改良措施对农田土壤微生态及人参存苗率的影响

董林林++徐江++牛玮浩

[摘要]该文研究土壤消毒、绿肥回田、施肥过程中土壤微生态环境的变化，初步建立农田土壤改良方法，保证农田栽参的顺利进行。研究分析了土壤消毒、消毒+绿肥回田及消毒+绿肥回田+施肥处理后农田土壤理化性状、细菌群落多样性及组成，结果表明改良措施降低土壤pH，增加土壤肥力，降低土壤细菌多样性，改变细菌群落的组成。消毒+绿肥回田+施肥的综合措施降低移栽参苗死亡率。该研究表明土壤消毒、消毒+绿肥回田、消毒+绿肥回田+施肥的措施改变农田土壤微生态环境，综合改良措施提高参苗存苗率，保障农田栽参的开展。

[关键词]农田栽参；微生态；土壤消毒；绿肥回田

Effects of improving measures on soil microecology and

survival rate of ginseng in farmlands

DONG Linlin1， XU Jiang1， NIU Weihao1， GAO Yue1， ZHANG Naiwu2， NAOKI Fujihara3， LI Xiwen1， CHEN Shilin1*

（1Institute of Chinese Materia Medica， China Academy of Chinese Medical Sciences， Beijing 100700， China；

2 China Medico Corporation， Beijing 100062， China；

3 Botanical Raw Materials Research Laboratories， Ibaraki 3001192， Japan）

[Abstract]This study analysed the changes of the soil microecology in the process of soil sterilization， green manure returning farmlands and fertilization The methods of soil improvement was initially built which ensured the successful proceed of ginseng cultivation in farmlands The soil chemical properties were analysed， the diversity and composition of bacterial community after soil sterilization， sterilization+green manure returning farmlands and sterilization+green manure returning farmlands+fertilization The results exhibited that measures of soil improvement decreased the pH， increased soil fertility， declined the diversity of bacterial community and changed the composition of soil bacterial community The comprehensive measures of sterilization+green manure returning farmlands+fertilization decreased the ginseng death rate compared to the control Our data indicated that soil microecological environment was changed by the treatments of soil sterilization， sterilization+green manure returning farmlands and sterilization+green manure returning farmlands+fertilization， and comprehensive measures improved the survival rate and guaranteed the development of ginseng cultivation in farmlands

[Key words]ginseng cultivation on farmlands； soil microecology； soil sterilization； green manure returning farmlands

doi：10.4268/cjcmm20162307

人參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]。人参是多年生宿根植物，连作障碍问题严重，极大制约了人参产业的可持续发展[2]。利用传统农田种植人参，可实现传统作物与人参轮作，有效的缓解参地资源紧缺的问题[3]。

农田土栽种人参存在产量低、病害重等问题[4]，其主要原因是农田土的有机质含量低，土壤肥力较差，孔隙度小，容重大，不利于人参生长[56]。因此，土壤改良是保障农田栽参顺利开展的前提。土壤消毒能有效杀灭土壤中病原菌，减轻土传病害[7]，绿肥回田可以改善土壤的理化性状并对病虫害有显著的抑制作用[8]，施肥改土增加土壤肥力，保证人参的顺利生长[9]。目前，关于土壤消毒和绿肥回田及施肥改土过程中，土壤微生态环境变化的研究相对较少，而该结果对于指导土壤改良具有重要的意义。

本研究采用土壤消毒和绿肥回田及施肥措施改良农田土壤微生态环境，通过分析土壤理化性质和微生物群落变化及综合改良后人参死苗率，阐述改良措施对土壤微生态的改善作用，为农田栽参的顺利开展提供参考。

1材料与方法

11试验设计该试验开展于中国中医科学院中药研究所靖宇县农田栽参基地（1268°，4239°），试验面积为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，试验设计为：6月20日采用氯化苦进行土壤消毒，即施入土中15 cm处，在03 m×03 m间距中每个穴中施入3 mL，覆膜1周；7月15日，消毒后的地块种植绿肥紫苏Perilla frutescens Britt，用种量为15 g·m-2；8月28日绿肥回田，旋耕2次；9月15日对消毒及回田之后的地块进行施肥改土，采用农家肥30 kg·m-2，农家肥主要成分为牛粪及猪粪，按照2∶1混匀、备用，其中以无任何处理的小区作为对照。按照林地栽参方式，进行做床、播种等农艺措施。人参、紫苏种子及农家肥由盛实百草有限公司提供。

