不同改良措施对设施芹菜根际土壤微生物群落结构的影响

摘    要：通过灌水高温闷棚联合有机物或石灰氮等改良措施以期缓解芹菜连作障碍和改善土壤微生物群落结构。试验处理包括：对照（CK）、灌水高温闷棚（CW）、灌水高温闷棚联合不同浓度有机物（O1W、O2W、O3W）、灌水高温闷棚联合不同浓度石灰氮（S1W、S2W、S3W）。结果表明，灌水高温闷棚联合施用900 kg·hm-2石灰氮处理后土壤全氮含量为0.80 g·kg-1，较CK增加了45.5%;硝态氮含量和土壤容重为49.0 mg·kg-1和1.05 g·cm-3，分别较CK降低了40.7%和19.8%;芹菜产量为90.4 t·hm-2，比CK增加了30.2%。基于高通量测序分析，灌水高温闷棚联合石灰氮处理措施使土壤中厚壁菌门和放线菌门等有益微生物的相对丰度增加，灌水高温闷棚联合有机物处理措施则与之相反。亢余分析（Redundancy analysis，RDA）发现，硝态氮含量是影响细菌群落的主要因子，与放线菌门、厚壁菌门和拟杆菌门呈负相关。综上所述，灌水高温闷棚联合施用900 kg·hm-2石灰氮的处理对缓解芹菜连作障碍和改善土壤微生物群落结构效果最好。

关键词：芹菜;高通量测序;微生物群落;细菌

中图分类号：S636.3 文献标志码：A 文章编号：1673-2871（2022）08-042-08

Different improvement measures affects microbial in rhizosphere soil of celery in protected field

FU Kuankuan， WANG Xiaobing， WANG Xiaoli， CHEN Yue， CHENG Tong

（College of Environmental Science and Engineering， Yangzhou University， Yangzhou 225127， Jiangsu，China）

Abstract： In this study， the combination of irrigation， high temperature and closed shed with organic matter or lime nitrogen were adopted to reduce the barrier caused by the mono cropping of celery and to improve microbial population in the soil. The experimental treatments involved control（CK）， irrigation at high temperature under closed plastic house（CW）， the irrigation high at temperature under closed plastic house combined with different concentrations of organic matter（O1W， O2W， O3W）， and the irrigation at high temperature under closed plastic house combined with different concentrations of lime nitrogen（S1W， S2W， S3W）. The results showed the total nitrogen content was 0.80 g·kg-1 after irrigation and high temperature under closed plastic house combined with 900 kg·hm-2 lime nitrogen treatment， which was 45.5% higher than that of CK. The nitrate content and soil density reached 49.0 mg·kg-1 and 1.05 g·cm-3， which are 40.7% and 19.8% lower than CK， respectively. The yield of celery reached 90.4 t·hm-2， which is 30.2% higher than CK. According to high throughput sequencing analysis， the relative abundance of beneficial microorganisms such as Firmicutes and Actinomycetes in soil was effectively improved by the combination of irrigation and high-temperature under closed plastic house with lime nitrogen treatment， while the opposite effect was observed for the combination of irrigation and high-temperature with organic matter treatment. Redundancy analysis（RDA） analysis showed the concentration of nitrate nitrogen was a significant factor for the bacterial population， showing a negative correlation with Actinobacteriota， Firmicutes and Bacteroidetes. In conclusion， the treatment of combining irrigation， high temperature and closed plastic house with 900 kg·hm-2 lime nitrogen performed best in alleviating the barrier for mono cropping celery and improving microbial population in soil.

Key words： Celery; High throughput sequencing; Microbial population; Bacteria

随着我国社会经济的高速发展和农业产业结构的优化调整，我国设施农业也迎来了高速发展期。其中，设施蔬菜生产更是从粗放型逐渐向集约型转变[1]。因为设施蔬菜种植环境的密闭性和模式的单一性，导致设施蔬菜连作现象严重，很容易出现土壤质量退化和土传病害发生严重等问题[2-4]。

我国将通过碳源和淹水结合的方式创造厌氧环境杀死土传病害来改善土壤连作障碍的方法叫做强还原土壤灭菌法（Reductive Soil Disinfestation，RSD）[5]。RSD方法的特点是将易分解的碳源和灌溉结合，刺激好氧菌的快速生长，加快土壤中氧气的消耗，厌氧环境使土壤菌落结构从以好氧菌为主转变为厌氧菌或者兼性厌氧菌为主[6]。在厌氧环境下，微生物发酵产生的代谢有毒物质可进一步对病原菌起到抑制作用[7]。施用土壤改良剂（石灰氮等）是新兴起的一种快速恢复土壤退化的方法，相比传统方法具有方便快捷和经济高效的特点。石灰氮改良机制是水解后生成氰氨，对土壤病原菌有灭杀作用[8]，氰氨还可以水解形成可被植物直接吸收利用的尿素或氨[9]。它的优势是水解过程无酸根残留，不会导致土壤酸化加重。土壤微生物群落失衡是导致土传病害发生的直接原因，土壤微生物群落的结构组成是衡量土壤健康情况的重要指标[10-11]。有研究表明，土壤微生物群落结构与土壤理化性质、施肥方式、土壤质地等有关。目前，研究微生物的方法很多，高通量测序技术因具有检测信息丰富、准确率高和成本较低等优点被广泛应用[12]。

