郭 沖,劉雅潔,楊懿德,楊 洋,楊國偉,許艷玲,陳佛源,韓 偉,劉 雷,鄢 敏,曾淑華
(1.四川農業大學農學院,成都 611130;2.四川省煙草公司宜賓市公司,四川 宜賓 644600)
地膜覆蓋可有效提高地溫、保蓄水土、減少養分流失、促進移栽植株根系的生長發育,是農作物重要的栽培措施之一。研究表明,烤煙地膜覆蓋有利于土壤微生物的聚集,能顯著增加土壤微生物的數量[1-3]。但這些研究均局限于土壤微生物的數量,對微生物群落結構、豐度及優勢菌群等的研究并不深入。隨著分子生物學技術的發展,宏基因組學已成為當前研究環境微生物種群動態的有力工具,高通量測序技術可以避開傳統培養方法的局限性,能較全面地對生境中的微生物總DNA 進行分析,靈敏、快速地檢測環境樣品中微生物群落結構多樣性,從而獲得復雜生境中微生物種群變化的準確信息[4-6]。
有研究表明,在高海拔煙區,全生育期地膜覆蓋能顯著提高烤煙產值和產量,對烤煙化學品質也有一定影響[7,8]。相較于常規烤煙生產的揭膜栽培,全生育期覆膜會顯著改變土壤生態環境,進而影響土壤微生物群落結構,但目前關于全生育期覆膜栽培對植煙土壤微生物群落結構影響的相關研究還未見報道。真菌是土壤中常見的微生物之一,與其他微生物一起參與土壤生態系統的物質循環與能量流動,包括碳、氮、磷、硫等的循環,為植物提供營養[9,10],但同時真菌也是引起很多土傳病害的重要因素[11,12],影響烤煙的生長發育[13]。本研究利用ITS測序技術,分析土壤真菌類群對植煙全生育期地膜覆蓋的響應,同時結合土壤理化性質綜合分析土壤環境的變化,旨在為植煙全生育期地膜覆蓋栽培技術的進一步推廣提供理論依據。
試驗地點設在四川省宜賓市興文縣仙峰苗族鄉群魚社區(28°04′—28°27′N,104°52′—105°21′E,海拔1 153.6 m)。供試土壤為沙壤土,10~20 cm 土層pH 為5.45,含有機質51.10 g/kg、全氮1.09 g/kg、堿解氮188.77 mg/kg、全磷1.67 g/kg、有效磷24.41 mg/kg、全鉀88.15 g/kg、速效鉀14.50 mg/kg。
試驗選用的烤煙品種為云煙87,氮、磷、鉀施用比例為N∶P2O5∶K2O=1.0∶1.4∶3.7。試驗設置1 個對照(CK,白色地膜覆蓋,并于移栽后55 d 揭膜)和3個處理,3 個處理分別為黑色地膜(HN)、白色地膜(BN)、黑白雙色地膜(SN)全生育期覆蓋。小區采用單因素隨機區組設計,每個處理重復3 次,每個小區種煙100 株,種植密度為16 500 株/hm2。
在煙地施肥前,根據五點取樣法采集土樣測定試驗地土壤基本理化性質。在旺長前期(揭膜時)、成熟期利用五點取樣法采集10~20 cm 土層的土樣。將5 個點的土樣混勻,去除石子及植物殘體,裝入樣品袋運回實驗室,置于室內風干48 h、研磨、過篩,用于土壤理化性質分析。此外,最后一次取樣(成熟期)時將樣品分為兩份,一份利用液氮運回實驗室保存于-80 ℃冰箱,用于真菌ITS 測序分析,另一份同之前取樣操作相同。
1.3.1 真菌ITS 測序與信息分析