12土壤样品采集于土壤消毒前后、绿肥回田后、施肥改土之后，分别采集农田土壤样品；同时以无任何处理的小区样品为对照。每个小区随机选取5个点，采集每个点0～20 cm土层样品，将5个样品混匀，过筛（2 mm）。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。

13土壤理化性状的分析土壤pH采用水浸提法测定[10]；土壤有机质及氮分别采用水合热法[11]及凯氏定氮法测定[12]；微波消解法测定土壤金属元素。

14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 rRNA片段[13]。序列扩增、纯化、均一化参照Rodrigues 等[14]描述。采用Illumina Misq测序方法获取土壤细菌宏基因组序列，利用QIIME软件进行序列分析[15]。通过各样品标签对数据进行区分并归类（表1），去除非靶区域序列及嵌合体[16]。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进行分类，构建样本和物种分类单元序列丰度矩阵[17]。根据序列之间的距离进行聚类，并根据序列之间的相似性作为域值分成操作分类单元（OTU）。计算各物种多样性指数，衡量样本物种多样性[16]。

15死苗率分析每个小区随机选取2 m2，统计移栽参第2年的出苗数；7月中旬统计参苗的死苗数，计算死苗率，3次重复。

16数据分析采用SPSS 110软件，在α=005水平上进行显著性方差分析。

2结果

21改良措施降低土壤pH，增加土壤肥力与对照相比，土壤消毒，消毒+绿肥回田、消毒+绿肥回田+施肥减低了土壤pH，增加了土壤总氮（N）、有机质（OM）、铁（Fe）、速效钾（AK）、镁（Mg）、锰（Mn）、全磷（P）、锌（Zn）的含量（表 2）；其中pH分別减低了14%，10%，5%；土壤有机质分别增加52%，72%，76%；土壤中总氮分别增加50%，47%，59%；Fe，AK，Mg，Mn，P，Zn的含量分别增加14%～33%，1%～18%，14%～28%，30%～46%，1%～34%，6%～17%。结果表明，土壤消毒，消毒+绿肥回田、消毒+绿肥回田+施肥措施降低土壤pH，增加土壤肥力。

22改良措施减低土壤微生物多样性采用高通量测序技术，21个土壤样品中共获得330 464条序列，其中222 296条序列可分类，每个样品中平均有10 585条序列，序列长度5 025～16 329（表1）。土壤消毒、消毒+绿肥回田、消毒+绿肥回田+施肥的措施降低了土壤微生物的多样性（表3）。与对照相比，土壤消毒后香农指数，Chao1和丰富度，分别减低了4%，2%，6%；消毒+绿肥回田后，香农指数，Chao1和丰富度均减低了1%，消毒+绿肥回田+施肥后，香农指数，Chao1和丰富度分别减低了3%，3%，2%。结果表明，土壤改良措施降低土壤微生物多样性，但差异不显著。

23改良措施改变土壤微生物群落的组成土壤消毒、消毒+绿肥回田、消毒+绿肥回田+施肥改变了土壤微生物群落的组成（图1，2）。PCoA结果表明，与对照相比，土壤消毒、消毒+绿肥回田、消毒+绿肥回田+施肥处理之后，土壤微生物群落组成发生变化（图1）。

在门的水平上，与对照相比，消毒后土壤中Firmicutes，Acidobacteria，Nitrospira，Armatimonadetes，Actinobacteria，Chlorobi，Gemmatimonadetes，Planctomycetes，TM7的丰度下降；消毒+绿肥回田措施降低了土壤中Proteobacteria，Bacteroidetes，Actinobacteria，TM7，Verrucomicrobia的丰度；消毒+绿肥回田+施肥后，土壤中Firmicutes，Bacteroidetes，Acidobacteria，Nitrospira，Armatimonadetes，Chlorobi，Gemmatimonadetes，Chloroflexi，Planctomycetes丰度下降（图2A）。结果表明，改良后土壤微生物的丰度在门水平主要表现为下降趋势。

