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不同轮作模式通过改善西兰花土壤养分和真菌群落在土壤健康中的应用

花匠小妙招
2024-12-13 01:44

0 引言

西兰花(Brassica oleracea L.var.italic Planch.)芸苔属蔬菜，是受到越来越多关注的功能性食品，因为它色泽鲜绿、花茎脆嫩、风味清香且提供了有价值的分子和微量元素[1]。西兰花富含维生素C和E、槲皮素和山柰酚苷；一些衍生自芥子油苷水解的产物，如萝卜硫素与炎症的减弱呈正相关，这可以降低糖尿病、心血管疾病和癌症的风险[2]。近年来，宁夏固原地区充分利用本地独特的地理条件，积极推动冷凉蔬菜产业的发展，以规模化种植、优质高产、满足多样化市场需求为目标。在不断探索创新的同时，持续加强技术研发和管理水平，进一步提升冷凉蔬菜产业的发展，为消费者提供更加美味、健康的蔬菜产品。我们的蔬菜产品不仅在本地市场备受欢迎，而且深受其他地区客户的喜爱[3-4]。然而随着农业的不断发展，由于对土壤健康的认识和关注不足，不合理耕作和管理措施等对土壤破坏严重，导致目前中国耕地的健康状况堪忧,突出表现在耕地整体质量较低、退化严重、微生物区系失衡等一系列问题，已成为制约现代农业可持续发展的重要瓶颈[5]。

传统农业结构单一的种植方式，由于过分强调效益，频繁耕作疏于休整导致土壤理化性质紊乱、微生物的群落结构和多样性失衡等因素使得土壤质量逐渐变差[6-7]。土壤的健康状况不仅决定了农产品的数量和质量，同时也通过食物直接影响到人类的健康[8]。

经过大量的生产实践验证，合理的作物轮作被证明是克服连作障碍的有效方法之一，不同的轮作体系不仅能满足对品种和供应时间窗口的需求，达到节本增效的目的，使经济效益最大化；同时也能有效地改善连作土壤的理化性质，促进土壤养分的循环[9]。GAN等[10]相关研究表明，与谷物、豆类轮作可以提高后续作物的生产力；SÁNCHEZ-NAVARRO等[11]对于豇豆轮作种植西兰花模式的研究发现，常规管理有助于增加有机质和总氮，而有机管理提高了有效磷、聚合稳定性和作物产量。程国亭等[12]指出不同的种植制度对微生物群落结构产生显著影响，合理的轮作可通过换茬降低潜在病原菌的相对丰度，增加有益菌群的数量，优化土壤微生物群体的组成，从而减轻连作对植物生长的不利影响。王东等[13]研究发现西兰花轮作草莓、生菜和白菜花等多种作物处理可有效降低土壤传播疾病，西兰花是一种经济可行的轮作作物。土壤微生物能更准确、有效的反映土壤质量的变化，如维持土壤肥力和农田生态系统稳定、体现土壤是否退化或有所改良等[14-15]。程海生等[16]研究发现，西兰花可以通过调节根际土壤微生物的相对数量、从而改变土壤微生态环境。杨子峰等[17]研究指出，西兰花水旱轮作早稻的模式可以显著提高土壤中微生物的数量，同时增加土壤中MBC和MBN的含量；从而有效地改善西兰花种植地的土壤微生态，并显著提高了土壤中有效酶的活性水平。

因此，研究土壤真菌群落结构和多样性对于评估土壤的健康至关重要。土壤内的真菌群落在促进有机物分解和养分循环等关键过程中发挥着重要作用。对土壤真菌群落的研究有助于评估土壤的生态功能和健康状况，为科学合理的土壤管理提供依据。本研究的目的在于研究不同轮作模式下种植西兰花对根际土壤化学性质的影响、土壤真菌群落组成和多样性的影响机制，以便选择适合西兰花轮作的作物，并为评估土壤健康提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地地处宁夏回族自治区固原市原州区彭堡镇闫堡村，地理位置位于宁夏南部地区的冷凉带。该地区属于典型的中温带干旱、半干旱性气候，海拔高达1687 m。无霜期平均约为150 d左右，多年平均气温为6.2℃，年平均日照时数为2578.6 h，年均辐射量为174.5 kcal/cm2。该地区年均降水量为444.1 mm，≥10℃的积温约为3000℃。土壤质地为砂壤土。

