多年秸稈覆蓋對設施蔬菜土壤養分及微生物多樣性的影響

張京社 陳園園 閻世江

摘要：秸稈覆蓋是一項新興的農田覆蓋技術，與地膜覆蓋相比較具有蓄水保墑、提高土壤肥力、減緩土壤溫度隨季節性變化產生變化的優勢。探究長期秸稈覆蓋對土壤養分、蔬菜產量、土壤微生物多樣性的影響，對于設施蔬菜生產具有重要意義。選取連續6年種植越冬茬蔬菜的日光溫室，采用番茄—黃瓜輪作方式，設地膜覆蓋（CK）、秸稈覆蓋2個處理，調查土壤養分含量及蔬菜產量。采用高通量測序方法分析土壤微生物豐度（16S rDNA 基因拷貝數）、α多樣性和β多樣性，分析主要功能種群的豐度在處理間的差異。結果發現，秸稈覆蓋處理使土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量及EC值上升，使pH值趨于中性，提高土壤養分含量，對蔬菜生長發育有利，進一步使蔬菜產量上升；采用塑料地膜覆蓋處理，有機質含量基本不變，全氮、有效磷、速效鉀含量上升緩慢，EC值下降，pH值上升。秸稈覆蓋處理后土壤微生物的拷貝數達2 305個，地膜覆蓋處理達1 985個，經α多樣性分析發現，秸稈覆蓋處理的Shannon指數達8.9，地膜處理達8.5。β多樣性分析發現，地膜覆蓋處理、秸稈覆蓋處理后的微生物群落種類、豐度均不同，說明多年來的不同覆蓋處理改變了微生物群落結構，兩者出現分離。2個處理得到的土壤微生物主要有伽瑪變形桿菌門、α變形菌門、擬桿菌門、變形桿菌門、分組 6門、紅溫病門、厭食線蟲科、寶石單胞菌門及其他，與CK 相比，除厭食線蟲科及其他微生物外，秸稈覆蓋處理的8種微生物的相對豐度均較地膜覆蓋處理的高。10 個豐度較高的功能種群中，發酵作用的豐度最高，2個處理分別達20.21%、25.24%；化能異養和固氮作用種群的豐度次之，為8.57%～11.00%；葉綠體固氮、硝化作用、硝酸鹽還原、光養作用、亞硝酸鹽氧化、光養作用的豐度在10%以下；另外有11%～24%的功能尚不明確。表明秸稈覆蓋提高了土壤養分、蔬菜產量及土壤中微生物的數量和多樣性，減少白色污染，降低成本，對蔬菜生長有利。

關鍵詞：秸稈覆蓋；土壤養分；產量；微生物；多樣性；蔬菜；日光溫室

中圖分類號：S630.4 文獻標志碼：A

文章編號：1002-1302（2023）08-0217-06

基金項目：山西省農業綜合開發科技推廣項目；山西農業大學學術恢復科研專項（編號：2020xshf29）。

作者簡介：張京社（1962—），男，山西臨猗人，博士，研究員，主要從事設施蔬菜栽培及果蔬采后貯藏保鮮研究。E-mail：jingshez@163.com。

通信作者：閻世江，博士，副研究員，主要從事蔬菜遺傳育種研究。E-mail：syauyan@163.com。

農田覆蓋是一種重要的農業生產技術［1-2］，可以降低農田水分無效蒸發，提高用水效率及土壤養分，我國勞動人民早在2 000多年前就開始應用這項技術［3-5］。20世紀50年代，日本等國家開始推廣塑料薄膜覆蓋技術，我國于20世紀70年代從國外引進后進行試驗，后在全國開始推廣。近年來，在設施蔬菜生產中該技術得到大規模的應用。地膜覆蓋具有增溫、保墑的作用，但也存在一些問題，如使用之后不易降解、對土壤環境有影響等。秸稈覆蓋是一項新興的農田覆蓋技術，是指待作物成熟收獲后，將秸稈粉碎后均勻覆蓋在土壤表面，以替代塑料地膜的方法，其作用有蓄水保墑、提高土壤肥力、減緩土壤溫度隨季節性變化產生變化等。因此，秸稈覆蓋的研究逐步成為學者研究的熱點。周茂娟等研究認為，秸稈覆蓋能改善辣椒品質［6］；吳興等研究認為，采用秸稈覆蓋能增加結果期辣椒、番茄產量［7-8］；閻世江等研究發現，秸稈覆蓋使茄子、黃瓜的產量提高，并改善品質［9-10］。目前有關秸稈覆蓋對作物的影響多集中在上述的幾個方面，如對產量、品質的影響，對其深層次的如土壤養分機理的研究少見報道。

