夏季种植甜玉米及秸秆还田对设施番茄土壤微生物区系的影响

赵小翠 刘朋朋 王 倩 王敬国 陈 清*

（1中国农业大学农学与生物技术学院，北京 100193；2中国农业大学资源与环境学院，北京100193）

常年连作栽培引起的设施番茄土壤生物学障碍和高投入普遍引起的土壤化学性质改变，导致土壤微生物多样性降低，土壤质量下降，严重影响蔬菜根系生长及对养分的吸收利用，限制设施番茄可持续发展（蔡桂荣和孙爱武，2007；Duong & Marschner，2009；王敬国 等，2011）。目前多数研究者认为，土壤微生物变化导致的土壤微生态系统失衡是土壤质量下降的主要原因之一，是预测土壤质量变化的敏感指标（阮维斌 等，1999；Harris，2003；王敬国 等，2011）。Buyer等（2010）研究认为，农业管理措施对土壤微生物的调节效果要比简单的环境因素效果好，填闲作物根茬及根系分泌物不仅为微生物提供丰富的碳源，而且可通过刺激下茬作物根系分泌物和凋落物分解，间接影响土壤微生物多样性（朱丽霞 等，2003）。张雪艳等（2009）在一年两季设施黄瓜研究中发现，夏季种植填闲作物青蒜或普通白菜（小白菜）均明显增加土壤微生物量碳和微生物量氮含量。李元等（2008）研究夏季填闲作物对微生物特性的影响也得到相似结果。秸秆还田不仅可以增加土壤有机碳含量和 C/N比，而且还可以改善土壤物理性状，通过促进植物生长刺激根系分泌与凋落物分解，间接影响微生物群落结构和多样性（Kanchikerimath& Singh，2001；吕卫光 等，2006；刘娟 等，2011）。

本试验以连作现象较普遍的设施番茄（Lycopersicon esculentumMill.）为研究对象，依据我国北方设施果菜种植体系，利用夏季2～3个月的休闲期种植填闲玉米并在下茬将其残茬还田，通过填闲轮作及秸秆还田技术增加土壤碳源输入，以期改善土壤微生物区系，为减缓连作障碍、促进连作土壤修复的应用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验于2010年2月～2011年2月在北京市昌平区金六环农业园加温温室（N 40°10′56.36 ″，E 116°15′52.52 ″）内进行，供试温室长50 m，跨度8 m，实际的种植面积为（45×5.0）m2。蔬菜种植方式为一年两茬，即2～6月为冬春茬番茄，9月～翌年1月为秋冬茬番茄，6月底～9月初进行夏季休闲/填闲处理。

供试温室土壤为砂壤土，试验前耕层（0～30 cm）土壤容重为1 300 kg·m-3，有机质含量28.2 g·kg-1，全氮 1.61 g·kg-1，有效磷 134 mg·kg-1，速效钾 210 mg·kg-1，pH 值 6.41。

1.2 试验设计

供试番茄品种为仙客6号，每667 m2栽培2 467株；甜玉米品种为天紫22号，每667 m2栽培3 707株。

试验在 2008～2010年设施番茄水肥管理及填闲试验（姜春光，2009；赵小翠 等，2010）的基础上，选用膜下滴灌裂区优化施肥进行2个处理，即填闲处理和休闲处理，3次重复。

休闲处理：栽培方式为冬春茬番茄—夏季休闲—秋冬茬番茄，两茬番茄灌溉方式都采用膜下滴灌，灌溉量依据设施番茄冠层蒸发量进行，即每次灌水量为上一次灌水至此次灌水前的冠层累积蒸发量；基肥施用均为1 333 kg·（667 m2）-1商品鸡粪和49 kg·（667 m2）-1生物有机肥，追肥依据土壤养分含量和目标产量，参照《中国主要作物施肥指南》进行（张福锁等，2009）。

填闲处理：栽培方式为冬春茬番茄—夏季甜玉米—秋冬茬番茄，其他管理措施与休闲处理相同，夏季种植甜玉米期间不进行水肥管理，甜玉米收获后将鲜茎叶粉碎成2～4 cm的小段还田。

