张京社 陈园园 阎世江

摘要：秸秆覆盖是一项新兴的农田覆盖技术，与地膜覆盖相比较具有蓄水保墒、提高土壤肥力、减缓土壤温度随季节性变化产生变化的优势。探究长期秸秆覆盖对土壤养分、蔬菜产量、土壤微生物多样性的影响，对于设施蔬菜生产具有重要意义。选取连续6年种植越冬茬蔬菜的日光温室，采用番茄—黄瓜轮作方式，设地膜覆盖（CK）、秸秆覆盖2个处理，调查土壤养分含量及蔬菜产量。采用高通量测序方法分析土壤微生物丰度（16S rDNA 基因拷贝数）、α多样性和β多样性，分析主要功能种群的丰度在处理间的差异。结果发现，秸秆覆盖处理使土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾含量及EC值上升，使pH值趋于中性，提高土壤养分含量，对蔬菜生长发育有利，进一步使蔬菜产量上升；采用塑料地膜覆盖处理，有机质含量基本不变，全氮、有效磷、速效钾含量上升缓慢，EC值下降，pH值上升。秸秆覆盖处理后土壤微生物的拷贝数达2 305个，地膜覆盖处理达1 985个，经α多样性分析发现，秸秆覆盖处理的Shannon指数达8.9，地膜处理达8.5。β多样性分析发现，地膜覆盖处理、秸秆覆盖处理后的微生物群落种类、丰度均不同，说明多年来的不同覆盖处理改变了微生物群落结构，两者出现分离。2个处理得到的土壤微生物主要有伽玛变形杆菌门、α变形菌门、拟杆菌门、变形杆菌门、分组 6门、红温病门、厌食线虫科、宝石单胞菌门及其他，与CK 相比，除厌食线虫科及其他微生物外，秸秆覆盖处理的8种微生物的相对丰度均较地膜覆盖处理的高。10 个丰度较高的功能种群中，发酵作用的丰度最高，2个处理分别达20.21%、25.24%；化能异养和固氮作用种群的丰度次之，为8.57%～11.00%；叶绿体固氮、硝化作用、硝酸盐还原、光养作用、亚硝酸盐氧化、光养作用的丰度在10%以下；另外有11%～24%的功能尚不明确。表明秸秆覆盖提高了土壤养分、蔬菜产量及土壤中微生物的数量和多样性，减少白色污染，降低成本，对蔬菜生长有利。

关键词：秸秆覆盖；土壤养分；产量；微生物；多样性；蔬菜；日光温室

中图分类号：S630.4 文献标志码：A

文章编号：1002-1302（2023）08-0217-06

基金项目：山西省农业综合开发科技推广项目；山西农业大学学术恢复科研专项（编号：2020xshf29）。

作者简介：张京社（1962—），男，山西临猗人，博士，研究员，主要从事设施蔬菜栽培及果蔬采后贮藏保鲜研究。E-mail：jingshez@163.com。

通信作者：阎世江，博士，副研究员，主要从事蔬菜遗传育种研究。E-mail：syauyan@163.com。

农田覆盖是一种重要的农业生产技术［1-2］，可以降低农田水分无效蒸发，提高用水效率及土壤养分，我国劳动人民早在2 000多年前就开始应用这项技术［3-5］。20世纪50年代，日本等国家开始推广塑料薄膜覆盖技术，我国于20世纪70年代从国外引进后进行试验，后在全国开始推广。近年来，在设施蔬菜生产中该技术得到大规模的应用。地膜覆盖具有增温、保墒的作用，但也存在一些问题，如使用之后不易降解、对土壤环境有影响等。秸秆覆盖是一项新兴的农田覆盖技术，是指待作物成熟收获后，将秸秆粉碎后均匀覆盖在土壤表面，以替代塑料地膜的方法，其作用有蓄水保墒、提高土壤肥力、减缓土壤温度随季节性变化产生变化等。因此，秸秆覆盖的研究逐步成为学者研究的热点。周茂娟等研究认为，秸秆覆盖能改善辣椒品质［6］；吴兴等研究认为，采用秸秆覆盖能增加结果期辣椒、番茄产量［7-8］；阎世江等研究发现，秸秆覆盖使茄子、黄瓜的产量提高，并改善品质［9-10］。目前有关秸秆覆盖对作物的影响多集中在上述的几个方面，如对产量、品质的影响，对其深层次的如土壤养分机理的研究少见报道。

土壤存在的微生物较多，这类微生物本身既可以释放养分，同时又能促进作物吸收养分，在作物生长过程中发挥着重要作用［11-16］。长期采用秸秆覆盖的方法将形成特定的微生物群落［17］。因此探明不同地面覆盖方式下微生物的多样性，就能揭示秸秆覆盖对土壤环境乃至蔬菜生长影响的机理。而有关秸秆覆盖对土壤微生物多样性影响的研究少见报道。

