胶园间作不同马铃薯品种对土壤性质及微生物多样性的影响

关键词：橡胶树；马铃薯；间作；土壤化学性质；酶活；微生物多样性

中图分类号：S154.3；S532 文献标志码：A

橡胶树是一类喜温暖和高光强，适于土层深厚、肥沃湿润的酸性砂壤土种植的经济乔木[1]。我国现有橡胶种植面积位列世界第四，植胶业已成为我国热区重要产业[2-3]。近年来研究发现长期单一种植橡胶树会对土壤环境产生一定的影响，表现为土壤结构恶化、保水保肥能力下降、微生物多样性损失等方面[4-5]；而合理的胶园间作不仅增加单位面积的经济效益，而且还能在调节胶园土壤养分循环、增强土壤酶活性、丰富土壤微生物多样性等方面发挥作用[6-7]，使胶园成为拥有良性循环系统的生态群落，促进橡胶产业可持续发展。

马铃薯作为世界第三大粮食作物，块茎中富含淀粉、蛋白质、矿质元素、维生素等多种人体所需的营养物质，被广泛应用于食品和加工原料[8]。海南岛橡胶种植区属热带季风气候，土壤为酸性，冬季温度高、光照充足，降雨量少[9]，特有的地理及气候优势适合马铃薯种植。本实验室前期在海南多个胶园进行了马铃薯间作，对冬季胶园不同种植密度下马铃薯长势和产量进行分析，并评估了马铃薯品质。冬季胶园间作马铃薯的优势在于，冬季是橡胶树的落叶期和停割期，橡胶树争水夺肥的能力较弱；林间阳光照射充足，大大减轻了对马铃薯现蕾期到开花期的遮蔽，为马铃薯的正常生长提供了较好的光照条件；同时冬季降雨量较少还降低了马铃薯病害的发生和流行，研究得出海南冬季胶园林下套种马铃薯存在较大可行性[10]。

目前，马铃薯间作主要作物为玉米、豆科、燕麦、向日葵等[11-14]。研究发现，间作马铃薯可改善土壤微生物区系、土壤养分及酶活性，如马铃薯-豆科间作系统中，可以发现间作后土壤pH和阳离子交换量（CEC 值）显著升高，以及土壤P、N 和C 浓度较高[15]；马铃薯-玉米间作系统发现可以显著提高脲酶、酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性[16]，还可以改善细菌群落结构，提高土壤细菌的多样性水平[17]；真菌群落在门、纲和目分类水平上发生改变，表现为有害的致病真菌菌属消失或比例下降，出现部分有益功能真菌[18]。但目前关于胶园间作马铃薯后对土壤性质和微生物等方面的影响尚未明确，鉴于此，本研究以橡胶单作和间作不同马铃薯品种1 年后的胶园为研究对象，通过传统生物化学方法和高通量测序技术，分析橡胶树根际土壤化学性质、酶活性和微生物群落多样性，探究间作模式下根际土壤性质的变化规律，为胶园间作马铃薯模式提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

供试马铃薯品种共3 个，为适应海南气候的马铃薯品种大牛角（DJN）、紫薯（ZS）和剑川红（JCH），具体信息见表1，由云南农业大学植物保护学院提供。

1.2 方法

1.2.1 实验设计 实验点位于海南省五指山市毛阳镇毛阳农场（18.9426°N，10.95145°E），橡胶树品种为PR107，种植于1982年，橡胶树行距7m，株距3 m。整个小区长133.4 m，宽100 m，小区总面积13 340 m²，划分为4 块样地，每块样地面积3335 m²，随机选择其中1 块地为橡胶树单作地，另外3 块地作为橡胶树马铃薯间作地。马铃薯种植时间2021 年12 月15 日，收获时间2022年4 月30 日。胶园马铃薯间作和管理方法参考王瑞仙等[10]适当改进，马铃薯行距30 cm，株距25 cm，通过起垄、点播方式种植马铃薯。

