徐歆雅, 陳 晴, 吳郡穎, 戴林剛, 溫宇珂, 齊浩然, 余秀梅, 陳 強(qiáng)

(四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院,成都 611130)

【研究意義】隨著全球糧食需求的不斷增長(zhǎng),塑料地膜覆蓋廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中,能夠有效抑制雜草生長(zhǎng),降低化學(xué)除草劑的使用。據(jù)統(tǒng)計(jì),2024年我國(guó)地膜覆蓋面積預(yù)計(jì)達(dá)到2.2×105km2[1]。然而,塑料地膜殘留物常被丟棄在農(nóng)田中污染土壤,破壞土壤微生態(tài),從而對(duì)環(huán)境和人類健康造成不良影響[2]?？山到獾啬な墙鉀Q殘膜污染的重要途徑之一,研究其對(duì)土壤肥力特征及細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響,可為應(yīng)用和推廣可降解地膜提供理論參考?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】地膜覆蓋可改善農(nóng)田水文過程,具有增加作物蒸騰、土壤溫度、土壤含水量,防治雜草的功效[3],已在玉米[4]、大豆[5]、水稻[6]、小麥[3]等農(nóng)作物種植中廣泛應(yīng)用,我國(guó)地膜覆蓋面積位居世界第一[7],但地膜的使用也帶來了嚴(yán)重的“白色污染”。由于農(nóng)用地膜由聚乙烯制成,分解難度大,長(zhǎng)期使用后在土壤中大量殘留難以降解;另一方面,土壤中殘留地膜在分解過程中產(chǎn)生的微塑料,既破壞土壤原有結(jié)構(gòu),降低通透性,阻礙土壤水分入滲和溶質(zhì)轉(zhuǎn)移,影響土壤吸濕性[8-9],又影響土壤理化性質(zhì)及物質(zhì)循環(huán),改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),進(jìn)而影響土壤生態(tài)系統(tǒng)健康,損害作物生長(zhǎng)發(fā)育[10-11]。可降解地膜因其生物可降解特性,可望有效解決殘留地膜“白色污染”問題,實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展,因而受到廣泛關(guān)注。申麗霞等[12]研究表明,可降解地膜覆蓋能顯著提升土壤水分含量,加快玉米發(fā)育進(jìn)程,不同生育時(shí)期株高、葉面積及地上部干物質(zhì)積累量顯著上升(P<0.05);在張占琴等[7]研究中,新疆地區(qū)應(yīng)用可降解地膜覆蓋種植棉花有效促進(jìn)棉株生長(zhǎng),產(chǎn)量上升5.81%(P<0.05);Huang等[13]發(fā)現(xiàn),黃土高原應(yīng)用生物降解膜覆蓋種植玉米產(chǎn)量顯著增加93.30% (P<0.05)?！颈狙芯壳腥朦c(diǎn)】白及由于植株小,栽培期間極易發(fā)生草害,采用覆蓋地膜的方式不僅能抑制雜草生長(zhǎng),又可提高白及抗寒能力,加快種子萌發(fā),增加塊莖干重及有效成分,促進(jìn)白及植株發(fā)育[14-15]。但有關(guān)可降解生物質(zhì)膜對(duì)白及土壤肥力特征的影響及白及根際可培養(yǎng)細(xì)菌群落變化的研究較少,為此,本文研究不同覆膜處理對(duì)白及種植雜草去除率、白及農(nóng)藝性狀、根際土壤理化性質(zhì)以及土壤可培養(yǎng)細(xì)菌群落組成的影響?！緮M解決的關(guān)鍵問題】通過研究生物基質(zhì)可降解膜對(duì)白及種植中的農(nóng)藝性狀、土壤理化和微生物特性變化,為生物基質(zhì)可降解膜應(yīng)用于白及種植提供理論支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)地 試驗(yàn)地位于成都市崇州市榿泉鎮(zhèn)四川農(nóng)業(yè)大學(xué)現(xiàn)代農(nóng)業(yè)研發(fā)基地(103°39′ E,30°33′ N)。供試土壤為潴育型水稻土,土壤基礎(chǔ)養(yǎng)分含量為有機(jī)質(zhì)2.72%、堿解氮47.08 mg/kg、土壤有效磷13.76 mg/kg、速效鉀491.72 mg/kg。

