacteria)(23.80%～33.79%)、綠彎菌門(Chloroflexi)(7.35%～10.03%)、酸桿菌門(Acidobacteria)(5.90%～9.60%)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)(5.80%～8.43%)、擬桿菌門(Bacteroidetes)(4.59%～6.69%)、髕骨細菌門(Patescibacteria)(0.83%～1.82%)、厚壁菌門(Firmicutes)(0.79%～2.02%)、疣微菌門(Verrucomicrobia)(0.80%～1.19%)及硝化螺旋菌門(Nitrospirae)(0.60%～0.86%)，這10種菌占所有菌的97.67%～98.51%。由上可知，連作和輪作對土壤細菌門水平群落結構組成無影響，但細菌群落相對豐度有影響。

各處理見表1。圖2 不同輪作模式土壤在門水平的細菌類群比較Fig.2 Comparison of bacteria groups at phylum level in soils under different rotation patterns

對豐富度排在前6的細菌門進行差異性分析，如表6所示，LVCs處理變形菌門豐富度顯著高于對照，其余輪作處理與對照差異不顯著；各輪作處理放線菌門豐富度顯著降低(LVAf處理除外)，綠彎菌門各輪作處理與對照差異不顯著；各輪作處理酸桿菌門豐富度顯著增加，LVCp處理芽單胞菌門豐富度顯著高于對照，擬桿菌門豐富度變化規律不明顯。

由于現代分子生物學檢測技術的局限性，絕大多數的細菌分類受到限制，因此絕大多數的細菌被歸為未知菌屬。由圖3可知，未知菌屬占比約74.93%～77.85%，在已知菌屬中豐富度較高的10個屬分別為溶桿菌屬(Lysobacter)、Subgroup_6、鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)、藤黃單孢菌屬(Luteimonas)、MND1、氣微菌屬(Aeromicrobium)、KD4-96、Gitt-GS-136、類諾卡氏菌屬(Nocardioides)、節桿菌屬(Arthrobacter)。不同處理對細菌豐富度有影響，各輪作處理與對照相比，Subgroup_6、藤黃單孢菌屬(Luteimonas)、MND1和KD4-96豐富度增加，鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)、類諾卡氏菌屬(Nocardioides)和節桿菌屬(Arthrobacter)豐富度降低。

2.6 基于土壤細菌屬組成的聚類分析

對相對豐度較高的10個細菌屬構建分層聚類，分析7個處理細菌組成的相似性和多樣性。由圖4可知，7個處理的土壤樣品較為明顯地聚為6類。LVCp獨成一支，說明其細菌屬群落結構顯著不同于其余處理。LVAf處理和LVZm處理聚為一支，說明二者土壤細菌群落結構相似，其余各輪作處理各為一支，連作(對照)為一支。因此，輪作可對屬水平上的細菌群落結構產生顯著影響。

2.7 土壤酶活性與土壤細菌優勢屬間的相關關系

由表7可知，土壤堿性磷酸酶、纖維素酶是影響土壤細菌群落最主要的因子。堿性磷酸酶活性與Gitt-GS-136呈顯著負相關關系(P<0.05)，纖維素酶活性與KD4-96呈顯著正相關關系(P<0.05)。

2.8 不同輪作模式土壤理化性質的主成分分析

各處理見表1。圖4 不同輪作模式土壤屬水平的細菌類群比較Fig.4 Comparison of bacteria groups at genus level in the soil under different rotation patterns

表7 土壤酶活性與優勢細菌屬之間的相關性分析

表8 土壤理化因子主成分分析的特征值與方差分析貢獻率

表9 土壤理化因子主成分得分與綜合得分

3 討 論

容重是土壤的重要物理性質，是反映土壤結構、評價土壤質量的一項重要指標。土壤容重與土壤緊實度呈正相關關系，適宜的土壤容重能夠為作物提供良好的生長環境。張曉霞等[14]發現土壤有機質增加可以降低土壤容重。本研究中，LVZm處理、LVAh處理、LVAf處理和LVCs處理土壤有機質含量高于對照，同時這4個處理土壤容重低于對照。土壤團聚體結構大小可以反映土壤穩定性，相較于非穩定性團聚體，水穩定性團聚體更能體現土壤結構的穩定性[15]， ≥0.25 mm水穩性團聚體的數量越多，土壤結構越穩定。各輪作處理(除LVAf處理外)0～10 cm土層 ≥0.25 mm水穩性團聚體含量均高于對照，但差異不顯著，<0.25 mm的土壤團聚體含量均顯著低于對照(除LVAe處理外)，說明輪作在0～10 cm土壤層可以改善土壤結構，增加土壤穩定性，而10～20 cm土壤層變化不明顯，可能是因為輪作年限短，各輪作處理在10～20 cm土壤層對團聚體結構的影響還沒有顯現，有待于進一步研究。

