综合改良对农田栽参土壤微生态环境的改善研究

[摘要]该文研究综合改良措施对农田栽参土壤微生态环境的影响，建立农田土壤改良的标准流程，以保证农田栽参的顺利开展。研究采用土壤消毒、绿肥回田和施肥改土相结合处理传统农田，通过观测土壤的理化性状、细菌群落多样性及人参生长指标等因素，发现综合改良措施可显著增加0～30 cm土层有机质含量，降低土壤容重，增加0～20 cm土壤营养元素含量，改变土壤细菌群落的多样性及组成，提高农田参苗存苗率，促进了人参生长。该研究表明土壤消毒、绿肥回田结合施肥改土的综合措施可有效改善农田土壤微生态环境，为农田栽参顺利开展提供参考。

[关键词] 农田栽参； 综合改良措施； 微生态； 土壤消毒； 绿肥回田

[Abstract] This study has revealed the change of the soil micro-ecology of farmlands， which used for ginseng cultivation， brought by comprehensive soil improvement. The process of soil improvement was described as follows： soil was sterilized using trichloronitromethane， and then perilla seeds were planted. After growing up， the perillas were turned over into the field and fermented， then organic fertilizer was added. Rotary tillages were carried out during the intervals. Physical and chemical properties of treated soil were measured， as well as microbial diversity， which was illustrated using 16s high through-put sequencing. The survival rate and growth data of ginseng seedlings were recorded. The analysis showed that after improvement， the soil organic matter content was increased and soil bulk density was decreased， compare to the controls， and the fertility in 0-20 cm of soil layer was increased in the treatment. Additionally， the soil microbial diversity was changed greatly. In detail， alpha diversity of the soil decreased after soil improvement while the beta diversity increased. In order to verify the achievement of soil improvement， ginseng seedlings were planted. Compared to the untreated land blocks， the survival rate of ginseng on improved blocks was increased up to 21.4%， and the ginseng physiological index were all better than the controls. Results showed that comprehensive soil improvements including soil sterilization， green manure planting and organic fertilization application effectively improved the soil micro-ecology in farmlands. This study will pave the way for the future standardization of ginseng cultivation on farmlands.

[Key words] ginseng cultivation on farmlands； comprehensive soil improvement； soil micro-ecology； soil sterilization； green manure planting

人Panax ginseng C. A. Mey是传统名贵药材，有“百草之王”的美誉，中国是人参主产国，其栽培面积和产量均居世界首位[1]。中国主要的栽参模式为伐林栽参，森林资源破坏性强，生态压力大，目前每年用于人参栽培所消耗的林地达上万亩[2]，很多老参区已基本无林可伐[3]。人参是多年生忌根植物，连作障碍问题严重，极大制约了人参产业的可持续发展[4]。人参的忌地性加重参地资源的紧缺，新参地资源的发掘势在必行。农田栽参是利用传统田地进行休耕种植人参，可实现传统作物与人参轮作，从而解决参林争地的矛盾，是人参种植的发展方向[5]。

土壤是人参赖以生存的物质基础，其理化性质，微生物组成与人参生长发育、产量与质量都密切相关。农田土与林区腐殖土相比，有机质含量低，土壤肥力较差，孔隙度小，容重大，不利于人参生长[6-7]。因此，栽培前的土壤改良是农田栽参的关键。然而土壤微生态环境的复合因素影响人参生长发育、产量与质量，单一措施无法有效改善农田的微生态环境。已有报道，土壤消毒能有效杀灭土壤中病原菌，减轻土传病害[8]，绿肥回田不但改变土壤的结构而且对病虫害有抑制作用[9]，施肥改土增加土壤肥力，保证人参的顺利生长[10]。因此，可以认为多种措施的综合使用能够促进农田栽参的有效开展。

本研究利用土壤消毒、绿肥回田、施肥改土的综合措施对农田微生态环境进行改良，通过分析土壤理化性质、微生物群落变化和人参存苗率及生长指标，初步建立一套适合农田栽参土壤改良的综合办法，为农田栽参的顺利开展提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验设计 样地选择位于中国中医科学院中药研究所靖宇县农田栽参试验基地（126.8°E，42.39°N），本试验于2014―2015年开展，本次试验共用地667 m2。该试验地是传统的农田，前茬作物为玉米Zea mays L.。玉米收获后，地块经旋耕备用。小区试验（面积为111 m2）随机排布，试验设计见表1。农田地处理之后，对照及处理地旋耕2次，深度达40 cm，之后按照林地栽参方式，进行做床、播种等农艺措施。人参、苏子Perilla frutescens Britt. 种子及农家肥由盛实百草药业有限公司提供，人参选择一年生人参苗移栽，苏子采用撒播方式种植。

1.2 土壤样品采集 10月15日，人参做床之前采集土壤样品。每个小区随机选取5个点，分别取每个点1～10，1～20，21～30 cm不同土层样品，并将5个点不同土层样品分别混匀，过筛（2 mm），共18份样品。每份样品分为2部分，一部分用于土壤理化性状的分析，另一部分于-80 ℃保存备用于土壤微生物群落分析，3次重复。

