不同调控措施对甜瓜土壤性质、细菌 多样性和产量的影响

马 阳，郑卫红，张 培，张建发，郭立华，陈立宏，彭正萍

（1.河北农业大学 资源与环境科学学院，河北 保定 071000；2.邢台市隆尧县农业农村局，河北 邢台 055350； 3.河北省耕地质量监测保护中心，河北 石家庄 050051；4.邢台市土壤肥料站，河北 邢台 054000）

甜瓜（Cucumis meloL.）是我国重要的高效园艺作物，近年来，甜瓜生产规模化、设施化、专业化程度提高，连作种植导致甜瓜连作障碍日趋恶化，严重影响甜瓜产业的经济效益［1-2］。明确甜瓜连作障碍，是保障甜瓜产业高产高效的关键。土壤养分失调、土壤微生物群落结构失衡、土壤酶活性降低等是造成甜瓜连作障碍发生的原因［3-5］。周华兰等研究表明，马铃薯长期连作，其土壤团粒结构破坏，土壤板结，透气性差，物理性状恶化，土壤脲酶、碱性磷酸酶活性也随种植年限的增加而降低［6］。连作还会导致土壤中速效氮富集，而有效磷和速效钾含量降低，营养成分严重失调，土壤酸化并伴随盐渍化［7］。土壤微生物多样性的改变与土壤理化性质、酶活性以及植物根系分泌物和养分的富集均有一定的相关性［8-9］。相关研究表明，随着作物种植年限的增加，土壤微生物选择性富集，土壤微生物总量、细菌和放线菌数量呈现先升高后降低的趋势，真菌数量呈现上升趋势［10］。

针对土壤退化性状进行土壤修复以期为设施甜瓜生产的可持续发展提供理论依据，同时更好的指导生产。杨永和柳玲玲等［11-12］研究发现，有机肥施用改善土壤理化性状，增加土壤有机质含量，促进微生物活动和有益菌的繁殖，在分解过程中增加土壤细菌和放线菌含量，抑制病原菌的繁殖，降低连作障碍发生，是恢复土壤微生态平衡和抑制土传病害的有效改良剂。根据土壤类型及作物各时期需肥特性，合理选择土壤调理剂，改善作物根际土壤pH，有效降低枯萎病等土传病害发病率，是促进植株生长，缓解连作障碍的有效途径［1］。高雪莲等［13］研究表明，枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)和哈茨木霉(Trichoderma harzianum)能降低土壤真菌和病原菌的数量，增加细菌和放线菌数量，改善土壤微生物区系，促进作物生长，降低发病率，提高甜瓜产量。因此，合理施用化肥，增施有机肥、微生物菌肥和土壤调理剂不仅活化土壤营养元素，而且调控土壤微生态环境，促进良好土壤结构形成。

本文针对连续种植、肥药过量施用造成的土壤性质恶化、微生态失衡等问题，以设施甜瓜为研究对象，研究不同调控措施对土壤理化性质、细菌多样性及甜瓜产量和品质的影响，为河北省设施甜瓜连作障碍的有效防治提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

本试验于2020 年2 月24 日至6 月6 日在河北省邢台市隆尧县小孟村（E 114°50′，N 37°31′）设施大棚进行。供试作物为厚皮甜瓜西洲25，供试肥料为底肥复合肥（纯N-P2O5-K2O 为15-15-15）， 佐 田 氏 有 机 肥（ 有 机 质≥45%，N+P2O5+K2O ≥5%）、微生物菌剂（主要菌种为枯草芽孢杆菌，有效活菌数≥2 亿/g）、土壤调理 剂（K2O ≥4%，MgO ≥4%，CaO ≥25%，SiO2≥20%）、水溶复合肥（纯N-P2O5-K2O 为15-5-36）。供试土壤为壤质潮褐土，基本理化性状为：土壤深度0 ～20 cm，pH 8.08，有机质 15.88 g/kg，全氮含量1.17g/kg，有效磷19.56 mg/kg， 速效钾149.58 mg/kg，水溶性盐总量1.37 g/kg。

1.2 试验设计

试验共设计4 个施肥处理：T1 复合肥+有机肥；T2 复合肥+有机肥+微生物菌剂；T3 复合肥+有机肥+土壤调理剂；T4 复合肥+有机肥+微生物菌剂+土壤调理剂。试验选择种植年限为5 年的棚室，每个处理设3 组重复，随机区组排列。以甜瓜‘西洲25’为供试作物，根据各处理施肥调控要求进行提前混匀，于2 月24 日施肥后进行旋耕（具体处理及施肥量见表2），于2 月26 日进行定植，密度为2.4万株/hm2，浇定植水。