1)微生物總DNA 提取、PCR 擴增及高通量測序。采用E.Z.N.A.?Soil DNA Kit 試劑盒方法,稱取土壤樣品0.5 g,按照試劑盒操作說明提取微生物總DNA,并通過瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA 提取質量,同時采用紫外分光光度計對DNA 進行定量。使用引物ITS1FI2(5′-GTGARTCATCGAATCTTTG-3′)和ITS2(5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′)[14]對 真菌(ITS2)可變區進行PCR 擴增。PCR 擴增產物通過2%瓊脂糖凝膠電泳進行檢測,并對目標片段進行回收,回收采用AxyPrep PCR Cleanup Kit 回收試劑盒。純化后的PCR 產物采用Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit 在Qbit 熒光定量系統對文庫進行定量,合格的文庫濃度應在2 nmol/L 以上。將合格的上機測序文庫(Index 序列不可重復)梯度稀釋后,根據所需測序量按相應比例混合,并經NaOH 變性為單鏈進行上機測序,使用NovaSeq 測序儀進行2×250 bp 的雙端測序。
2)生物信息學分析。根據雙端序列的重疊區,采用Pear 將R1、R2 序列拼接成長的tag 序列,并使用cutadapter 去除barcode 以及引物序列。然后采用Fqtrim 過濾低質量序列,采用Vsearch(v2.3.4)過濾嵌合體。使用DADA2 進行降噪后,得到特征表和特征序列。α 多樣性通過抽平(將所有樣本的序列數抽取至最少序列樣本的序列數)的方式進行歸一化,物種注釋使用相對豐度進行歸一化處理(X菌群count/總count)。α 多樣性由QIIME2 流程分析,圖片由R(v3.5.2)包繪制。物種注釋采用QIIME2 的插件feature-classifier進行序列比對,比對數據庫為SILVA和unite 數據庫,以SILVA 數據庫注釋結果為準。
1.3.2 土壤理化性質測定 土壤溫度按氣象學方法進行測定,每個小區根據五點取樣法,安置5 支地溫計(創紀美CJM-367),在對照揭膜后每隔5 d 測1 次溫度,每天的測溫時間為8:00、14:00、20:00,按T=(2T14:00+T8:00+T20:00)/4 計 算 平 均 地 溫,T表 示 土 壤 溫度,下標為時間點。土壤質量含水率利用烘干稱重法測定,在揭膜后10、20、30、40、50 d 取樣。土壤pH、有機質、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷、速效鉀、全銅、全鋅、全鐵、氯、全硫、全鈣、有效鎂、有效銅、有效鋅、有效鐵、全硼等理化指標的測定參照文獻[15,16]。
1.3.3 烤煙經濟性狀調查 按照GB 2635—1992 對初烤煙葉進行分級[17],并記錄上、中、下等級煙葉的質量,按照當地收購價計算均價和產值。
采用Excel 軟件、Canoco(4.5)軟件、R 語言統計軟件、SPSS 24.0 軟件對數據進行統計分析,并利用Duncan’s 新復極差法、皮爾遜積差相關進行數據的多重比較和相關性分析。分類操作單元(OTU)被定義為一組具有相同限制條件的序列。采用QIIME[18]方法估算真菌多樣性指數,其中,OTUs、Chao1 指數主要反映樣本的物種豐富度信息;樣本覆蓋率反映樣本低豐度特征值覆蓋情況;Shannon 指數、Simpson指數分別反映物種的豐富度和均勻度。
由表1 可知,不同顏色地膜全生育期覆蓋處理的產量和產值都顯著優于對照(P<0.05)。產量上,黑白雙色、黑色、白色地膜全生育期覆蓋處理分別比對照增產13.33%、18.24%、21.36%;產值上,黑白雙色、黑色、白色地膜全生育期覆蓋處理分別比對照增值20.26%、15.87%、13.28%。在產值、均價、中上等煙比例上,不同處理之間均存在顯著差異(P<0.05),說明不同顏色地膜覆蓋栽培對烤煙經濟性狀具有重要影響。綜合來看,黑白雙色地膜全生育期覆蓋處理優于白色和黑色地膜全生育期覆蓋處理。