1.3 土壤理化性状的分析 采用水浸提法测定土壤的pH[11]；环刀法测定土壤容重；水合热法测定土壤有机质[12]；凯氏定氮法测定土壤中氮含量[13]；微波消解法测定土壤金属元素。

1.4 土壤微生物群落的分析 采用MOBIO PowerSoil Kit（MOBIO，美国）提取土壤总DNA，利用通用引物27F/338R扩增细菌16s rRN段[14]，标签序列见表2。序列扩增、纯化、均一化参照Rodrigues等[15]描述。采由Illumina Misq测序平台获取土壤细菌宏基因组序列，读长为PE250，采用QIIME软件进行序列分析[16]。数据预处理，采用Flash的软件融合双末端序列，通过各样品标签序列对数据进行区分并归类，去除非靶区域序列及嵌合体[17]。采用RDP classifier将序列进行物种分类，对每个样本和每个物种单元分类进行序列丰度计算构建样本和物种分类单元序列丰度矩阵[18]。根据序列相似度（97%）构建操作分类单元（OTU）。通过Alpha多样性分析，计算各种物种多样性指数，衡量样本物种多样性[17]。

1.5 存苗率及生长指标的分析 于次年7月中旬，调查人参的存苗率，株高及茎粗，每个小区随机选取2 m2，统计存苗数及人参的生长指标，3次重复。

1.6 数据分析 采用SPSS 11.0软件，在P

2 结果分析

2.1 综合改良措施降低土壤容重 综合改良措施降低0～30 cm土层的容重，见图1。与对照相比，0～10，11～20，21～30 cm土层容重分别下降了4.0%，9.3%，1.0%。结果表明，与21～30 cm土层容重相比，综合改良措施对0～20 cm土层容重影响较大。

2.2 综合改良措施降低土壤pH 与对照相比，综合改良措施显著降低0～30 cm土层的pH，见图2。与对照土层相比，0～10，11～20，21～30 cm土层中pH分别下降了3.9%，3.4%，2.8%。结果表明，随着土层的加深，综合改良措施对土壤pH的影响减弱。

2.3 综合土壤改良措施改变土壤肥力 综合农田土壤改良增加土壤0～20 cm土层的肥力，见表3。与对照相比，消毒、绿肥回田、施肥改土之后的地块，0～30 cm土层，总氮，有机质有效磷显著增加；0～20 cm土层的钙（Ca）、铜（Cu）、铁（Fe）、钾（K）、镁（Mg）、锰（Mn）、钠（Na）、锌（Zn）含量增加，其中0～10 cm土层中各元素含量显著增加；21～30 cm土层中K，Cu的含量低于对照土层中的含量。结果表明，综合土壤改良措施对土层肥力的影响随着土层深度的增加，影响逐渐减弱。

2.4 综合土壤改良措施改变土壤细菌群落多样性 与对照土层相比，综合农田土壤改良措施降低0～20 cm土层细菌OUT，Shannon指数（H′），随着土层加深，OTU，H′降低减弱，而21～30 cm土壤中OUT，H′高于对照土层，见图3。结果表明，综合土壤改良措施显著降低0～10 cm土层中细菌Alpha多样性。

2.5 综合土壤改良措施改变土壤细菌群落组成 与对照相比，综合土壤改良措施改变不同土层细菌群落的组成，见图4。在门的水平，农田土壤中主要包含Proteobacteria，Firmicutes，Bacteroidetes，Actinobacteria，Acidobacteria，Verrucomicrobia，TM7，Planctomycetes，Chloroplast，Nitrospira，Chloroflexi，Armatimonadetes，Euryarchaeota，Gemmatimonadetes，Chlorobi。c对照土层相比，综合处理0～10 cm土层中细菌群落（除Proteobacteria，Verrucomicrobia和Nitrospira之外）表现为下降趋势，下降率为17.5%～81.1%；11～20 cm土层中细菌群落，Actinobacteria，Acidobacteria，Verrucomicrobia，Planctomycetes，Chloroplast，Nitrospira，Chloroflexi，Euryarchaeota，Gemmatimonadetes丰度下降8.7%～71.8%；21～30 cm土层中细菌群落Proteobacteria，Bacteroidetes，Verrucomicrobia，TM7，Armatimonadetes，丰度下降了3.5%～38.9%，而其他群落丰度增加，增加了8.8%～21.5%。在科的水平，与对照土层相比，0～10 cm土层细菌除Enterobacteriaceae外，Ruminococcaceae，Pseudomonadaceae，Moraxellaceae，Lachnospiraceae，Sphingobacteriaceae，Porphyromonadaceae，Comamonadaceae，Xanthomonadaceae丰度表现为下降趋势，下降率为4.4%～53.4%；而11～20 cm土层细菌群落的丰度均增加，增加率为6.5%～67.3%；21～30 cm土层，除Enterobacteriaceae，Pseudomonadaceae，Moraxellaceae，Sphingobacteriaceae外，细菌群落丰度表现上调，增加了0.3%～81.0%。结果表明，综合土壤改良之后，0～10 cm土层中细菌群落丰度主要表现为下降趋势。

