不同农艺型措施对温室黄瓜连作土壤的改良效果

万小琪， 窦维卉， 杨 雪， 谢 洋， 张 宁， 武春成

(河北科技师范学院园艺科技学院/河北省特色园艺种质挖掘与创新利用重点实验室，河北秦皇岛 066004)

黄瓜(CucumissativusL.)是我国主要栽培的设施蔬菜，具有产量高、经济效益好的特点。但随着设施黄瓜栽培年限的增加，导致了土壤化学性质和土壤微生物环境的恶化，降低了黄瓜的产量，制约了设施黄瓜产业的持续性发展。

目前设施蔬菜连作土壤改良方面的研究较多，如采用土壤消毒，或者施入微生物菌肥、有机物料、生物炭等均能起到一定的改良效果。微生物菌肥通过微生物的生命活动，产生植株所需的特定养分，从而促进土壤中的物质转化和调控植株生长[1]。田伟等研究表明，微生物菌肥能促进植株生长，促进土壤中有益微生物的繁殖[2-4]。张玉博等研究发现，木霉菌是一类重要的生防菌[5]，能促进幼苗生长，提高植株的抗性[6-7]。生物炭能改善土壤性质和土壤微生物环境，进而促进植物生长，被广泛关注[8-9]。王彩云等研究表明，施用添加质量比为5%的生物炭能促进黄瓜植株生长，提高果实产量[10]。涂玉婷等研究发现，生物炭可通过改变土壤理化性质和微生物环境，达到促生、增产、提质的效果[11]。虽然目前该方面的研究较多，但由于不同地域环境及土壤类型，各种措施的改良效果不尽相同。本研究以课题组在其他区域设施连作土壤改良方面表现较好的4种农艺型措施为试验处理，在秦皇岛市昌黎县温室秋冬茬黄瓜上进行试验，综合分析其对黄瓜产量、土壤化学性质以及土壤微生物多样性等方面的影响，以期探索出适合当地温室黄瓜连作土壤的改良方法。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

田间试验于2020年9月至2021年3月在河北省秦皇岛市昌黎县新集镇小营村(119°10′E、39°42′N，海拔22 m)日光温室进行，试验土壤为温室连续栽培黄瓜15年的土壤，基本理化性质为pH值7.32，电导率(EC值)609.10 μS/cm，有机质含量 55.04 g/kg，碱解氮含量196 mg/kg，速效磷含量49.82 mg/kg，速效钾含量239.02 mg/kg。

1.2 试验材料

供试黄瓜品种为田骄八号，由青岛硕丰源种业有限公司培育。微生物菌肥由山东友邦肥业科技有限公司提供，有机质含量≥40%，有效活菌数≥0.20亿个/g。微生物菌剂由甘肃鸿远生物科技有限公司提供，有效活菌数≥108CFU/g。高碳堆肥由宁夏农林科学院园艺研究所提供，主要成分为柠条、鸡粪和生物炭混合发酵而成，有机质含量> 35.2%，基本理化性质为pH值6.53，EC值 7.23 μS/cm，速效磷含量269.13 mg/kg，速效钾含量2 370.36 mg/kg。生物炭以玉米秸秆为原料，由辽宁省的生物炭工程技术研究中心提供，基本性质为平均孔径 16.27 mm，粒径1.5～2.0 mm，全碳含量70.38%，全氮含量1.53%，全磷含量0.78%，全钾含量1.68%，pH值8.97。木霉菌为木霉复合粉剂，由黑龙江八一农垦大学农学院、黑龙江田利保生物科技有限公司和黑龙江牧康牧业生物有限公司提供，有效活菌数≥10亿个/g。有机肥由昌黎县嘉诚实业集团有限公司提供，主要成分为菇渣和牛粪，有机质含量>52%。

1.3 试验设计

田间试验采用随机区组设计，以每畦(每畦为1个小区，每个小区3次重复，畦长6 m，畦面宽1 m，畦间距20 cm)单施有机肥20.0 kg为对照(CK)，以课题组前期在不同区域试验过的4个农艺型改良措施为处理。(1)微生物菌肥配施有机肥(MF)：每畦微生物菌肥13.0 kg配施有机肥20.0 kg，有机肥散施深翻，与土壤混合均匀后做畦，微生物菌肥在定植时平均施入定植穴；(2)高碳堆肥配施有机肥(CF)：每畦高碳堆肥 35.0 kg 配施有机肥10.0 kg，各施入物散施深翻，与土壤混合均匀后做畦；(3)微生物菌剂配施有机肥(MA)：每畦微生物菌剂73.6 g配施有机肥 20.0 kg，有机肥散施深翻，与土壤混合均匀后做畦，微生物菌剂在定植时平均施入定植穴；(4)生物炭和木霉菌配施有机肥(BT)：每畦生物炭20.0 kg、木霉菌100 g配施有机肥20.0 kg，各施入物散施深翻，与土壤混合均匀后做畦。于2020年10月9日定植，1叶1心黄瓜靠接苗，双行定植，每畦定植46株，畦面覆盖黑色地膜，膜下铺设滴灌管，日常管理同常规。

