楊 鑫 樊吳靜 唐洲萍 何虎翼 李麗淑

(廣西農業(yè)科學院經濟作物研究所，廣西 南寧 530007)

土壤微生物和酶參與土壤養(yǎng)分循環(huán)、生理代謝和能量轉化[1－2]，土壤化學性狀反映土壤的養(yǎng)分供應能力，三者是衡量土壤質量和作物生產力的重要指標[3]。不同栽培措施可改變土壤理化性狀，進而影響土壤微生物和酶活性。土壤微生物群落結構復雜，數(shù)量繁多，其中細菌數(shù)量占微生物總量的70%～90%，是土壤微生物的優(yōu)勢菌群，參與有機物和無機物轉化，在維持土壤生態(tài)平衡中發(fā)揮重要作用[4]。

馬鈴薯(Solanum tuberosumL.)作為中國的第四大主糧，具有糧菜兼用、加工用途廣、經濟效益好等優(yōu)點，對保障糧食安全、貧困地區(qū)脫貧增收、振興地區(qū)經濟意義重大[5]。廣西具有得天獨厚的氣候、節(jié)令、區(qū)位和資源優(yōu)勢，冬作馬鈴薯市場銷量好，發(fā)展前景廣闊，種植區(qū)域和產量逐年增長，已成為我國冬作馬鈴薯的主產區(qū)之一[6]。廣西冬作馬鈴薯在晚稻收獲后播種，并逐漸形成了免耕稻草覆蓋栽培，該技術省工節(jié)本，但存在出苗不整齊、青薯率高，稻草使用量過大增加種植成本等問題，科研人員根據(jù)實際生產需求改進栽培技術，開展了稻草包芯栽培[7]和黑地膜覆蓋栽培[8－9]等方面的研究。姜曉芳[10]研究認為，稻草包芯栽培可促進土壤細菌群落結構的變化進程，為馬鈴薯生長提供適宜的水分和微酸環(huán)境，提高塊莖產量；李麗淑等[11]和高彥萍等[12]研究發(fā)現(xiàn)，壟作黑膜覆蓋栽培可改善土壤理化性狀，增加耕層溫度，恒溫效果明顯，有助于馬鈴薯產量的提高。陳和平等[13]和趙章平等[14]研究表明，與裸地栽培相比，黑地膜覆蓋栽培提高了耕作層土壤蔗糖酶活性，顯著增加了土壤有機質含量，促進了土壤中速效磷鉀的吸收。但關于稻草和黑地膜覆蓋下馬鈴薯根際土壤微生態(tài)環(huán)境差異性分析的研究尚鮮見。基于此，本研究通過分析不同覆蓋栽培下馬鈴薯全生育期根際土壤細菌群落豐度、結構和種類以及土壤酶活性、化學性狀的變化規(guī)律，探討稻草和黑地膜覆蓋栽培對馬鈴薯生長和產量的影響機理，旨在為廣西冬作馬鈴薯高產栽培技術提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與試驗地概況

試驗用馬鈴薯品種為華薯1 號(一級原種)，由華中農業(yè)大學提供。試驗地位于廣西農業(yè)科學院武鳴里建科研基地，該地區(qū)海拔116 m，年降雨量1 230 mm，年均氣溫21.9℃，無霜期360 d。前茬作物為玉米，土壤為磚紅壤，0～20 cm 土層的基本化學性質:pH 值6.11，速效氮86.30 mg·kg－1、速效磷68.89 mg·kg－1、速效鉀219.72 mg·kg－1、有機質30.40 g·kg－1。

1.2 試驗設計

試驗于2018年11月25日播種，2019年3月29日收獲。栽培模式有黑地膜覆蓋(BFM)，播種后覆土5 cm，整平壟面，覆蓋寬1 m，厚約0.08 mm 黑色地膜，再在膜上覆土3 cm；稻草覆蓋(RSM)，播種后覆土5 cm，稻草不需要切割，整齊擺放在壟面，厚度約8 cm，再在稻草上覆土3 cm；常規(guī)栽培(CK)，播種后覆土5 cm，無覆蓋物。不同栽培模式為不同處理，每處理設3 次重復，共9 個小區(qū)，田間試驗采用單因素隨機區(qū)組排列，小區(qū)面積18 m2(寬3.6 m，長5 m)。單壟雙行品字形的擺放方式播種，畦面寬0.8 m，溝寬0.4 m，畦高0.2 m，每小區(qū)3 畦，每畦2 行，每行20 苗，株行距0.25 cm×0.3 cm。