1.1.2 試驗(yàn)材料 供試品種為紫花三叉白及,從市場(chǎng)購(gòu)買生長(zhǎng)均勻、苗高10 cm 左右的白及苗。生物質(zhì)可降解膜(簡(jiǎn)稱生物質(zhì)膜)由四川農(nóng)業(yè)大學(xué)資源學(xué)院農(nóng)業(yè)微生物資源與應(yīng)用課題組和深圳市澤清源科技開發(fā)有限公司聯(lián)合研制,采用甘蔗渣、食用菌菌渣為原料,接種專用微生物菌種生產(chǎn)而成[16]。生物質(zhì)膜規(guī)格長(zhǎng)×寬=1.2 m×0.6 m,厚度5 mm;其養(yǎng)分組成為有機(jī)質(zhì)含量632 g/kg,全氮、全磷、全鉀含量分別為12.58、8.52、31.67 g/kg。塑料地膜為銀黑雙色聚乙烯地膜,厚度0.012 mm;復(fù)混肥料(20-9-11)為臺(tái)沃科技集團(tuán)生產(chǎn),從市場(chǎng)購(gòu)買。

1.1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 田間試驗(yàn)設(shè)置3個(gè)處理:常規(guī)種植不覆膜(CK)、覆蓋生物質(zhì)膜(BM)、覆蓋聚乙烯地膜(PM)。試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組排列,各重復(fù)3次,共9個(gè)小區(qū),每個(gè)小區(qū)20 m2。于2020年9月進(jìn)行,試驗(yàn)前按有機(jī)肥300 kg/667 m2、復(fù)混肥料50 kg/667 m2施入基肥,均勻整地備用。覆膜試驗(yàn)中,先將生物質(zhì)膜、塑料膜覆蓋于各小區(qū),按株行距20 cm×20 cm打孔,隨后種植白及幼苗。2021年4月和9月根據(jù)白及的長(zhǎng)勢(shì)進(jìn)行追肥。5—9月搭建高度為1.5～2.0 m的遮陽網(wǎng),遮陽網(wǎng)透光率為30%～50%。

1.2 研究方法

1.2.1 不同處理除草效果測(cè)定 于2021年5月30日、6月30日以及7月30日分別采集每個(gè)小區(qū)雜草稱重量,計(jì)算雜草去除率。

1.2.2 土壤樣品采集及處理 于2021年11月采集白及根際土壤樣品,采用多點(diǎn)混合法取樣,土壤樣品低溫帶回實(shí)驗(yàn)室,在超凈工作臺(tái)去除石礫和動(dòng)植物殘?bào)w,混勻后四分法分成2份,1份于4 ℃冰箱保存,測(cè)定土壤可培養(yǎng)細(xì)菌數(shù)量和分離純化;另1份經(jīng)自然風(fēng)干,研磨過篩后用于測(cè)定土壤理化特性。

1.2.3 白及農(nóng)藝性狀分析 于2021年6月15日(白及花期),從每個(gè)試驗(yàn)小區(qū)選取9株長(zhǎng)勢(shì)均勻且具有代表性的白及苗,測(cè)定其農(nóng)藝性狀[17],測(cè)定指標(biāo)包括株高、葉片數(shù)、葉片長(zhǎng)寬比、葉綠素相對(duì)含量,其中植株的葉綠素相對(duì)含量采用活體葉綠素儀進(jìn)行即時(shí)測(cè)量(單位spad)。

1.2.4 土壤溫度 于2021年8月初進(jìn)行測(cè)定,每天8:00、14:00、18:00,每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3個(gè)位置,采用地溫計(jì)測(cè)定不同處理10～15 cm土層溫度,計(jì)算平均值。

1.2.5 土壤理化特性測(cè)定 分別測(cè)定不同處理白及根際土壤理化性質(zhì)[18]。土壤有機(jī)質(zhì)測(cè)定采用重鉻酸鉀容量法;土壤堿解氮測(cè)定采用堿解擴(kuò)散法;土壤有效磷測(cè)定采用0.5 mol/L NaHCO3浸提-鉬銻抗分光光度法;土壤速效鉀測(cè)定采用1 mol/L NH4OAc-火焰光度法。

