李 震,张清壮,许石剑,罗富方,刘胜传,宋莉丹,李 鑫
(1.贵州省烟草公司黔西南州公司,贵州 兴义 562400;2.湖南省农业科学院,湖南 长沙 410128;3.湖南省蔬菜研究所,湖南 长沙 410128;4.湖南省科学技术事务中心,湖南 长沙 410013)
烤烟作为贵州主要支柱产业之一,烤烟种植是烟农增收和脱贫致富的重要途径。土壤养分及生态平衡状况是影响烟草品质的基本条件,而由于受烤烟传统种植习惯的影响,一味追求高产而大量施用化肥以及连作种植模式突出导致植烟土壤性质劣化、土壤板结、耕作层变浅和犁底层上移,烟田生态功能降低,有益微生物种类和数量降低,从而影响烟株的生长发育和烤烟产质量下降[1]。如何通过烤烟—土壤—微生物建立适宜于区域烤烟可持续发展的土壤保育技术,对促进烤烟种植结构调整、提高烤烟产质量和烟农收入具有重要意义。
土壤微生物不仅是维持土壤生化活性的重要组成部分,还是植物生长的活性营养库,能改善土壤理化性质、参与土壤的养分循坏和矿物质转化等多种生化过程,是反映土壤健康的有效指标[2]。土壤微生物多样性降低,有益微生物减少,病原菌增加,会引起土壤酸化,改变土壤有效养分,是连作障碍主要成因之一,最终将导致烤烟生长发育受阻、产质量降低[3]。为了防治烤烟连作障碍,采取一系列有效的消减措施,如轮作、间作套种、施用生物有机肥、选用抗病品种和生物防治等[4]。烟草与其他作物轮作及间套作对于改善土壤微生物种群结构和消减烟草连作障碍具有很好效果[5]。徐洁等[6]表明:添加生物有机肥能改变土壤中的微生物尤其是有益微生物的数量与结构,促进烟草生长,提高烤烟的产质量。土壤耕层重构主要是通过现代化机械手段,将表层土壤0~20 cm 与>20~40 cm进行互换,试图通过土壤耕层的重新构筑,改良土壤结构,提升土壤肥力,解决烟田连作生产中存在的诸多弊病[7-8]。目前有关耕层重构对烤烟土壤微生物多样性的影响尚未系统研究。
本研究拟利用耕层重构技术解决黔西南烟区烟田生态功能降低、病虫害加重和烤烟生产力下降的问题,基于大田试验,研究耕层重构对烟田土壤微生物多样性和烤烟农艺性状的影响,以期通过耕层重构改善烤烟土壤微生态环境,促进烟株生长发育,为该烟区特色优质烟叶生产和烟叶可持续发展提供参考依据。
试验于2019 年在兴义市兴仁县雨樟镇交乐村立山坪(N25°20′53″,E105°7′49″)进行,海拔1 560 m,属中亚热带季风气候。供试品种为云烟97,由黔西南州烟草公司兴义市分公司提供。
土壤基础理化性状:pH 为5.15,有机质含量为27.85 g/kg,全氮含量为1.78 g/kg,碱解氮含量为134.06 mg/kg,有效磷含量为6.56 mg/kg,速效钾含量为313.95 mg/kg。
试验采用随机区组设计,于2018 年10 月中下旬进行土壤置换处理,2019 年4 月下旬起垄移栽;设置3 个处理。T1:对照,当地常规旋耕,旋耕深度0~15 cm;T2:0~20 cm 土壤与>20~40 cm 土壤互换,旋耕深度30 cm;T3:0~15 cm土壤与>15~30 cm 土壤互换,旋耕深度30 cm,每个处理3 个重复,共9 个小区,小区面积为111.1 m2。
具体做法:(以T3为例)使用动力160 kW 拖拉机带动旋转式主副深翻犁1 次,将0~15 cm 土壤与>15~30 cm 土壤进行互换。株行距为1.2 m×0.5 m,4 月21 日开始移栽,试验田的施肥情况为:施用烟草专用肥[m(N)∶m(P2O5)∶m(K2O)=12∶12∶14] 750 kg/hm2,硫酸钾225 kg/hm2,有机肥1 200 kg/hm2。其他栽培管理措施均与当地优质烟叶生产中的管理措施完全一致。
1.3.1 烤烟农艺性状测定
在打顶后10 d 测定烟株农艺性状,参照YC/T 142—2010 标准,每个小区定点选择生长比较一致的健壮烟株5 株,测定株高、茎围、有效叶片、最大叶长和最大叶宽等指标,烘烤后测定各小区产量,并折算成单位面积产量。
1.3.2 土壤样品采集
在烤烟采收后,各处理采用抖落法采集烟株根际土壤,混匀,用无菌自封袋包装,放入冰盒保存,带回实验室置于-80 ℃冰箱,用于提取土壤DNA,分析微生物多样性。
1.3.3 土壤微生物的测序与多样性分析
所有土壤样品使用特定DNA 提取试剂盒进行微生物的总DNA 提取,后使用0.8%琼脂糖凝胶电泳检测DNA 质量。确定质量合格后将DNA样本低温送至上海北沪生物科技有限公司完成扩增子测序。采用Illumina MiSeqTM测序技术进行测定。