分別在馬鈴薯苗期、塊莖形成期、塊莖膨大期、淀粉積累期和塊莖成熟期采樣。每個小區(qū)采用5 點取樣法隨機選擇5 棵健康馬鈴薯植株，將馬鈴薯整株挖出，不要傷害根系，抖落掉根系上較大土塊，用毛刷刷下緊密粘附在根系表面約2～3 mm 的土壤，為避免污染每個小區(qū)用單獨的刷子，將5 個點土樣混合均勻后取約5 g 左右裝于50 mL 無菌離心管中，帶回實驗室保存于－40℃冰箱，用于細菌多樣性檢測，余下土壤自然風干用于土壤酶活性和理化性狀測定[15]。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 土壤樣品DNA 提取與測序 采用Power Soil DNA Isolation Kit 試劑盒(美國MOBIO 公司)進行根際土壤總DNA 提取，稱取0.25 g 冷凍保存的土壤樣品，按試劑盒說明書步驟提取總DNA 并保存于－20℃冰箱。采用通用引物338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCA GCA-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)對細菌16S rRNA 基因的V3～V4 區(qū)域進行PCR 擴增，擴增產物委托北京百邁客生物科技有限公司利用Illumina Miseq2×300 測序平臺進行雙端測序。高通量測序得到的原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)質控和拼接，過濾掉低質量的Reads 序列并將得到的雙端序列數(shù)據(jù)拼接成一條序列Tags，將有效Tags 按照相似性≥97%序列聚類成為一個分類操作單元OTU(operational taxonomic units)，基于細菌分類學數(shù)據(jù)庫對OTU 進行分類學注釋，得到每個OTU 對應的物種分類信息，進而在各水平統(tǒng)計不同樣品群落組成。

1.3.2 土壤酶活性、化學性狀測定 土壤過氧化氫酶、脲酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶活性分別使用土壤過氧化氫酶試劑盒、土壤脲酶試劑盒、土壤蔗糖酶試劑盒、酸性磷酸酶試劑盒測定，以上試劑盒均由上海茁彩生物科技公司生產。過氧化氫酶以24 h 后每克風干土樣催化降解H2O2的微摩爾數(shù)表示；酸性磷酸酶以37℃、24 h 后每克風干土釋放出酚的納摩爾數(shù)表示；脲酶活性:每天每克土樣中產生1 μg HN3－N 定義為一個酶活力單元U；蔗糖酶活性:每天每克土壤中產生1 mg 還原糖定義為一個酶活性單位U。

土壤化學性狀參照文獻[16]，堿解氮含量采用擴散法測定，速效磷含量采用鉬藍比色法測定，速效鉀含量采用醋酸銨－火焰光度法測定，有機質含量采用稀釋熱法測定，土壤pH 值采用酸度計法測定。

1.3.3 馬鈴薯農藝性狀及產量測定 于開花期調查馬鈴薯主莖數(shù)(從種薯或地下直接生長的莖數(shù))；于盛花期每小區(qū)選取長勢均勻的10 棵馬鈴薯測量株高(馬鈴薯被拉直后，從子葉到植株頂部生長點的距離)；成熟期，每小區(qū)期連續(xù)選取10 棵馬鈴薯，測定其單株塊莖數(shù)、單株塊莖重以及整個小區(qū)大小薯重和產量，折算商品薯率和產量。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 軟件處理數(shù)據(jù)并繪圖，利用SPSS 18.0統(tǒng)計軟件分析數(shù)據(jù)，結果以平均值±標準差表示，試驗結果組內比較用單因素方差分析方法(ANOVA)，組間兩兩均數(shù)比較(LSD－t 檢驗)來確定結果的差異顯著性，計算相關系數(shù)分析變量之間相互關系。

2 結果與分析

2.1 根際土壤細菌群落多樣性指數(shù)

由表1 可知，馬鈴薯整個生育期，黑地膜覆蓋處理(BFM)的土壤Shannon 指數(shù)與稻草覆蓋處理(RSM)、常規(guī)栽培處理(CK)差異均不顯著；在苗期和塊莖成熟期，BFM 的土壤Chao1 指數(shù)顯著高于RSM，在塊莖形成期和塊莖成熟期，BFM 的土壤Chao1 指數(shù)顯著高于CK。