在科的水平，与对照相比，消毒后土壤中Succinivibrionaceae，Comamonadaceae，Ruminococcaceae，Porphyromonadaceae，Lachnospiraceae，Xanthomonadaceae，Planococcaceae丰度增加；消毒+绿肥回田后，消毒+绿肥回田+施肥后土壤中Succinivibrionaceae，Ruminococcaceae，Sphingobacteriaceae，Porphyromonadaceae，Lachnospiraceae，Xanthomonadaceae，Planococcaceae丰度增加（图2B）。结果表明，改良后土壤中微生物的丰度在科水平主要表现为增加趋势。

在属水平，与对照相比，消毒后土壤中Faecalibacterium，Pseudomonas，Succinivibrio，Barnesiella，Serratia，Simplicispira，Stenotrophomonas丰度下降；消毒+绿肥回田后土壤中Buttiauxella，Faecalibacterium，Pseudomonas，Succinivibrio，Escherichia，Barnesiella，Acinetobacter，Pedobacter，Serratia，Stenotrophomonas丰度下降；消毒+绿肥回田+施肥后土壤中Buttiauxella，Faecalibacterium，Succinivibrio，Escherichia，Barnesiella，Acinetobacter，Pedobacter丰度下降（图2C）。结果表明，改良后土壤微生物的丰度在属的水平主要表现为下降趋势。

24综合改良措施降低人参死苗率土壤消毒+绿肥回田+施肥的综合改良措施降低了移栽参的死苗率（图3）。未改良小区的人参死苗率达168%，改良后的小区人参死苗率为102%，土壤改良后人参的死苗率下降了393%。

不同字母表示差异显著，P<005；CK对照；Treatment综合改良措施。

图3综合土壤改良措施降低人参死苗率

Fig3Comprehensive measures of soil improvement decreased the ginseng death rate

3讨论

土壤消毒、消毒+绿肥回田、消毒+绿肥回田+施肥的土壤改良措施降低土壤pH，增加土壤肥力，降低了土壤微生物的多样性，改变了土壤微生物群落的组成；改良后土壤微生物群落在门及属水平上其丰度主要表现下降趋势，在科水平上其丰度主要表现增加趋势。此外，综合改良措施降低人参死苗

率，保障农田栽参的开展。

土壤中存在大量的致病微生物、害虫，消毒可以有效的杀灭土层中病原菌、害虫及虫卵，减低作物的死苗率[7]。氯化苦处理土壤减低土壤微生物多样性、改变群落的组成。氯化苦可以杀灭土壤微生物，对细菌、放线菌、真菌的杀灭率均在85%以上，有效减少土传病害的病原菌数量[18]。苗床使用不同用量氯化苦熏蒸对苋菜、马齿苋、莎草均有极显著防效；大田条件下，不同用量氯化苦处理对黑胫病的防效为75%～88%；对根结线虫病的防效为54%～66%，并能明显改善烟株生物学性状[19]。本研究中氯化苦消毒采用覆膜处理，加快杂草的腐解，有效地增加了土壤的肥力。

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，其多样性及组成影响土壤的生产力、作物产量及品质[2021]。氯化苦消毒之后，土壤微生物多样性下降，组成发生变化，然而土壤消毒剂对土壤中有益微生物群落亦有杀灭作用，因此在土壤消毒的基础之上，采用紫苏进行绿肥回田的措施，改善土壤微生態环境。绿肥回田改善土壤微生物区系，增加土壤中有益微生物种类、有机质的含量，改善土壤结构的作用[8，2223]。紫苏结合有机肥增加土壤肥力，改善土壤环境，进而提高人参产量和品质，其中有机肥具有培肥土壤、养分全、肥效长等特点，能够调节参土N，P，K 含量及其比例，降低人参锈腐病的发生 [24]。此外使用有机肥后，土壤中硼、锌、镁、铁、锰、铜等微量元素增加，人参根部的总皂苷、还原糖和淀粉含量显著提高 [25]。绿肥回田、施肥措施改变土壤多样性及组成，驱动土壤功能的转变，进而影响作物的生长[2627]。生物有机肥的施用增加土壤中有益菌Paenibacllus，Trichoaderma， Bacillus，Streptomyces的丰度，降低致病菌Fusarium的丰度[27]。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，Bacteroidetes）丰度的增加[24]。本研究结果表明，土壤消毒、消毒+绿肥回田、消毒+绿肥回田+施肥改土的措施均改变了农田土壤微生态环境，其中土壤消毒+绿肥回田+施肥的综合改良措施可以建立适宜人参生长的根际微生态环境，进而保障农田栽参的顺利开展。

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[责任编辑吕冬梅]