1.2 试验设计

试验采用单因素随机区组设计，共设个6处理，分别是西兰花连作(BB)、谷子轮作西兰花(MB)、洋葱轮作西兰花(OB)、豆子轮作西兰花(SB)、马铃薯轮作西兰花(PB)、大葱轮作西兰花(GB)。

2018年，在试验地种植了6种作物，包括西兰花、谷子、洋葱、大豆、马铃薯和大葱。这些作物都采用了滴灌方式进行种植，每个小区的面积为30 m2。在施肥方面，基肥统一使用了以下配方：每公顷使用6000 kg的商品有机肥和300 kg的复合肥（总养分含量≥45%，氮-磷酸二氢钾：15%-15%-15%）。不同作物的追肥情况按其生长周期的需求依照田间实际操作施肥。

6种作物收获后其根际土壤养分及土壤酶活性见表1。

表1 根际基础土壤养分及酶活性 pH EC/(mS/cm) SOM/(g/kg) TN/(g/kg) TP/(g/kg) AK/(mg/kg) B 8.78 0.20 11.38 0.50 0.47 124.71 M 8.73 0.19 13.21 0.58 0.29 160.64 S 8.73 0.19 13.50 0.59 0.44 139.16 O 8.85 0.19 9.40 0.57 0.31 107.10 G 8.74 0.18 18.14 0.89 0.33 224.28 P 8.75 0.22 13.06 0.65 0.41 199.24 AP/(g/kg) NO3--N/(mg/kg) NH4+-N/(mg/kg) 脲酶Urease/[mg/(d·g)] 蔗糖酶Sucrase/[mg/(d·g)] 过氧化氢酶Catalase/[mg/(d·g)] B 16.75 0.09 0.13 2.71 0.94 1.11 M 36.83 0.03 0.14 2.77 0.86 1.05 S 31.44 0.04 0.10 3.99 1.49 1.10 O 14.05 0.30 0.18 3.22 1.29 0.97 G 30.86 0.12 0.12 7.41 3.44 1.17 P 11.99 0.14 0.17 3.12 1.70 1.12注：B：西兰花；M：谷子；S：大豆；O：洋葱；G：大葱；P：马铃薯。

2019年在前年的种植基础上全部种植西兰花，基肥、追肥与2018年相同，每个处理重复3次。

1.3 试验材料

西兰花（‘耐寒优秀’）、谷子（‘张杂19’）、洋葱（‘红箭’）、大豆（‘宁黑一号’）、马铃薯（‘荷兰一号’）、大葱（当地小品种）。

1.4 试验方法

1.4.1 土壤取样

采集土壤样品，对收获期的根际土壤进行采集，根据无菌要求，去除表面土壤后每个地块用直径为5 cm的土钻随机抽取10个土壤样品，深度为0~20 cm，放入无菌袋充分混合，重复3次，混合成一个土壤样品。回到实验室后，去除结石、植物根和动物残体等杂物，用2 mm无菌筛进行筛选，一部分用于测定化学性质；另一部分土样放置在灭菌的微离心管中，在-80℃保存，用于土壤微生物基因组DNA的提取。

1.4.2 土壤化学性质的测定

参照鲍士旦《土壤农化分析》对土壤指标进行测定。使用1:5土水比，通过pH计和电导率仪测量土壤的pH和电导率；化学测定指标及测定方法见表2。

表2 土壤化学性质测定指标及其方法 指标测定方法有机质重铬酸钾容量法—外加热法全氮凯氏定氮法全磷 HCLO4-H2SO4法速效磷 NaHCO3—钼锑抗比色法速效钾 NH4OAC—火焰光度法硝态氮紫外分光光度比色法氨态氮硫酸钾浸提—靛芬蓝比色法

1.4.3 土壤酶活性的测定

土壤酶活性的测定参照周礼恺《土壤酶活性的测定方法》。

1.4.4 土壤真菌DNA的提取与PCR扩增

（1）使用OMEAGA试剂盒E.Z.N.ATM Mag-Bind Soil DNA Kit从土壤中提取真菌总DNA。DNA的浓度和纯度通过NanoDrop2000技术测定，采用百分之一琼脂糖凝胶电泳检测DNA的质量。

（2）真菌ITS1-ITS2区的扩增引物分别为：ITS1F (5'-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3')和ITS2R (5'-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3')。

