玉米秸秆对设施次生盐渍化土壤微环境及番茄生长的影响

何志刚 董 环 娄春荣 王秀娟 韩瑛祚

（辽宁省农业科学院植物营养与环境资源研究所，辽宁沈阳 110161）

设施农业作为我国农业现代化的重要标志和农业结构调整的重要选择而得到迅速发展，以辽宁省为例，从2008年开始，辽宁省政府启动设施农业建设工程，在政策的推动下，2011年以来，辽宁省设施蔬菜以年均新增超千公顷的速度，实现了跨越式发展。但随着设施农业的迅猛发展，地表长期覆盖栽培改变了土壤原有的生态环境，其温度、湿度、光照、小气候等都发生了很大的变化，土壤经常处于高温、高湿、高蒸发、无雨水淋溶的环境中，同时生产中盲目追求高产采取了高施肥、高用药等管理措施，使土壤的理化性状和生物学特性产生了很大的变化（Ackson et al.，1993；Cheshire et al.，1999；王琦 等，2008；尹辉 等，2011）。过量施肥导致的设施蔬菜土壤次生盐渍化已成为制约辽宁省设施蔬菜可持续发展的瓶颈（农明英 等，2013）。

秸秆还田不仅是提高土壤有机碳含量和土壤可持续生产力的重要途径，还可以减少野外焚烧秸秆出现的浪费资源和环境污染等问题。钱晓雍等（2014）研究了不同废弃物对设施菜地次生盐渍化土壤的修复效果，其中水稻秸秆可以有效改善次生盐渍化大棚土壤结构，降低容重，提高总孔隙度，明显降低可溶性盐分含量，对降低Ca2+、NO3-、SO42-的效果较好。李尚科等（2012）研究表明，有机肥和秸秆均能显著降低土壤可溶性盐分含量并且提高植株生物量。适量添加以秸秆为原料的菇床废料可以减少设施栽培土壤的盐分积累（王秋灵等，2011）。秸秆还田可以提高连作土壤的保温和保墒能力，显著促进土壤微生物活动，提高土壤速效养分含量，改善土壤物理性质，优化作物根系生长环境，促进根系生长（姜超强 等，2015；王胜楠等，2015）。研究表明，秸秆还田对耕作层土壤温度的调节作用和对水分的保持作用确保了土壤酶在生化反应过程中的合理环境条件，从而使土壤酶活性得到提高（Chen et al．，2014）。秸秆还田后分解产生如多糖、蛋白质、木质素等不同种类的有机质以及土壤中微生物活性提高形成的腐殖物，对大团聚体的形成产生了积极影响（Sodhi et al.，2009）。但秸秆还田在设施农业中对设施蔬菜次生盐渍化土壤的微生态环境修复的机理尚不明确。

本试验运用高通量测序技术研究不同玉米秸秆用量对设施番茄生长发育及次生盐渍化土壤生物学、化学、物理学特性的影响，对于有效地减少土壤盐分累积，维持和提高土壤肥力均有重要的参考意义和实践意义。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验在辽宁省农业科学院设施蔬菜长期定位试验基地进行，试验地耕层土壤为草甸土，壤质，土壤次生盐渍化严重，作物生长受到盐分抑制。0～20 cm耕层土壤理化性质：有机质含量12.5 g·kg-1，全氮 0.153 g·kg-1，全磷 1.02 g·kg-1，全钾 28.0 g·kg-1，速效氮 254.3 mg·kg-1，速效磷 102.58 mg·kg-1，速效钾 529.7 mg·kg-1，容重 1.34 g·m-3，pH 为 6.01，电导率 730 μS·cm-1。

供试番茄品种为元鸿粉旺，供试肥料为撒可富复合肥（N-P-K为15-15-15），均购于沈阳市润农农资商行。

1.2 试验方法

试验设置借鉴前期试验结果（何志刚 等，2017），采用盆栽方式，设3个玉米秸秆用量水平，不添加玉米秸秆（CK）；添加0.67%玉米秸秆（LMS），玉米秸秆用量折合为15 000 kg·hm-2；添加1.33%玉米秸秆（HMS），玉米秸秆用量折合为30 000 kg·hm-2，玉米秸秆投入量按照质量比以风干土壤计。每个处理15盆，每盆种植1株番茄。

