綜合改良對農田栽參土壤微生態環境的改善研究

徐江+董林林+王瑞+牛瑋浩+張乃嘦+藤原直樹+沈亮+李西文+陳士林

[摘要]該文研究綜合改良措施對農田栽參土壤微生態環境的影響，建立農田土壤改良的標準流程，以保證農田栽參的順利開展。研究采用土壤消毒、綠肥回田和施肥改土相結合處理傳統農田，通過觀測土壤的理化性狀、細菌群落多樣性及人參生長指標等因素，發現綜合改良措施可顯著增加0～30 cm土層有機質含量，降低土壤容重，增加0～20 cm土壤營養元素含量，改變土壤細菌群落的多樣性及組成，提高農田參苗存苗率，促進了人參生長。該研究表明土壤消毒、綠肥回田結合施肥改土的綜合措施可有效改善農田土壤微生態環境，為農田栽參順利開展提供參考。

[關鍵詞] 農田栽參； 綜合改良措施； 微生態； 土壤消毒； 綠肥回田

[Abstract] This study has revealed the change of the soil micro-ecology of farmlands， which used for ginseng cultivation， brought by comprehensive soil improvement. The process of soil improvement was described as follows： soil was sterilized using trichloronitromethane， and then perilla seeds were planted. After growing up， the perillas were turned over into the field and fermented， then organic fertilizer was added. Rotary tillages were carried out during the intervals. Physical and chemical properties of treated soil were measured， as well as microbial diversity， which was illustrated using 16s high through-put sequencing. The survival rate and growth data of ginseng seedlings were recorded. The analysis showed that after improvement， the soil organic matter content was increased and soil bulk density was decreased， compare to the controls， and the fertility in 0-20 cm of soil layer was increased in the treatment. Additionally， the soil microbial diversity was changed greatly. In detail， alpha diversity of the soil decreased after soil improvement while the beta diversity increased. In order to verify the achievement of soil improvement， ginseng seedlings were planted. Compared to the untreated land blocks， the survival rate of ginseng on improved blocks was increased up to 21.4%， and the ginseng physiological index were all better than the controls. Results showed that comprehensive soil improvements including soil sterilization， green manure planting and organic fertilization application effectively improved the soil micro-ecology in farmlands. This study will pave the way for the future standardization of ginseng cultivation on farmlands.

[Key words] ginseng cultivation on farmlands； comprehensive soil improvement； soil micro-ecology； soil sterilization； green manure planting

人參Panax ginseng C. A. Mey是傳統名貴藥材，有“百草之王”的美譽，中國是人參主產國，其栽培面積和產量均居世界首位^[1]。中國主要的栽參模式為伐林栽參，森林資源破壞性強，生態壓力大，目前每年用于人參栽培所消耗的林地達上萬畝^[2]，很多老參區已基本無林可伐^[3]。人參是多年生忌根植物，連作障礙問題嚴重，極大制約了人參產業的可持續發展^[4]。人參的忌地性加重參地資源的緊缺，新參地資源的發掘勢在必行。農田栽參是利用傳統田地進行休耕種植人參，可實現傳統作物與人參輪作，從而解決參林爭地的矛盾，是人參種植的發展方向^[5]。

土壤是人參賴以生存的物質基礎，其理化性質，微生物組成與人參生長發育、產量與質量都密切相關。農田土與林區腐殖土相比，有機質含量低，土壤肥力較差，孔隙度小，容重大，不利于人參生長^[6-7]。因此，栽培前的土壤改良是農田栽參的關鍵。然而土壤微生態環境的復合因素影響人參生長發育、產量與質量，單一措施無法有效改善農田的微生態環境。已有報道，土壤消毒能有效殺滅土壤中病原菌，減輕土傳病害^[8]，綠肥回田不但改變土壤的結構而且對病蟲害有抑制作用^[9]，施肥改土增加土壤肥力，保證人參的順利生長^[10]。因此，可以認為多種措施的綜合使用能夠促進農田栽參的有效開展。

