水稻冬闲田栽培元胡试验

冯林，石庆胜，陆中华，马美兰，厉永强，姜娟萍，陈卫良*，毛碧增*

(1.浙江大学 农业与生物技术学院，浙江 杭州 310058； 2.浙江省农技推广中心，浙江 杭州 310058；3.东阳市农业科学研究所，浙江 东阳 322100)

土壤微生物是土壤生态系统中库和流的重要枢纽，作为土壤物质转化和能量流动的主要推动者，可合成、分解有机质，并积极参与氮、磷、钾和碳等养分循环，在一定程度上反映土壤的肥力状况，从而对地表植被的生长产生影响[1-3]。土壤微生物以正反馈或负反馈的形式作用于地上植物群落，而土壤理化性质、地形和季节等条件与土壤微生物的数量和分布密切相关，保持土壤微生物的多样性对提高土壤质量、促进作物生长发育及保护农田生态环境具有重要意义[4]。外界因素(如不同作物轮作换茬、轮作年限)对土壤微生物和理化性质的影响十分明显，是当前研究的热点问题之一。

不同作物不同区系会形成不同的土壤微生物群落，通过换茬种植可有效丰富根际微生物种群，改良土壤环境[5]。目前，水稻-油菜轮作、水稻-小麦轮作、玉米-大豆轮作换茬等模式研究广泛，然而与中药材换茬种植研究对土壤微生物和理化性质的影响还较少。元胡(Corydalisyanhusuo)是浙江省道地药材“浙八味”之一，具有活血、行气、止痛之功效[6]。在元胡主产区浙江省东阳市农业科学研究所试验基地研究元胡种植对水稻冬闲田土壤微生物数量、生物量和土壤理化性质的影响，完善水稻与中药材换茬种植的科学模式。

1 材料与方法

1.1 供试材料

试验地位于浙江省东阳市农业科学研究所的试验基地(28°59′～29°30′N、120°05′～120° 44′E)，属亚热带季风气候区，多年平均年降雨量1 351 mm，年日照2 002 h，年平均气温17 ℃，土壤为水稻土。

1.2 处理设计

水稻收割后，翻耕整地，设12垄，每垄田长6 m，宽5 m。对照1(CK1)为水稻收获田块翻耕后的土样(2017年10月24日收集)；处理(YH)为随机选取其中9垄后茬种植元胡的土样(2018年5月2日收集)；对照2(CK2)为水稻收获田块翻耕后茬空闲的土样(2018年5月2日取的土样)。采用“S”形取样法，在垄中定5点采集0～20 cm的土层土壤，用灭菌镊子去除植物根系、石砾等杂物，将土样收集于无菌封口袋中，密封置于冰袋上带回实验室，测定土壤微生物数量、土壤微生物种类、土壤微生物生物量和理化性质。

1.3 测定方法

1.3.1 微生物分离与计数

土壤细菌用LB培养基、真菌用PDA培养基培养，采用传统的微生物平板计数法分离与测定微生物数量[7]。

1.3.2 微生物鉴定

细菌鉴定。采用Ezup柱式细菌基因组DNA抽提试剂盒提取DNA；采用通用引物519F(CAGCMGCCGCGGTAATWC)和907R(CCGTCAA TTCMTTTRAGTTT)扩增16S rDNA基因的 V4-V5区；PCR扩增体系为50 mL，包括25 mL的 Master Mix酶，各2 mL的正反向引物，1 mL DNA 模板，20 mL ddH2O；扩增条件为95 ℃预变性3 min，95 ℃变性45 s，56 ℃退火45 s，72 ℃延伸 60 s，35个循环，最后72 ℃扩增7 min。采用1%琼脂糖凝胶电泳检测扩增产物；扩增产物送北京擎科新业生物技术有限公司测序，采用Blast比对序列确定菌属。

真菌鉴定。采用UNIQ-10柱式真菌基因组DNA抽提试剂盒提取DNA；采用通用ITS4(TCCTCCGCTTATTGATATGC)和ITS6(GAAGGT GAAGTCGTAACAAGG)扩增真菌18SrRNA基因；PCR扩增体系为25 mL，包括13 mL Master Mix酶，正反向引物各1 mL，1 mL DNA模板，9 mL ddH2O；扩增条件为94 ℃预变性5 min，94 ℃变性30 s，53 ℃退火30 s，72 ℃延伸2 min，35个循环，最后72 ℃扩增10 min。采用0.8%琼脂糖凝胶电泳检测扩增产物送北京擎科新业生物技术有限公司测序，采用Blast比对序列确定菌属。