秋冬茬番茄水肥及外源碳投入情况：休闲处理，氮肥（有机肥+化肥）17.7 kg·（667 m2）-1，P2O59.9 kg·（667 m2）-1，K2O 33.9 kg·（667 m2）-1，外源碳（有机肥）264 kg·（667 m2）-1；填闲处理，氮肥与休闲处理相同，外源碳在休闲处理的基础上添加秸秆95.9 kg·（667 m2）-1。商品鸡粪碳含量为19.8%，玉米秸秆碳含量为43.6%。两处理灌水量均为93.4 m3·（667 m2）-1。

1.3 样品采集与处理

土壤样品采集：在秋冬茬番茄定植前、初花期、坐果期、盛果期和拉秧时，在温室内采集0～30 cm土层土样，每个小区于处理行两株番茄中间取4钻，过2 mm筛混匀，十字法取30 g左右，充分冷冻24 h，放入冷冻干燥机冷冻干燥24 h（温度-56 ℃，真空度1.0 Pa），冷冻结束后去除土样密封，放入干燥器中保存待测。

1.4 土壤微生物群落结构测定方法

参照Frostegard等（1991）的方法并适当改进（李一丹，2009；郭中元，2010），应用磷脂脂肪酸谱图分析法测定土壤微生物各类PLFAs含量。

1.5 数据分析

数据整理采用Excel（2003）软件，主成分分析采用Canoco for Windows（4.5）软件，显著性分析采用 SAS（6.0）软件。试验数据取平均值，构建以 PLFA生物标记类群为样本，以不同氮素管理方法为指标的数据阵，应用SPSS软件进行PLFA生物标记数量结构分析。PLFA生物标记生态学参数分析参照马克平（1994）的方法，计算 Shannon-Wienner多样性指数（H）和Pielou均匀度（J）。

式中Pi=Ni/N，Ni为处理i的PLFA个数，N为该试验中总的PLFA个数。

式中S为微生物群落中PLFA生物标记出现的频次（S），即丰富度。

2 结果与分析

2.1 夏季填闲玉米并秸秆还田对设施番茄产量的影响

经统计，填闲处理夏季甜玉米产量为366.7 kg·（667 m2）-1，收获后的甜玉米鲜茎叶粉碎成 2～4 cm的小段还田，秋冬茬还田的秸秆量为 1 980 kg·（667 m2）-1，折合干质量 220 kg·（667 m2）-1。2010年秋冬季由于气温、病害等原因，在生产中番茄仅留3～4穗果，产量为1 828～2 989 kg·（667 m2）-1，填闲与休闲处理平均产量分别为2 478 kg·（667 m2）-1和2 488 kg·（667 m2）-1，二者之间无显著差异，种植填闲玉米及秸秆还田没有显著增加番茄产量。

2.2 不同生育期土壤微生物总PLFAs含量的变化

各处理土壤微生物总 PLFAs含量表示该处理的微生物量，不同生育期各处理土壤微生物总 PLFAs含量测定结果如图1所示。两处理土壤微生物总 PLFAs含量在不同时期都呈现初花期和盛果期含量较高，其余时期稍低。对当季设施环境分析发现，坐果期采样前4 d温度骤然下降（15 cm土层温度下降 2～17℃），可能是导致坐果期土壤微生物总 PLFAs含量下降的主要原因。

各时期填闲处理土壤微生物总 PLFAs含量均高于休闲期，但仅在初花期二者差异显著。表明夏季种植填闲玉米及秸秆还田对土壤微生物总PLFAs含量有增加的作用，且在番茄生长前期作用较显著。

图1 各生育期土壤微生物总PLFAs含量的变化

2.3 不同生育期土壤真菌与细菌PLFAs含量、相对含量及比值的变化

不同时期土壤细菌PLFAs含量变化趋势与土壤微生物总PLFAs含量变化趋势一致（图2），细菌 PLFAs含量占总量的 72.1%～88.4%，细菌 PLFAs相对含量在坐果期前呈增长趋势，然后下降，坐果期细菌PLFAs相对含量最高；土壤真菌PLFAs含量在坐果期前呈现下降的趋势，然后增长，其相对含量变化趋势与其含量变化相同，与细菌变化相反，细菌PLFAs含量对微生物总PLFAs含量的影响作用更大。各时期填闲处理细菌和真菌PLFAs含量也高于休闲处理，而且也仅在初花期差异显著。

