不同种植年限生姜土壤质量变化规律

唐宁, 吕健飞, 谢奇玕, 胡静, 高娜, 黄晓磊, 陈德, 叶雪珠*

(1.浙江省农业科学院 农产品质量安全与营养研究所, 浙江 杭州 310021; 2.武义县粮油技术推广站, 浙江 金华 321000)

生姜是我国重要特色蔬菜之一, 其根茎肥大、养分丰富, 具有抗氧化、抗炎、抗血栓形成和抗动脉粥样硬化、降血脂和降低胆固醇作用, 嫩姜是人们喜食蔬菜之一[1-3]。生姜产地广泛, 我国大部分地区均有出产, 浙江、四川、山东栽培较为普遍[4-5]。然而生姜以设施蔬菜栽培为主, 随着连年种植和多年的避雨栽培, 已经引起了生姜设施土壤酸化、盐渍化、保肥能力下降, 生姜产量和品质下降等问题, 优质的土壤是生姜提高产量和品质的基础。有研究表明[6], 连作可以短时间内提高经济效益, 满足日益增长的农产品需求, 但长期连作会导致土壤加速退化、作物减产以及对土壤内微生物结构的平衡造成破坏, 不利于土壤的可持续发展。近年来, 对于不同种植年限土壤和生姜的质量变化的研究较少, 为提高资源利用, 考虑经济效益提升, 本研究选取了武义县生姜种植区不同种植年限的大棚进行土壤理化指标和生姜品质的比较, 探索长期种植下对土壤和生姜的质量影响规律, 以期为促进农业可持续高质量发展提供思路和技术。

1 材料与方法

1.1 样品采集

在浙江省武义县生姜基地采集种植2 a、6 a 和10 a 生姜和对应的土壤样品, 样品编号分别为WY2a、WY6a、WY10a。于生姜根茎膨大采收期采集样品, 每个点采集3 个平行样品。土壤样品取深度0～20 cm, 采集5～6 点, 混合成一个样品, 从中先取部分装入自封袋, 立即冷藏, 用于测土壤微生物, 其他土壤样品取回后风干, 研磨过0.50(10 目)、0.25 (60 目) 和0.15 mm (100 目),用于测土壤其他理化性质和重金属含量。采收回来的生姜清洗干净, 用无污染纱布擦干或晾干, 匀浆待测。

1.2 样品理化指标分析

土壤样品理化性质和重金属全量的测定按照鲁如坤[7]推荐的方法。pH 值按土液比1 ∶2.5 (m/V), pH 计 (PHS-3C, 上海雷磁) 测定, 土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法测定, 电导率采用电导率仪法, 水溶性盐分按水土比5 ∶1 烘干残渣法,Na、K、Ca、Mg 采用X 射线荧光仪法; 土壤Cd、Pb、Cr、Cu、Zn 和 Ni 采 用H2SO4-HClO4-HF 消解, 等 离 子 体 质 谱 仪 ( ICP-MS, X-series 2,Thermo Fisher Scientifc Inc., USA) 测定, Hg、As采用王水消解原子荧光仪测定。每批样品检测时带有 2 个空白和国家标准物质 GBW10048 和GBW07405、GBW07412 进行质量控制。

1.3 土壤微生物分析

采用E.Z.N.A.®土壤DNA 试剂盒 (美国Omega Biotek 公司) 提取DNA。使用琼脂糖凝胶电泳进行DNA 质量测定, NanoDrop ND-1000 进行DNA 数量测定。

16S rRNA 基因扩增选用V4 区域515F (5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′) 和 806R( 5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′) 引物扩增试验。反应步骤: 预变性98 ℃ 30 s; 变性98 ℃ 15 s, 退火58 ℃ 15 s, 延伸72 ℃ 15 s, 25 个循环; 终延伸72 ℃ 1 min, PCR 产物采用Agencourt AM (Beckman Coulter, Indianapolis, IN) 纯 化, PicoGreen DNA检测试剂盒 (Invitrogen, Carlsbad, CA, USA) 量化。定量后 使 用 Illlumina HiSeq 2000 平 台 双 末 端(pair-end) 2×150 bp 进行测序。

根据Barcode 序列和引物序列从原始数据中拆分各个样本的数据。截去Barcode 和引物序列后使用Vsearch v2.4.4 对每个样品的reads 进行拼接,得到原始Tags 数据 (Raw Tags)。同时对序列质量进行质控和过滤。筛选低质量序列的标准是: 序列小于150 bp, 平均质量值低于20, 含有不明确碱基的序列, 以及含有>8 bp 的单核苷酸重复序列,去除嵌合体序列, 得到最终有效数据 (Effective Tags)。

使用Vsearch v2.4.4 对有效数据按照97%相似性进行操作分类单元 (operational taxonomic unit,OTU) 聚类, 用于后续数据分析。使用Qiime 软件(v1.8.0) 计 算 α 多 样 性 指 数, R 软 件 ( V 2.15.3) 绘制PCA 图。筛选相对丰度> 1%的属,绘制物种分布直方图和丰度组成热图。