2016年3月28日定植，8月5日拉秧。盆栽土壤为连续种植8 a的草甸土，取耕层0～20 cm土壤，采用底部内径23 cm、上部内径28 cm、高25 cm的塑料盆，每盆装鲜土20 kg。土壤以及秸秆、肥料〔底肥为复合肥（N-P-K为15-15-15）按照750 kg·hm-2施入〕混合均匀后装盆，单因子随机排列。于番茄不同生育时期分别取样测定相关指标。管理措施同常规大棚。在7月5日进行土样采集，每个处理2次重复，采集5个样点土样均匀混合后用聚乙烯袋密封，放入预先准备好的冰盒，置于-80℃冰箱中保存，供土壤微生物分析用。另留取部分样品自然风干，用于土壤理化性质测定。

1.3 测定项目

1.3.1 微生物种群基因组DNA提取 参照Huse等（2007）、Zhang等（2015）的方法进行DNA提取。DNA样品纯化后送至北京百迈客生物科技有限公司应用Illumina平台的HiSeq进行测序。

1.3.2 土壤理化性质测定 7月5日（盛果期）测定土壤的速效氮、速效磷、速效钾、有机质含量，以及EC、pH、容重、土壤团聚体含量（鲍士旦，2005）。

1.3.3 植株生理植标与光合性能测定 5月29日（盛果期）每小区选取10株番茄，测定株高、茎粗、标记功能叶测定叶绿素SPAD值（主茎倒数第3片叶）；于晴朗天气10：00～14：00使用LI-6400XT光合仪测定番茄苗期功能叶片（自上到下数第3～4片完全展开的叶片）净光合速率（Pn）及细胞间隙二氧化碳浓度（Ci），测定10株取平均值，每个处理5次重复。

1.3.4 产量测定 在收获期采摘全部果实称重。

1.4 数据分析

根据1.3.1微生物种群测定中测序结果的Barcode序列和PCR扩增引物序列，从下机数据中拆分出各样品数据，使用FLASH软件对每个样品的数据进行拼接，得到高通量测序原始数据。进一步去除嵌合体、两端引物以及非靶区域序列后得到有效数据，明确OTU（operational taxonomic units）为研究中的最小分类单元；然后运用综合考虑物种多样性及丰度的weighted unifrac法进行UPGMA聚类分析；使用UniFrac软件中jackkifed算法进行样本之间的距离计算，之后利用SPSS 20.0软件对土壤环境因子数据进行统计分析，得出3次重复的平均值，做土壤环境因子矩阵，再用CANOCO软件进行RDA主成分分析，提取主要的环境因子；将土壤细菌高通量测序得出的土壤细菌丰度指数、多样性指数做土壤细菌矩阵。分析结果使用CANOCO软件制图。其余常规数据采用Excel 2007、SPSS 19.0软件进行处理及统计分析。

2 结果与分析

2.1 添加玉米秸秆对土壤细菌群落的影响

对3个处理根系土壤中的细菌16S rRNA基因序列进行高通量测序，结果表明，删除掉低质量序列后，所有样品共得到133 893.5条高质量的16S rRNA基因序列（表1），平均每个样品的序列数为44 631.2，平均序列长度402 bp，几乎所有序列均被鉴定为细菌，古菌占比低于0.01%。其中HMS处理高质量序列数目最多，其次为LMS处理，分别比对照显著提高了25.6%和12.8%。可见秸秆还田丰富了盐渍化土壤中微生物数量，尤其是玉米秸秆高量还田处理的盐渍化土壤微生物群落中细菌有效序列数量最多。3个处理土壤中细菌主要包括变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、酸杆菌门（Acidobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）、蓝藻门（Cyanbacteria）等。其中变形细菌、酸杆菌和绿弯菌是优势菌。属于变形菌门的细菌最多，达26.5%，包括α（10.2%）、β（0.7%）、γ（10.2%）、δ（5.4%）4个变形菌纲。

