不同轮作模式对旱地番茄品质、产量及土壤真菌多样性的影响

李万星，李 丹，李小霞，曹晋军，靳鲲鹏，韩文清，苏秀敏， 王 佼，黄学芳，刘永忠

(1.山西农业大学 谷子研究所，山西 长治 046000；2.山西农业大学 山西有机旱作农业研究院，山西 太原 030031)

番茄(Solanumlycopersicum)是我国重要的设施果菜之一，富含多种维生素及矿物质，是营养价值较高的果蔬之一。旱地番茄因其特殊的生长环境而得名，即露地种植，缺乏灌溉设施，利用自然降雨的方式生长。与普通番茄相比，旱地番茄具有糖酸比高、果瓤沙质细腻、番茄红素高等特点。由于地理环境、种植习惯、经济效益等因素的影响，导致旱地番茄连作现象严重。番茄连作会造成土壤养分积累或过度消耗、土壤理化性状发生改变，使植株长势减弱，进而影响番茄品质下降，产量降低，同时伴随着土壤微生物多样性降低、病虫害加剧等现象[1-4]，连作障碍已成为制约旱地番茄农业生产的重要因素之一。

不同农业措施(轮作、间作和套种)可以促进作物生长发育、提高作物产量、改善品质、抑制作物病害及改良农田生态环境[5-7]。金莉[8]研究发现，不同蔬菜轮作可提高后茬番茄的可溶性糖、可溶性蛋白及抗坏血酸的含量，在一定程度上提高后茬番茄果实的营养品质。邓玉清[9]研究发现，番茄轮作后可提高土壤微生物多样性，通过改善土壤微生物的组成和丰度来调节土壤碳、氮循环，同时改善土壤生态环境，从而影响后茬番茄的生长。吴宏亮等[10]研究发现，轮作可增加土壤有益微生物的比例，使连作障碍得到缓解。番茄与豇豆间作可控制番茄细菌性枯萎病大规模发生[11]。科学合理地轮作是缓解连作障碍发生的有效措施之一[12]。

本试验以特色蔬菜旱地番茄为研究对象，探讨不同作物与旱地番茄轮作后对土壤真菌及后茬旱地番茄产量、品质的影响，旨在筛选出适宜晋东南地区种植、具有高产、稳产的最佳番茄轮作模式，对旱地番茄特色产业可持续发展具有重要的现实指导意义。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试旱地番茄为日润1号，糯玉米为晋糯10号，西葫芦为东葫1号，秋葵为绿盐，黄瓜为中农18号，花生由长治县裕盛丰农业专业合作社提供，豆角和葱为当地种植的常用品种。

1.2 试验设计

大田试验于2018—2020年在山西省长治市壶关县东关壁村(E113°22′，N36°19′)进行。2018—2020年旱地番茄生育期内平均降水量为367.1 mm，为典型的雨养农业区。土壤基础肥力为：有机质16.24 g/kg，全氮1.26 g/kg，有效磷8.65 mg/kg，速效钾208.95 mg/kg，碱解氮450.23 mg/kg，pH值8.22。2018年在前茬作物为旱地番茄的农田种植豆角和番茄，于当年5月30日进行移栽；2019年种植旱地番茄(LLLe)、糯玉米(LVZm)、西葫芦(LVCp)、花生(LVAh)、葱(LVAf)、秋葵(LVAe)、黄瓜(LVCs)7种作物，于当年6月1日播种玉米，其余作物进行移栽。2020年全部种植旱地番茄，于当年5月28日进行移栽。其中，以旱地番茄连续3 a进行连作为对照。试验小区面积为52 m2，小区间用田埂隔开，每个处理3次重复，随机区组排列。播种前统一撒施发酵过的鸡粪，生长过程中不追肥。不同小区管理方式相同。

1.3 测定指标及方法

1.3.1 土壤真菌多样性测定 于8月15日(番茄盛果期间)采集根际土样。每个处理随机选取5株长势相同的番茄植物，用铁锹将作物连根挖起，抖落外侧大型土块，用刷子、报纸收集附着在根系上的土壤，用镊子去除落叶、毛细根等杂物，混匀充分后将样品分成2份，其中一份放入离心管中，液氮保存、干冰寄送至上海派森诺生物科技公司，用于土壤真菌多样性的检测；另一份放入-80 ℃备用。

