轮作豆角对油莎豆生长及土壤微生物多样性的影响

刘佳遥，魏尊苗，程艳，许方达，王占海，牟忠生

（吉林省农业科学院 经济植物研究所，吉林 长春130033）

油莎豆（Cyperus esculentusL．）是一种富含多种营养元素的莎草科植物，又名虎坚果、铁荸荠等，其营养价值可与板栗相媲美［1～3］。油莎豆原产地为非洲，我国首次引进油莎豆是在上个世纪50年代，引进初衷是作为一年生作物进行栽培繁育［4～7］。，油莎豆繁殖方式为无性繁殖，其生育期短、耐贫瘠，而且产量和出油率均高于同等作物，近年来，一些研究表明油莎豆具有很强的抗逆性，是盐碱地开发利用中必选的耐盐碱材料之一，但部分地区常年连作也导致油莎豆产量降低、块茎品质下降、病虫害频发［8，9］。研究发现豆科作物与非豆科作物轮作可以有效缓解土壤连作障碍的发生，是实现农业可持续发展的重要技术。合理的作物轮作体系可以减少氮肥投入、降低生产成本、提高作物产量，还可以增加农田作物多样性、控制农田病虫草害、减少温室气体排放［10，11］。豆科植物轮作克服连作障碍的研究大多集中于玉米［12］、小麦［13］等大田作物，关于油莎豆轮作的研究少有涉及，目前国内外油莎豆产业栽培面积小，对油莎豆的研究也大多集中在对其保健功效、营养价值以及有效成分和油脂提取工艺等方面的研究，而如何缓解油莎豆连作障碍现象的研究鲜有报道［14，15］。

本试验采用不同栽培方式（撂荒、油莎豆连作及轮作豆角），通过分析不同生长时期油莎豆株高、分蘖数、产量等生长指标以及对油莎豆土壤养分、酶活性和微生物群落丰度及多样性的影响，为油莎豆连作障碍的解析提供理论依据，以期构建合理的油莎豆栽培管理模式。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于海南乐东黎族自治县佛罗镇油莎豆种植基地（18°62′N，108°71′E）进行，海拔11.6 m，年平均气温26℃，年均降水量766.4 mm，为热带季风气候。土壤类型为砂质壤土，供试土壤理化性质：pH值5.5，有机质含量为24.5 g·kg-1，铵态氮为42.23 mg·kg-1，硝态氮为32.12 mg·kg-1，有效磷为29.93 mg·kg-1，速效钾为312.32 mg·kg-1。

1.2 试验材料

供试油莎豆品种为非洲小粒油莎豆（Cyperus esculentusL.），2019年8月，从吉林省农科院油莎豆种植基地采收；轮作作物为豆角（Phaseolus vulgarisL.），豆角品种为“油豆王”，购于黑龙江春天种子商店。

1.3 试验设计

随机区组设计，试验设3个处理：撂荒（CK），撂荒2年以上；轮作（TR），豆角和油莎豆轮作；连作（TC），连作2年油莎豆。每个处理设3个重复，每个重复小区面积为15 m2，播种前施足基肥（尿素和磷酸二胺）。播种前将种子侵泡24 h，穴播，每穴2粒种子，株距15 cm，行距40 cm，出苗后15 d进行中耕除草并追肥。

1.4 土壤样品采集

油莎豆生长过程中，分别于播种后10 d、30 d、50 d对油莎豆土体土壤进行3次取样，每次取样采用随机五点取样法，采集完的每个处理的每个取样点土体土壤混合，每处理设3次重复，将采集好的土壤过2 mm筛，去除植物根系杂物等，将处理好的土壤样品转移到实验室，分别在4℃和-80℃条件下储藏。

1.5 测定项目和方法

1.5.1 生长指标及产量的测定

播种后30 d开始测定各小区油莎豆株高和分蘖数，每10 d测定一次，共测3次。油莎豆成熟时，测定20株结豆重量，计算单株产量。每个处理的每小区随机取20株油莎豆标记，定株测定油莎豆株高、分蘖数及单株产量。

1.5.2 土壤化学性状的测定

土壤铵态氮、硝态氮、有效磷采用流动分析仪（荷兰，Skalar San++）测定；土壤速效钾用火焰分光光度计测定；土壤p H和EC值（土水比为1∶5浸提）用p H计和电导仪测定［16］。

1.5.3 土壤酶活性的测定

土壤蔗糖酶、脱氢酶、脲酶分别采用水杨酸比色法、TTC染色法、苯酚-次氯酸钠比色法进行测定［17］。

1.5.4 土壤微生物群落丰度及多样性的分析

土壤微生物群落Illumina Miseq测序利用Illumina Miseq测序分析土壤细菌和真菌群落的组成。细菌和真菌分别使用引物515F/907R和ITS1F/2043R进行扩增，用2%琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物（230 bp左右）。