1.4 数据统计分析

相关数据的统计分析通过 Excel 2016 软件完成。

2 结果与讨论

2.1 不同种植年限土壤理化指标变化分析

不同种植年份土壤pH 值、有机质含量、电导率和盐分含量变化见表1。结果表明, 生姜连续种植2 a、6 a、10 a 土壤中pH 值有下降趋势, 种植年限6 a、10 a 比2 a 土壤中pH 值降低了0.26 和0.27。分析原因, 生姜连年种植, 农户使用的肥料强度较大, 可能导致土壤酸化, 这与前人的研究一致, 在陈晓婷等[8]的研究中, 百香果连作3 a 后,土壤的pH 值从5.89 下降到4.16, 导致百香果对养分的吸收利用率下降, 影响其生长。土壤电导率随着种植年份增长增加明显, 种植10 a 土壤电导率分别是2 a 和6 a 的2.63 倍和1.45 倍, 种植6 a是2 a 的1.81 倍。电导率含量反映了土壤中水溶性盐含量, 为此, 进一步分析了土壤中水溶性盐含量, 发现种植2 a 的土壤水溶性盐含量为0.8 g·kg-1, 到6、10 a 分别增 加到1.7 g·kg-1和2.7 g·kg-1, 可见, 种植年份增加土壤的盐分含量也增加。具体分析水溶性盐主要离子成分, 发现土壤中Na+、K+、Ca2+、Mg2+离子均有明显变化, 见图1, 种植10 a 土壤中Na+、K+、Ca2+、Mg2+含量显著增加。究其原因, 可能是在设施栽培条件下, 大量肥料的投入, 土壤盐类缺少雨水淋洗, 同时地表温度较高, 土壤毛细管蒸腾作用较强, 导致了耕层土壤盐分的聚集[9]。土壤水溶性盐是判定土壤中盐类离子是否限制作物生长的重要因素[10], 掌握盐分动态对拟订改良措施具有十分重要的意义。因农户每年施用有机肥作底肥, 不同年份土壤有机质含量差异不大。

图1 不同种植年限土壤水溶性盐分含量变化趋势

表1 不同种植年份土壤理化指标含量变化

2.2 不同种植年限土壤重金属含量变化分析

生姜连续种植土壤重金属含量变化见图2。土壤铜和锌有明显增加趋势, 在种植6 a、10 a 含量均达到显著增加水平, 镍和砷含量在种植10 a 时也有显著增加, 而镉、铬、铅、汞含量增加不明显。分析原因, 因生姜连续种植, 农户每年均施入有机肥, 有机肥中含有重金属, 如果质量未作控制, 容易造成土壤中重金属成分的增加, 尤其是铜和, 在邓红的研究中有类似的结果, 石河子垦区长年种植棉花, 且棉花施肥量大, 磷肥施入土壤后易被固定吸附, 使得耕层土壤中磷的残留量逐年累积。

图2 不同种植年限土壤重金属含量变化趋势

2.3 不同种植年限对土壤微生物影响

对于不同种植年限土壤中细菌菌群进行α 多样性指数分析, 通过主成分分析 (PCA) 揭示细菌群落组成与结构的变化规律。结果表明 (表2),物种丰富度趋势是WY2a 略高于WY6a, 但差异不显著, WY2a 和WY6a 的物种丰富度均明显高于WY10a, 主成分分析PCA 图说明, WY2a、WY6a、WY10a 之间物种存在显著差异 (图3)。说明大棚生姜连作年限增加, 土壤细菌种类和数量都呈现减少趋势, 与已有研究结果表现一致[13], 可见生姜连作会导致土壤微生物朝着有害方向发展, 成为了生姜连作障碍的主要原因之一。

图3 不同种植年限组间物种差异性PCA 图

表2 不同种植年份土壤微生物α 多样性指数

通过不同种植年限菌种丰度比较, 随着种植时间增 加, 酸 杆 菌 (Acidobacteriales)、芽 单 胞 菌(Gemmatimonadaceae)、罗河杆菌 (Rhodanobacter)的丰度呈现逐渐下降的趋势, 而分枝杆菌(Mycobacterium)、弧菌 (Vibrionimonas) 的丰度呈现逐渐上升的趋势。结果见图4。通过冗余分析(RDA) 来探讨影响细菌群落的主要驱动因子, 图5 可以看出, 种植10 a 的土壤微生物群落改变比较大主要是受电导率、可溶性盐、有机质、K、S、Na 等因素影响。

图4 不同种植年限微生物菌群组成

图5 不同种植年限环境因子RDA 分析

2.4 不同种植年限生姜质量影响分析

连续种植生姜中微量元素变化不明显, 其中Ca和K 在种植10 a 分别增加15%和16%, 而Mg 含量有所降低, 降低28%, 生姜蛋白质 (Pr)、总糖 (Ts)含量差异不明显(图6)。不同种植年限对生姜重金属含量影响见图7。随着种植时间增长, 生姜的Cr 有吸收增加的趋势, 种植6 a、10 a 生姜Cr 含量分别增加57%和105%, 其他重金属含量影响不明显。

图6 不同种植年限生姜微量元素和品质含量变化

图7 不同种植年限生姜重金属含量变化

3 结论

大棚生姜不同种植年限土壤质量发生变化。随种植时间增长土壤pH 值下降, 种植10 a 比2 a 降低了0.27, 土壤电导率、盐分含量则随着种植年限增长明显增加, 可见长期大棚连作土壤质量有下降的趋势[14]。种植年限也带来土壤重金属含量的变化, 其中Cu 和Zn 明显增加, 种植6 a 和10 a 较种植2 a 含量差异达到显著水平, Ni 和As 含量在种植10 a 时也有显著增加, 可能与农户每年施入有机肥相关, 如有机肥质量未作控制易造成土壤重金属增加[15]。土壤微生物多样性分析表明, 随着种植年限增加物种丰富度有降低趋势, 且物种存在显著差异, 微生物群落变化与电导率、可溶性盐、有机质、K、S、Na 等环境因子相关。连续种植生姜中蛋白质、总糖含量和微量元素变化不明显。