表1 添加玉米秸秆对土壤细菌群落数目的影响

由图1可知，3个处理土壤样品在科水平上共检测到36个丰度高于1%的科，其中有10个科的相对丰度不同处理间有显著差异，添加玉米秸秆处理的相对丰度较高的优势菌科为肠杆菌科（Enterobacteriaceae）、鞘脂单胞菌科（Sphingomonadaceae）和黄单胞菌科（Xanthomonadaceae），对照独有优势菌科为盐单胞菌科（Halomonadaceae）。其中，HMS处理中黄单胞菌科（Xanthomonadaceae）的菌群数量明显增加。对照肠杆菌科（Enterobacteriaceae）丰度极低，仅为0.1%，LMS与HMS处理则明显增加，相对丰度分别为14.2%和15.8%。

由图2可知，基于Beta多样性分析得到的4种距离矩阵，通过R语言工具采用非加权配对平均法（UPGMA）对样品进行层次聚类，以判断各样品间物种组成的相似性。样品越靠近，枝长越短，说明样品的物种组成越相似。3个处理土壤样品中细菌种群分布，HMS和LMS分为一个类群，对照为一个类群。

图1 添加玉米秸秆土壤优势细菌科水平类群比较

图2 添加玉米秸秆土壤优势细菌UPGMA聚类分析

2.2 添加玉米秸秆对土壤化学、物理性状的影响

从表2可以看出，随着秸秆投入量的增加，土壤速效氮、速效磷、速效钾含量均明显下降，说明添加秸秆可以降低土壤中速效养分含量，可能是由于添加秸秆导致土壤中C/N增加，微生物利用土壤中的氮素作为自身营养物质大量繁殖，从而使速效氮含量显著下降；而速效磷、速效钾含量下降，可能是由于添加秸秆刺激了微生物大量繁殖，使其数量和活性增加，从而促进了作物对土壤中速效养分的高效利用。

表2 添加玉米秸秆对土壤养分和盐分含量的影响

从表2还可以看出，随着秸秆投入量的增加，土壤pH逐渐增加；土壤电导率显著下降，HMS处理比对照显著降低59.6%；有机质含量则显著增加，LMS和HMS处理分别比对照显著增加26.8%和34.3%。

从表3可以看出，施用玉米秸秆对土壤容重、孔隙度和田间持水量影响较大，土壤容重随着玉米秸秆用量增加而降低，LMS和HMS处理分别比对照降低了4.9%和16.9%，土壤孔隙度、田间持水量随着玉米秸秆用量增加而升高，其中HMS处理分别比对照显著增加16.6%和36.6%。与对照相比，施用玉米秸秆显著增加了＞2 mm和1～2 mm粒级团聚体含量，显著降低了0.25～1 mm和＜0.25 mm粒级团聚体含量。

表3 添加玉米秸秆对土壤物理性状的影响

2.3 环境因子对土壤优势菌群的影响

用CANOCO软件进行土壤样品环境因子RDA分析，选择11个环境因子中排名前5的环境因子，包括速效氮（AN）、电导率（EC）、酸碱度（pH）、容重（SBD）、有机质（SOM）。如图 3所示，环境因子主要可以集中为2类：在第3象限存在3个环境因子EC、SBD、AN之间呈显著正相关关系，主要影响的样品为CK；在第1象限存在2个环境因子pH、SOM之间呈显著正相关，和第3象限的环境因子呈负相关，主要影响的样品为LMS和HMS，主要影响的微生物群落为鞘脂单胞菌科（Sphingomonadaceae）、肠杆菌科（Enterobacteriaceae）。5个环境因子中EC、SOM距离原点最远，说明影响菌群变化的主要因子是土壤的EC、SOM。

