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不同轮作模式对马铃薯根际土壤理化性质和微生物群落多样性的影响

秦军红  卞春松  李广存  金黎平  
【摘要】:近年来,随着种植马铃薯效益的增加,其生产面积不断扩大,但各主产区可种植马铃薯的土地面积有限。生产者为了获得更高的效益,不得不选择连作,而马铃薯是忌连茬作物,连作会导致其产量降低、土传病害增加等问题。前人对马铃薯连作障碍的研究多集中在土壤理化性质和一些自毒物质方面。近年来,随着高通量测序技术的发展,通过测序可获取土壤微生物全部遗传信息,分析土壤中细菌和真菌的微生物群落多样性及其在不同轮作模式下的变化规律,为打破连作障碍提供了良好的技术支撑。根际作为受根系活动影响最大的地方,其微生物群落变化也最大。因此,研究根际微生物对不同轮作模式下响应特征,同时结合根际土壤理化性质的变化,初步解析马铃薯连作障碍与根际微生物之间的相互关系,为克服连作障碍的技术升级和相关产品的开发与应用提供理论依据。试验于2018—2021年在张家口市察北管理区,中国农业科学院蔬菜花卉研究所试验基地进行。设4种轮作模式:(1)马铃薯连作4年,(2)马铃薯-莜麦-蚕豆-马铃薯,(3)莜麦-蚕豆-马铃薯,(4)蚕豆-马铃薯-莜麦-蚕豆。采用随机区组设计,小区面积500 m~2,每个处理3次重复。蚕豆行距33 cm,株距12 cm;马铃薯行距90 cm,株距18 cm;莜麦行距20 cm, 10~12 kg/667 m~2用种量。所有作物施肥量和施肥时期均相同,即播前施复合肥(N∶P2O5∶K2O=12∶19∶16)40 kg/667 m~2,生育期追施尿素10 kg/667 m~2,硫酸钾10 kg/667 m~2。灌水方式采用滴灌,滴头间距0.2 m。其他管理同一般大田。3种作物每年播种均在5月中下旬,收获均在9月中旬。试验数据采集始于2020年收获时,仅测定了马铃薯产量, 2021年测定所有作物产量,并统计了马铃薯黑痣病发病率。同时在播种前和收获后按5点取样法进行取样,并将每个小区5个点的样品混为一个样品,播前取样深度0~20 cm。收获时每个点取3株根际土样混合。每次取样后样品均过2 mm筛子后分为2份,一份存于-80℃冰箱用于提取土壤DNA,另一份风干后测定土壤理化性质。马铃薯连作对单株结薯数的影响显著,对产量的影响不显著。轮作比连作平均增产23.5%,增收率27.0%,黑痣病发病率降低80%。轮作蚕豆和莜麦效益显著低于马铃薯,但蚕豆效益高于莜麦。播前和收获后各处理间仅速效钾含量差异显著。与轮作马铃薯根际土壤养分相比,连作土壤除收获后速效钾含量显著低于轮作,其他养分含量无显著变化,但均有降低趋势。由此可见,土壤养分并不是连作障碍的关键影响因子。与播前相比,收获后各处理土壤磷酸酶的活性增加。而无论是播前还是收获后,马铃薯连作土壤酸性磷酸酶的活性均最低,收获后蚕豆茬的磷酸酶活性最高。轮作莜麦显著增加了收获后土壤蔗糖酶的活性。播前各处理细菌群落多样性指数除Shannon指数外,差异均不显著,而真菌群落多样性指数表现为Shannon和Chao1指数差异不显著,其他2个均表现为马铃薯连作的真菌多样性显著小于其他处理。收获后马铃薯连作和轮作处理细菌多样性指数除PD_whole_tree外,均显著大于蚕豆和莜麦茬,真菌多样性指数Observed_species和Shannon均显著小于蚕豆和莜麦茬。对各处理微生物群落组成的分析发现,不同轮作模式对根际微生物群落组成的影响不同。马铃薯连作显著增加了子囊菌门的丰度,降低了壶菌门和担子菌门的丰度。蚕豆茬增加了变形菌门的丰度但降低了酸酐菌门的丰度,莜麦茬增加了担子菌门的丰度。进一步对丰度大于1的菌属进行分析发现,在细菌属水平上,马铃薯连作显著增加了一些未知细菌属丰度,蚕豆茬显著增加了根瘤菌属和气微菌属丰度,莜麦茬增加了德沃斯氏菌属和Flavisolibacter丰度。在真菌属水平上,马铃薯连作显著降低了一些未知菌属的丰度,增加了廯囊腔菌属和炭疽菌属的丰度。从以上分析可以看出,不同轮作模式改变了土壤的理化性质,同时也改变了土壤的微生物群落结构,为了明确二者之间的关系,对二者进行了相关性分析和RDA分析,结果发现土壤速效钾、酸性磷酸酶、 pH值、蔗糖酶对细菌菌群的影响显著,速效钾、酸性磷酸酶、有效磷、蔗糖酶对真菌菌群的影响显著。马铃薯轮作与连作3~4年产量差异不显著,但黑痣病发病率降低了80%,且达显著水平。种植莜麦和蚕豆收益虽显著低于种植马铃薯,但可以改变土壤微生物群落结构,降低土传病害发生,且从整体效益看,种植蚕豆效果更好。马铃薯连作显著降低了土壤速效钾含量和土壤酸性磷酸酶的活性,莜麦显著增加了土壤蔗糖酶的活性。马铃薯连作增加了细菌群落的丰度,但降低了真菌群落的丰度。不同轮作模式的优势细菌门为变形菌门、酸杆菌门、放线菌门、拟杆菌门;优势真菌门为子囊菌门、被孢霉门、担子菌门、壶菌门。马铃薯连作显著增加了一些未知细菌属丰度,显著降低了一些未知真菌属的丰度,增加了廯囊腔菌属和炭疽菌属的丰度。土壤速效钾、酸性磷酸酶、 pH值、蔗糖酶对细菌群落的影响显著,速效钾、酸性磷酸酶、有效磷、蔗糖酶对真菌群落的影响显著。综上所述,种植莜麦和蚕豆可以改变土壤微生物群落结构,有效打破连作障碍,增加马铃薯产量,显著降低黑痣病发病率。

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