微生物多样性分析使用QIIME 软件执行。α 多样性分析用于评估微生物群落的丰富度和多样性[9]。Ace 和Chao 丰富度指数用于估计群落中实际存在的物种数,数值越高表明群落物种的丰富度越高;Shannon 和Simpson 多样性指数可以反映样品的多样性程度,数值越高表明群落多样性越高;β 多样性分析用于研究不同样本群落结构的相似性或差异关系以及与环境因子的相关性。最后进行主成分分析(PCA)以便区分不同处理后群落结构的变化差异。
采用Excel、SPSS 和RStudio 软件对所测数据进行整理、方差分析、各分类学水平上的群落结构柱形图和主成分分析等。
从表1 可见:处理组(T2、T3)烤烟农艺性状及产量与对照(T1)差异显著。从烟株株高来看,对照T1的株高显著低于处理组(P<0.05),其中T2处理最高。烟株茎围、有效叶数、最大叶面积和产量均以T2处理最高。T2和T3处理组产量较T1对照组分别提高14.31%和7.32%,说明耕层重构改变了土壤结构分布,显著改善影响烟叶生长发育的各构成因素,从而对烟叶的生长起到促进效果。综合农艺性状和产量来看,T2、T3处理优于T1对照组。
表1 耕层重构对烤烟农艺性状和产量的影响Tab.1 Effect of tilth layer reconstruction on the agronomic characters and yield of flue-cured tobacco
2.2.1 α 多样性
从表2 可见:细菌群落中,与对照T1相比,T2和T3土壤耕层重构的处理显著提高了Ace、Chao 和Shannon 指数(P<0.05)。4 个群落多样性指数的变化趋势一致,均表现为T2>T3>T1,其中T2的Ace、Chao 和Shannon 指数比T1分别提高41.28%、39.56%和26.44%,T3的各指数较T1分别提高36.78%、34.78%和22.46%,而Simpson 指数在各组群落间差异不显著。与细菌群落多样性结果相反,真菌群落中T2和T3处理的Ace、Chao、Shannon 和Simpson 指数值都显著低于对照T1。以T3中Ace 和Shannon 指数值下降最大,分别较对照T1下降35.49%和38.00%。由此可见,耕层重构提高了细菌群落的丰富度和多样性,降低了真菌群落的丰富度和多样性,土壤耕层重构后的土壤环境更有利于细菌的生长繁殖。
表2 植烟土壤细菌和真菌群落多样性指数Tab.2 Indexes of bacterial and fungal community diversity in tobacco-growing soil
2.2.2 β 多样性
由图1a 细菌主成分分析(PCA)可知:第一主成分(PC1)的方差贡献率为77.9%,第二主成分PC2 的方差贡献率为15.9%,累积达到93.8%。对照T1分布在第二象限,T2处理分布在第四象限,T3处理分布在第一象限。在PC1 上,耕层重构处理的土壤细菌OTU 分布具有相对一致性,且与对照T1存在较大差异;在PC2 上,T1和T3处理的土壤细菌OTU 分布差异较小。
由图1b 真菌主成分分析可知:PC1 的方差贡献率为48.4%,PC2 的方差贡献率为18.6%,累积达到67.0%。真菌在主成分轴上的变化趋势与细菌一致。耕层重构对微生物群落功能多样性的影响在空间距离差异上分布较明显,表明耕层重构导致土壤微生物群落功能改变。
图1 土壤样品细菌(a)、真菌(b) PCA 分析图)Fig.1 PCA analysis of bacteria (a) and fungi (b) in soil samples
采用高通量测序技术对土壤微生物多样性进行分析,不同处理微生物群落在门、属水平的相对丰度如图2 所示。在门水平上(图2a),各处理中细菌主要由绿弯菌门(Chloroflexi)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、厚壁菌门(Firmicutes)、变形菌门(Proteobacteria)、奇古菌门(Thaumarchaeota)和酸杆菌门组成。与T1相比,T2和T3处理土壤中拟杆菌门、厚壁菌门和变形菌门相对丰度明显降低,绿弯菌门、奇古菌门、酸杆菌门和浮霉菌门相对丰度明显升高,其中拟杆菌门降低的最多,绿弯菌门提高的最多。T2和T3处理群落组成相似。属水平上(图2b),T2、T3处理组中Nitrososphaeraceae、Sbr1031、Subgroup 6 和Anaerolineaceae 的相对丰度较T1显著增加,而Muribaculaceae、Cmig08 和Ralstonia的相对丰度明显降低。