（3）使用Bio-Rad Lab位于LA, USA的IQ5实时PCR系统，进行土壤真菌丰度的qPCR测定。

（4）高通量测序及数据分析步骤：

a.对高通量测序的原始数据进行初步筛查。

b.使用QIIME2或DADA2分析方法，或者使用Vsearch软件，对序列进行去除引物、质量过滤、去噪、拼接和去嵌合体或OTU/ASV聚类。

c.使用QIIME2对得到的有效序列按照97%相似度进行OTU/ASV归类划分。

d.根据得到的OTU表，可以计算丰富度指数，多样性指数，均匀度指数和覆盖率指数。

1.5 数据处理

利用Excel对数据进行整理与统计分析，利用Origin 2023绘图。

2 结果与分析

2.1 不同轮作模式对西兰花根际土壤化学性质的影响

对比分析6组土壤样本，其化学性质见图1。相比西兰花连作(BB)，其他轮作方式土壤pH普遍降低。土壤可溶性盐含量决定了土壤中盐离子是否限制作物生长；各处理土壤EC值无显著变化。MB、SB、GB有机碳含量显著增加，分别增加了39.9%、40.1%、52%。土壤全氮含量MB、SB、GB增加，增长幅度GB>MB>SB；土壤全磷含量MB、OB、PB增加，增长幅度PB>OB>MB；土壤速效磷含量MB、OB、GB、PB增加，增长幅度GB>MB>PB>OB；土壤速效钾含量MB、SB、GB、PB增加，增长幅度MB>SB>GB>PB；土壤硝态氮含量MB显著增加，增加了166.7%，其余处理并无显著差异；土壤氨态氮含量变化为SB、GB>MB>PB>BB>OB。

图1 不同轮作模式西兰花根际土壤化学性质差异

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2.2 不同轮作模式对西兰花根际土壤酶活性的影响

脲酶活性反应了土壤氮素状况，相比于西兰花连作(BB)，MB、SB脲酶活性显著升高；蔗糖酶活性与可溶性有机质和腐殖质的含量有关，土壤的熟化程度和肥力越高，蔗糖酶活性水平越高，土壤处理MB、SB、GB蔗糖酶活性明显增加；而过氧化氢酶活性则与土壤呼吸强度和微生物活性密切相关，其中MB、SB、GB的过氧化氢酶显著升高，见图2。

图2 不同轮作模式西兰花根际土壤酶活性差异

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2.3 不同轮作方式对根际土壤真菌群落Alpha多样性的分析

土壤真菌群落的多样性和丰富度可以用来判断土壤微生态是否受到污染。Chao1和Observed species指数反映的是物种数目和丰富度，Simpson和Shannon指数反映的是群落多样性、丰富度，Pielous_evenness指数反映群落的均匀度；如果我们的测序结果覆盖率在98%以上，那么可以很有把握地说，样本中未被测出的序列的概率非常低，这意味着我们对样本进行的测序结果能够有效地反映样本的实际情况。根据表3，真菌rDNA ITS序列分析结果表明，覆盖率达到了100%。较处理西兰花连作BB，其他处理的Chao1指数和Observed species指数均升高，Simpson指数均降低；Shannon指数和Pielou’s evenness指数表现为SB<GB<MB<BB<PB<OB。

表3 不同轮作模式下西兰花根际土壤真菌群落Alpha多样性指数 处理 Chao1 指数物种观察数辛普森指数香农指数 Pielou均匀度覆盖度/% BB 242.11±26.89b 235.08±23.50b 0.76±0.14a 3.75±0.79a 0.48±0.11a 100 GB 274.65±50.63ab 268.12±50.00ab 0.55±0.24a 2.76±1.42a 0.348±0.16a 100 MB 352.59±56.33a 342.82±57.14a 0.72±0.20a 3.70±1.11a 0.44±0.13a 100 OB 250.90±87.66b 247.02±86.56ab 0.73±0.25a 3.92±1.57a 0.50±0.19a 100 PB 261.84±38.91ab 255.68±34.85ab 0.75±0.196a 3.80±1.02a 0.48±0.13a 100 SB 292.89±14.12ab 277.04±34.85ab 0.38±0.28a 1.98±1.42a 0.24±0.17a 100