土壤存在的微生物較多，這類微生物本身既可以釋放養分，同時又能促進作物吸收養分，在作物生長過程中發揮著重要作用［11-16］。長期采用秸稈覆蓋的方法將形成特定的微生物群落［17］。因此探明不同地面覆蓋方式下微生物的多樣性，就能揭示秸稈覆蓋對土壤環境乃至蔬菜生長影響的機理。而有關秸稈覆蓋對土壤微生物多樣性影響的研究少見報道。

本研究基于連續多年的蔬菜栽培試驗，采用不同的覆蓋方式，對土壤進行16S rDNA 擴增子測序分析，探究微生物的數量、多樣性對不同的覆蓋方式的響應差異，并結合蔬菜生長、產量、土壤養分，探討微生物多樣性在作物生長中的作用，為蔬菜高產栽培提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 蔬菜種植

試驗在山西省農業科學院東陽試驗示范基地（112°40′E，37°59′N）35號日光溫室（長46 m、跨度8 m）進行，土壤為褐土，從2015年10月開始種植越冬茬蔬菜，采用番茄—黃瓜輪作方式，種植安排詳見表1。定植前施用腐熟羊糞6 m3，設地膜覆蓋（CK）及秸稈覆蓋2個處理，試驗小區長7 m、寬 2 m，面積為14 m2，隨機區組設計，3次重復，共6個小區。地膜覆蓋處理：地面采用聚乙烯塑料地膜（厚度0.01 mm）覆蓋；秸稈覆蓋：在小區地面上覆蓋粉碎后的玉米秸稈，厚度為5～10 cm，并適當壓實，用量為300 kg/667 m2。待下茬蔬菜施基肥時一同翻入土壤。

1.2 土壤養分含量及產量測定

每茬蔬菜拉秧后（2016年8月31日、2017年9月1日、2018年9月11日、2019年8月31日、2020年8月31日、2021年8月22日）測定土壤養分含量，包含有機質、全氮、有效磷、速效鉀含量及土壤電導率（EC值）、pH值（均采用呂貽忠等的方法［18］），并記錄蔬菜小區產量，折算為公頃產量。

1.3 DNA 提取和高通量測序

于2021年8月31日，每個小區在耕層土壤采集5個樣品，混合過20目網篩后分成4 份樣品，用于DNA 提取及16S rDNA 擴增子測序分析。上述步驟由上海中科新生命生物科技有限公司完成。

1.4 數據分析

試驗數據采用SPSS 17.0 進行分析，采用Excel 2010作圖表。

2 結果與分析

2.1 不同覆蓋條件下土壤養分與蔬菜產量

由圖1可以看出，采用秸稈覆蓋的處理，土壤有機質含量從28.8 g/kg上升至31.9 g/kg，地膜覆蓋處理上升的幅度較小，基本趨于直線，在2016年8月31日測定時達23.7 g/kg，在2021年8月22日測定時達24.9 g/kg。在整個觀測期內，秸稈覆蓋處理高于地膜覆蓋處理。

由圖2可以看出，秸稈覆蓋處理的全氮含量在2016年8月31日測定時達0.150%，之后逐漸上升，在2017年9月1日、2018年9月11日、2019年8月31日、2020年8月31日測定時分別達0.184%、0.193%、0.215%、0.226%，2021年8月22日出現小幅度下降，達0.221%，在測定的幾個階段均高于地膜覆蓋。地膜覆蓋處理在2016年8月31日時僅為0.110%，在2019年8月31日上升至0.191%，之后出現下降，分別達0.181%、0.178%。