后面分别在开花期、坐瓜初期、膨瓜期追施水溶复合肥375、375、750 kg/hm2，其他田间病虫草害和栽培管理等技术措施按照当地实际生产水平统一管理。于成熟期进行测产、采集耕层土壤，每个小区采集3 组混合放到无菌袋中，将采集的土样低温保存运至实验室后分成3 份。其中1 份土样自然风干，过0.2 mm 网筛，进行土壤理化性质的测定；1 份4 ℃冷藏保存，开展可培养微生物的测定；1 份放入-80 ℃冰箱保存，用于微生物细菌多样性 的测定。

表1 试验处理及调控措施的底肥施用量Table 1 The amount of base fertilizer used in the experimental treatment and control measures kg/hm2

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤理化性质测定 土壤pH 采用电位法测定；有机质采用油浴加热重铬酸钾氧化-容量法测定；全氮采用凯氏定氮法测定；有效磷采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法测定；速效钾采用乙酸铵提取-火焰光度计法测定；水溶性盐总量采用电导法测定［14］。

1.3.2 土壤可培养微生物数量测定 土壤中细菌、真菌和放线菌数量测定参考《土壤微生物研究原理与方法》［15］。采用稀释涂布平板法进行测定，细菌培养采用牛肉膏蛋白胨培养基，真菌培养采用马丁氏培养基，放线菌培养采用改良高氏1 号培养基。

1.3.3 土壤微生物多样性分析 委托北京百迈客生物科技有限公司进行微生物多样性分析，基 于Illumina miseq 测 序 平 台， 采 用 双 末 端 测序 法（Paired-end）对 细 菌 的16S rDNA 基 因 的V3～V4区进行扩增及测序。通过对Reads拼接过滤，在97%的相似水平下将序列分成不同的操作分类单元OTU（Operational taxonomic units），并进行物种注释及丰度分析，揭示各处理样品的物种构成；进一步进行α(Alpha)多样性分析、β(Beta)多样性分析和显著物种差异分析等。

1.3.4 甜瓜产量及可溶性糖测定 果实成熟后，根据小区面积计算产量，每个小区选取具有代表性果实3 个，采用蒽酮比色法测定可溶性糖［16］。

1.4 统计分析

通 过Excel 2016 和IBM SPSS 21.0 统 计 分 析软件对数据进行单因素方差分析，处理间差异显著性检验使用邓肯法（Duncan）（P＜0.05）。采用Mothur（version v.1.30）软件进行Alpha 多样性分析，QIIME 软件进行Beta 多样性分析。

2 结果与分析

2.1 不同调控措施对甜瓜产量和可溶性糖的影响

由表2 可知，不同调控措施下的甜瓜果实产量呈现T4 ＞T3 ＞T2 ＞T1，其中T4 较其他各处理显著增产32.65% ～40.29%，而T1、T2、T3 处理间产量无显著差异。与T1 比，T2、T3 和T4 处理的甜瓜可溶性糖含量分别显著提高29.36%、22.48%和31.19%，与T3 比，T2 和T4 处理的甜瓜可溶性糖含量分别显著增加5.62%和7.12%，T2 和T4 间差异不显著。表明土壤增施有机肥、配施生物菌剂和土壤调理剂可有效增加甜瓜产量，促进果实可溶性糖的积累，其中增施生物菌剂对可溶性糖含量的积累效果显著。

表2 不同调控措施下的甜瓜产量和可溶性糖含量Table 2 Muskmelon yield and soluble sugar content under different control measures

2.2 不同调控措施对土壤理化性质的影响

由表3 可知，不同调控措施间的土壤pH、有机质、全氮、有效磷、速效钾无显著性差异；水溶性盐总量T2 ＞T1 ＞T3 ＞T4，其中T4 较T1、T2 和T3 分别降低24.86%、31.73% 和23.19%，而T1、T2 和T3 间无显著差异。与试验前基础养分比，试验后土壤全氮和有效磷平均分别提高18.80%和45.77%，土壤pH、有机质、速效钾和水溶性盐总量分别降低2.41%、13.76%、3.31%和54.56%，其中T4 降低水溶性盐总量64.35%。表明土壤增施有机肥、生物菌剂和调理剂可提高表层土壤全氮和有效磷含量，显著降低土壤水溶性盐总量，而各调控措施间的土壤养分含量差异不显著，其中T4 处理降低土壤水溶性盐总量的效果最显著。