1.4 测定项目与方法

1.4.1 土壤取样方法 于黄瓜盛瓜期(2021年1月6日)采集黄瓜根区土样，每个处理采用五点法采集0～20 cm耕层土壤。将土壤样品分别装于无菌塑料袋中，立刻带回实验室处理。一份放置在 -80 ℃ 的超低温冰箱中待测土壤微生物多样性，另一份在室内自然风干过2 mm的网筛后测定土壤化学性质。

1.4.2 小区产量测定 采用称量法定期按小区进行单独采摘，测定黄瓜质量，拉秧后统计小区总产量。

1.4.3 土壤化学性质测定 土壤pH值和EC值均用DZS-708型水质分析仪(上海雷磁公司)测定；土壤有机质含量用重铬酸钾容量-稀释热法测定；土壤碱解氮含量用碱解扩散法测定；土壤速效钾含量用醋酸铵-火焰光度计法测定；土壤速效磷含量用钼锑抗比色法测定；土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定[12-13]。

1.4.4 土壤微生物多样性测定 土壤细菌使用引物338F(A C T C C T A C G G G A G G C A G C A G)和806R(G G A C T A C H V G G G T W T C T A A T)对16S rRNA 基因 V3～V4区进行聚合酶链式反应(PCR)扩增。土壤真菌使用引物ITS1F(C T T G G T C A T T T A G A G G A A G T A A)和ITS2R(G C T G C G T T C T T C A T C G A T G C)对 ITS1F～ITS2R区进行PCR扩增，并根据上海美吉生物有限责任公司(上海)的标准方案在Illumina MiSeq 平台上进行测序，细菌和真菌高通量测序数据分析均是基于上海美吉生物医药科技有限公司提供的云服务结果进行。

1.5 数据处理

试验数据采用DPS 9.01软件中的新复极差法分析。根据操作分类单元(OTU)聚类，采用Mothur软件进行alpha多样性分析；群落组成分析基于tax_summary_a文件夹中的数据表，利用Excel 2010作表；用R语言进行层级聚类分析绘制树状图；常采用欧氏距离(Euclidean distances)进行基于距离的冗余分析(db-RDA)。

2 结果与分析

2.1 不同处理对黄瓜小区产量的影响

如图1所示，不同处理均提高了黄瓜的小区产量，表现为BT>CF>MA>MF>CK处理，其中CF和BT处理均显著高于CK，较CK分别提高了4.69%、5.94%。

2.2 不同处理对土壤化学性质的影响

由表1可知，MF处理的有机质、全氮和碱解氮含量与CK相比均显著提高；MF处理的pH值显著高于CF，MF处理的全氮含量显著高于MA和BT处理；除BT处理外，其他处理的土壤EC值均高于CK，但差异不显著；各处理间速效磷含量和速效钾含量均差异不显著。

表1 不同处理对土壤化学性质的影响

2.3 不同处理对土壤细菌和真菌群落多样性的影响

由表2可知，在细菌群落中，各处理的OTU数量和Shannon指数并无显著差异，MF处理的Simpson指数显著低于BT处理。在真菌群落中，CF处理的OTU数量显著高于其他处理和CK；除MA处理外，各处理的Shannon指数均显著高于CK，各处理的Simpson指数均显著低于CK。

表2 不同处理对土壤细菌和真菌群落的多样性分析

2.4 不同处理对土壤细菌和真菌群落结构的影响

由表3可知，对土壤细菌群落结构分析发现，不同处理改变了土壤细菌门水平的相对丰度。各处理均降低了放线菌门的相对丰度，MA处理显著提高了厚壁菌门和髌骨细菌门的相对丰度；BT处理与CK相比显著降低了放线菌门的相对丰度，显著提高了浮霉菌门的相对丰度。

表3 不同处理对土壤细菌门水平主要菌群相对丰度的影响

在属水平上，选取各处理土壤前10个相对丰度较高菌属。由表4可知，MF、MA处理与CK相比，变形菌门MND1菌属的相对丰度显著提高；各处理与CK相比，均显著提高了Dongia属的相对丰度。

表4 不同处理对土壤细菌属水平主要菌群相对丰度的影响

由表5可知，在门水平上对土壤真菌群落分析发现，MF和CF处理均显著提高了担子菌门的相对丰度；MF、CF处理与CK相比显著提高了未知真菌门的相对丰度；各处理间子囊菌门、被孢霉门和壶菌门的相对丰度差异不显著。

由表6可知，各处理均显著降低了腐质霉属的相对丰度；与CK相比，MF处理显著降低了嗜热毁丝霉属的相对丰度，显著提高了锥盖伞属的相对丰度。BT处理的曲霉属相对丰度较CK显著提高。