1.2.2 土壤样品采集 马铃薯收获后，分别从每块样地中按照“Z”型选择15 个土壤采集点，用直径为5 cm 的取土钻对0～20 cm 土层进行取样，每3 个点的土样混合为1 个正式样品，每块样地得到5 个样品。橡胶间作马铃薯土壤样品共15 份，依照间作马铃薯品种的不同，分别命名为DJN1～5、ZS 1～5、JCH 1～5；橡胶单作土壤样品5 份，标记为CK 1～5。将土样使用10 目土壤筛过筛2次，得到的每份样品平均分成3 份，其中2 份迅速带回实验室分别保存在–80 ℃用于土壤微生物测序及土壤酶活性分析，一份自然风干、研磨过筛后用于土壤化学性质测定。

1.2.3 土壤化学性质、酶活性及微生物高通量测序 参照常规土壤农化分析方法[19]测定8 个土壤化学性质指标：土壤pH、有机质（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、碱解氮（AN）、有效磷（AP）、速效钾（AK）。

采用苏州科铭试剂盒通过微量法测定土壤β-葡萄糖苷酶（S-β-GC）、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶（S-NAG）、酸性磷酸酶（S-ACP）和芳基硫酸酯酶（S-ASF）。

分别利用细菌通用引物515F（5ʹ-GTGCCAGCMGCCGCGG-3ʹ）、806R（5ʹ-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3ʹ）和真菌通用引物ITS1F（5ʹ-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3ʹ ）、ITS2R（5ʹ-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3ʹ）扩增土壤中细菌16S rRNA 基因区域和真菌ITS 基因区域。委托上海美吉生物医药科技有限公司进行高通量测序。

1.3 数据处理

运用Microsoft Excel 2019 软件对数据进行预处理，采用SPSS 27 软件进行差异显著性检验，利用美吉生物i-sanger 云平台对测序结果进行分析绘图。

2 结果与分析

２.1 胶园间作不同马铃薯品种土壤化学性质比较

由表2 可知，与CK 相比，胶园间作JCH 马铃薯显著降低了土壤pH，显著增加土壤全磷含量（P<0.05），胶园间作均显著增加土壤有机质、有效磷含量（P<0.05）。另外，胶园间作JCH 和ZS显著增加土壤碱解氮和全氮含量，胶园间作DJN和ZS 显著增加土壤全钾含量，说明间作马铃薯可以提高胶园土壤养分含量。但间作不同马铃薯品种间表现出一定的差异，其中，间作JCH 土壤有机质显著高于间作DJN 和ZS 的土壤，其土壤的全氮和全磷显著高于间作DJN 土壤（P<0.05）。

2.2 胶园间作不同马铃薯品种土壤酶活性比较

根据间作不同马铃薯品种对胶园土壤酶活性结果可知（图1），间作DJH、JCH 马铃薯相比CK 显著增加土壤S-β-GC、S-NAG 的活性（P<0.05）。ZS 的土壤S-ACP 活性显著降低（P<0.05）。整体而言，胶园间作后土壤酶活性表现较高的品种为DJN 和JCH，而间作ZS 品种的土壤酶活相对较低。

2.3 胶园间作不同马铃薯品种土壤微生物多样性分析

2.3.1 间作不同马铃薯对土壤微生物多样性的影响 本研究共选择了4种α多样性指数，代表物种多样性的Shannon、Simpson 指数和代表物种丰富度的ACE、Chao1指数。胶园土壤细菌多样性指数分析结果（表3）显示，间作马铃薯后均显著提高了土壤细菌的ACE、Chao1 指数（P<0.05），但3个马铃薯品种间的各类细菌多样性指数差异不显著。对于胶园土壤真菌多样性指数分析发现，间作马铃薯相比橡胶单作均显著提高了土壤中真菌的ACE、Chao1、Shannon 指数，降低了Simpson指数（P<0.05），3个马铃薯品种间的各类真菌多样性指数差异不显著。结果表明，在胶园间作马铃薯可以显著提高土壤真菌和细菌的多样性丰富和丰富度，但间作不同马铃薯品种对土壤多样性的影响差异不显著。

2.3.2 间作不同马铃薯对土壤微生物群落结构的影响 对间作不同品种马铃薯的胶园土壤中细菌和真菌的OTU 数量进行了分析（图2）。细菌群落中，间作DJN、ZS 和JCH 以及CK 的总OTU分别为4058、4192、4065、3665，间作马铃薯相比橡胶单作分别增加10.72%、14.37%、10.91%。在真菌群落中，间作DJN、ZS 和JCH 以及CK的总OTU 分别为1654、1843、1786、854，间作相比橡胶单作分别增加93.67%、115.80% 、109.13%。表明胶园间作马铃薯会增加细菌和真菌总OTU 数量，增加特有真菌OTU 数量，降低特有细菌的OTU 数量。