2.6 综合土壤改良措施促进人参存苗率及人参植株生长 与对照相比，综合土壤改良措施显著增加人参的存苗率、促进的人参生长，见图5。综合处理之后地块人参存苗率达92.6%，与对照相比，显著提高21.4%。综合处理后，人参株高及茎粗分别为14.1，0.84 cm，与对照相比，显著增加了8.4%，7.9%，图5。结果表明，综合土壤改良措施促进了人参的保苗及生长。

3 讨论

土壤是人参生长发育的物质基础，是影响参根产量和质量的重要因素，本研究通过土壤消毒、绿肥回田、施肥改土的综合措施对参地进行治理，建立适宜人参生长的农田微生态环境。土壤消毒可以有效

的杀灭土层中致病微生物，害虫和虫卵，减轻作物病害的发生[8]。然而广谱的土壤消毒剂对土壤中有益微生物群落亦有杀灭作用，只有在土壤消毒的基础之上，采用绿肥回田、施肥改土等技术措施，才能取得灭菌、恢复地里、改善理化性状、改变微生物群落的综合效果。绿肥回田可以有效改善土壤微生物区系，增加土壤中有益微生物种类、土壤有机质的含量，改善土壤结构的作用[9，19-20]。土壤疏松、通气良好、保水力强、土壤有机质增多，从而提高人参抗病力，增加产量[21]。苏子是常见的绿肥回田作物，与腐熟鹿粪、猪粪、饼肥、过磷酸钙等混合作为基肥能有效改善土壤结构、增加土壤肥力。施肥是提高土壤肥力，改善土壤环境和提高产量、品质最直接有效的方法，有机肥具有培肥土壤、养分全、肥效长等特点，能够调节参土氮磷钾含量及其比例，降低人参锈腐病的发生，提高其产量和质量[22]。施用猪粪和树叶肥改土后，人参增产效果显著而且优质参株率提高[23]。参地使用有机肥后，参根增产，总皂苷、还原糖和淀粉含量均高于对照；土壤中硼、锌、镁、铁、锰、铜等微量元素增加，有助于增强人参的抗病力，提高参根产量效果[24]。本研究中，综合改良措施显著降低0～20 cm的土层容重，0～20 cm土层中总氮，有机质，有效磷，Ca，Cu，Fe，K，Mg，Mn，Na，Zn含量高于对照，保证人参生长需求，从而促进人参存苗率及生长。

高通量测序为研究土壤微生物群落多样性及组成提供崭新的视角，尤其加快非培养微生物群落的研究，为土壤微生态环境的研究提供详尽的“全景图”[25-26]。通过采用特定标签引物极大的合并样品数量，这种方法降低了试验成本并增加数据量[27]。目前，高通量测序技术已广泛应用到不同生态环境中土壤微生物群落的研究，为阐述土壤微生态环境变化提供了大量的可靠数据。本研究利用土壤消毒、绿肥回田、施肥改土的综合改良措施改变了农田生态系统中微生物群落的多样性及组成。土壤微生群落在矿物营养循环及有机质降解等方面起到重要作用[28]。土壤微生物多样性及组成影响土壤的生产力，进而影响作物的产量及品质[29]。农艺措施改变土壤多样性，驱动土壤功能的转变，进而影响作物的生长[30]。研究表明，长期施肥降低耕作土壤中AM真菌的多样性[31]。农业措施改变土壤群落的组成，部分群落对生态系统中代谢循环至关重要[29]。Qiu等[32]研究表明，生物有机肥增加土壤中有益菌Paenibacllus，Trichoaderma， Bacillus，Streptomyces的丰度，降低致病菌Fusarium的丰度。氮肥施用直接或间接诱导主要细菌群落，有助于富养型细菌群落（包括Proteobacteria和Bacteroidetes）丰度的增加[28]。本研究发现，综合改良措施的土壤中有益菌：变形菌门Proteobacteria、拟杆菌门Bacteroidetes、放线菌门Actinobacteria的丰度变化显著，不同土壤层次中细菌的丰度变化有显著差异，在科的水平下，11～30 cm土壤层中细菌群落丰度表现为上升趋势。

综合土壤改良措施提高土壤有机质含量，降低土壤容重，增加土壤肥力，改变土壤细菌群落的多样性及组成，提高农田栽参的存苗率，促进人参的生长。因此，土壤消毒、绿肥回田和施肥改土相结合的方法是改善农田土壤微生态环境的有效措施，保证农田栽参顺利开展，促进了林业生态环境的保护及人参产业的可持续发展。

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