表5 不同处理对土壤真菌门水平主要菌群相对丰度的影响

表6 不同处理对土壤真菌属水平主要菌群相对丰度的影响

2.5 不同处理对土壤细菌和真菌群落层级聚类分析

如图2所示，土壤细菌群落门水平上，BT和MF、MA和CF分别在1个分枝，CK单独在1个分枝上。说明与CK相比，各处理改变了土壤细菌群落结构。土壤真菌门水平上，BT、CK和MA聚合在一起，MF和CF聚合在另一个分枝上，说明各处理对土壤真菌群落结构有一定的影响。

2.6 不同处理的土壤细菌和真菌群落结构对土壤化学性质的响应

如图3所示，通过冗余分析发现，影响程度排前2位的土壤环境因子依次为有机质和速效磷含量。细菌群落中AN含量与AK、OM、TN含量和EC值呈正相关，pH值与OM含量呈负相关。真菌群落中AK含量与pH值呈正相关，EC值与AP、OM含量呈正相关，AP含量和OM含量呈正相关。

3 讨论

已有研究表明微生物肥料和生物炭对连作土壤具有明显的改良作用。微生物肥料是通过其自身携带的多种有益微生物将土壤中的营养元素转化为可以被植株吸收利用的形式来促进养分吸收[14-15]，本试验结果与之相似。微生物菌肥配施有机肥施入土壤后，明显提高了速效钾含量，显著提高了有机质和碱解氮含量。研究发现生物炭施入土壤后能提高有机质含量，改善土壤的速效养分含量[16-17]。本试验中生物炭和木霉菌配施有机肥处理提高了土壤pH值、有机质和速效钾含量，降低了土壤EC值。

不同施肥处理会引起土壤化学环境的改变，从而影响微生物物种的多样性[18]。Ding等研究表明，施入有机肥能改善土壤的生物多样性[19]。本试验发现，各处理细菌群落多样性与对照相比差异明显，这可能与施肥时间、施入量有关。本试验中有机肥和微生物菌肥、高碳堆肥、微生物菌剂、生物炭、木霉菌等的施入时间较短，因此对土壤细菌群落的生物多样性产生的影响较小[20]。

本试验发现，土壤细菌群落在门水平上的主要优势菌群有变形菌门、酸杆菌门、绿弯菌门和放线菌门，这些菌群在其他植物连作土壤研究中也被认为是优势种群[21-22]。已有研究表明，酸杆菌门可以产生多种代谢物，分解难降解物质，从而促进生态系统的稳定[23-25]。在本试验中微生物菌肥配施有机肥、生物炭和木霉菌配施有机肥处理的土壤变形菌门和酸杆菌门的相对丰度较高，说明微生物菌肥和生物炭施入土壤后加速了土壤中物质的分解和代谢，提高了土壤的有机质含量，增加了作物抗病能力，促进了作物生长。放线菌门是有机质矿化的主要微生物，能在营养较低或有难降解碳的土壤中生长，促进土壤中动植物残体分解[26-28]。在本试验中生物炭和木霉菌配施有机肥处理较对照相比，显著降低了放线菌门的相对丰度，说明生物炭和木霉菌施入土壤提高了土壤养分含量增加，从而抑制了放线菌门细菌的生长。

本试验发现真菌群落门水平土壤中相对丰度最高的是子囊菌门，子囊菌门是最大的病原菌构成群体，黄瓜连作土壤中子囊菌门丰度的增加极有可能与黄瓜病害的发生有关，是黄瓜连作障碍发生的原因之一[29]。在本试验中，微生物菌肥配施有机肥(MF)处理降低了子囊菌门真菌的相对丰度，从而降低了黄瓜病害的发生。多数研究表明有机质、全氮、速效磷含量和pH值是驱动温室黄瓜连作土壤细菌和真菌群落结构变化的环境因子[30-31]，本试验发现在细菌群落和真菌群落在所选环境因子中，有机质含量的解释度最高，其次是速效磷含量。

4 结论

微生物菌肥配施有机肥处理提高了土壤pH值、EC值、有机质、全氮、碱解氮和速效钾含量；生物炭和木霉菌配施有机肥处理提高了土壤pH值、有机质和速效钾含量，降低了土壤EC值。土壤细菌群落门水平下，微生物菌肥配施有机肥处理提高了变形菌门的相对丰度；生物炭和木霉菌配施有机肥处理提高了酸杆菌门的相对丰度，显著降低了放线菌门的相对丰度。土壤真菌门水平下微生物菌肥配施有机肥处理降低了子囊菌门的相对丰度。由于不同处理对土壤化学性质的改良和土壤微生物环境条件的改善，从而促进黄瓜产量的提高。通过冗余分析，本试验发现有机质和速效磷含量是影响温室黄瓜连作土壤微生物群落结构变化的主要环境因子。综合分析认为，微生物菌肥配施有机肥和生物炭、木霉菌配施有机肥处理更有利于改善土壤化学性质和土壤微生物环境，促进黄瓜的生长和产量的提高。