根据DNeasyPowerSoil Kit(QIAGEN)试剂盒说明书对土壤总DNA进行提取，利用NanoDrop2000对提取的DNA浓度和纯度进行检测；对真菌ITS1-ITS2区进行扩增。构建好高通量测序文库进行双端测序。测序结果使用QIIME等分析软件将OUT聚类与划分，开展Alpha多样性、beta多样性以及不同分类水平的群落结构统计分析。

1.3.2 旱地番茄品质指标测定 在第3穗果成熟时，选择各处理发育状况一致的果实洗净去皮，将组织研磨进行品质测定，每个处理进行3次重复。可溶性固形物、可溶性蛋白、硝酸盐、可溶性糖、有机酸、维生素C等品质指标采用常规分析法测定[13-18]，番茄红素含量委托测试机构进行测定。

1.3.3 旱地番茄产量测定 每小区选取中间2行，从旱地番茄第1穗果成熟时开始采摘，直至4～5穗果，每次收获时用电子秤称质量，计算产量。

1.4 数据处理与分析

试验数据采用Excel 2000 软件进行整理；采用SPSS 20.0 软件进行显著性分析(P<0.05)与主成分分析(Principal component analysis，PCA)。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式对后茬番茄根际土壤真菌多样性的影响

2.1.1 不同轮作模式对后茬番茄根际土壤真菌群落结构的影响 各处理土壤真菌门水平群落结构和相对含量差异较大(图1)。7个样品丰度较高的前5个门的种类分别是子囊菌门(Ascomycota)、被孢霉门(Mortierellomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、壶菌门(Chytridiomycota)与蛙粪菌门(Basidiobolomycota)，5个门的丰度占总丰度的93%以上，其中，子囊菌门在各处理含量均超过90%。芽枝霉门(Blastocladiomycota)在LVAh、LVAe中含量较高，而LVAf、LVCs中不含该菌；毛霉门(Mucoromycota)在LVAf、LVAe、LVZm中含量较高，在其余处理中含量较低；罗兹菌门(Rozellomycota)在LVZm中含量最高，而LVAh中不含该菌；捕虫霉门(Zoopagomycota)在LVAf、LLLe中未被检测到；油壶菌门(Olpidiomycota)仅在LVAe、LVZm中发现。

由图2可知，7个样品中，未知菌属占比66%～79%，其余丰度较高的10个属分别为头囊聚孢霉属(Cephaliophora)占比4.2%～10.7%；瓶毛壳属(Lophotrichus)占比1.9%～6.6%；光黑壳属(Preussia)占比1.7%～7.1%；毛葡孢属(Botryotrichum)占比1.1%～4.9%；被孢霉菌(Mortierella)占比1.1%～4.7%；沙氏壳属(Subramaniula)占比0.1%～4.4%；毛壳属(Chaetomium)占比0.1%～2.5%；镰刀菌属(Fusarium)占比0.7%～2.1%；无茎真菌属(Acaulium)占比0.2%～4.7%；帚枝霉属(Sarocladium)占比0.2%～0.9%。有研究表明，连作障碍明显的土壤中含有大量的致病真菌，根据有害真菌类群及常见病害[19]，本试验7个处理中，只筛选出茄病镰刀菌(Fusariumsolani)一种有害菌，且相对含量较低(0.002%～0.009%)，其余大部分菌属于非致病菌[20]。

图2 不同轮作模式属水平丰富度比较Fig.2 Comparative of relative abundance at genus level in different treatments

由图3可知，7个处理较为明显地分为3类，其中，LVCp单独分为一支，LVAf、LVAe、LVAh分为一支，LVCs、LVZm、LLLe为一支。由此可见，轮作不同作物对土壤真菌群落结构会产生显著影响。