表3 不同调控措施下的0 ～20 cm 土壤理化性质Table 3 Physical and chemical properties of 0-20 cm soil under different control measures

2.3 不同调控措施对土壤可培养微生物数量的影响

由表4 可知，不同调控措施表层土壤可培养微生物、细菌、真菌和放线菌数量均有T4 ＞T3 ＞T2＞T1。较T1 比，T2 的可培养微生物总数和放线菌数分别显著提高17.96%和43.80%，T3 的可培养微生物、细菌、真菌、放线菌数量、细菌/真菌比分别显著提升91.89%、92.80%、59.81%、87.59%、19.81%，T4 的可培养微生物、细菌、真菌、放线菌数量均增加1 倍左右，细菌/真菌比提高18.07%。说明土壤增施生物菌剂、调理剂可改善表层土壤可培养微生物数量，其中T4 处理改善土壤微生态的效果最佳。

表4 不同调控措施下的土壤可培养微生物数量Table 4 The number of cultivable microorganisms in the soil under different control measures

2.4 不同调控措施对土壤细菌群落Alpha 多样性的影响

对土壤样品中的16S rDNA 基因的V3 ～V4区进行测序，共获得细菌有效序列320 522 个，这些序列在97%的相似性水平上被划分为1 545 ～1 748 个OTU，土壤细菌文库覆盖率99%。不同调控措施的土壤细菌多样性OTU 数量、Chao1 指数、ACE 指 数 有T4 ＞T3 ＞T2 ＞T1，反 映 出T4 和T3 处理的物种丰度明显高于T1 和T2。Shannon 和Simpson 指数反映出T4 的物种多样性最高，其次是T2 和T3，T1 的物种多样性最低。表明土壤增施生物菌剂和土壤调理剂明显提高表层土壤的细菌群落多样性，其中T4 效果最佳（表5）。

表5 不同调控措施下的土壤细菌群落Alpha 多样性指数Table 5 Alpha diversity index of soil bacterial communities under different control measures

2.5 不同调控措施对土壤细菌群落丰度及组成的影响

图1 表明，当测序量超过60 000 条时，整个曲线趋于平缓，表明该测序文库已经达饱和。不同处理用不同颜色表示，不同颜色图形之间交叠部分数字为两个处理之间共有的特征个数（OTU 数目）。不同调控措施处理的共有细菌OTU 数量为972，T1、T2、T3、T4 的特异性细菌OTU 数量分别为1、3、40、320，T4 处理的特异性细菌OTU 数量最多。

图1 不同调控措施下的土壤细菌群落高通量测序文库稀释曲线及VennFig. 1 The dilution curve and Venn of the high-throughput sequencing library of soil bacterial communities under different control measures

由图2 可知，在门水平下，不同调控措施处理相对丰度最高的菌门为变形菌门（Proteobacteria），占32.36% ～41.69%， 随后依次是酸杆菌门（Acidobacteria）18.46% ～22.95%、 芽 单 胞 菌门（Gemmatimonadetes）4.36% ～9.32%、 放 线菌 门（Actinobacteria）5.27% ～7.96%、 绿 弯 菌门（Chloroflexi）2.66% ～10.63%， 厚 壁 菌 门（Firmicutes）0.19% ～14.37%，低于10% 的有拟杆菌门（Bacteroidetes）、己科河菌门（Rokubacteria）、浮 霉 菌 门（Planctomycetes）、 硝 化 螺 旋 菌 门（Nitrospirae）和其他。与T1 和T2 比，T3 和T4的放线菌门（Actinobacteria）、绿弯菌门、浮霉菌门和硝化螺旋菌门降低，而变形菌门、酸杆菌门和厚壁菌门丰度增加。

在目水平（图2 右）下，不同调控措施处理相对丰度较高的菌目有uncultured_bacterium_c_Subgroup_6 占7.43% ～13.31%，鞘脂单胞菌目（Sphingomonadales）3.26%～7.60%，β-变形菌目（Betaproteobacteriales）4.77%～6.40%，芽单胞菌目（Gemmatimonadales）3.32%～6.55%，低于5%的有Tistrellales、己科河菌目（Rokubacteriales）、黏细菌目（Myxococcales）、根瘤菌目（Rhizobiales）、梭菌目（Clostridiales）。与其他处理比，T4 的uncultured_bacterium_c_Subgroup_6、鞘脂单胞菌目、芽单胞菌目、Tistrellales 下降，而梭菌目和根瘤菌目丰度增加。变形菌门含有丰富的固氮细菌，放线菌门多为致病细菌，厚壁菌门可以更好地分解土壤养分，表明增施土壤调理剂和微生物菌剂可增强固氮能力，提升土壤抵御外来病原体的能力。

