秸稈覆蓋及溝壟作對旱作田土壤細菌多樣性及馬鈴薯產量構成的影響

姚彥紅 康益晨 楊昕宇

摘要 ? ?以馬鈴薯品種定薯4號為材料，研究了不覆膜平作（FP）、黑色地膜覆蓋溝壟作（FM）、玉米秸稈整稈覆蓋溝壟作（S1M）及玉米秸稈粉粹覆蓋溝壟作（S2M）等4種栽培耕作方式對旱作田土壤細菌多樣性及馬鈴薯產量的影響。結果表明，相對于黑色塑料地膜覆蓋及不覆蓋平作，玉米秸稈覆蓋溝壟作可以顯著提高馬鈴薯根際土壤細菌群落多樣性，降低土壤中變形菌門及芽單胞菌門，并提高放線菌門的相對豐度，利于馬鈴薯根際土壤中浮霉狀菌屬、節桿菌屬、溶桿菌屬及鏈霉菌屬的富集，對農田狀況具有積極貢獻;溝壟作覆蓋栽培可顯著提高薯塊產量及大、中薯百分率，顯著降低小薯百分率。

關鍵詞 ? ?馬鈴薯;秸稈還田;16S rDNA測序;土壤微生物群落;產量形成

中圖分類號 ? ?S532 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）04-0053-03 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

馬鈴薯（Solanum tuberosum L.）作為世界最重要的糧食作物之一，對全球糧食安全至關重要[1]。由于馬鈴薯具備耐干旱、耐貧瘠且高產的特點，在我國北方旱區廣泛推廣種植[2]。但隨著近年來耕地面積的緊縮及干旱、低溫等環境因素的限制，該區域馬鈴薯產業發展受到了一定程度的制約[3]。應用更加高效適宜的栽培耕作技術，以實現提質增產的目標，已成為該區乃至全國馬鈴薯產業尋求突破性發展的必由之路[4]。溝壟耕作栽培是國內旱區最主要的農業高效栽培技術之一，可有效富集自然降水并提高作物產量[5]。溝壟作結合地面覆蓋能進一步起到減少農田水分流失、提高作物水分利用效率的作用[6]。Qin等[4]認為，溝壟覆膜能顯著提高旱地馬鈴薯產量及水分利用效率;謝軍紅等[7]在對旱作田玉米的研究上也取得了相似的結論，且認為覆膜以及溝壟作具有明顯的疊加效應。目前，僅甘肅省溝壟覆膜玉米的栽植面積就已近90萬hm2，隨著溝壟覆膜在玉米上的推廣，雖大幅提升了其產量，但也導致了秸稈的大量棄用、焚燒，引發了各界對資源浪費及環境污染的思考與擔憂，秸稈還田再利用逐漸成為被關注的熱點[8]。同時，傳統塑料地膜的大量使用對土壤環境具有一系列的潛在危害，不利于農田可持續發展[9]。鑒于此，國內諸多學者開始了對秸稈還田方式的積極探索[10-11]，秸稈覆蓋代替地膜覆蓋成為其主要形式[12]。李 ?輝等[13]認為，秸稈帶狀覆蓋保墑作用明顯，利于馬鈴薯薯塊的形成與膨大;陳玉章等[14]的研究認為，玉米秸稈覆蓋能顯著提高馬鈴薯產量及水分利用效率。

國外學者普遍認為根際土壤微生物對植物生長具有重要影響，并開展了大量關于土壤微生物與植物互作關系的研究[15-16]。有害土壤微生物通常是導致植物病害發生的主要原因[17];部分微生物則對植物生長有積極的影響[16]。同時，土壤微生物的多樣性被當作衡量土壤狀況優劣的重要指標[18]。細菌作為土壤微生物中最主要的類群，研究意義極大。而目前關于秸稈覆蓋結合溝壟作對旱作田土壤細菌多樣性及馬鈴薯產量構成影響的研究未見報道，故立項研究，以期探明旱作馬鈴薯田土壤細菌群落及馬鈴薯產量對該綜合栽培模式的響應。

1 ? ?材料與方法

1.1 ? ?試驗地概況

試驗于2018年4—10月在甘肅省定西市農業科學研究院試驗基地（北緯35°31′，東經104°38′）進行，該區屬中溫帶半干旱偏旱區，年日照時數約2 480 h，太陽輻射593 kJ/cm2，海拔1 925 m，年平均氣溫6.6 ℃，年均無霜期為142 d。土壤類型為土質綿軟且質地均勻的黃綿土，試驗田基本養分狀況見表1。

1.2 ? ?試驗材料

供試馬鈴薯品種為定薯4號，該品種由定西市農業科學研究院選育，適宜試區栽培，屬中晚熟品種[19]。

1.3 ? ?試驗設計

試驗根據耕作模式的不同共設4個處理，分別為不覆膜平作（FP）、黑色地膜覆蓋溝壟作（FM）、玉米秸稈整稈覆蓋溝壟作（S1M）及玉米秸稈粉粹覆蓋溝壟作（S2M）（圖1）。3次重復，采用隨機區組設計，小區面積為44.275 m2（5.75 m×7.70 m），種植密度為49 950株/hm2。于2018年4月21日播種，10月1日采收，其間進行日常田間管理。將尿素280 kg/hm2、磷酸二銨190 kg/hm2、硫酸鉀180 kg/hm2于播種前作基肥施入。