表1 不同處理馬鈴薯全生育期根際土壤細菌多樣性指數(shù)Table 1 Diversity index of bacteria in rhizosphere soil during the whole growth period of potato under the different treatments

2.2 根際土壤細菌群落結構組成

由圖1 可知，不同處理土壤中門水平的細菌組成基本相似，物種相對豐度大于1%的有10 個菌門，分別為變形菌門、酸桿菌門、綠彎菌門、放線菌門、芽單胞菌門、擬桿菌門、疣微菌門、厚壁菌門、羅庫菌門、消化螺旋菌門，相對豐度低于1%的微生物合并為其他。

各優(yōu)勢菌門相對豐度在不同處理中存在差異。除淀粉積累期外，BFM 的變形菌門相對豐度均比同期其他栽培模式高，其中，塊莖形成期，BFM 的變形菌門相對豐度分別比RSM、CK 提高了17.23%、18.82%；與RSM、CK 相比，BFM 提高了淀粉積累期和塊莖成熟期酸桿菌門相對豐度，降低了除塊莖膨大期外其他時期綠彎菌門相對豐度，提高了塊莖膨大期、淀粉積累期、塊莖成熟期芽單胞菌門相對豐度，抑制了塊莖形成期、塊莖膨大期和塊莖成熟期放線菌門的增長。與BFM、CK 相比，RSM 提高了苗期酸桿菌門相對豐度，降低了膨大期綠彎菌門相對豐度，抑制了苗期、塊莖膨大期和塊莖成熟期芽單胞菌門生長，提高了塊莖形成期、塊莖膨大期、塊莖成熟期放線菌門相對豐度。

由圖2 可知，不同處理屬水平物種相對豐度大于1% 的主要有鞘氨醇單胞菌屬(Sphingomonas)、uncultured-bacterium-c-Subgroup-6、uncultured-bacteriumf-SC-Ⅰ-84、uncultured-bacterium-f-Gemmatimonadacese、RB41、uncultured-bacterium-c-Roseiflexaceae、芽單胞菌屬(Gemmatimonas)、 uncultured-bacterium-f-Gaiellaes、uncultures-bacterium-o-C0119、苔蘚桿菌(Bryobacter)10個菌屬，相對豐度低于1%的微生物為未經分類，還有部分微生物歸為未知菌屬。

各菌屬相對豐度在不同處理間差異較大，整個生育期，BFM 鞘氨醇單胞菌屬的相對豐度均比其他處理高。與RSM、CK 相比，BFM 降低了塊莖形成期uncultured-bacterium-c-Subgroup-6 菌屬的相對豐度；降低苗期和塊莖形成期uncultured-bacterium-f-SC-Ⅰ－84菌屬的相對豐度，但提高了該菌屬在塊莖膨大期、淀粉積累期和成熟期的相對豐度；提高了生長后期芽單胞菌屬的相對豐度。整個生育期間RSM 的鞘氨醇單胞菌屬、芽單胞菌屬相對豐度均低于CK。

2.3 根際土壤酶活性

由圖3-A 可知，BFM 土壤過氧化氫酶活性隨生育期的遞進呈單峰曲線變化，于淀粉積累期達到峰值，在塊莖膨大期和淀粉積累期分別比RSM、CK 顯著提高了34.26%～68.80%、25.47%～73.51%。由圖3-B 可知，不同處理蔗糖酶活性隨著生育期進程呈先降低后提升再降低的趨勢，塊莖膨大期，BFM 蔗糖酶活性比RSM、CK 顯著提高了18.71%、158.32%。由圖3-C 可知，RSM、BFM 脲酶活性在不同生育期間變化較大，CK較穩(wěn)定，塊莖形成期和淀粉積累期，BFM 脲酶活性均顯著高于RSM、CK。由圖3-D 可知，整個生育期，BFM土壤酸性磷酸酶活性顯著高于其他處理。由馬鈴薯生育期土壤酶活性動態(tài)變化分析可知，與RSM、CK 相比，BFM 顯著提高了塊莖膨大期和淀粉積累期過氧化氫酶活性，塊莖膨大期蔗糖酶活性和苗期、塊莖形成期、淀粉積累期脲酶活性，以及整個生育期酸性磷酸酶活性。