1.2.6 可培養(yǎng)細(xì)菌分離純化 采用稀釋平板法分離白及土壤細(xì)菌[19],待菌落出現(xiàn)后,根據(jù)形態(tài)差異挑取單個(gè)菌落進(jìn)行分離、純化、鏡檢獲得純菌株,LB斜面培養(yǎng)基,4 ℃保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2.7 可培養(yǎng)細(xì)菌遺傳多樣性分析 采用Chelex-100法提取DNA[20],利用BOX引物(5’-CTACGGCAAGGCGCTGACG-3’)進(jìn)行擴(kuò)增,產(chǎn)物經(jīng)1.5%瓊脂糖,80 V、電泳2 h,Bio-Rad凝膠成像系統(tǒng)掃描得到BOXA1R指紋圖譜。根據(jù)BOXA1R遺傳群結(jié)果選取代表菌株,以27f (5’-AGAGTTTGATCCTGGCTCA-3’)、1492r (5’-GGTTACCTTGTTACGACTT-3’) 為PCR引物,擴(kuò)增16S rRNA基因片段,送至上海生工有限公司測(cè)序[21]。

1.2.8 數(shù)據(jù)分析 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用 Microsoft Excel 2019進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算,顯著性差異均采用單因素方差分析(One-way ANOVA)和 Duncan分析,結(jié)合 LSD 法進(jìn)行多重比較;采用NTSYS軟件對(duì)BOXA1R指紋進(jìn)行非加權(quán)平均連鎖法(UPGMA)聚類分析;代表菌株系統(tǒng)發(fā)育樹構(gòu)建采用 MEGA 7.0 鄰接法(Neighbour-joining)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理雜草去除效果

2021年5—7月各處理的雜草生長(zhǎng)量及除草率見表1,結(jié)果表明,覆膜種植白及可顯著控制雜草生長(zhǎng),以BM處理控制雜草效果最佳,優(yōu)于PM處理。尤以2021年5月的雜草去除率最高,為99.74%。

表1 不同處理除草效果Table 1 Weeding effect under different treatments

2.2 不同處理白及農(nóng)藝性狀

對(duì)不同處理白及農(nóng)藝性狀進(jìn)行測(cè)定(表2),結(jié)果表明,BM處理的白及植株高度較CK處理顯著提高68.36%(P<0.05),PM處理高于CK,但差異不顯著。不同覆膜處理均可增加白及葉片數(shù),但差異不顯著。

表2 不同處理白及農(nóng)藝性狀Table 2 Agronomic traits of B. striata under different treatments

白及葉片的長(zhǎng)寬比和葉綠素相對(duì)含量均表現(xiàn)為BM>PM>CK。與CK、PM相比,BM處理葉片長(zhǎng)寬比分別增加26.55%、22.03%,葉綠素相對(duì)含量增加21.92%、19.20%,差異顯著(P<0.05)。

2.3 不同處理10～15 cm土層溫度變化

由圖1可知,與CK處理相比,8月PM處理10～15 cm土層平均土溫最高,升高幅度為1.0～1.7 ℃,日均增溫幅度高于1.7 ℃的天數(shù)達(dá)12 d;BM處理日均溫度升高不明顯,增幅僅0.0～0.7 ℃。說明BM處理有利于高溫季節(jié)保持較適宜的土層溫度。

圖1 不同處理10～15 cm土層溫度變化Fig.1 Temperatures changes at 10-15 cm soil layers under different treatments

2.4 不同處理土壤理化特性變化

由表3可知, 與CK、PM相比,BM處理可顯著提高土壤主要養(yǎng)分含量(P<0.05)。土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著增加26.58%、27.53%,堿解氮含量顯著增加35.34%、33.81%,有效磷含量顯著增加49.80%、28.66%,土壤速效鉀含量顯著增加47.43%、15.14%。除土壤速效鉀外,CK、PM處理之間土壤養(yǎng)分含量無明顯差異。