由圖3、圖4可以看出，有效磷、速效鉀含量的變化類似，2種覆蓋方式下的養分含量均表現出逐漸上升的趨勢，秸稈覆蓋處理后有效磷含量、速效鉀含量在2016年8月31日、2017年9月1日測定時上升速度較慢，在2019年8月31日測定時出現快速上升，之后上升的速度減緩，而地膜覆蓋處理有效磷、速效鉀含量上升的變化趨勢基本表現為斜線，有效磷含量從29.2 mg/kg上升至51.8 mg/kg，速效鉀含量從255 mg/kg上升至452 mg/kg。

秸稈覆蓋處理后全氮含量、有效磷含量、速效鉀含量上升，進一步提高土壤EC值。由圖5可以看出，秸稈覆蓋處理在2016年8月31日、2017年9月1日測定時EC值分別達769、806 μS/cm，與地膜覆蓋處理的差異較小，之后明顯高于地膜覆蓋處理。在地膜覆蓋條件下，EC值變化的幅度較小。

由圖6可以看出，從總體上看，地膜覆蓋處理pH值表現為緩慢上升的趨勢，從7.27上升至7.45，在2020年8月31日出現小幅度的下降。而秸稈覆蓋處理pH值逐步下降，在2016年8月31日測定時達7.22，之后下降至7.17，在2018年9月11日、2019年8月31日、2020年8月31日、2021年8月22日測定時在7.15～7.17小幅度波動。說明經過秸稈覆蓋處理，土壤呈現低pH值、高EC值型，表明土壤養分充足，但未過剩，有利于蔬菜生長。

由圖7可以看出，在2015—2016年，地膜覆蓋產量達103 905 kg/hm2，秸稈覆蓋達105 180 kg/hm2，差異不顯著。之后2種處理的產量差異較大，其中地膜覆蓋處理分別達105 615、107 310、108 375、109 635、110 310 kg/hm2，秸稈覆蓋處理達110 310、111 870、113 205、115 260、116 775 kg/hm2，秸稈覆蓋均高于地膜覆蓋，增幅分別達4.45%、4.25%、4.46%、5.13%、5.86%。

2.2 土壤微生物豐度

由圖8可以看出，不同覆蓋處理下土壤微生物的拷貝數有顯著性差異，其中地膜覆蓋處理達1 985個，秸稈覆蓋處理達2 305個。說明秸稈覆蓋顯著提高了土壤微生物的豐度。

2.3 α多樣性

進一步進行土壤微生物的α多樣性分析，結果（表2）表明，秸稈覆蓋處理中微生物豐富度指數最高，達8.9，地膜處理達8.5，多樣性指數表現與豐富度指數相似，均勻度指數在2個處理間無顯著性差異。

2.4 β多樣性

由圖9可以看出，其中PCo1、PCo2 分別解釋57.09%、17.22%的變異，共解釋細菌群落變異的74.31%。地膜覆蓋、秸稈覆蓋處理后的微生物群落結構出現分離，說明多年來的不同覆蓋處理改變了微生物群落結構，兩者出現分離。

2.5 微生物種類及豐度

經研究發現本試驗中2個處理得到的土壤微生物種類較多，因此主要分析豐度較高的幾類，詳見圖10?？偟膩碚f，伽瑪變形桿菌門、α變形菌門的豐度較高，2個處理均在14%以上，擬桿菌門、變形桿菌門、分組 6門、紅溫病門、厭食線蟲科、寶石單胞菌門及其他微生物的相對豐度較低，在10%以下。其中秸稈覆蓋處理后，除厭食線蟲科及其他微生物外，8種微生物的相對豐度均較地膜覆蓋處理的高。說明采用秸稈覆蓋后有效提高了微生物的豐度。

2.6 土壤微生物功能

本項研究采用FAPROTAX 的方法，對主要的土壤微生物群落功能注釋共獲得的功能種群進行分組（圖11）。其中10 個豐度較高的功能種群中，發酵作用的相對豐度最高，2個處理分別達20.21%、25.24%；地膜覆蓋處理中化能異養、固氮作用的豐度排在第2、3位，相對豐度分別為10.26%、8.57%；秸稈覆蓋處理排在第2、3位的分別為固氮作用、化能異養，相對豐度分別為10.25%、10.24%。葉綠體固氮、硝化作用、硝酸鹽還原、光養作用、亞硝酸鹽氧化、光養作用的相對豐度在10%以下，另外有11%～24% 的功能尚不明確。