土壤总DNA提取：使用Power Soil®DNA Isolation Kit，按照说明书提取土壤中的DNA，每个土样提取3份，用1%的琼脂糖凝胶电泳检测DNA浓度。

土壤细菌16SrRNA PCR扩增：仪器为ABI GeneAmp®9700型，引物序列为：515F（5′-GTGCCAGCMGCCGCGG-3′）和907R5′-CCGTCAATTCMTTTRAGTTG-3′）。PCR反应体系为20μL，PCR反应程序：95℃预变性3 min；95℃变性30 s，55℃退火30 s，72℃延伸45 s，27个循环；72℃延伸10 min，4℃保存。

土壤真菌ITSPCR扩增：仪器为ABI Gene-Amp®9700型，ITS引物序列：ITS1F（5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′）和2043R（5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′）。PCR反应体系20μL，PCR反应程序：95℃预变性3 min；95℃变性30s，55℃退火30 s，72℃延伸45 s，35个循环；72℃延伸10 min，4℃保存。

1.6 数据分析

采用Microsoft Excel 2003和origin 8.6软件处理数据并绘制图表；数据处理采用SAS 9.1.3进行单因素方差分析，根据P值判断差异显著性。

2 结果与分析

2.1 轮作豆角对油莎豆农艺性状的影响

3种处理下油莎豆不同时间的株高和分蘖数的调查结果表明（图1），随着取样时间的增加，3种处理下油莎豆的株高和分蘖数逐渐增加。在3次取样时间下，TC处理，TR处理与CK的植株株高间均无显著差异（图1A）；TR处理和CK油莎豆分蘖数显著高于TC处理（P＜0.05）（图1B）。分析不同处理下油莎豆单株产量发现，撂荒处理单株产量最高为65.1 g，其次是轮作处理，单株产量为64.3 g，连作处理单株产量最低为57.8 g，显著低于（P＜0.05）其它2个处理（图1C）。

图1 轮作豆角对油莎豆农艺性状的影响Fig.1 Effects of rotational cropping with P.vulgaris of Cyperus esculentus L.

2.2 轮作豆角对土壤pH值和EC值的影响

由图2可见，随着油莎豆生长发育，TC处理下土壤中的p H呈现先上升后下降的趋势，TR和CK处理下pH值无明显变化，各个时期TR和CK处理土壤pH显著高于TC处理（P＜0.05）（图2A）；3种处理下土壤中的EC值，随着取样时间的增加，均呈现先下降后上升趋势，播种后各处理土壤EC值均无显著差异（图2B）。轮作豆角较连作油莎豆能均衡土壤pH，改良土壤酸碱度，但是对土壤水溶性盐含量变化影响不明显。

图2 轮作豆角对土壤pH和EC值的影响Fig.2 Effects of rotational cropping with P.vulgaris on soil pH and EC values of C.esculentus

2.3 轮作豆角对土壤化学性状的影响

由图3可见，TR处理较TC处理能显著提高土壤有机质、氨态氮、硝态氮、速效磷和速效钾的含量，播种后10 d和30 d，TR处理土壤有机质含量显著高于TC处理（P＜0.05），但播后50 d有机质含量无显著差异。播种后不同时期，TR处理和CK处理土壤铵态氮含量显著高于TC处理（P＜0.05）（图3B）。播种后10 d，TR处理和CK处理土壤硝态氮含量显著高于TC处理（P＜0.05），随着生长时间增加土壤硝态氮含量逐渐增加（图3C）。播种后10 d和30 d土壤中TR处理的速效磷含量显著高于TC处理和CK处理（P＜0.05），分别提高了7.5和5.5 mg·kg-1。播种后各个时期土壤中3种处理的速效钾含量差异不显著（图3E）。

图3 轮作豆角对土壤化学性状的影响Fig.3 Effects of rotational cropping with Phaseolusvulgaris on soil chemical properties of Cyperusesculentus L.

2.4 轮作豆角对土壤酶活性的影响

从图4可以看出，在油莎豆生长发育过程中，TR处理能提高土壤中过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶的活性。播种后3个时期，与连作处理相比，轮作处理TR和撂荒处理CK土壤过氧化氢酶、脲酶活性均显著提高（P＜0.05），并以播种后30 d，TR处理的过氧化氢酶活性最高，达5.87 mL·g-1，较TC处理上升了24%。播种后10 d和30 d，轮作处理TR和撂荒处理CK土壤蔗糖酶活性显著高于连作处理TC（P＜0.05），分别较TC处理上升了20%和21%（图4C）。

图4 轮作豆角对土壤酶活性的影响Fig.4 Effects of rotation with Phaseolus vulgaris on soil enzyme activity of Cyperusesculentus L.