图3 添加玉米秸秆的土壤优势细菌环境因子RDA分析

2.4 添加玉米秸秆对植株生理性状及产量的影响

由表4可知，随着秸秆投入量的增加，番茄植株的株高、茎粗均明显增加，其中HSM处理的株高比对照显著增加27.9%，茎粗显著增加40.9%，功能叶片叶绿素SPAD值却呈现下降的趋势，HSM处理比对照显著下降22.6%。分析其中原因，可能是由于次生盐渍化土壤氮素含量过高时，反映在植株上的叶绿素SPAD值较高，添加秸秆后土壤氮素含量下降，导致植株叶绿素SPAD值下降，与土壤速效养分数据变化趋势相一致。

光合特性是叶片光合能力的有效表征，对作物产量的形成至关重要。由表4可知，随着秸秆投入量的增加，番茄功能叶片净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率均呈明显上升趋势。番茄产量呈显著增加趋势，增产幅度达52.7%～114.3%。

综上，添加秸秆处理的番茄植株高大，茎秆粗壮，光合速率较强，为植物的生长提供了良好的营养基础，尤其添加高量秸秆处理的增产效果更佳。

表4 添加玉米秸秆对植株生理、光合特性及产量的影响

3 结论与讨论

番茄作为重要的设施蔬菜之一，复种指数高，连作障碍严重；同时，化肥在农业生产中的广泛使用，使得化肥施用量不断增加，由此而带来的农产品安全和农业可持续发展问题日趋严重（周南华，2004；沙海宁 等，2010）。因此，研究如何在秸秆还田的同时有效解决土壤次生盐渍化问题对于我国设施蔬菜的发展具有重要意义。

高通量测序技术实现了大规模土壤微生物基因直接测序（Gomez-Alvarez et al.，2009），促进了土壤微生物物种多样性、结构多样性、功能多样性和遗传多样性研究的迅猛发展（薛超 等，2011）。本试验结果表明：玉米秸秆的施加对设施土壤中细菌群落结构以及数量均产生一定影响，其中施加高量秸秆显著增加了土壤中的细菌有效序列数量，比对照增加25.6%；菌群结构趋于丰富化，主要影响的菌群为肠杆菌科（Enterobacteriaceae）、鞘脂单胞菌科（Sphingomonadaceae）和黄单胞菌科（Xanthomonadaceae）。通过UPGMA样品聚类分析，添加秸秆的2个处理聚为一个类群，对照为一个类群。土壤细菌群落是一个相对稳定的系统，次生盐渍化或施用秸秆等条件很可能只影响某些种群的丰度，与胡元森等（2007）的研究结果一致。

土壤生物群落与土壤化学、物理性状均有一定关联（周文新 等，2008），本试验结果表明，设施土壤细菌群落易受环境变化的影响，在土壤化学性状和物理性状的11个影响因子中，不同土壤环境因子间有很强的相关关系。随着秸秆投入量的增加，速效氮、磷、钾养分含量明显下降，pH值呈现增加的趋势，电导率显著下降，有机质含量明显增加，与前人研究结果一致（韩剑宏 等，2017）。本试验中，随着秸秆用量增加，土壤容重降低，土壤孔隙度和田间持水量升高。施用玉米秸秆显著增加了＞2 mm和1～2 mm粒级团聚体含量。研究表明，大粒级团聚体是土壤团聚体有机碳的主要贡献载体，提高土壤大粒级团聚体可在一定程度上提高土壤固碳能力（Lu et al．，2012），与本试验结果一致。有机质可以改变土壤孔隙度、通气度与土壤团粒结构，具有显著的缓冲作用和持水力（贾曼莉等，2014），能够为土壤微生态环境提供化学反应场所和细菌活动的适宜条件，土壤有机质含量增加对设施盐渍化土壤的有效修复起到积极的影响。

从番茄植株生长及产量变化来看，添加玉米秸秆的番茄株高、茎粗、光合特性指标（Pn、Ci）明显高于对照，番茄产量也显著增加，增幅达52.7%～114.3%。综上，添加玉米秸秆不仅对设施次生盐渍化土壤具有很好的改良作用，还能提高土壤有机质含量，降低土壤盐分含量，起到改善土壤微生态环境、提高作物产量的效果。