本研究利用土壤消毒、綠肥回田、施肥改土的綜合措施對農田微生態環境進行改良，通過分析土壤理化性質、微生物群落變化和人參存苗率及生長指標，初步建立一套適合農田栽參土壤改良的綜合辦法，為農田栽參的順利開展提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗設計 樣地選擇位于中國中醫科學院中藥研究所靖宇縣農田栽參試驗基地（126.8°E，42.39°N），本試驗于2014—2015年開展，本次試驗共用地667 m²。該試驗地是傳統的農田，前茬作物為玉米Zea mays L.。玉米收獲后，地塊經旋耕備用。小區試驗（面積為111 m²）隨機排布，試驗設計見表1。農田地處理之后，對照及處理地旋耕2次，深度達40 cm，之后按照林地栽參方式，進行做床、播種等農藝措施。人參、蘇子Perilla frutescens Britt. 種子及農家肥由盛實百草藥業有限公司提供，人參選擇一年生人參苗移栽，蘇子采用撒播方式種植。

1.2 土壤樣品采集 10月15日，人參做床之前采集土壤樣品。每個小區隨機選取5個點，分別取每個點1～10，1～20，21～30 cm不同土層樣品，并將5個點不同土層樣品分別混勻，過篩（2 mm），共18份樣品。每份樣品分為2部分，一部分用于土壤理化性狀的分析，另一部分于-80 ℃保存備用于土壤微生物群落分析，3次重復。

1.3 土壤理化性狀的分析 采用水浸提法測定土壤的pH^[11]；環刀法測定土壤容重；水合熱法測定土壤有機質^[12]；凱氏定氮法測定土壤中氮含量^[13]；微波消解法測定土壤金屬元素。

1.4 土壤微生物群落的分析 采用MOBIO PowerSoil Kit（MOBIO，美國）提取土壤總DNA，利用通用引物27F/338R擴增細菌16s rRNA片段^[14]，標簽序列見表2。序列擴增、純化、均一化參照Rodrigues等^[15]描述。采由Illumina Misq測序平臺獲取土壤細菌宏基因組序列，讀長為PE250，采用QIIME軟件進行序列分析^[16]。數據預處理，采用Flash的軟件融合雙末端序列，通過各樣品標簽序列對數據進行區分并歸類，去除非靶區域序列及嵌合體^[17]。采用RDP classifier將序列進行物種分類，對每個樣本和每個物種單元分類進行序列豐度計算構建樣本和物種分類單元序列豐度矩陣^[18]。根據序列相似度（97%）構建操作分類單元（OTU）。通過Alpha多樣性分析，計算各種物種多樣性指數，衡量樣本物種多樣性^[17]。

1.5 存苗率及生長指標的分析 于次年7月中旬，調查人參的存苗率，株高及莖粗，每個小區隨機選取2 m²，統計存苗數及人參的生長指標，3次重復。

1.6 數據分析 采用SPSS 11.0軟件，在P<0.05水平上進行顯著性方差分析。

2 結果分析

2.1 綜合改良措施降低土壤容重 綜合改良措施降低0～30 cm土層的容重，見圖1。與對照相比，0～10，11～20，21～30 cm土層容重分別下降了4.0%，9.3%，1.0%。結果表明，與21～30 cm土層容重相比，綜合改良措施對0～20 cm土層容重影響較大。

2.2 綜合改良措施降低土壤pH 與對照相比，綜合改良措施顯著降低0～30 cm土層的pH，見圖2。與對照土層相比，0～10，11～20，21～30 cm土層中pH分別下降了3.9%，3.4%，2.8%。結果表明，隨著土層的加深，綜合改良措施對土壤pH的影響減弱。