芹菜作为我国深受欢迎的伞形科多叶植物，具有广泛的种植面积。但在设施栽培条件下，芹菜常因次生盐渍化[13]、病虫害发生[14]等问题导致减产严重。针对芹菜连作障碍，国内通常采取施用石灰氮等改良剂、芹菜合理间作等治理方式。莫娟等[14]研究表明石灰氮能有效防治芹菜根腐病的发生。袁涛等[15]通过菜豆、芹菜间作来提升芹菜的产量和品质。然而，基于Illumina Miseq高通量测序技术分析不同改良措施对连作芹菜土壤微生物群落结构影响的研究较少。笔者通过灌水高温闷棚联合施用有机物或石灰氮的处理措施来缓解芹菜土壤连作障碍，改善土壤微生物群落结构，以期为缓解芹菜连作障碍和提高芹菜产量提供技术支撑。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

蔬菜大棚位于江苏省太仓市三市村。太仓市处于地势平坦的平原地区，地势自东北向西南倾斜，属于北亚热带南部湿润气候区，光照充足，夏季炎热多雨，冬季寒冷少雨，7月平均气温为27.7 ℃，1月平均气温为2.8 ℃，年平均气温为15.3 ℃。太仓市年平均降水量为1017 mm，年平均降雨日为130 d，太仓市全年受到的日照时长可达4 423.7 h。试验前供试土壤的基本理化性质测定结果：pH值为5.94、全氮含量（w，后同）为0.53 g·kg-1、有效磷含量为72.7 mg·kg-1、有机质含量为22.1 g·kg-1、硝态氮含量为100 mg·kg-1、电导率为68 mS·m-1。

1.2 材料及试验设计

供试材料：芹菜（Apium graveolens）品种为美国西芹文图拉，由北京思贝奇种子有限公司提供。有机物料（麦糠）、石灰氮[w（总氮）≥ 21%，w（氰氨化钙）≥55%]由山东金耐特环保科技有限公司提供;前茬作物：大蒜;棚龄：5年。

在试验中共设计8个处理，（1）CK，裸地;（2）CW，灌水高温闷棚;（3）O1W，灌水高温闷棚 + 5000 kg·hm-2麦糠;（4）O2W，灌水高温闷棚 + 10 000 kg·hm-2麦糠;（5）O3W，灌水高温闷棚 + 15 000 kg·hm-2麦糠;（6）S1W，灌水高温闷棚 + 300 kg·hm-2的石灰氮;（7）S2W，灌水高温闷棚 + 600 kg·hm-2的石灰氮;（8）S3W，灌水高温闷棚 + 900 kg·hm-2的石灰氮。每个试验小区长9 m，宽3 m，面积27 m2，小区间隔25 cm，随机区组设计，3次重复。将不同用量的麦糠或石灰氮均匀撒在对应的试验小区，用旋耕机将麦糠和石灰氮深翻入土，然后在小区四周做小拱，拱宽20 cm、高30 cm，在小拱上覆盖一层塑料薄膜，对小区进行灌水处理让土层处于淹水状态。在试验小区表面覆盖一层塑料薄膜，密封大棚25 d后揭棚排水，通风5 d晾干土层，翻耕土壤后即可进行芹菜播种。每个小区种植大约500株芹菜，株距大约为20 cm。2019年8月5日施用基肥：尿素375 kg·hm-2、有机复合肥1200 kg·hm-2、磷肥225 kg·hm-2、钾肥150 kg·hm-2。为保持氮素平衡，灌水高温闷棚联合石灰氮处理措施不施用尿素。在植株生长旺盛期追肥，施用量为复合肥225 kg·hm-2、尿素75 kg·hm-2、钾肥30 kg·hm-2。

1.3 土壤样品的采集

在芹菜收获期用五点取样法采集深度为20 cm的根际混合土样。采样时间为2019年11月11日，将土样分为2份，1份保存于-70 ℃的超低温冰箱用于土壤根际微生物分析（混合样本，不设重复）;1份风干后去除杂物，研磨、过筛后保存。

1.4 测定方法

1.4.1 土壤微生物群落、基本理化性质和产量的测定 土壤理化性质按照指定标准测定，土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法（NY/T 1121.6—2006）测定[16]，硝态氮含量采用紫外分光光度法（GB/T 32737—2016）测定[17]，pH值采用电位法（HJ 962—2018）测定[18]，电导率采用电极法（HJ 802—2016）测定[19]，有效磷含量采用紫外分光光度法（NY/T 1121.7—2014）测定[20]，全氮含量采用半微量开氏法（NY/T 53—1987）测定[21]。在芹菜收获期，采摘每个小区的芹菜分别计产，并计算各处理芹菜产量平均值。