2.1.2 不同轮作模式对后茬番茄根际土壤真菌多样性的影响 各样品覆盖度均大于99%，说明测序结果可靠、具有代表性；Chao1指数是用来衡量物种数量的多少，该指数由大到小依次为LVCs>LVZm>LVAh>LVAe>LLLe(CK)>LVAf>LVCp；香浓指数与辛普森指数是用来衡量物种多样性，香浓指数由大到小依次为LVAh>LVAe>LVCs > LVAf>LVZm> LLLe>LVCp，而辛普森指数由小到大依次为LVCp

图3 不同轮作模式聚类分析Fig.3 Hierarchical clustering analysis of different crop rotation patterns

表1 土壤真菌多样性指数Tab.1 Diversity index of fungi in soil

2.2 不同轮作模式对后茬旱地番茄品质的影响

由表2可知，LVCs的可溶性糖最高，较LLLe(CK)增加了0.206百分点，LVAf的可溶性糖含量最低，较LLLe(CK)降低0.036百分点；LVAf的有机酸含量最高，较LLLe(CK)增加了0.346百分点，LVZm、LVCp含量最低，较LLLe(CK)降低0.040百分点。有研究表明[21-22]，糖酸比在6.9～10.8番茄食用风味最佳。LVZm轮作模式的糖酸比最大，说明该处理口味较佳；其次是LVCp轮作模式；LVAf轮作模式糖酸比最低，口感最差。维生素C含量以LVAh、LVCs含量最低，较LLLe(CK)降低37.5%，其余模式Vc含量差异不显著。可溶性蛋白含量不同处理间没有显著差异。可溶性固形物含量以LLLe(CK)、LVCp模式最高，为6.5%，其余模式可溶性固形物含量较对照均显著降低(P<0.05)，其中，LVZm、LVAf、LVAe含量最低，均为5.0%，较LLLe(CK)降低1.5百分点。各轮作模式的番茄红素含量较LLLe(CK)均提高，其中以LVCp轮作模式增幅最大，达344.6%。硝酸盐含量最高的为LVAe，较LLLe(CK)显著增加43.3%(P<0.05)。

表2 不同轮作模式对后茬旱地番茄品质的影响Tab.2 Effect of difference rotation patterns on quality traits of dryland tomato

2.3 不同轮作模式对后茬旱地番茄产量的影响

由图4可知，旱地番茄产量由高到低为LVAe>LVCp>LVAh>LVAf>LLLe(CK)>LVZm>LVCs，其中，LVAe、LVCp与LLLe(CK)相比产量显著提高(P<0.05)；单果质量由高到低为LVCp>LLLe，LVAh>LVAf，LVAe>LVZm>LVCs，LVCp轮作模式番茄单果质量显著增加。

不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。 Different lowercase letters meant significant difference among treatments at 0.05 level.

2.4 不同轮作模式对旱地番茄品质、产量影响的综合分析

2.4.1 评价指标的选取、标准化及指标间的相关性 选取具有代表性的因子，包括旱地番茄品质因子(可溶性糖、有机酸、糖酸比、硝酸盐、Vc、可溶性蛋白、可溶性固形物、番茄红素)和旱地番茄产量因子(产量、单果质量)共10个作为主成分分析的评价指标，为保证数据的客观性与科学性，需对原始数据矩阵进行标准化处理，使选取因子在数量级和量纲上达到一致，然后对番茄品质、产量各项指标进行相关性分析，结果如表3所示。

表3结果表明，可溶性糖含量与可溶性蛋白含量显著正相关(P<0.05)，与单果质量显著负相关(P<0.05)；有机酸含量与糖酸比呈极显著负相关(P<0.01)；可溶性蛋白含量与单果质量呈极显著负相关(P<0.01)。

表3 番茄品质、产量指标相关性分析Tab.3 Correlation analysis of tomato quality and yield indexes

2.4.2 旱地番茄品质、产量主成分结果分析 由表4可知，旱地番茄品质、产量主成分分析贡献率与累积贡献率：第1个主成分的特征值是4.046，方差贡献率为40.462%，第2个主成分的特征值为2.464，方差贡献率为24.635%，第3个主成分的特征值为1.458，方差贡献率为14.581%，第4个主成分的特征值是1.263，方差贡献率为12.633%，4个主成分累积贡献率为92.311%，即这4个主成分包含总体信息的92.311%，符合分析要求。所以能够以这4个主成分来代表旱地番茄品质、产量进行性状筛选。