图2 各生育期土壤细菌、真菌PLFAs含量及其相对含量的变化

F/B值变化趋势与真菌PLFAs含量和相对含量变化趋势一致，真菌PLFAs含量对F/B值的影响作用更大。不同时期填闲与休闲处理间F/B比值均无显著差异。

2.4 不同生育期土壤微生物主成分分析

对不同时期各处理PLFAs进行主成分分析（图3），定植前填闲处理位于休闲处理左下侧，在第 1主成分（PC1）和第 2主成分（PC2）上代表细菌的 12∶0、14∶0、15∶0、16∶0和代表真菌的 18：19c，及代表细菌的 14∶0、15∶0、16∶19、17∶0、20∶0和代表真菌的 18∶19c含量较高；初花期填闲处理位于休闲处理右上方，除代表细菌的16∶19、16∶0和20∶0以外的其他9种PLFAs，以及除16∶0以外的11种PLFAs含量较高；坐果期填闲处理位于休闲处理的下方，PC2中全部12种PLFAs含量较高，PC1上无变异；盛果期填闲处理位于休闲处理右侧，PC1中除代表细菌的13∶0以外的11种PLFAs含量较高，PC2上无变异；拉秧后填闲处理与休闲处理在PC1和PC2上都比较接近，微生物群落结构无较大变异。

不同时期填闲处理对微生物群落结构在不同主成分上都有明显的改变，尤其是初花期、坐果期和盛果期，填闲及秸秆还田都能改善设施番茄土壤微生物群落结构。

2.5 不同生育期土壤微生物多样性指数和均匀度变化

Shannon-Wienner多样性指数和Pielou均匀度可作为评价微生物群落PLFAs多样性的指标。由表1可见，填闲处理微生物多样性指数在初花期稍有下降，后上升并处于相对稳定的水平；休闲处理微生物多样性指数在坐果期前持续下降，坐果期后上升；在盛果期和拉秧期两处理微生物多样性指数都趋于一个相对的稳定水平。不同生育期各处理微生物Pielou均匀度变化与微生物多样性指数变化完全一致，至盛果期和拉秧期两个处理都趋于稳定水平。

填闲处理多样性指数和均匀度均在坐果期显著高于休闲处理，说明夏季种植填闲甜玉米并秸秆还田可明显改善土壤微生物群落结构，这可能是秸秆分解作用的结果。

图3 各生育期微生物PLFAs主成分分析

表1 各生育期微生物群落多样性指数和Pielou均匀度的变化

3 结论与讨论

种植填闲玉米并秸秆还田对下一茬土壤微生物群落结构的影响可能会受到填闲玉米根系活动和鲜玉米秸秆还田后的双重效应。本试验结果中，种植填闲甜玉米并秸秆还田后，秋冬茬番茄土壤微生物量及种群PLFAs含量都得到提高，尤其在番茄生长前期效果显著，这可能是由两方面原因造成的。一方面，填闲玉米根系分泌物在番茄生长前期为土壤微生物提供丰富的碳源、能源及营养物质，而随着时间推移，根系分泌物被利用完，效果减弱。Bolinder等（1999）收集总结文献数据发现，玉米地下部碳（包括根系本身降解和碳淀积物）要比地上部转化为土壤有机质的比例要高 2.1～3.9倍，地下部转化为有机质的比例占到 16%～30%。齐鑫（2008）对露地夏玉米根系淀积研究发现，夏玉米一个生长季进入土壤中的碳淀积量达26 kg·（667 m2）-1，可见填闲玉米的种植可通过根系活动增加土壤碳源的输入，为微生物提供可利用碳源和营养，促进土壤微生物的生长和繁殖。另一方面，还田的鲜玉米秸秆在前期迅速降解，同样为微生物提供丰富的碳源、能源和营养物质，促进土壤微生物的生长和繁殖。秸秆还田对微生物的影响与其分解速率也有关，虽然大多数研究（丁雪丽 等，2008；Division & Water，2011）认为秸秆分解基本在20 d后便进入缓慢分解阶段，对微生物的营养和能源供应能力有限，但这些研究基本都是将干秸秆粉碎至2～5 mm，甚至更小，并且是在室内进行的培养试验，而本试验是在田间进行的秸秆还田，秸秆长度为2～4 cm，由于新鲜秸秆含有较多易分解的碳水化合物，较易分解供微生物生长和繁殖，因此填闲玉米鲜秸秆还田在番茄初花期显著地增加微生物总PLFAs含量、细菌和真菌 PLFAs含量，而且在坐果期也达到显著增加土壤微生物群落结构多样性的效果。

因此，填闲模式不仅可以增加土壤微生物量，改善微生物群落结构，丰富微生物多样性，尤其是在前期的作用较显著，有利于促进苗期生长，防治或减轻苗期病害发生，且前期研究（郭瑞英，2007；姜春光，2009；赵小翠 等，2010）也认为填闲玉米还可以有效降低土壤氮素累积与损失风险，降低资源浪费和环境污染。合理的利用休闲期，可以提高农民的经济效益，在我国具有较好的应用前景。

蔡桂荣，孙爱武.2007.设施蔬菜连作障碍的发生机制及防治措施.吉林蔬菜，（3）：46-49.