图2 门（左）和目（右）水平上最大丰度排名前10 的物种相对丰度Fig. 2 Relative abundance of the top 10 species with the largest abundance at the Phylum (left) and Order (right) levels

2.6 部分环境因子与主要细菌群落间的关系

采用冗余分析（RDA）法表明（图3），两个主要轴特征值分别为64.6%和26.38%，相关系数为0，RDA 分析结果可信。不同调控措施细菌群落变化差异明显，T3 与T4 处理在第一排序轴的正端，T1 与T2 在第一排序轴的负端；T3 处理在第二排序轴的负端，其他处理在第二排序轴的正端。第一轴排序与土壤微生物总数呈正相关，与土壤水溶性盐呈负相关。土壤水溶性盐总量、有机质与细菌群落中芽单胞菌门、己科河菌门等呈正相关，与互养菌门（Synergistetes）、软壁菌门（Tenericutes）等具有负相关；土壤微生物总数与奇古菌门（Thaumarchaeota）、变形菌门呈正相关，与硝化螺旋菌门（Nitrospirae）、疣微菌门（Verrucomicrobia）等呈负相关。

图3 不同调控措施部分环境因子与主要细菌群落（门水平）的冗余分析Fig. 3 Redundancy analysis of some environmental factors and main bacterial communities (Phylum level) of different control measures

3 讨论

甜瓜连作种植和化学肥料过量施用造成土壤微生态环境失衡、病害严重和产量降低等，通过增施有机肥、微生物菌剂、土壤调理剂可改善土壤微生态环境、防治土传病害、促进植物生长［17-18］。连作会引起土壤细菌含量下降、真菌数量上升，土壤从“细菌型”向“真菌型”转化，导致土壤性质和土壤微生物多样性改变，使碳、氮、磷养分循环受阻，土壤中有益细菌丰度降低和病原真菌丰度增加，病害增加［19］。本研究表明增施有机肥、微生物菌剂、土壤调理剂对提高土壤养分、减缓土壤盐渍化、提升土壤可培养微生物、抑制土壤真菌化有显著效果，其中T4 处理（复合肥配施有机肥+土壤调理剂+微生物菌剂）提高表层土壤全氮和有效磷分别达18.80%和45.77%，降低水溶性盐总量54.56%，提升可培养微生物、细菌、真菌、放线菌数量及细菌/真菌比值。T3 和T4 的变形菌门、酸杆菌门和厚壁菌门丰度增加，RDA 分析表明土壤水溶性盐总量、有机质、微生物总数均与微生物多样性关系密切。霍朝晨和陈丽华等［20-21］研究发现土壤有机质、水溶性盐及微生物数量是影响土壤细菌群落的重要土壤因子。土壤调理剂中的天然矿物、酵母残渣可改善土壤结构，平衡酸碱性，提高保水保肥能力，降低土壤盐渍化，有利于微生物生长；微生物菌剂增加土壤有效活菌数，提高土壤微生物总数；有机肥为土壤微生物生长发育提供营养，促进有机质分解，增加和平衡土壤养分含量［22-23］。微生物类群的增加，加速分解土壤中累积的对土壤环境有毒害的有机物，减轻连作效应，降低枯萎病的发生［24］。有机肥、调理剂和微生物菌剂混合施用提高了表层土微生物数量，有效改善了微生物群落结构的多样性、丰富度，提升了表层土壤养分含量。以上是在无机复合肥和有机肥固定量基础上的试验结果，添加有机肥、调理剂适当减少无机复合肥用量的调控试验结果有待于进一步研究。

4 结论

不同调控措施平均增加土壤全氮和有效磷含量，减少土壤水溶性盐富集。与复合肥配施有机肥（T1）相比，增施土壤调理剂（T2）增加了土壤微生物和放线菌数量，提升果实可溶性糖；增施微生物菌剂（T3）显著增加土壤微生物、细菌、真菌和放线菌数量，提升细菌/真菌比，提高果实可溶性糖含量；增施土壤调理剂和微生物菌剂的T4 处理改善土壤生物学性质更明显，在生产中建议推荐使用。最有效地增加了土壤微生物、细菌、真菌和放线菌数量，提升细菌/真菌比，提高土壤细菌群落多样性，增加变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）和厚壁菌门（Firmicutes）丰度，降低土壤水溶性盐含量，果实可溶性糖增加，增产40.29%。因此，复合肥配施土壤调理剂和微生物菌剂改善土壤生物学性质更明显，在生产中建议推荐使用。