2.4 不同轮作方式根际土壤真菌群落相对丰度及群落结构组成的影响分析

从门分类水平得到的根际土壤真菌相对丰度如图3所示。土壤真菌群落以油壶菌门(Olpidiomycota)、子囊菌门(Ascomycota)为主，占比87%~96%。各处理间相对丰度有明显的差异，其中，油壶菌门丰度OB<PB<BB<MB<GB<SB；子囊菌门丰度SB<GB<MB<BB<PB<OB；其他真菌群落被孢霉门(Mortierellomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、壶菌门(Chytridiomycota)、毛菌门(Mucoromycota)、捕虫菌门(Zoopagomycota)、球囊菌门(Glomeromycota)、Aphelidiomycota，其中被孢霉门相对丰度较处理BB差异明显。

图3 不同轮作模式下根际土壤真菌门水平相对丰度变化

油壶菌门(Olpidiomycota)，子囊菌门(Ascomycota)，被孢霉门(Mortierellomycota)，担子菌门(Basidiomycota)，壶菌门(Chytridiomycota)，毛菌门(Mucoromycota)，捕虫菌门(Zoopagomycota)，球囊菌门(Glomeromycota)，Aphelidiomycota，其他(Others)

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从属分类水平得到的根际土壤真菌相对丰度如图4所示。各处理土壤真菌群落相对丰度最高的是油壶菌属(Olpidium)，占比33%~77%；不同处理下油壶菌属相对丰度表现为：OB<PB<BB<MB<GB<SB，相对丰度差异明显。土赤壳属较处理BB相对丰度均表现为下降，被孢菌属相对丰度较处理BB表现为上升。

图4 不同轮作模式下根际土壤真菌属水平相对丰度变化

油壶菌属(Olpidium)，毛葡菌属(Botryotrichum)，镰刀菌属(Fusarium)，毛壳菌属(Chaetomium)，被孢菌属(Mortierella)，癬囊腔菌属(Plectosphaerella)，链格孢属(Alternaria)，土赤壳属(Ilyonectria)，枝孢菌属(Cladosporium)，其他(others)

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这些结果表明，与西兰花连作(BB)处理相比，真菌群落丰度受到轮作模式的影响。

2.5 根际土壤真菌Alpha多样性指数与土壤化学性质、酶活性的分析

如图5所示，对不同轮作模式下西兰花根际土壤真菌群落的Alpha多样性指数与土壤化学性质、酶活性进行主成分分析，前两个主成分总贡献率合计62%。由图可说明，不同轮作模式下土壤真菌多样性与土壤养分和酶活性间有良好的相关性。在象限分布中，与BB相比，轮作模式MB距离最远，MB是西兰花的最适茬口，实际生产种植中应选择MB或其他旱地作物与西兰花进行轮作，缓解连作障碍。

图5 真菌群落Alpha多样性指数与化学性质、酶活性的主成分分析

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2.6 根际土壤真菌优势菌群与土壤化学性质的相关性分析

根据图6呈现的结果，显示了基于根际土壤的优势真菌菌群相对丰度与土壤化学性质之间的相关性分析。由图可知，土壤SOM与油壶菌群在0.01水平下呈极显著正相关性，与子囊菌门在0.01水平下呈极显著负相关；TN、AK与油壶菌群呈极显著正相关，与子囊菌门呈极显著负相关；TP与子囊菌门在0.01水平下呈极显著正相关，与被孢菌门在0.05水平下呈显著正相关；硝态氮与被孢菌门在0.05水平上呈显著正相关，与毛壳菌属在0.01水平下呈极显著正相关；氨态氮与油壶菌群在0.01水平上呈极显著正相关，与子囊菌门在0.01水平下呈极显著负相关。

图6 根际土壤真菌优势菌群与化学性质的相关性分析

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3 讨论

随着全球人口的增长和食品需求的不断提高，农业生产的重要性日益凸显。然而，长期连作会导致土壤的健康出现问题，使得作物生长发育迟缓、作物病害概率增加、农产品产量降低[18]。因此，寻找有效的技术措施缓解连作障碍已成为当前研究的热点，已有研究表明：避免连作障碍的最佳防治途径是与不同作物轮作，与连作相比，采用不同作物轮作换茬的种植方式可以产生以下效益：优化土壤的物理和化学特性，增强土壤肥力，调整土壤微生物群落的组成，以及提升作物产量[19⇓-21]。