本研究基于连续多年的蔬菜栽培试验，采用不同的覆盖方式，对土壤进行16S rDNA 扩增子测序分析，探究微生物的数量、多样性对不同的覆盖方式的响应差异，并结合蔬菜生长、产量、土壤养分，探讨微生物多样性在作物生长中的作用，为蔬菜高产栽培提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 蔬菜种植

试验在山西省农业科学院东阳试验示范基地（112°40′E，37°59′N）35号日光温室（长46 m、跨度8 m）进行，土壤为褐土，从2015年10月开始种植越冬茬蔬菜，采用番茄—黄瓜轮作方式，种植安排详见表1。定植前施用腐熟羊粪6 m3，设地膜覆盖（CK）及秸秆覆盖2个处理，试验小区长7 m、宽 2 m，面积为14 m2，随机区组设计，3次重复，共6个小区。地膜覆盖处理：地面采用聚乙烯塑料地膜（厚度0.01 mm）覆盖；秸秆覆盖：在小区地面上覆盖粉碎后的玉米秸秆，厚度为5～10 cm，并适当压实，用量为300 kg/667 m2。待下茬蔬菜施基肥时一同翻入土壤。

1.2 土壤养分含量及产量测定

每茬蔬菜拉秧后（2016年8月31日、2017年9月1日、2018年9月11日、2019年8月31日、2020年8月31日、2021年8月22日）測定土壤养分含量，包含有机质、全氮、有效磷、速效钾含量及土壤电导率（EC值）、pH值（均采用吕贻忠等的方法［18］），并记录蔬菜小区产量，折算为公顷产量。

1.3 DNA 提取和高通量测序

于2021年8月31日，每个小区在耕层土壤采集5个样品，混合过20目网筛后分成4 份样品，用于DNA 提取及16S rDNA 扩增子测序分析。上述步骤由上海中科新生命生物科技有限公司完成。

1.4 数据分析

试验数据采用SPSS 17.0 进行分析，采用Excel 2010作图表。

2 结果与分析

2.1 不同覆盖条件下土壤养分与蔬菜产量

由图1可以看出，采用秸秆覆盖的处理，土壤有机质含量从28.8 g/kg上升至31.9 g/kg，地膜覆盖处理上升的幅度较小，基本趋于直线，在2016年8月31日测定时达23.7 g/kg，在2021年8月22日测定时达24.9 g/kg。在整个观测期内，秸秆覆盖处理高于地膜覆盖处理。

由图2可以看出，秸秆覆盖处理的全氮含量在2016年8月31日测定时达0.150%，之后逐渐上升，在2017年9月1日、2018年9月11日、2019年8月31日、2020年8月31日测定时分别达0.184%、0.193%、0.215%、0.226%，2021年8月22日出现小幅度下降，达0.221%，在测定的几个阶段均高于地膜覆盖。地膜覆盖处理在2016年8月31日时仅为0.110%，在2019年8月31日上升至0.191%，之后出现下降，分别达0.181%、0.178%。

由图3、图4可以看出，有效磷、速效钾含量的变化类似，2种覆盖方式下的养分含量均表现出逐渐上升的趋势，秸秆覆盖处理后有效磷含量、速效钾含量在2016年8月31日、2017年9月1日测定时上升速度较慢，在2019年8月31日测定时出现快速上升，之后上升的速度减缓，而地膜覆盖处理有效磷、速效钾含量上升的变化趋势基本表现为斜线，有效磷含量从29.2 mg/kg上升至51.8 mg/kg，速效钾含量从255 mg/kg上升至452 mg/kg。

秸秆覆盖处理后全氮含量、有效磷含量、速效钾含量上升，进一步提高土壤EC值。由图5可以看出，秸秆覆盖处理在2016年8月31日、2017年9月1日测定时EC值分别达769、806 μS/cm，与地膜覆盖处理的差异较小，之后明显高于地膜覆盖处理。在地膜覆盖条件下，EC值变化的幅度较小。

由图6可以看出，从总体上看，地膜覆盖处理pH值表现为缓慢上升的趋势，从7.27上升至7.45，在2020年8月31日出现小幅度的下降。而秸秆覆盖处理pH值逐步下降，在2016年8月31日测定时达7.22，之后下降至7.17，在2018年9月11日、2019年8月31日、2020年8月31日、2021年8月22日测定时在7.15～7.17小幅度波动。说明经过秸秆覆盖处理，土壤呈现低pH值、高EC值型，表明土壤养分充足，但未过剩，有利于蔬菜生长。