2.3 綜合土壤改良措施改變土壤肥力 綜合農田土壤改良增加土壤0～20 cm土層的肥力，見表3。與對照相比，消毒、綠肥回田、施肥改土之后的地塊，0～30 cm土層，總氮，有機質有效磷顯著增加；0～20 cm土層的鈣（Ca）、銅（Cu）、鐵（Fe）、鉀（K）、鎂（Mg）、錳（Mn）、鈉（Na）、鋅（Zn）含量增加，其中0～10 cm土層中各元素含量顯著增加；21～30 cm土層中K，Cu的含量低于對照土層中的含量。結果表明，綜合土壤改良措施對土層肥力的影響隨著土層深度的增加，影響逐漸減弱。

2.4 綜合土壤改良措施改變土壤細菌群落多樣性 與對照土層相比，綜合農田土壤改良措施降低0～20 cm土層細菌OUT，Shannon指數（H′），隨著土層加深，OTU，H′降低減弱，而21～30 cm土壤中OUT，H′高于對照土層，見圖3。結果表明，綜合土壤改良措施顯著降低0～10 cm土層中細菌Alpha多樣性。

2.5 綜合土壤改良措施改變土壤細菌群落組成 與對照相比，綜合土壤改良措施改變不同土層細菌群落的組成，見圖4。在門的水平，農田土壤中主要包含Proteobacteria，Firmicutes，Bacteroidetes，Actinobacteria，Acidobacteria，Verrucomicrobia，TM7，Planctomycetes，Chloroplast，Nitrospira，Chloroflexi，Armatimonadetes，Euryarchaeota，Gemmatimonadetes，Chlorobi。與對照土層相比，綜合處理0～10 cm土層中細菌群落（除Proteobacteria，Verrucomicrobia和Nitrospira之外）表現為下降趨勢，下降率為17.5%～81.1%；11～20 cm土層中細菌群落，Actinobacteria，Acidobacteria，Verrucomicrobia，Planctomycetes，Chloroplast，Nitrospira，Chloroflexi，Euryarchaeota，Gemmatimonadetes豐度下降8.7%～71.8%；21～30 cm土層中細菌群落Proteobacteria，Bacteroidetes，Verrucomicrobia，TM7，Armatimonadetes，豐度下降了3.5%～38.9%，而其他群落豐度增加，增加了8.8%～21.5%。在科的水平，與對照土層相比，0～10 cm土層細菌除Enterobacteriaceae外，Ruminococcaceae，Pseudomonadaceae，Moraxellaceae，Lachnospiraceae，Sphingobacteriaceae，Porphyromonadaceae，Comamonadaceae，Xanthomonadaceae豐度表現為下降趨勢，下降率為4.4%～53.4%；而11～20 cm土層細菌群落的豐度均增加，增加率為6.5%～67.3%；21～30 cm土層，除Enterobacteriaceae，Pseudomonadaceae，Moraxellaceae，Sphingobacteriaceae外，細菌群落豐度表現上調，增加了0.3%～81.0%。結果表明，綜合土壤改良之后，0～10 cm土層中細菌群落豐度主要表現為下降趨勢。

2.6 綜合土壤改良措施促進人參存苗率及人參植株生長 與對照相比，綜合土壤改良措施顯著增加人參的存苗率、促進的人參生長，見圖5。綜合處理之后地塊人參存苗率達92.6%，與對照相比，顯著提高21.4%。綜合處理后，人參株高及莖粗分別為14.1，0.84 cm，與對照相比，顯著增加了8.4%，7.9%，見圖5。結果表明，綜合土壤改良措施促進了人參的保苗及生長。

3 討論

土壤是人參生長發育的物質基礎，是影響參根產量和質量的重要因素，本研究通過土壤消毒、綠肥回田、施肥改土的綜合措施對參地進行治理，建立適宜人參生長的農田微生態環境。土壤消毒可以有效