微生物的生命活動是土壤活力和功能形成的關鍵因子，細菌作為土壤中最活躍的成分，其多樣性的變化可以反映土壤微環境的變化[16-19]。本研究中，輪作不同作物對旱地番茄土壤細菌多樣性的影響不同。杜思瑤等[17]、張立成等[18]研究發現，輪作比連作土壤細菌群落多樣性高，說明輪作可引起土壤細菌多樣性的變化。本研究中，LVCp處理顯著降低了土壤細菌豐富度和多樣性，且其細菌屬聚類獨成一支，細菌群落多樣性不同于連作和其他輪作模式，可能是因為西葫蘆在生長周期內相較于其他作物需要施用較多農藥，部分農藥入土引起了土壤微環境的變化，導致土壤細菌豐富度、多樣性降低和細菌群落結構發生變化。其余各輪作處理與對照土壤細菌豐富度和多樣性差異不顯著，可能是因為在種植前統一撒施了生物有機肥(雞糞)，而生物有機肥作為一種生物調節劑，可以將大量活的有益功能菌帶入土壤，起到調控土壤微生物區系、改善土壤生物活性的作用[20]，在本研究中輪作處理和對照因為撒施有機肥削弱了各土壤區系微生物的差異，降低了處理間微生物多樣性的差異性。

土壤養分是影響土壤微生物群落結構的重要因子[21-23],許多研究結果表明土壤pH是影響微生物的重要因素[24-25]。劉佳等[26]發現，細菌群落結構改變受土壤pH的驅動，pH是決定優勢菌相對豐富度及多樣性指數的首要因素。本研究中輪作處理的pH值相較于對照pH值降低，酸桿菌門豐富度在輪作處理中高于對照，這是因為酸桿菌門豐富度可以反映土壤營養狀況，其豐富度大小在一定程度上反映土壤酸性條件。有研究報道，酸桿菌門細菌能夠降解復雜的化合物如纖維素[27]，這與本研究中輪作處理纖維素酶含量增加的結果一致。Subgroup_6可以將復雜的有機物發酵成酸[28]，這與本研究中輪作處理與對照比較Subgroup_6豐富度增加，同時輪作處理pH降低的結果相一致。本研究中發現輪作處理的土壤中有機質含量比連作(對照)有機質含量高，可能是因為輪作土壤中綠彎菌門細菌含量高于連作(對照)，綠彎菌門細菌在良好的土壤狀況下選擇了光能自養營養方式，消耗土壤中的有機質較少。

輪作不同作物，植物根系與土壤微生物共同作用形成不同的土壤生態環境[29]，植物根系、微生物分泌物和動植物殘體分解的物質會引起土壤結構的變化。本研究中LVAh處理顯著降低了土壤容重，有機質、全氮、堿解氮、速效鉀含量顯著高于對照，過氧化氫酶、堿性磷酸酶、脲酶、蔗糖酶和蛋白酶活性也顯著高于對照和其他輪作處理，與范業庚等[30]的研究結果一致，說明旱地番茄-豆角-花生-旱地番茄輪作模式通過作物根系和殘體以及土壤微生物互相作用形成了獨特的土壤微環境。輪作豆科作物可顯著提高土壤的碳礦化率和酶活性,進而提高土壤有機碳和全氮含量[31]，這是因為豆科作物根部的根瘤菌可有效固定空氣中的氮。本研究中，在旱地番茄-豆角-花生-旱地番茄輪作模式中，2年連續種植豆科作物，其根部的固氮菌通過強大的固氮作用，為后茬作物生長提供了足夠的氮肥，這與該輪作模式中土壤全氮和堿解氮含量最高的結果一致。綜上所述，LVAh輪作模式能夠較好地改善土壤結構，平衡土壤各養分，調節酶活性，且通過主成分分析也得出了同樣的結果。但LVAh輪作模式對土壤細菌影響小，這與呂毅等[32]的研究結果不一致，這可能與不同輪作模式有關，其原因有待進一步研究。

4 結 論

LVZm、LVAh、LVAf和LVCs輪作模式顯著降低了土壤容重。輪作降低了0～10 cm土層<0.25 mm的土壤團聚體含量，增加了0～10 cm土層土壤穩定性。各輪作土壤有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、速效鉀、有效磷含量均有變化，輪作顯著降低了土壤pH值和土壤鹽漬化程度。各輪作處理堿性磷酸酶、脲酶、纖維素酶和蔗糖酶活性高于或顯著高于對照。除LVCp輪作模式顯著降低土壤細菌豐富度和多樣性外，其余輪作模式與對照差異不顯著。主成分分析結果表明，LVAh輪作模式優于其他輪作模式，可以作為改善旱地番茄連作障礙的主要模式在當地進行推廣應用。