表3 不同處理土壤養(yǎng)分含量Table 3 Soil nutrient content of different treatments

2.5 不同處理白及根際可培養(yǎng)細(xì)菌遺傳多樣性

2.5.1 供試菌株BOXA1R-PCR分析結(jié)果 從3種處理白及根際土壤樣品分離、純化得到78株細(xì)菌(表4),其中CK處理26株,編號(hào)為CK01～CK26;BM處理29株,編號(hào)為BM01～BM29;PM處理23株,編號(hào)為PM01～PM23。對(duì)供試細(xì)菌的BOXA1R PCR指紋圖譜進(jìn)行UPGMA聚類(圖2),供試菌株間存在明顯的遺傳多樣性。所有菌株在67%相似水平處聚在一起,在89%相似水平處分為42個(gè)遺傳群,其中CK14、BM07、PM04、BM04、BM14、CK11、PM09、CK06、PM01、CK19、CK04、PM05、BM10、CK07、BM09、PM10、BM11、BM08、CK03、BM25、BM23、BM15單獨(dú)成群;其余菌株構(gòu)成20個(gè)遺傳群;以遺傳群12最大,由6個(gè)菌株組成;其次為群2、22、31,各有4株細(xì)菌;群1、11、14、16、27、32則均由3株細(xì)菌組成。

圖2 供試細(xì)菌BOXA1R-PCR UPGMA聚類圖Fig.2 UPGMA dendrogram constructed by BOXA1R PCR patterns of tested bacteria

表4 供試菌株遺傳多樣性Table 4 Genetic diversity of tested strains

2.5.2 代表細(xì)菌的系統(tǒng)發(fā)育 基于 BOXA1R-PCR 聚類圖,選取45個(gè)代表菌株(表4)測(cè)定16S rRNA基因序列,上傳至GenBank獲得序列號(hào),采用MEGA7.0構(gòu)建供試細(xì)菌的系統(tǒng)發(fā)育樹(圖3)。

圖3 代表菌株16S rRNA基因序列系統(tǒng)發(fā)育樹Fig.3 Phylogeny tree of the representative strains constructed by 16S rRNA gene sequences

系統(tǒng)發(fā)育分析結(jié)果表明,白及根際土壤可培養(yǎng)細(xì)菌包含芽孢桿菌屬(Bacillus)、假芽胞桿菌屬(Fictibacillus)、桿菌屬(Rathayibacter)、假節(jié)桿菌屬(Pseudarthrobacter)、劍菌屬(Ensifer)、假單胞菌屬(Pseudomonas)、不動(dòng)桿菌屬(Acinetobacter)、金黃桿菌屬(Chryseobacterium),其中以芽孢桿菌屬為優(yōu)勢(shì)菌,在CK、BM、PM中占比分別為76.9%、69.0%、73.9%。不同處理白及根際土壤細(xì)菌種屬分布存在差異,CK處理根際細(xì)菌在分類上屬于4屬13個(gè)種,以粘著劍菌(E.adhaerens)占優(yōu)勢(shì)(15.4%);BM處理根際細(xì)菌分屬于7屬20個(gè)種,以假蕈狀芽孢桿菌(B.pseudomycoides) 占優(yōu)勢(shì)(13.8%);PM處理細(xì)菌分屬于4屬13個(gè)種,以花椒芽孢桿菌(B.zanthoxyli)為優(yōu)勢(shì)菌群(17.4%),此外,僅由BM處理土壤中分離獲得9個(gè)細(xì)菌類群,分別是A.guillouiae、B.subtilis、B.siamensis、B.idriensis、P.oryzihabitans、C.nepalense、C.vietnamense、E.canadensis、P.psychrotolerans。

3 討 論

花期是白及生長(zhǎng)最旺盛的時(shí)期,也是研究白及農(nóng)藝性狀的最佳時(shí)間[17]。本研究對(duì)不同處理白及花期農(nóng)藝性狀的測(cè)定結(jié)果表明,覆膜處理可以顯著增加白及株高及葉片數(shù),且白及葉片長(zhǎng)寬比和葉綠素相對(duì)含量表現(xiàn)為BM>PM>CK。較PM和BM處理葉片長(zhǎng)寬比、葉綠素相對(duì)含量分別顯著增加22.03%、19.20%(P<0.05),說明生物基質(zhì)膜覆蓋效果優(yōu)于塑料膜覆蓋,更有利于白及生長(zhǎng),這與劉曉偉等[22]、Zong等[23]的研究結(jié)果一致。