细菌PCoA 分析的第1 主成分和第2 主成分分别解释了36.77%和16.81%的群落变异，真菌PCoA 分析的第1 主成分和第2 主成分分别解释了19.42%和14.70%的群落变异。间作样品与单作样品存在明显分离，表明间作马铃薯后，土壤中细菌和真菌的组成与橡胶单作的土壤差异较大，且间作马铃薯对土壤中细菌群落（R2=0.4198，P=0.01）的影响程度要大于真菌群落（R2=0.3320，P=0.001）。同时，不同品种马铃薯样品间出现重叠和聚集，表明胶园间作不同马铃薯品种后土壤微生物组成具有较大的相似性。

2.3.3 间作不同马铃薯对土壤微生物组成的影响根据门水平的胶园细菌群落TOP10 组成（图3）可知，间作并未改变单作胶园的优势细菌菌门种类，放线菌门（Actinobacteriota）、变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteriota），平均相对丰度总占比为54.55%～68.41%。但间作马铃薯后显著降低了绿弯菌门（Chloroflexi）、脱硫菌门（Desulfobacterota）以及Methylomirabilota的相对丰度（ P<0.05 ）。间作DJN 分别降低26.24%、51.82%、51.01%；间作ZS 分别降低33.54%、61.06%、50.33%；间作JCH 分别降低37.68%、56.65%、41.48%。在属水平上，间作马铃薯后显著增加了土壤中链霉菌属（Streptomyces）相对丰度（P<0.05），其中间作DJN、ZS 和JCH分别提高295.66%、368.55%、417.76%。

基于门水平的胶园真菌群落TOP10 组成可知， 胶园优势真菌菌门为担子菌门（Basidiomycota）、子囊菌门（Ascomycota），平均相对丰度总占比为68.54%～81.99%。间作马铃薯后，并未改变优势真菌菌门的种类，但显著提高了被孢菌门（ Mortierellomycota ）、壶菌门（Chytridiomycota）、梳霉门（Kickxellomycota）、罗兹菌门（Rozellomycota）的相对丰度（P<0.05）。间作DJN 分别提高14049.58% 、411.46% 、193.06%、831.51%；间作ZS 分别提高7587.86%、503.11%、253.91%、162.65%；间作JCH 分别提高12755.19%、375.92%、7697.66%、204.50%。在属水平上，间作3 种马铃薯后抑制了肉齿菌属（Sarcodon）活性，且显著增加了被孢霉菌属（Mortierell）以及Apiotrichum、Acrocalymma 的相对丰度（ P<0.05 ）， 间作DJN 分别提高13229.63%、1391.77%、910.55%；间作ZS 分别提高8476.17%、996.67%、77229.54%；间作JCH分别提高166625.76%、1417.84%、2924.35%。

进一步通过LEfSe 分析（图4）筛选间作不同品种马铃薯下的标志细菌和真菌（LDA>3，P<0.05）。橡胶单作的标志细菌多为未鉴定细菌，并未检测到标志真菌；间作DJN 土壤检测出1 种未鉴定标志细菌以及青霉菌（ Penicillium ）、Verruconis 等15 种标志真菌；间作ZS 土壤共测出慢生根瘤菌（Bradyrhizobium）、鞘氨醇单胞菌（ Sphingomonas ） 等9 种标志细菌和沙蜥属（Saitozyma）以及Acrocalymma 等17 种标志真菌； 间作JCH 土壤主要检测出链霉菌属（Streptomyces）、红球属（Rhodococcus）等8 种标志细菌以及被孢霉属（Mortierella）、地星属（Geastrum）等23 种标志真菌。

2.4 土壤性质与微生物相关性分析

图5冗余分析（RDA）表明，土壤细菌的RDA第一轴和第二轴的特征值分别为4 4 . 38%和17.95%，可以解释约62.33%的土壤细菌群落总变异，其中土壤pH、有机质、碱解氮、全氮、全磷、土壤β-葡萄糖苷酶是细菌群落变异的6 个关键影响因子（P<0.05）。土壤真菌RDA 的第一个轴值为42.30%，第二个轴值为10.33%，可以解释约52.63%的土壤真菌群落变异，其中土壤有效磷、全钾、土壤β-葡萄糖苷酶是真菌群落变异的3 个关键影响因子（P<0.05）。