1.3.3 土壤理化性质测定

土壤全氮含量测定参照标准NY/T 53-1987，全磷含量测定参照标准NY/T 88-1988，全钾测定参照标准NY/T 87-1988。土壤有机碳采用重铬酸钾外加热法测定；碱解氮测定采用碱解扩散法；有效磷测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法；速效钾测定采用火焰光度计法。土壤微生物量碳氮采用氯仿熏蒸法，用K2Cr2O7氧化法测碳、靛酚蓝比色法测氮[8]。

1.4 数据处理

采用Excel 2016软件整理试验数据，SPSS 20.0 进行数据分析。

2 结果与分析

2.1 土壤微生物数量

分别对水稻收获田块翻耕后的土样(CK1)、水稻收获田块翻耕后茬空闲的土样(CK2)和水稻收获田块翻耕后茬种植元胡的土样(YH)进行微生物分离研究。

由表1可见，与CK1相比，CK2和YH细菌数量分别降低64.6%和76.9%，降低差异显著；CK2和YH放线菌数量分别提高518.4%和812.2%，提高差异显著；与CK2相比，YH细菌数量降低35.1%，放线菌数量提高47.66%，差异不显著。

表1 种植元胡对土壤微生物数量的影响

注：同列数据后无相同小写字母表示组间差异显著(P<0.05)。表2～3同。

2.2 土壤微生物种类

从CK1中分离得到14株细菌和18株真菌，经分子生物学鉴定，14株细菌分别为芽孢杆菌属、假单胞菌属、沙雷氏菌属、寡养单胞菌属、葡萄球菌属、产碱杆菌属等6个属；18株真菌分别为青霉菌属、木霉菌属、镰刀菌属、踝节菌属、栓菌属、曲霉菌属、毛霉菌属等7个属。从CK2中分离得到16株细菌和11株真菌，经分子生物学鉴定，16株细菌分别为芽孢杆菌属、地杆菌属、鞘氨醇杆菌属等3个属；11株真菌分别为青霉菌属、踝节菌属、木霉菌属、梭孢壳属等4个属。从YH中分离得到25株细菌和18株真菌，经分子生物学鉴定，25株细菌分别为芽孢杆菌属、梭形杆菌属、金黄杆菌属、链霉菌属等4个属，18株真菌分别为青霉菌属、木霉菌属、踝节菌属、赤霉菌属、毛霉菌属等5个属。部分菌株形态见图1。

图1 部分菌落的形态

2.3 土壤基本理化性质

元胡种植以后，对土壤全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷、速效钾等土壤基本理化性质的影响见表2，对土壤微生物碳氮的影响见表3。

表2 种植元胡对土壤氮、磷、钾的影响

土壤是各种有机、无机和矿物元素的混合体，土壤中碳、氮、磷和钾含量代表着土壤的肥力水平[9]。如表2可知，与CK1相比，CK2土壤全氮、全磷、速效钾、有机碳和有机质含量降低，其中全氮、有机碳和有机质含量降低达到显著性水平，全钾、碱解氮和速效磷含量升高，其中速效磷含量升高达到显著性水平；YH土壤全氮、全磷、碱解氮、速效钾、有机碳和有机质含量降低，其中全氮、速效钾和有机碳含量降低达到显著性水平；全钾和速效磷含量升高，其中速效磷含量升高达到显著性水平。与CK2相比，YH土壤全氮、全磷、全钾、碱解氮、速效磷和速效钾含量降低，有机碳和有机质含量升高，但上述指标均未达到显著性差异。由此可见，种植元胡对水稻冬闲田土壤的氮磷钾含量水平影响较小。