作物生長(zhǎng)受環(huán)境因子綜合影響,夏季高溫季節(jié)植株的葉綠素含量與環(huán)境溫度呈顯著負(fù)相關(guān),白及適宜生長(zhǎng)溫度為15～28 ℃[24]。本研究對(duì)夏季不同處理10～15 cm土層溫度進(jìn)行測(cè)定,以PM處理日均溫最高,持續(xù)時(shí)間最長(zhǎng),BM處理與CK相近,這與Tao等[25]的研究結(jié)果一致。PM處理采用銀黑雙色地膜覆蓋,由于保溫性能好[26],因而10～15 cm土層溫度顯著高于其它2個(gè)處理;BM處理溫度升高不明顯,這是由于生物基質(zhì)膜以秸稈為原料,利用真菌菌絲體扭結(jié)將植物纖維形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[27-28],厚度約5 mm,高溫季節(jié)表現(xiàn)出良好的隔熱效果,有效地控制了地溫升高。BM處理10～15 cm土層溫度低于PM處理,為白及生長(zhǎng)提供了適宜的環(huán)境條件。

土壤養(yǎng)分是土壤肥力的重要指標(biāo),直接影響作物生長(zhǎng)發(fā)育。研究表明,覆膜或秸稈增加土壤有機(jī)碳、堿解氮、速效鉀含量,秸稈覆蓋效果最佳[29],生物可降解地膜覆蓋可顯著提高馬鈴薯種植土壤養(yǎng)分含量[30]。本研究中,土壤養(yǎng)分含量表現(xiàn)為BM>PM>CK,BM土壤養(yǎng)分含量顯著高于其他處理(P<0.05),PM與CK間差異不明顯(除速效鉀外)。BM處理土壤有機(jī)質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量分別比PM顯著增加27.53%、33.81%、28.66%和15.14%。這主要由于生物質(zhì)膜分解后的養(yǎng)分進(jìn)入土壤,土壤養(yǎng)分含量增加,增加土壤微生物多樣性,提高土壤活性,進(jìn)一步促進(jìn)土壤緩效養(yǎng)分釋放所致。

土壤微生物多樣性及群落結(jié)構(gòu)與土壤質(zhì)量密切相關(guān)[31]。本研究中,各處理土壤可培養(yǎng)細(xì)菌中,芽孢桿菌(Bacillussp.)均為優(yōu)勢(shì)菌群,CK、BM處理中的數(shù)量為20個(gè),PM處理為17個(gè),占比分別為76.9%、69.0%、73.9%。此外,從BM處理中分離獲得的枯草芽孢桿菌(B.subtilis)、暹羅芽孢桿菌(B.siamensis)、棲稻假單胞菌(P.oryzihabitans)、尼泊爾金黃桿菌 (C.nepalense)等9個(gè)細(xì)菌種群被報(bào)道具有促生、抑病、抗逆等多種有益功能,這些菌株在CK和PM處理土壤中未能分離獲得。相關(guān)研究表明,B.subtilisB4能有效減少花生土傳病害,促進(jìn)花生根系生長(zhǎng)[32];B.siamensisB-612能夠降低稻瘟病發(fā)病率[33],B.siamensisYB-1631可抑制小麥冠腐病,幼苗根系鮮重顯著增加20.94%[34];菌株P(guān).oryzihabitansEP4具有溶磷、產(chǎn)1-氨基環(huán)丙基-1-羧酸酯(ACC)脫氨酶等多種促生性能[35],而在Daniel等[36]的研究中,P.oryzihabitansPGP01有利于促進(jìn)梨屬體外生根及植株生長(zhǎng);Chryseobacteriumsp. 可抑制花生莖腐病,花生產(chǎn)量顯著增加21%(P<0.05)[37],同時(shí)也具有降解塑料地膜的潛力[38]?？梢?覆蓋生物質(zhì)膜處理可以豐富根際細(xì)菌多樣性,增加有益微生物比例,從而改善根際微生態(tài)。

4 結(jié) 論

與地膜覆蓋和常規(guī)種植相比,生物質(zhì)膜能有效抑制雜草生長(zhǎng),提高土壤有效養(yǎng)分含量,改善土壤理化性質(zhì),增加土壤細(xì)菌遺傳多樣性,從而促進(jìn)白及生長(zhǎng)。本研究分析了不同處理土壤可培養(yǎng)細(xì)菌多樣性變化,所分離細(xì)菌的促生特性、田間應(yīng)用效果等方面值得深入研究,同時(shí)可采用高通量測(cè)序技術(shù)進(jìn)一步探討不同覆膜處理對(duì)白及種植土壤微生物群落組成變化特征。