2.5 轮作豆角对土壤微生物群落丰度及多样性的影响

从图5可见，TR和CK处理均能显著提高土壤中细菌的群落丰度，与TC处理相比分别上升了33.33%、22.22%（图5A）。播种后不同时期，连作处理TC、轮作处理TR、撂荒处理CK土壤真菌群落丰度均无显著差异（图5B）。

图5 轮作豆角对土壤微生物群落丰度的影响Fig.6 Effects of rotational cropping with Phaseolusvulgaris on soil microbial community abundance of Cyperusesculentus L.

Shannon指数和Simpson指数反映微生物群落的物种多样性，而ACE指数和Chao指数反映微生物群落丰富度。在97%相似水平上，连作处理TC、轮作处理TR的土壤细菌和真菌群落的覆盖率分别为97.44%、97.56%和99.54%、99.67%（表1）。轮作豆角和油莎豆连作的土壤细菌和真菌群落Shannon指数、Simpson指数、ACE指数和Chao指数差异，没有达到显著水平，表明与连作相比，豆角轮作没有显著改变土壤微生物多样性。

表1 不同栽培方式对土壤微生物群落多样性的影响Table 1 The influence of different cultivation methods on the diversity of soil fungal community

2.6 轮作豆角下土壤性状与产量及微生物群落丰度的相关性分析

通过相关性分析，探究轮作及连作土壤微生物群落丰度和酶活性对土壤化学性状及油莎豆产量的影响。由表2可见，油莎豆单株产量和有机质含量与微生物群落丰度及酶活性呈显著正相关关系，土壤p H与细菌群落丰度及酶活性呈显著正相关关系。土壤铵态氮、硝态氮及速效钾含量与真菌群落丰度呈显著负相关关系，而与细菌群落丰度及酶活性呈显著正相关，有效磷含量与细菌群落丰度及脲酶活性呈显著正相关关系。

表2 轮作豆角下土壤指标性状与产量及微生物群落丰度的相关性分析Table 2 Correlation analysis of soil index traits，yield and microbial community abundance under rotation beans

3 讨论与结论

作物长年连作后土壤理化性状变差、土壤养分失去平衡，选择合理的栽培模式不但可以提高土壤微生物群落多样性及稳定性，还可以一定程度上缓解作物连作障碍的发生［18～21］。轮作是增加农田生态系统生物多样性的重要措施之一，既可以一定程度上提高作物产量，还可以增加作物生产力的稳定性，有效缓解连作障碍的发生。有研究发现，休闲期种植大蒜、白菜等作物，不但可以缓解病害，还会抑制一系列病原微生物的增殖［22，23］。本研究发现，油莎豆连作会导致土壤养分失衡，土壤酶活性降低，土壤微生物群落发生改变，与豆角轮作改善了土壤养分循环及供应，减轻了连作障碍，提高了油莎豆的产量和品质。

轮作利于土壤中养分含量平衡。本试验研究发现与轮作豆角土壤中速效钾、铵态氮、硝态氮以及有机质含量均有所增加，这与前人研究结果一致，可能是豆角具有良好的固氮作用，在土壤中扎根较深，吸收土壤深层营养物质，土壤浅层养分得到恢复［24～26］。本试验研究也发现豆角轮作后土壤pH升高，说明轮作可以降低土壤容重，增加土壤孔隙度，缓解土壤次生盐渍化和土壤酸化［27］，这与吴焕涛等［28］研究结果一致。

土壤酶活性是土壤肥力评价的重要指标之一，反映了土壤养分供应能力的强弱［29-30］。轮作有利于土壤微生物的繁殖，增加微生物数量，增强代谢能力，使土壤维持较高的微生物活性与多样性，增加土壤肥力水平，可以一定程度上提高土壤酶的活性，改善土壤环境［31，32］。本研究结果显示，豆角轮作显著提高了土壤中过氧化氢酶、脲酶、蔗糖酶的活性，这可能是轮作豆角促进土壤蔗糖酶的碳循环能力，改善土壤肥力，促进土壤中无机磷肥增加，提高了油莎豆根系表面积和根水势，增加土壤微生物对养分的需求，更有利于油莎豆对深层土壤的影响。

许多研究发现植物连作障碍发生可能是化感物质的累积以及微生物种群协调性遭到破坏导致的，连作在改变土壤养分和土壤酶活性的同时，会使土壤微生物群落发生变化，因此，后续应注重连作及轮作油莎豆对土壤有益和有害菌群的影响。本研究结果发现豆角轮作土壤中细菌和真菌群落丰度均高于连作土壤，这可能是由于豆角轮作后地上部淋溶、根系分泌物和作物残茬释放一些物质，减轻了自毒作用，抑制病原菌的繁殖，使土壤有益微生物增加，有害微生物减少［33］。