2.4 根際土壤理化性狀

由圖4-A 可知，各處理的土壤堿解氮含量在整個生育期波動不大，除苗期BFM 的土壤堿解氮含量較RSM、CK 顯著提高，其他生育期各處理之間無顯著差異。由圖4-B 可知，BFM 的土壤速效磷含量總體高于其他處理(除淀粉積累期外)，苗期BFM 的土壤速效磷含量比RSM、CK 顯著提高了29.62%、16.62%。由圖4-C 可知，各處理土壤速效鉀含量在整個生育期波動較大，除了成熟期，BFM 的土壤速效鉀含量均顯著高于RSM、CK。由圖4-D 可知，BFM、CK 的土壤有機質含量隨著生育期進程呈先降低后升高再降低的趨勢，苗期，BFM 的土壤有機質含量比RSM 和CK 顯著提高了28.45%、13.29%；塊莖形成期，BFM 的土壤有機質含量比RSM 顯著提高了19.57%。由圖4-E 可知，整個生育期，BFM、RSM 的根際土壤pH 值總體呈下降趨勢，由弱堿趨于弱酸，CK 的根際土壤pH 值維持在弱酸范圍。綜上，與RSM、CK 相比，BFM 顯著提高了苗期堿解氮和有機質含量，顯著提高了苗期和塊莖形成期速效磷含量，提高了整個生育期速效鉀含量。

2.5 馬鈴薯農藝性狀和產量

由表2 可知，BFM 的株高分別較RSM、CK 顯著提高了7.83%、8.21%，BFM 的大薯重、產量較CK 顯著提高了20.15%、17.90%，RSM 的大薯重、產量分別較CK顯著提高了16.25%、15.20%。可見，BFM 更有利于馬鈴薯生長，對大薯重和產量的提升效果優(yōu)于RSM。

表2 不同處理對馬鈴薯的農藝性狀和產量的影響Table 2 Agronomic characters and yield of potato under different cultivation modes

2.6 土壤細菌多樣性指數(shù)、酶活性與化學性質相關性分析

由表3 可知，馬鈴薯根際土壤細菌多樣性指數(shù)、酶活性與土壤化學性狀間存在一定的相關性，說明土壤化學性狀與微生物間相互影響。根際土壤Shannon 指數(shù)與有機質含量呈極顯著正相關，與速效鉀含量、pH值呈顯著正相關；Chao1 指數(shù)與速效磷含量呈極顯著正相關。過氧化氫酶活性與速效鉀含量呈極顯著正相關，與堿解氮含量呈顯著正相關；脲酶活性與堿解氮含量、速效鉀含量、有機質含量、pH 值均呈極顯著正相關；蔗糖酶活性與堿解氮含量、速效鉀含量呈極顯著正相關，與有機質含量、pH 值呈顯著正相關；酸性磷酸酶活性與速效磷、速效鉀含量呈極顯著正相關，與堿解氮含量、pH 值呈顯著正相關。

表3 根際土壤細菌多樣性指數(shù)、酶活性與化學性狀相關性分析Table 3 Correlative analysis between diversity index of bacteria andenzyme activity，Soil physical and chemical properties of rhizosphere soils

3 討論

微生物多樣性是用來衡量生物群落豐富度和均勻度的綜合指標，常用衡量指標有Chao1 指數(shù)和Shannon指數(shù)，Chao1 指數(shù)代表菌種的豐富度，Chao1 指數(shù)越高，表示樣品中的物種越豐富，Shannon 指數(shù)代表菌群多樣性，Shannon 指數(shù)越高，表示菌群多樣性越高[17]。徐雪雪[18]研究表明，馬鈴薯覆膜種植土壤細菌多樣性顯著高于不覆膜，全膜種植比不覆膜提高了土壤細菌的豐富度和多樣性。本研究結果表明，與稻草覆蓋處理(RSM)和常規(guī)栽培處理(CK)相比，黑地膜覆蓋處理(BFM)顯著提高了塊莖成熟期的Chao1 指數(shù)。說明BFM 提高了土壤細菌物種豐富度，這可能與黑地膜覆蓋改變土壤水肥氣熱等條件，為微生物生長繁殖提供了良好環(huán)境條件有關[19]。