2.4.3 旱地番茄品质、产量综合排名综合评估 旱地番茄品质、产量综合排名从高到低为LVCp> LVAe>LLLe(CK)>LVAh>LVAf>LVZm>LVCs(表5)，其中，LVAf、LVZm、LVCs这3个处理综合得分为负数，说明这3个轮作处理降低了旱地番茄的产量与品质，是不适宜的轮作模式。

表4 主成分特征值与贡献率Tab.4 Eigenvalues and contribution rate of variance analysis

表5 不同轮作模式因子得分与综合排名Tab.5 Factor score and comprehensive ranking in different treatments

3 结论与讨论

真菌作为土壤微生物的重要组成部分，具有养分转化、有机质分解等作用。动植物残体主要依靠腐生真菌来分解，土壤真菌的多少与土壤有机质含量多少密切相关[23]。真菌多样性是判断土壤生态系统是否健康运转的前提条件。另一方面，单一作物长时间连作会使土壤板结、有害真菌数量增加、有益菌数量较少，使作物发生病害、品质下降，最终造成减产[24]。有研究表明，作物连作会影响土壤微生物的生长繁殖，使细菌和有益微生物数量减少、病原真菌数量增加[25]，导致土壤根际微生态系统失衡，造成连作障碍[26-27]。本研究中，番茄连作处理与其他处理相比，没有发现明显连作障碍现象，在8个处理中均筛选到有害菌茄病镰刀菌，且相对含量较低(0.002%～0.009%)。这可能是因为番茄连作时间为4 a，还未引起明显的连作障碍；其次可能是因为在种植过程中每年施用有机肥，可缓解连作障碍，改善土壤群落结构，减轻土传病害的发生[28]。因各处理绝大部分菌未被准确检测出来，在综合评价时未被列入微生物多样性这个因子，具体还需要进一步试验验证。受限于测序数据量、数据库不够完善等原因，使得相当一部分物种无法被准确检测出来，未来考虑采用更精准的宏基因组测序来解决这个问题。

本研究通过比较不同作物与旱地番茄轮作对土壤真菌门水平相对丰度可知，土壤真菌优势菌群为子囊菌门，在各处理中含量超过90%，与前人研究结果一致[29]；其次依次为被孢霉门、担子菌门、壶菌门与蛙粪菌门。土壤真菌的种类和比例与以往研究不相同，这可能与植物的种类、土壤条件等因素有关。有研究表明，子囊菌门具有降解可溶性土壤中有机底物的功能，推测子囊菌门在各处理含量均超过90%的原因可能与连续施用有机肥有关，施用有机肥使土壤中有机物质含量增加，进而使土壤中子囊菌门数量升高[30]。子囊菌是自然界最为丰富的真菌之一，但绝大多数子囊菌的生物学功能尚不明确，需要进一步研究其在土壤肥力和植物病害发生中的作用。

为了筛选出适宜晋东南地区最佳的轮作作物，应综合考虑后茬番茄的品质、产量等多方面因素。本研究运用主成分分析法将10个品质、产量因子的原始指标降维、提取出4个主成分，累计贡献率达92.31%。通过主成分分析法得知，不同作物与旱地番茄轮作模式的综合得分顺序为西葫芦>秋葵>旱地番茄>花生>葱>糯玉米>黄瓜。其中，轮作西葫芦得分最高，其次依次为轮作秋葵、旱地番茄连作、轮作花生，四者得分均为正值，说明轮作西葫芦、秋葵、花生以及连作旱地番茄可使番茄品质、产量保持较高的水平。轮作葱、糯玉米、黄瓜三者得分为负值，说明轮作葱、玉米、黄瓜降低了旱地番茄的品质和产量。由此可知，不同轮作模式会影响后茬作物番茄的生长和品质，考虑到长期连作必然会造成连作障碍，认为西葫芦、秋葵是较为适宜晋东南地区避免旱地番茄连作障碍的理想轮作作物。