3.1 不同轮作方式对根际土壤化学性质和酶活性的影响

土壤和作物管理实践，如耕作，覆盖种植和轮作可以影响土壤质量和土壤健康指标[22]。CHEN[23]指出与单作相比，轮作已显示出一些积极的影响，如提高土壤有机碳(SOC)；孙倩等[24]研究指出土壤有机质、N、P、K含量等经与不同作物轮作处理后均显著增加，与本试验研究结果相一致。有报道称，作物轮作对土壤的影响取决于在轮作中种植的作物，因为轮作中的作物在田间留下的植物残余物数量和质量不同[25]。土壤酶是一类酶，它来源于植物的根系和残体、土壤动物以及微生物；土壤酶活性反映了土壤中养分的变化趋势和含量[26-27]。在本试验中，处理MB、SB、GB蔗糖酶的活性增强，相对应的SOM含量均升高；同时，处理MB、SB的脲酶活性增强，TN的含量升高。

从分析结果表明，与连作相比，轮作具有提高土壤化学性质并增强酶活性的作用，其中处理MB、SB的酶活性均显著增高，且MB的化学性质均有显著增加。

3.2 不同轮作方式对西兰花根际土壤真菌多样性和群落结构的影响

土壤微生物对外界环境的变化（如作物轮作等）较为敏感[28]，保持土壤微生物的多样性对土壤健康以及农业生产都具有重要意义。陈爱萍等[29]研究结果表明，随着连作年限的上升，土壤中真菌数量总体呈现上升的趋势。张邦喜等[30]研究结果显示，在经过轮作后，土壤中真菌门和属级别的优势菌属的丰度总和相较于连作情况下有所下降。在本研究中，较西兰花连作相比，与谷子、大豆、大葱轮作后，土壤真菌Chao1指数和物种丰富度增多，香农指数和Pielou均匀度降低。研究发现，子囊菌门是真菌中最大的门，它降解木质素和角蛋白等持久性有机物。HANSEN[31]研究发现，许多子囊菌可以形成共生的菌根和地衣，从而在土壤养分循环中发挥重要作用。被孢霉菌在低营养水平的土壤中有调节作用，属有益菌[32]。本试验发现，与不同作物轮作后，处理MB子囊菌门相对丰度较BB差异不明显；被孢菌群的丰度相对西兰花连作都呈上升的趋势，但谷子轮作丰度增加最为明显。谷子轮作下油壶菌群的相对丰度差异不明显，毛壳菌属丰度升高，土壤抵抗土传病害的能力增强。

本研究进一步说明了由于轮作后作物种类的增加，根际土壤真菌群落结构组成发生变化，这有利于形成优化的根际微生态环境，从而缓解作物连作障碍的问题。

3.3 不同轮作方式下西兰花根际土壤化学性质对真菌群落的影响

土壤微生物作为一个整体群落参与土壤生命活动，群落生物活性和结构的变化可以敏感地反映土壤质量、健康状况和生态系统的变化[33]。刘会芳等[34]研究发现，轮作处理后，土壤中的硝化细菌丰度显著增加，有利于土壤中氮素的代谢和利用。土壤被孢菌群、毛壳菌属与硝态氮呈正相关，证明土壤调节养分和抵抗病害的能力增强；与IMRAN等[35]研究一致，施氮在一定程度上减轻了对植株的病害。陈倬等[36]研究发现，与谷子轮作后土壤有效磷含量增加，可能是因为根际解磷微生物较为充足，与本试验结果一致，在与谷子轮作后土壤全磷和子囊菌门呈正相关。由研究结果可见，轮作方式在农田生态系统中能够促进养分循环，这对于平衡作物的营养水平起着重要作用。

真菌与土壤微生态学的关系密切，它们在生态系统中作为减压器的作用，作为重要的植物病原体，以及它们作为菌根真菌与植物共存，所有这些都可以作为土壤微生态学的指标。因此，研究土壤真菌群落多样性的影响对改善植物和土壤健康具有重要意义，值得进一步关注。

4 结论

综上所述，试验对比不同轮作模式下西兰花根际土壤化学性质和真菌群落结构，相较于西兰花连作，谷子轮作后土壤化学性质和酶活性均提高，土壤有益菌属的多样性及丰富度增加，可有效缓解连作障碍。因此，在实际生产种植模式中应选择谷子与西兰花连作模式以缓解连作障碍，从而达到改善土壤健康。

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