1.4 ? ?測定指標及方法

1.4.1 ? ?土壤采集及土樣總DNA提取。利用五點法于盛花期（7月1日）采集馬鈴薯根際土壤，收集時先將根系外圍土壤抖落，后收集根系裹挾土壤，土樣采集完成后立即轉入-80 ℃超低溫冰箱內凍藏，用于土壤總DNA的提取。

選用美國Mobio公司的PowerSoil DNA Isolation kit試劑盒進行各處理土壤DNA提取，提取完成的DNA樣品保存于-80 ℃冰箱。

1.4.2 ? ?16S rDNA基因擴增與測序。16S rDNA基因擴增使用的通用引物序列為515F：5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′及907R：5′-CCGTCAATTCMTTTRAGTTT-3′。以25 μL體系進行PCR擴增反應，包含5 μL 5×reaction buffer、5 μL 5×GC buffer、2 μL dNTP（2.5 mmol/L）、1 μL上游引物（10 μmol/L）、15 μL下游引物（10 μmol/L）、2 μL DNA模板、8.75 μL ddH2O及0.25 μL QS DNA Polymeraseo。

PCR反應條件：98 ℃預變性2 min，98 ℃變性15 s，55 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s，共進行25～30個循環，72 ℃延伸5 min后終止，10 ℃保存。每個樣本進行3次重復，通過1%瓊脂糖凝膠電泳檢測重復樣本PCR擴增產物，利用2%瓊脂糖凝膠電泳進行PCR產物檢測，以美國Axygen公司的凝膠回收試劑盒對目標片段切膠回收，濃度及特異性合格后委托廣州基迪奧生物科技有限公司Illumina Miseq平臺進行16S rDNA測序。

1.4.3 ? ?土壤細菌群落鑒定與Alpha多樣性指數分析。采用滑動窗口法對FASTQ格式的雙端序列逐一進行質量篩查，隨后利用FLASH軟件根據重疊堿基對通過質量初篩的雙端序列進行配對連接。后根據各樣本的Index信息將連接后的序列識別分配入對應樣本，以得到所有樣本的有效序列。使用QIIME軟件識別并剔除疑問序列，調用USEARCH工具，檢查嵌合體序列并剔除。后調用UCLUST序列比對工具，按97%相似度將獲得的序列進行歸并及獲得OTU。利用Silva數據庫對各OTU的代表序列進行分類地位鑒定。通過OTU劃分和分類地位鑒定結果，獲得各處理在門及屬分類水平的具體組成。

于90%的最低測序深度水平下對OTU豐度矩陣中的全體樣本，進行統一隨機重抽樣以校正測序深度引起的多樣性差異。之后利用QIIME軟件對各樣本的Alpha多樣性指數（Chao1、ACE、Shannon和Simpson指數）進行計算。其中，Chao1和ACE指數側重于樣本的微生物群落豐富度，香濃指數Shannon和辛普森指數Simpson則綜合體現群落豐富度及均勻度。

1.4.4 ? ?馬鈴薯產量與產量形成測定。收獲期以小區單收計產并折算為公頃產量;每小區隨機選取10株考種，對單株結薯數及大、中、小薯百分率進行統計。統計時，175 g以上薯塊定義為大薯，50～175 g為中薯，50 g以下為小薯。

1.5 ? ?數據處理與統計分析

分別采用Microsoft Excel 2016和SPSS 22.0進行原始數據統計和分析，采用Adobe Illustrator CC 2018及Origin Pro 2018作圖;利用LSD法（P<0.05）進行差異顯著性分析。

2 ? ?結果與分析

2.1 ? ?土壤細菌Alpha多樣性分析

借助土壤細菌稀疏曲線可以判斷各樣本的測序深度能否反映該樣本細菌群落多樣性。如圖2所示，測序量達到12 000后各曲線均趨于平坦，認為該測序深度理想，可準確衡量各處理細菌多樣性。相同測序深度下各處理OTU數目以FP最小，FM次之，S1M及S2M較大，秸稈覆蓋溝壟作可能會增加土壤細菌群落的物種多樣性及豐富度。

土壤微生物多樣性是衡量土壤微生態群落穩定性的重要標尺。由表2可知，處理S1M、S2M的Chao1指數和ACE指數顯著高于處理FM、FP，FM則顯著高于FP;其中處理S2M的Chao1指數及ACE指數最高，分別比FP高42.8%及42.9%。說明玉米秸稈覆蓋溝壟作及黑色地膜溝壟作均能顯著提高馬鈴薯根際土壤細菌群落豐富度。處理S1M、S2M的辛普森指數和香濃指數無顯著性差異，均顯著高于處理FM、FP;處理S2M的辛普森指數最高，比處理FP高17.2%;香濃指數則以處理S1M最高，比處理FP高7.4%。這說明玉米秸稈覆蓋溝壟作可以顯著提高馬鈴薯根際土壤細菌群落多樣性，黑色地膜溝壟作則對細菌群落多樣性無顯著性影響。