3 討論與結論

3.1 不同覆蓋方式對土壤養分及蔬菜產量的影響

杜守宇等在多年地膜覆蓋與秸稈覆蓋實踐中發現，秸稈覆蓋能提高土壤有機質、全氮、有效磷、速效鉀的含量［19-21］；劉玉含等研究發現，覆蓋稻草、玉米秸稈后作物產量上升［22-27］。本研究的結論與上述學者的研究結論相同，究其原因主要是秸稈覆蓋后，秸稈在土壤中腐解，成為有機質，使土壤有機質含量上升，同時產生熱量，減緩了全氮、有效磷、速效鉀的流失，促進了蔬菜的生長。秸稈覆蓋還可以降低溫室內的濕度，又在其腐爛分解過程中釋放出CO2氣體，增強土壤通透能力；同時，還可改善農田環境，抑制雜草和病蟲害的發生。堅持常年秸稈還田，不但對當季作物有顯著增產作用，而且后效十分顯著，對下茬作物有持續增產的作用。秸稈還田還有減少秸稈焚燒、減少環境污染、減輕勞動強度、加快收種進度等多方面的生態效益和社會效益［22］。

3.2 不同覆蓋方式對微生物豐度、多樣性和功能的影響

有關覆蓋方式對設施蔬菜土壤微生物豐度、多樣性的研究少見報道。肖健等對桑園進行多年的秸稈覆蓋研究，發現秸稈覆蓋桑園后土壤微生物豐度增加［28-29］。本研究發現，在連續多年的秸稈覆蓋處理后，基因拷貝數達2 305個，與上述研究的結論類似。張紅等研究證實，植物根系在土壤中生長，與土壤中的微生物存在著密切的關系［30］。微生物在生態系統中具有重要的功能，微生物豐度、多樣性越強，越有利于作物的生長。同時地膜覆蓋使土壤堿化，不利于細菌多樣性的維持，而秸稈覆蓋使土壤趨于中性，也可提高微生物的多樣性［31］。

長期不同覆蓋方式處理后，土壤微生物的β 多樣性發生了顯著的改變，說明采用地膜覆蓋與秸稈覆蓋處理后土壤原有的生態系統受到影響，土壤微生物群落結構發生變化［32-33］。本研究中2個不同處理的微生物優勢類群相似，均在14%以上，放線菌門、酸性微生物門、擬桿菌門、變形桿菌門、分組 6門、紅溫病門、厭食線蟲科、寶石單胞菌門及其他的豐度較低在10%以下。這與以前的研究結論相似［34-35］。但不同處理中優勢類群的相對豐度各不相同，經過秸稈覆蓋伽瑪變形桿菌門、α變形菌門的相對豐度較高，2個處理均在14%以上，放線菌門、酸性微生物門、擬桿菌門、變形桿菌門、分組 6門、紅溫病門、寶石單胞菌門豐度較低，可能是由于秸稈覆蓋為土壤提供豐富的營養元素，也間接促進微生物的繁殖［36］；在地膜覆蓋處理中，酸桿菌門、厭食線蟲科的相對豐度較高，地膜覆蓋后土壤養分較低，酸桿菌門和厭食線蟲科易富集在低肥力土壤中［37］。從本試驗的結果來看，2個處理中分別仍然有30.01%、24.77%的未知微生物，因此其具體種類及作用還需深入的研究。

秸稈覆蓋、地膜覆蓋處理后的土壤微生物以發酵作用、化能異養、固氮作用為主，上述的作用均為生態系統的重要功能，并由大多數微生物執行［38］，經過長期的秸稈覆蓋，發酵作用、化能異養、固氮作用、葉綠體固氮作用均較強，表明秸稈覆蓋使更多的微生物參與到土壤碳循環的過程中，秸稈中含有大量的有機碳，不僅提供大量碳源，而且有利于土壤中有機碳的礦化［39］，同時釋放出更多作物可利用的無機養分，使作物產量提高。

綜上，秸稈覆蓋解決了生產上存在的很多問題，起到了增產、增溫、增肥、增效、改善土壤質量的“四增一改”的作用，提高了土壤中微生物的數量和多樣性，減少白色污染，降低成本，對蔬菜生長有利。

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