进一步分析土壤细菌和真菌群落中门水平前10 菌群和土壤性质的相关性热图也支持了冗余分析的结果（图6）。结果表明，细菌门水平上，pH与酸杆菌门、绿弯菌门、粘菌门、Mthylomirabilota呈显著正相关。全氮、全磷、有机质、碱解氮、土壤β-葡萄糖苷酶与浮霉菌门、绿弯菌门、酸杆菌门呈显著负相关。Methylomirabilota 与全氮、全钾、碱解氮、有效磷、有机质、土壤β-葡萄糖苷酶呈显著负相关。Verrucomicrobiota 与有机质、全磷、全钾、有效磷和土壤β-葡萄糖苷酶呈显著负相关。粘菌门与全氮、碱解氮、有机质呈显著负相关。脱硫菌门与有机质、有效磷和土壤β-葡萄糖苷酶呈显著负相关。浮霉菌门与全钾呈显著负相关。在真菌门水平上，罗兹菌门与全磷呈现显著正相关；壶菌门与全钾呈显著正相关；罗兹菌门和被孢霉菌门与有机质呈显著正相关。

3 讨论

间作已被证实可以改善土壤养分，提高土壤酶活性[20]。ZHOU 等[21]通过研究烤烟间作时，发现间作相比单作显著提高土壤有机质、速效氮、速效磷、速效钾、脲酶活性和蔗糖酶活性，丁怡飞等[22]研究发现油茶地间作鼠茅草可以显著提高有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷与速效钾，还显著提高土壤脲酶、酸性磷酸酶与过氧化氢酶的活性。本研究结果与他们的研究基本一致，胶园间作不同马铃薯品种相比橡胶单作显著增加土壤养分含量及酶活性，可能是由于间作马铃薯土壤的凋落物和根系分泌物等有机物的数量增加所导致[23]，还可能与试验中施有机肥有关，能够促进释放养分，增强土壤酶活性[24]，不同马铃薯品种间土壤性质与酶活性存在显著差异的原因可能与其自身根系分泌物有关[25-26]。

间作能够影响微生物多样性与组成 [27]。本研究结果表明，间作马铃薯显著提高了胶园根际土壤微生物丰富度指数和多样性，变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、子囊菌门和担子菌门为主要的优势菌门，同前人研究结果一致[28]。但间作马铃薯后土壤细菌特有OTU 降低和真菌特有OTU 增加， 导致绿弯菌门、脱硫菌门以及Methylomirabilota 特定细菌丰度受到抑制，而被孢菌门、壶菌门、梳霉门、罗兹菌门特定真菌丰度得到提升，上述微生物在土壤生态系统中发挥重要作用[29-31]。导致这种变化的原因可能是间作条件下增加的土壤有机质和养分可能促进了真菌与马铃薯根系之间的共生，这种共生关系有助于增加了真菌的多样性和丰度[32]，真菌和细菌间的相互作用或者根系释放的分泌物可能影响土壤微生物群落丰度[33-35]。同时，间作不同马铃薯品种对土壤性质影响有显著差异，可能与其对功能性细菌和真菌的特定菌群富集[21]能力相关，尤其是能参与物质循环和拮抗植物病原菌的有益微生物[36-37]。

4 结论

综上所述，胶园间作马铃薯显著降低了土壤pH，提高土壤有机质、全氮、全磷、全钾、碱解氮、有效磷含量，改善土壤养分状况。除ZS外，还显著提高土壤β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶、酸性磷酸酶和芳基硫酸酯酶，不同品种间存在显著差异。同时，胶园间作马铃薯显著提升土壤微生物的丰富度和多样性，并富集一些参与物质循环和拮抗植物病原菌的有益微生物，不同品种富集能力也存在显著差异。本研究探讨了胶园林下间作对土壤生态的影响，由于选取的样本为马铃薯一个生育期后的土壤，为数据分析带来一定的影响，但与相关学者的研究结果较为一致，可为胶园林下间作生态研究提供一定的理论依据。