图2 土壤样品在细菌(a、b)和真菌(c、d)门、属分类水平上相对丰度变化)Fig.2 Changes in relative abundance of soil bacteria (a,b) and fungi (c,d) samples at phylum and genus levels
由图2c 可知:土壤中的真菌主要由子囊菌门(Ascomycota)构成,所占比例达74.67%~86.53%。不同处理对真菌相对丰度变化不同,T2较T1土壤中的子囊菌门相对丰度明显升高,担子菌门(Basidiomycota)相对丰度明显降低,降幅为12.13%,而T3较T1土壤中的子囊菌门和担子菌门相对丰度无显著差异,壶菌门(Chytridiomycota)相对丰度明显升高,增幅为6.40%,T3较T1和T2处理土壤中的球囊菌门(Glomeromycota)相对丰度明显降低。属水平上(图2d),T2和T3组中曲霉属相对丰度显著增加,管柄囊霉属(Funneliformis)在T2中显著增加。
由表3 可知:株高与酸杆菌门、浮霉菌门、曲霉属和翘孢霉属的相对丰度呈显著正相关(P<0.05),其相关系数分别为0.596、0.639、0.585和0.645。有效叶数与株高存在相似规律,其相关系数分别为0.714、0.767、0.671 和0.629。
表3 优势菌门、属与烤烟生长参数的相关性分析Tab.3 Pearson correlation analysis between growth parameters of tobacco and abundant bacterial phylum and genera
土壤耕层重构(T2和T3)后种植的烤烟比对照土壤上种植的烟株(T1)有明显的生长优势,其株高、茎围、有效叶数、最大叶面积和产量等指标均比对照增加,其中增产幅度达到14.31%。耕层重构技术运用于其他农作物上均与该试验表现出一致的效果。王树林等[7]研究表明:耕层重构后棉花生长表现出明显的后发优势,具有抗旱耐涝作用,可有效提高棉花产量。孟庆英等[10]研究表明:土层置换可显著增加大豆、马铃薯和甜菜的产量。卢佳等[11]研究表明:土层置换处理后玉米生长势及产量相关指标均有一定程度的提高。
耕层重构促进烤烟生长可能有2 个原因:一是通过有益微生物改善理化性质,提升土壤养分含量来促进作物生长;二是抑制或阻挠病原菌的发展,间接促进作物的生长。土壤微生物在土壤养分转化和碳氮循环中起着尤为重要的作用[12],其微生物多样性与土壤微生态环境密切相关[13]。本研究结果表明:T2和T3处理土壤中细菌Ace指数、Chao 指数和Shannon 指数均显著高于T1对照组,真菌各项多样性指数则显著低于T1对照组,说明耕层重构提高了植烟土壤细菌的丰富度和多样性,降低了真菌的丰富度和多样性,符合健康的“细菌型”土壤的标准。耕层重构后土壤中曲霉属、浮霉菌门和酸杆菌门的相对丰度显著增加,与烤烟株高和有效叶数呈正相关。曲霉菌是一种适应能力较强的腐生真菌,能够在高营养、低营养以及强渗透胁迫下生存繁殖[14]。曲霉菌广泛存在于植物体内,对植物生长和抵抗逆境有一定作用,主要通过分泌到植物组织中的一些物质发挥作用,如激素(茉莉酸、吲哚乙酸和水杨酸)、黄酮类物质、多酚类物质和脯氨酸等[15-16]。植物可以利用这些真菌细胞外生物过程释放的营养物质,促进植物生长,或通过这些激素类物质的信号,植物能够即时响应并抵御外界胁迫环境[16]。浮霉菌门在氮循环中起重要作用,是一种典型的厌氧氨氧化细菌,而氨氧化微生物在菜田土壤氮循环中,对于增加土壤氮含量、改变氮的形式和增强植物对氮的有效利用至关重要[17]。酸杆菌门能通过改善土壤pH 进而有益于植物的生长。对于土壤中的拮抗微生物,本研究中T2处理翘孢霉属和管柄囊霉属显著增加。翘孢霉属是一种镰刀枯萎病的生防拮抗菌[18]。管柄囊霉属对致病菌生长有明显的抑制作用,能够降低植物感病率,改善烤烟生长环境,促进烤烟生长[19]。
研究发现:通过0~20 cm 土壤与>20~40 cm土壤互换,旋耕深度30 cm 的方式进行耕层重构后种植烟草,其农艺性状最佳,产量最高(较未处理土壤提高14.31%)。同时微生物群落分析表明耕层重构能够提高微生物多样性指数,增加有益微生物曲霉属、浮霉菌门和酸杆菌门的相对丰度。因此,对植烟土壤进行耕层重构可以改善烤烟土壤微生态环境,是一种促进烟草发育、增加烟叶产量和缓解烟田连作障碍的有效耕作措施。此外,耕层重构也为构建健康烟田土壤生态系统提供了一种新的途径和实践参考。