不同覆膜栽培對土壤細菌群落結構組成產生一定影響。本研究結果表明，BFM 提高了馬鈴薯生長前期變形菌門和生長后期的酸桿菌門、芽單胞菌門的相對豐度，提高了整個生育期鞘氨醇單胞菌屬和生長后期芽單胞菌屬相對豐度。這與劉云[20]的研究結果一致，全膜覆蓋栽培可提高變形菌門、酸桿菌門相對豐度。變形菌門包含多種固氮菌，有利于土壤氮的固定，酸桿菌能夠降解植物殘體，在生態(tài)環(huán)境中參與鐵循環(huán)，并具有以葉綠素為基礎的光合能力[21]；鞘氨醇單胞菌屬有硝化、反硝化和生物修復作用，對土壤中的物質競爭能力強，能在土壤中大量富集，芽單胞菌門作為潛在生防菌，在抵御植物病原菌方面有重要作用[22－24]。而RSM可提高苗期酸桿菌門和塊莖形成期、塊莖膨大期、塊莖成熟期放線菌門的相對豐度。放線菌可以合成纖維素，改善土壤結構和促進物質循環(huán)，其豐富的代謝產物還可以抑制土傳病原菌繁殖[25]。綜上所述，BFM 能提高有益菌的相對比例，優(yōu)化細菌群落結構，而RSM 有降低植株感病風險的潛力。

土壤pH 值、氮磷鉀含量、有機質含量等土壤化學性狀是評價土壤肥力的重要指標，土壤酶活性與土壤理化指標密切相關，酶的催化作用對土壤氮磷鉀循環(huán)有重要作用。李旺霞等[26]和李浩然等[27]研究發(fā)現(xiàn)，單壟壟上覆膜栽培有利于提高土壤酶活性及產量；要凱等[28]研究證明，溝壟覆膜能不同程度提高馬鈴薯土壤過氧化氫酶、脲酶、磷酸酶活性，降低土壤pH 值，提高土壤電導率，改善土壤理化狀況，從而提高產量。孫夢媛[29]研究認為，全膜壟作可提高土壤酶活性、降低土壤pH 值，促進馬鈴薯生長，顯著提高株高、莖粗，優(yōu)化了馬鈴薯塊莖構成因素，提高產量。本研究結果與前人類似，BFM 可通過提高馬鈴薯生長前期土壤變形菌門豐度來提高脲酶活性、蔗糖酶活性，從而催化土壤中有機物質代謝，促進有機氮和有機質的分解轉化，土壤堿解氮和有機質含量隨之升高，提高了土壤肥力[30－31]。隨著生育期推進，脲酶活性和堿解氮含量呈下降的趨勢，這可能是由于基肥施入土壤后，在脲酶的作用下尿素逐漸水解，銨態(tài)氮含量上升，隨著產物增加，酶促反應受到抑制[32－33]。BFM 還可通過提高整個生育期間土壤鞘氨醇單胞菌屬和生長后期土壤變形菌門的豐度提高酸性磷酸酶活性，促進磷的積累并提高速效鉀等養(yǎng)分含量，對塊莖形成、品質和產量提高起到重要作用[34－35]。另外，馬鈴薯生育后期，BFM 提高了土壤芽單胞菌屬豐度和過氧化氫酶活性，有助于提高植株抵御病害和抗氧化能力，避免植株早衰，延長塊莖淀粉和干物質積累，為提高塊莖大薯重和產量奠定了基礎。土壤微生物群落結構組成和酶活性變化可反映土壤質量情況，土壤化學性狀和酶活性的改變均會影響微生物群落結構和功能，微生物多樣性越豐富，土壤生態(tài)環(huán)境越穩(wěn)定，酶活性越高，土壤越肥沃[36]。因此，對三者之間的相關性研究有助于全面評價不同栽培處理對土壤生態(tài)系統(tǒng)內部的影響機制。本研究相關性分析表明，根際土壤Shannon 指數(shù)與有機質含量呈極顯著正相關，脲酶活性與堿解氮、有機質含量呈極顯著正相關，酸性磷酸酶活性與速效磷含量呈極顯著正相關，蔗糖酶活性與有機質含量呈顯著正相關，這與前人研究相似[37－38]。不同栽培模式下根際土壤微生物與酶活性緊密聯(lián)系，共同維持土壤質量，作用于作物生長。

4 結論

與稻草覆蓋和常規(guī)栽培相比，黑地膜覆蓋栽培能優(yōu)化土壤細菌結構組成和功能多樣性，增加有益細菌相對豐度，提高土壤生物活性和養(yǎng)分有效性，改善土壤理化性狀，有助于植株生長發(fā)育；黑地膜和稻草覆蓋栽培均比常規(guī)栽培顯著提高塊莖大薯重和產量，且黑地膜覆蓋對提升大薯重和產量的效果優(yōu)于稻草覆蓋栽培。