表1 不同顏色地膜覆蓋對烤煙經濟性狀的影響
2.2.1 植煙土壤溫度的差異 由表2 可知,與對照相比,3 種顏色的地膜全生育期覆蓋均能在一定程度提高植煙土壤的平均溫度,平均增溫效果表現為白色地膜>黑白雙色地膜>黑色地膜,分別增溫1.32、0.95、0.53 ℃。此外,白色地膜和黑白雙色地膜全生育期覆蓋處理各測定時間的平均溫度均高于對照(除5、60 d 時的SN),而黑色地膜全生育期覆蓋處理在揭膜初期(5、10 d 和15 d)的土壤溫度低于對照,后期(除40 d 外)則均高于對照,這可能是揭膜初期氣候溫度整體不高導致的。

表2 揭膜后不同處理土壤溫度差異
2.2.2 植煙土壤質量含水率的差異 圖1A、1B、1C 分別為植煙土壤3 個不同耕層深度(0~10 cm、10~20 cm、20~30 cm)在揭膜后不同時間土壤質量含水率的變化,圖1D 為揭膜后各處理和對照5 次取樣平均含水率的差異。隨著土壤耕層深度的增加,各處理和對照土壤質量含水率整體呈增加趨勢。在土壤表層(0~10 cm),除了黑色地膜全生育期覆蓋處理在揭膜后30 d 和40 d 土壤質量含水率略高于對照外,其他處理土壤質量含水率均低于對照(圖1A);在土壤中層(10~20 cm),白色地膜和黑白雙色地膜全生育期覆蓋處理土壤質量含水率整體大于對照,黑色地膜全生育期覆蓋處理則低于對照(圖1B);在土壤深層(20~30 cm),僅白色地膜全生育期覆蓋處理土壤質量含水率高于對照,黑色地膜和黑白雙色地膜全生育期覆蓋處理都低于對照(圖1C)。結合各處理和對照5 次土壤質量含水率的平均值(圖1D)來看,全生育期覆膜處理在土壤表層對植煙土壤的保水性不如對照,在土壤中層白色地膜和黑白雙色地膜全生育期覆蓋處理的保水性均優于對照,在土壤深層只有白色地膜全生育期覆蓋處理的保水性優于對照。這可能是由于不同顏色地膜覆蓋下土壤溫度存在差異,導致土壤水分的蒸發量不一致。

圖1 不同顏色地膜覆蓋土壤質量含水率的差異
2.2.3 其他理化性質的差異 如表3 所示,各處理土壤理化性質差異顯著。對照的堿解氮含量顯著高于其他全生育期覆膜處理(P<0.05),但全磷、速效鉀含量最低,且全磷含量與其他處理差異顯著(P<0.05),說明中期揭膜處理有利于土壤堿解氮增加,但不利于磷素和速效鉀的富集;白色地膜全生育期覆蓋處理的土壤有機質、全氮、有效磷含量顯著低于對照(P<0.05),而黑白雙色地膜、黑色地膜全生育期覆蓋處理的這些指標含量顯著高于對照(P<0.05),說明白色地膜全生育期覆蓋較對照更有利于煙株對有機質、全氮、有效磷等養分的吸收,黑白雙色地膜及黑色地膜全生育期覆蓋對土壤有機質、全氮、有效磷等養分的消耗效果不如對照。對照的pH 及全銅、全鋅、有效鐵的含量高于各全生育期覆膜處理,有效鎂、有效銅、有效鋅和全鐵含量低于各全生育期覆膜處理,說明中期揭膜能避免土壤酸化,不利于土壤中全銅、全鋅和有效鐵富集,但有利于煙株對鎂、有效銅、有效鋅和全鐵的吸收。白色地膜全生育期覆蓋處理全硼含量顯著高于其他處理(P<0.05),全硫和全鈣含量顯著低于其他處理(P<0.05),說明白色地膜全生育期覆蓋有利于土壤硼素富集,但不利于土壤硫和鈣的積累。

表3 不同顏色地膜覆蓋對成熟期植煙土壤理化性質的影響