表3 种植元胡对土壤微生物碳氮的影响

土壤微生物量是一个动态变化的过程，能间接反映土壤微生物数量的多少。土壤微生物碳和土壤微生物氮分别只占耕作层土壤总有机碳和全氮含量的3%和5%左右[10-11]。土壤微生物量碳与土壤总有机碳的比值称为微生物熵，可作为土壤碳动态和土壤质量研究的有效指标[12]。CK2土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物熵最高，YH次之。与CK1相比，CK2和YH土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物熵显著提高达到显著性水平，其中YH土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物熵分别提高68.2%、57.7%、206.5%。与CK2相比，YH土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物熵有所降低，但差异不显著。土壤微生物碳氮比的变化表明，微生物群落结构的变化，一般情况下细菌SMBC/SMBN在5∶1左右，放线菌在6∶1左右，真菌在10∶1左右[13]。试验发现，CK2和YH土壤微生物碳氮比接近9∶1，表明该田块以真菌为主，细菌和放线菌也占有一定的比例。

2.4 元胡收益

元胡667 m2产量118 kg，市场价格43元·kg-1，667 m2效益5 074元，种植元胡能科学利用水稻冬闲田土地资源，增加农民收入。水稻+元胡是一种高效的新型农业耕作制度，对土地资源充分利用及农民增益、乡村振兴具有重要意义。

3 小结与讨论

不同栽培模式下作物残体和根系分泌物在土壤中的积累不同，导致碳氮源数量和种类发生变化，根系分泌物能直接影响微生物的种类和数量[14-15]。研究表明，西兰花和早稻轮作后，土壤细菌、真菌和放线菌的数量均有变化。本研究结果显示，种植元胡后可减少土壤细菌数量，增加放线菌数量，这与张立成等[16]报道的稻-稻-油菜轮作显著增加细菌数量有差异，与田福发等[17]报道的菇-菜轮作显著增加放线菌数量的结论基本一致。试验地在种植元胡后微生物种类有变化，细菌以芽孢杆菌属居多，真菌以青霉菌属和木霉菌属占优势，这可能和常年良好的翻耕措施，及时清除病原菌越冬的杂草和病残体有关。宋腾蛟等[18]报道元胡土壤细菌功能基因组成在道地和非道地产区间差异较大，功能基因组成与元胡生长密切相关，本试验在种植元胡后的土样中也分离到了芽孢杆菌属、梭形杆菌属、金黄杆菌属和放线菌属，各个属细菌对元胡道地性的相关性还将进行更加深入的研究。检测发现，冬闲田和种植元胡后的田块未检测到葡萄球菌属、假单胞菌属、镰刀菌属等致病菌，说明冬闲田种植元胡不会加剧葡萄球菌、假单胞菌属、镰刀菌的积累；种植元胡后发现土壤有益真菌属种类增多，可能和元胡根系分泌物有关。

速效养分对外界环境因素(如轮作模式等)的干扰响应较为敏感，可作为预警土壤质量变化的敏感指标[19]。CK1、CK2和YH土壤全氮含量最高，全钾含量次之，全磷含量最低，3种处理差异不显著。YH土壤速效钾含量最高，碱解氮含量次之，速效磷含量最低，且与CK1相比，CK2和YH土壤速效磷含量增加达到显著性水平，表明元胡生长需要的磷肥大于氮钾肥，在生产中应注意增施磷肥，这与卜容燕等[20]认为在兼顾“重旱轻水”的策略下应充分考虑前茬作物水稻磷肥后效的基础上优化磷肥的推荐一致。与CK1相比，CK2和YH土壤碱解氮和速效钾含量降低，这可能是由于土壤细菌属如芽孢杆菌属、产检杆菌属和梭形杆菌属等固氮菌属数量下降所致。

土壤微生物量是反映土壤变化的敏感性指标，微生物参与土壤中有机质和氮素的转化，轮作换茬有利于土壤微生物量的累积[21]。李晓婷等[22]研究表明，燕麦-苜蓿-马铃薯轮作模式下，土壤微生物量碳和微生物量氮显著高于3种作物连作。张帆等[23]研究表明，水稻-黑麦草轮作明显提高了土壤微生物量碳和微生物熵，水稻-紫云英轮作明显提高了土壤微生物量氮。本试验中，与CK1相比，YH土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物熵分别提高68.2%、57.7%和206.5%，这可能是因为种植元胡后增加了根系分泌物多样性，丰富了土壤中碳源、氮源的转化途径。与CK2相比，YH土壤微生物量碳、微生物量氮和微生物熵略有降低，差异不显著，这可能是因为种植元胡影响了土壤pH，使元胡药理活性成分(如挥发油[24])对微生物生长繁殖造成一定影响所致。