2.2 ? ?土壤細菌分類學組成和豐度分布

2.2.1 ? ?土壤細菌分類學門類組成和豐度分布。根據OTU劃分結果，對12個樣本門水平上的細菌種類及相對豐度進行了統計分析，所有樣本的細菌種類共涵蓋40個門類。如圖3所示，各樣本細菌群落中相對豐度在1%以上的門類共有7個，分別為變形菌門（Proteobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）、浮霉菌門（Planctomycetes）、芽單胞菌門（Gemmatimonadetes）及擬桿菌門（Bacteroidetes），以變形菌門及放線菌門的相對豐度最高，分別為23.7%及20.5%;酸桿菌門、綠彎菌門、浮霉菌門、芽單胞菌門及擬桿菌門依次占比15.1%、11.1%、9.7%、9.3%及5.3%;剩余33個門類相對豐度極小，總和為5.4%。覆蓋及溝壟作對細菌門類組成及豐度具有一定影響，其中部分門類豐度變化明顯，變形菌門相對豐度表現為FP>FM>S1M>S2M;放線菌門豐度表現為S2M>S1M>FM>FP;芽單胞菌門表現為FP>S1M>S2M>FM。可以看出，玉米秸稈覆蓋及溝壟作可明顯降低土壤中變形菌門及芽單胞菌門的相對豐度并對放線菌門有促進作用。

2.2.2 ? ?土壤細菌分類學屬類組成和豐度分布。各處理共涵蓋650個屬，對相對豐度最大的20個進行統計分析。由圖4可知，優勢屬（相對豐度0.5%以上）共有6個，依次為浮霉狀菌屬（Planctomyces，10.9%）、氨氧化菌屬（Candidatus Nitrososp-haera，0.85%）、溶桿菌屬（Lysobacter，0.82%）、節桿菌屬（Ar-throbacter，0.74%）、鏈霉菌屬（Streptomyces，0.70%）、甾類菌屬（Steroidobacter，0.65%），其余菌屬占比極低。部分優勢菌屬的豐度受秸稈覆蓋及溝壟作的影響較大，其中浮霉狀菌屬及節桿菌屬的相對豐度表現為S2M>S1M>FM>FP;溶桿菌屬的豐度表現為S2M>S1M>FP>FM;鏈霉菌屬為S1M>S2M>FM>FP。由此說明，黑色地膜溝壟作可能對浮霉狀菌屬、節桿菌屬及鏈霉菌屬具有促生作用，同時在一定程度上降低了溶桿菌屬的豐度;秸稈覆蓋溝壟作則更利于馬鈴薯根際土壤中浮霉狀菌屬、節桿菌屬、溶桿菌屬及鏈霉菌屬的富集。

2.3 ? ?馬鈴薯產量構成性狀

由表3可知，處理FM、S1M、S2M的大薯百分率及中薯百分率顯著高于處理FP，小薯百分率顯著低于處理FP;各處理單株結薯數無顯著性差異;與處理FP相比，處理FM、S1M、S2M的馬鈴薯產量顯著提高。由此說明，覆蓋及溝壟作能顯著提高旱作田馬鈴薯的大、中薯百分率，顯著降低小薯百分率，同時顯著增產。處理FM、S1M、S2M分別增產33.0%、43.4%及44.3%，3種溝壟作制度之間秸稈覆蓋增產幅度大于黑色地膜覆蓋，但未達顯著性水平。

3 ? ?結論與討論

土壤微生物多樣性用于衡量土壤微生態群落穩定性，通常與土壤狀況優劣成正相關[18]。本研究表明，玉米秸稈覆蓋溝壟作可以顯著提高馬鈴薯根際土壤細菌群落多樣性，而黑色地膜溝壟作則對細菌群落多樣性無顯著性影響。同時，2種玉米秸稈覆蓋方式明顯降低了土壤中變形菌門及芽單胞菌門的相對豐度并對放線菌門有促進作用。另外，黑色地膜溝壟作可能對浮霉狀菌屬、節桿菌屬及鏈霉菌屬具有促生作用，同時在一定程度上降低了溶桿菌屬的豐度;秸稈覆蓋溝壟作則更利于馬鈴薯根際土壤中浮霉狀菌屬、節桿菌屬、溶桿菌屬及鏈霉菌屬的富集，該4種菌屬為常見生防菌屬，對農田狀況具有積極貢獻。國內學者[13-14]認為，秸稈帶狀覆蓋及溝壟作可提高馬鈴薯產量。本試驗在此基礎上的研究證明，溝壟作覆蓋栽培可顯著提高薯塊產量;此外，可顯著提高大、中薯百分率，顯著降低小薯百分率[20]。

4 ? ?參考文獻

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