2.3.1 真菌群落結構的α 多樣性分析 α 多樣性是指一個特定環境或生態系統內的多樣性,主要通過OTUs、樣本覆蓋率、Chao1 指數、Shannon 指數、Simp-son 指數等反映物種豐富度和均勻度以及測序深度。OTUs、Chao1 指數主要反映樣本的物種豐富度信息;樣本覆蓋率反映樣本低豐度特征值覆蓋情況;Shannon 指數、Simpson 指數分別反映物種的豐富度和均勻度。從表4 可以看出,全生育期不同地膜覆蓋與對照之間,植煙土壤真菌的豐富度和均勻度沒有顯著差異。各處理Shannon 指數均高于99.00%,樣本覆蓋率均高于91.00%,能夠較為準確地反映樣本的真實情況。其中,OTUs 和Chao 1 指數均表現為SN>BN>CK>HN,SN 處 理 的OTUs、Chao1 指 數、Simpson 指數在各處理中均為最高,Shannon 指數也較高,說明黑白雙色地膜全生育期覆蓋處理的真菌多樣性和豐富度最好。

表4 不同顏色地膜覆蓋對植煙土壤真菌多樣性的影響
2.3.2 門水平真菌群落結構分析 根據物種注釋結果,選取每個樣本或分組在門(Phylum)分類水平上最大豐度排名前14 的物種,生成物種相對豐度柱狀堆疊圖,以便直觀查看各分組在不同分類水平上相對豐度較高的物種及其比例。由圖2 可知,各處理中相對豐度排名前三的菌門占總菌門數量的83%以上。第一大真菌類群為子囊菌門(Ascomycota),在各處理土壤樣品中均占真菌豐度的44%以上,在對照中占比最高,說明全生育期覆膜會在不同程度上抑制子囊菌門豐度的增加,且抑制效果表現為SN>BN>HN。第二大類群為擔子菌門(Basidiomycota),在各處理土壤樣品中占真菌數量的比例在19%以上,在對照中占比最小,說明全生育期覆膜能促進擔子菌門真菌的生長,且促進效果表現為SN>BN>HN。第三大類群為接合菌門(Zygomycota),在各處理土壤樣品中平均占真菌總數量的12%左右,在對照中占比最少,說明全生育期覆膜能促進接合菌門的生長,且促進效果表現為SN>HN>BN。綜合來看,各全生育期覆膜處理對門水平上真菌生長發育的影響效果表現為SN>BN>HN。

圖2 各樣本門水平上真菌的相對豐度
2.3.3 屬水平真菌群落結構分析 在真菌屬水平上,將各分類水平相對豐度最高的30 個群落組成數據依照分類單元的豐度分布或樣本間的相似程度加以聚類,根據聚類結果對分類單元和樣本分別排序,并通過熱圖(圖3)加以呈現。聚類可以將高豐度和低豐度的分類單元加以區分,并以顏色梯度及相似程度反映多個樣品在各分類水平上組成的相似性和差異性。從圖3 可以看出,黑白雙色地膜全生育期覆蓋處理的優勢菌屬為被孢霉屬(Mortierella)、枝角菌屬(Cladorrhinum)、松果體屬(Conlarium)、小菇屬(Mycena)和隱球菌屬(Cryptococcus);白色地膜全生育期覆蓋處理的優勢菌屬為Rhizophagus、叢赤殼屬(Nectria);黑色地膜全生育期覆蓋處理的優勢菌屬為鐮刀菌屬(Fusarium)、蓋型子囊屬(Pseudaleuria)、角擔菌屬(Ceratobasidium)、癬囊腔屬(Plectosphaerella)、錐梗孢屬(Dissoconium)和小球菌屬(Mycosphaerella);CK 的優勢菌屬為白鬼傘屬(Leucocoprinus)、黑輪枝屬(Gibellulopsis)、白粉菌屬(Erysiphe)、紅酵母屬(Rhodotorula)、線蟲草屬(Ophiocordyceps)和肉座菌屬(Hypocrea)。

圖3 不同處理植煙土壤真菌群落屬水平的層次聚類熱圖