丁雪丽，何红波，李小波，白震，解宏图，张旭东.2008.不同供氮水平对玉米秸秆降解初期碳素矿化及微生物量的影响.土壤通报，3（4）：784-788.

郭瑞英.2007.设施黄瓜根层氮素调控及夏季种植填闲作物阻控氮素损失研究〔博士论文〕.北京：中国农业大学.

郭中元.2010.连作大豆根际微生物与大豆异黄酮间的相互作用〔硕士论文〕.北京：中国农业大学.

姜春光.2009.水肥投入及轮作糯玉米对周年设施番茄养分利用的影响〔硕士论文〕.北京：中国农业大学.

李一丹.2009.设施番茄不同管理措施对土壤微生物群落结构的影响〔硕士论文〕.北京：中国农业大学.

李元，司力珊，张雪艳，田永强，郭瑞英，任华中，高丽红.2008.填闲作物对日光温室土壤环境作用效果比较研究.农业工程学报，24（1）：224-229.

刘娟，田永强，高丽红.2011.夏季填闲作物及秸秆还田对日光温室黄瓜连作土壤养分和微生物的影响.中国蔬菜，（8）：12-16.

吕卫光，杨广超，沈其荣，张春兰，诸海焘，余廷园.2006.有机肥对连作西瓜生长和土壤微生物区系的影响.上海农业学报，22（4）：96-98.

马克平.1994.生物多样性的测度方法.北京：中国科学技术出版社.

齐鑫.2008.作物根系碳淀积的定量研究及其与土壤氮素水平的关系〔博士论文〕.北京：中国农业大学.

阮维斌，王敬国，张福锁，申建波.1999.根际微生态系统理论在连作障碍中的应用.中国农业科技导报，1（4）：53-58.

王敬国，陈清，林杉.2011.设施菜田退化土壤修复与资源高效利用.北京：中国农业大学出版社.

张福锁，陈新平，陈清.2009.中国主要作物施肥指南.北京：中国农业大学出版社.

张雪艳，刘军，田永强，郭文忠，高丽红.2009.不同栽培制度温室土壤养分和微生物群落的动态变化.中国农业科学，42（11）：3972-3979.

赵小翠，姜春光，袁会敏，陈清，王倩.2010.夏季种植甜玉米减少果类菜田土壤氮素损失的效果.北方园艺，（15）：194-196.

朱丽霞，章家恩，刘文高.2003.根系分泌物与根际微生物相互作用研究综述.生态环境，12（1）：102-105.

Bolinder M A，Angers D A，Giroux M，Laverdière M R.1999.Estimating C inputs retained as soil organic matter from corn（Zea maysL.）.Plant and Soil，215：85-91.

Buyer J S，Teasdle J R，Roberts D P，Zasada I A，Maul J E.2010.Factors affecting soil microbial community structure in tomato cropping systems.Soil Biology & Biochemistry，42（5）：831-841.

Division S，Water M.2011.Tracing the source and fate of dissolved organic matter in soil after incorporation of a13C labeled residue：a batch incubation study.Soil Biology & Biochemistry，43：513-519.

Duong T，Marschner P.2009.Frequent addition of wheat straw residues to soil enhances carbon mineralization rate.Soil biology & biochemistry，41（7）：1475-1482.

Frostegard A，Tunlid A，Baath E.1991.Microbial biomass measured as total lipid phosphate in soils of different organic content.Journal of Microbiological Methods，14：151-163.

Harris J A.2003.Measurements of the soil microbial community for estimating the success of restoration.Eur J Soil Sci，54：801-808.

Kanchikerimath M，Singh D.2001.Soil organic matter and biological properties after 26 years of maize-wheat-cowpea cropping as affected by manure and fertilization in a Cambisol in semiarid region of India.Agriculture Ecosystem & Environment，86（2）：155-162.