的殺滅土層中致病微生物，害蟲和蟲卵，減輕作物病害的發生^[8]。然而廣譜的土壤消毒劑對土壤中有益微生物群落亦有殺滅作用，只有在土壤消毒的基礎之上，采用綠肥回田、施肥改土等技術措施，才能取得滅菌、恢復地里、改善理化性狀、改變微生物群落的綜合效果。綠肥回田可以有效改善土壤微生物區系，增加土壤中有益微生物種類、土壤有機質的含量，改善土壤結構的作用^[9，19-20]。土壤疏松、通氣良好、保水力強、土壤有機質增多，從而提高人參抗病力，增加產量^[21]。蘇子是常見的綠肥回田作物，與腐熟鹿糞、豬糞、餅肥、過磷酸鈣等混合作為基肥能有效改善土壤結構、增加土壤肥力。施肥是提高土壤肥力，改善土壤環境和提高產量、品質最直接有效的方法，有機肥具有培肥土壤、養分全、肥效長等特點，能夠調節參土氮磷鉀含量及其比例，降低人參銹腐病的發生，提高其產量和質量^[22]。施用豬糞和樹葉肥改土后，人參增產效果顯著而且優質參株率提高^[23]。參地使用有機肥后，參根增產，總皂苷、還原糖和淀粉含量均高于對照；土壤中硼、鋅、鎂、鐵、錳、銅等微量元素增加，有助于增強人參的抗病力，提高參根產量效果^[24]。本研究中，綜合改良措施顯著降低0～20 cm的土層容重，0～20 cm土層中總氮，有機質，有效磷，Ca，Cu，Fe，K，Mg，Mn，Na，Zn含量高于對照，保證人參生長需求，從而促進人參存苗率及生長。

高通量測序為研究土壤微生物群落多樣性及組成提供嶄新的視角，尤其加快非培養微生物群落的研究，為土壤微生態環境的研究提供詳盡的“全景圖”^[25-26]。通過采用特定標簽引物極大的合并樣品數量，這種方法降低了試驗成本并增加數據量^[27]。目前，高通量測序技術已廣泛應用到不同生態環境中土壤微生物群落的研究，為闡述土壤微生態環境變化提供了大量的可靠數據。本研究利用土壤消毒、綠肥回田、施肥改土的綜合改良措施改變了農田生態系統中微生物群落的多樣性及組成。土壤微生群落在礦物營養循環及有機質降解等方面起到重要作用^[28]。土壤微生物多樣性及組成影響土壤的生產力，進而影響作物的產量及品質^[29]。農藝措施改變土壤多樣性，驅動土壤功能的轉變，進而影響作物的生長^[30]。研究表明，長期施肥降低耕作土壤中AM真菌的多樣性^[31]。農業措施改變土壤群落的組成，部分群落對生態系統中代謝循環至關重要^[29]。Qiu等^[32]研究表明，生物有機肥增加土壤中有益菌Paenibacllus，Trichoaderma， Bacillus，Streptomyces的豐度，降低致病菌Fusarium的豐度。氮肥施用直接或間接誘導主要細菌群落，有助于富養型細菌群落（包括Proteobacteria和Bacteroidetes）豐度的增加^[28]。本研究發現，綜合改良措施的土壤中有益菌：變形菌門Proteobacteria、擬桿菌門Bacteroidetes、放線菌門Actinobacteria的豐度變化顯著，不同土壤層次中細菌的豐度變化有顯著差異，在科的水平下，11～30 cm土壤層中細菌群落豐度表現為上升趨勢。

綜合土壤改良措施提高土壤有機質含量，降低土壤容重，增加土壤肥力，改變土壤細菌群落的多樣性及組成，提高農田栽參的存苗率，促進人參的生長。因此，土壤消毒、綠肥回田和施肥改土相結合的方法是改善農田土壤微生態環境的有效措施，保證農田栽參順利開展，促進了林業生態環境的保護及人參產業的可持續發展。

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[責任編輯 呂冬梅]