2.4.1 土壤真菌與α 多樣性指數的相關性分析 將各樣本相對豐度排名前30 的菌屬與α 多樣性指數做相關分析,結果如表5 所示。從表5 可以看出,隱球菌屬(Cryptococcus)、外小杯菌屬(Exophiala)的相對豐度與OTUs 及Chao1 呈顯著正相關(P<0.05);隱球菌屬(Cryptococcus)、外小杯菌屬(Exophiala)、枝角菌屬(Cladorrhinum)的相對豐度與Shannon 指數呈極顯著正相關(P<0.01);被孢霉屬(Mortierella)的相對豐度與Simpson 指數呈顯著正相關(P<0.05),肉座菌屬(Hypocrea)的相對豐度與Simpson 指數呈極顯著負相關(P<0.01);紅酵母屬(Rhodotorula)的相對豐度與樣本覆蓋率呈顯著正相關(P<0.05)。

表5 土壤真菌相對豐度與α 多樣性指數的相關性分析
2.4.2 土壤真菌與理化性質的相關性分析 將各樣本相對豐度排名前30 的菌屬與7 項土壤理化性質做相關性分析,篩選與土壤基本理化性質存在相關性的菌屬,如表6 所示。植煙土壤氮、磷含量與肉座菌屬(Hypocrea)、角擔菌屬(Ceratobasidium)、鐮刀菌屬(Fusarium)、叢赤殼屬(Nectria)的相對豐度有密切聯系。其中,肉座菌屬的相對豐度與全磷含量呈顯著負相關(P<0.05),角擔菌屬的相對豐度與全氮含量呈極顯著正相關(P<0.01),鐮刀菌屬的相對豐度與全氮含量呈顯著正相關(P<0.05),叢赤殼屬的相對豐度與有效磷含量呈顯著負相關(P<0.05)。

表6 土壤真菌相對豐度與土壤理化性質的相關性分析
選取不同覆膜處理土壤真菌主要門類相對豐度前10 的數據進行去趨勢對應分析(DCA),結果顯示4 個軸中梯度最大值為0.772 0<3,為此,適合進行冗余分析(RDA)。如圖4 所示,植煙土壤中大量元素可以解釋不同處理間43.71% 的變異,RDA1、RDA2 分別為24.13%和19.58%;植煙土壤中量、微量元素可以解釋不同處理間46.31%的變異,RDA1、RDA2 分別為24.80%和21.51%。理化性質中,大量元素(全氮、堿解氮、有效磷、全磷、全鉀),中量、微量元素(全硫、全銅、有效銅、全鋅、有效鎂、全硼)是對植煙土壤真菌群落結構起主導作用的影響因素,而溫度、有機質、速效鉀、質量含水率、鐵元素、有效鋅、氯元素對土壤真菌群落結構的影響相對較小。

圖4 真菌門水平相對豐度和土壤基本理化性質(A)及中量、微量元素(B)的冗余分析
從圖4 可以看出,大量元素有機質、全氮、全鉀、全磷、有效磷與Zoopagomycota、Chytridiomycota(壺菌門)、接合菌門以及處理HN、SN三者間存在較緊密的正相關關系;堿解氮、速效鉀與子囊菌門、Mucoromycota(毛霉菌門)以及對照(CK)三者存在顯著的正相關關系(圖4A)。中量、微量元素全銅、有效鐵、全鋅、氯元素、全硼與毛霉菌門、Mortierellomycota(被孢霉門)、子囊菌門以及對照三者間存在較緊密的正相關關系。全鈣、全硫、有效銅、有效鋅、全鐵與擔子菌門、Zoopagomycota、接合菌門、Rozellomycota、Olpidiopsis(囊壺菌門)以及SN 三者間存在較明顯的正相關趨勢。全鈣、全硫與Chytridiomycota(壺菌門)、擔子菌門以及HN三者間具有較明顯的正相關趨勢(圖4B)。
大量研究表明,地膜覆蓋會顯著影響植煙土壤溫濕度、酶活性、養分含量、通透性、微生物等方面,進而影響煙株的生長發育[19-21]。陳軍[22]的研究認為地膜覆蓋栽培會促進煙株早發快長,縮短生育期,且有利于煙株早期對氮素等養分的吸收。本研究從成熟期植煙土壤養分含量角度出發,測定了烤煙成熟采烤時植煙土壤養分含量,發現對照堿解氮、全銅、全鋅和有效鐵含量高于各全生育期覆膜處理,全磷、速效鉀、有效鎂、有效銅、有效鋅和全鐵含量低于各全生育期覆膜處理,說明中期揭膜有利于全磷、速效鉀、有效鎂、有效銅、有效鋅和全鐵含量的消耗,但由于對照中期揭膜,土壤養分可能隨水土流失而消耗,因此不能明確對照消耗的養分是被煙株吸收還是隨水土流失而消耗,后續還需深入研究。
土壤微生物是土壤中最活躍的生物體,對土壤環境變化敏感,在一定程度上反映了土壤質量和生態功能的變化,其多樣性與群落結構的穩定性是評判土壤生態系統健康的重要指標[23]。大量研究表明,提高土壤微生物多樣性有利于增強植物自身的抗性[24,25],降低煙田病害的發生率[26]。本研究發現,黑白雙色地膜和白色地膜全生育期覆蓋處理的真菌多樣性較好,對照次之,黑色地膜全生育期覆蓋最差,但經濟性狀上卻是黑白雙色地膜較好,白色地膜和對照較差。在中上等煙比例上,白色地膜全生育期覆蓋的優質煙最少,這極有可能是白色地膜覆蓋導致土壤溫度過高而影響了煙葉內部化學品質的形成。還有研究發現,本試驗中黑色地膜覆蓋下的優勢鐮刀菌屬,其茄病鐮刀菌(F.solani)和層出鐮刀菌(F.proliferatum)是烤煙鐮刀菌根腐病的主要致病菌[27,28],對照中優勢的白粉菌屬(Erysiphe)是煙草白粉病的主要病原菌,但本研究未對全生育期地膜覆蓋條件下各種病菌的相對豐度與烤煙病害發病率展開研究。
土壤微生物群落結構與土壤理化性質關系密切,例如養分、pH、水分、通氣狀況等的改變,都可能引起一些微生物群體快速繁殖成為優勢群落,引起群落結構的變化[29]。有研究發現,土壤pH 是控制土壤微生物多樣性和群落組成的關鍵因子,并指出pH 對微生物的分布存在影響[30-32]。有研究表明,土壤速效磷是影響真菌多樣性最主要的土壤因子[33-35,29],這與本研究發現大量元素有效磷是植煙土壤真菌主要影響因子之一是一致的。還有研究認為土壤速效鉀對真菌群落多樣性影響較大[36],這與本研究發現速效鉀對土壤真菌群落結構的影響較小存在矛盾,作者認為這主要是受取樣土壤和施肥方式差異的影響所導致。此外,本試驗還找到了其他影響土壤真菌群落結構的環境因子,如全氮、堿解氮、有效硫等。韋俊等[37]的研究認為,Chao1 指數和速效氮含量呈顯著負相關(P<0.05),Simpson 指數和全氮含量呈顯著負相關(P<0.05),Chao1 指數與pH呈極顯著正相關(P<0.01),說明土壤中氮含量過高會顯著降低真菌群落多樣性指數,使真菌偏向性富集。但本研究對植煙土壤理化性質與真菌多樣性指數進行分析,未發現明顯的相關性,這可能與全生育期地膜覆蓋栽培方式對植煙土壤真菌的生境造成較大改變有關。本研究表明,肉座菌屬相對豐度與全磷含量呈顯著負相關(P<0.05),角擔菌屬相對豐度與全氮含量呈極顯著正相關(P<0.01),鐮刀菌屬相對豐度與全氮含量呈顯著正相關(P<0.05),叢赤殼屬相對豐度與有效磷含量呈顯著負相關(P<0.05)。這說明不同地區的氣候、土壤條件及栽培措施都可能使該地植煙土壤真菌結構發生較大變化。因此,要全面了解不同環境條件下烤煙土壤真菌群落結構及其影響因素,還有待進一步研究。
在宜賓市高海拔煙區,全生育期覆膜有利于烤煙產量、產值的提高。與對照相比,全生育期覆膜會顯著改變植煙土壤的理化性質,進而影響真菌群落結構的多樣性。不同覆膜處理植煙土壤真菌的群落結構具有顯著差異,白色地膜全生育期覆蓋和黑白雙色地膜全生育期覆蓋處理的群落結構更相近,黑色地膜全生育期覆蓋和對照的群落結構更相近。通過對全生育期覆膜條件下植煙土壤理化性質和真菌群落結構的相關、冗余分析,可以明確與真菌緊密相關的環境因子,也可以為日后高海拔煙區全生育期覆膜栽培技術的推廣提供一定的理論依據。