由图7可以看出，在2015—2016年，地膜覆盖产量达103 905 kg/hm2，秸秆覆盖达105 180 kg/hm2，差异不显著。之后2种处理的产量差异较大，其中地膜覆盖处理分别达105 615、107 310、108 375、109 635、110 310 kg/hm2，秸秆覆盖处理达110 310、111 870、113 205、115 260、116 775 kg/hm2，秸秆覆盖均高于地膜覆盖，增幅分别达4.45%、4.25%、4.46%、5.13%、5.86%。

2.2 土壤微生物丰度

由图8可以看出，不同覆盖处理下土壤微生物的拷贝数有显著性差异，其中地膜覆盖处理达1 985个，秸秆覆盖处理达2 305个。说明秸秆覆盖显著提高了土壤微生物的丰度。

2.3 α多样性

进一步进行土壤微生物的α多样性分析，结果（表2）表明，秸秆覆盖处理中微生物丰富度指数最高，达8.9，地膜处理达8.5，多样性指数表现与丰富度指数相似，均匀度指数在2个处理间无显著性差异。

2.4 β多样性

由图9可以看出，其中PCo1、PCo2 分别解释57.09%、17.22%的变异，共解释细菌群落变异的74.31%。地膜覆盖、秸秆覆盖处理后的微生物群落结构出现分离，说明多年来的不同覆盖处理改变了微生物群落结构，两者出现分离。

2.5 微生物种类及丰度

经研究发现本试验中2个处理得到的土壤微生物种类较多，因此主要分析丰度较高的几类，详见图10。总的来说，伽玛变形杆菌门、α变形菌门的丰度较高，2个处理均在14%以上，拟杆菌门、变形杆菌门、分组 6门、红温病门、厌食线虫科、宝石单胞菌门及其他微生物的相对丰度较低，在10%以下。其中秸秆覆盖处理后，除厌食线虫科及其他微生物外，8种微生物的相对丰度均较地膜覆盖处理的高。说明采用秸秆覆盖后有效提高了微生物的丰度。

2.6 土壤微生物功能

本项研究采用FAPROTAX 的方法，对主要的土壤微生物群落功能注释共获得的功能种群进行分组（图11）。其中10 个丰度较高的功能种群中，发酵作用的相对丰度最高，2个处理分别达20.21%、25.24%；地膜覆盖处理中化能异养、固氮作用的丰度排在第2、3位，相对丰度分别为10.26%、8.57%；秸秆覆盖处理排在第2、3位的分别为固氮作用、化能异养，相对丰度分别为10.25%、10.24%。叶绿体固氮、硝化作用、硝酸盐还原、光养作用、亚硝酸盐氧化、光养作用的相对丰度在10%以下，另外有11%～24% 的功能尚不明确。

3 讨论与结论

3.1 不同覆盖方式对土壤养分及蔬菜产量的影响

杜守宇等在多年地膜覆盖与秸秆覆盖实践中发现，秸秆覆盖能提高土壤有机质、全氮、有效磷、速效钾的含量［19-21］；刘玉含等研究发现，覆盖稻草、玉米秸秆后作物产量上升［22-27］。本研究的结论与上述学者的研究结论相同，究其原因主要是秸秆覆盖后，秸稈在土壤中腐解，成为有机质，使土壤有机质含量上升，同时产生热量，减缓了全氮、有效磷、速效钾的流失，促进了蔬菜的生长。秸秆覆盖还可以降低温室内的湿度，又在其腐烂分解过程中释放出CO2气体，增强土壤通透能力；同时，还可改善农田环境，抑制杂草和病虫害的发生。坚持常年秸秆还田，不但对当季作物有显著增产作用，而且后效十分显著，对下茬作物有持续增产的作用。秸秆还田还有减少秸秆焚烧、减少环境污染、减轻劳动强度、加快收种进度等多方面的生态效益和社会效益［22］。

3.2 不同覆盖方式对微生物丰度、多样性和功能的影响

有关覆盖方式对设施蔬菜土壤微生物丰度、多样性的研究少见报道。肖健等对桑园进行多年的秸秆覆盖研究，发现秸秆覆盖桑园后土壤微生物丰度增加［28-29］。本研究发现，在连续多年的秸秆覆盖处理后，基因拷贝数达2 305个，与上述研究的结论类似。张红等研究证实，植物根系在土壤中生长，与土壤中的微生物存在着密切的关系［30］。微生物在生态系统中具有重要的功能，微生物丰度、多样性越强，越有利于作物的生长。同时地膜覆盖使土壤碱化，不利于细菌多样性的维持，而秸秆覆盖使土壤趋于中性，也可提高微生物的多样性［31］。

长期不同覆盖方式处理后，土壤微生物的β 多样性发生了显著的改变，说明采用地膜覆盖与秸秆覆盖处理后土壤原有的生态系统受到影响，土壤微生物群落结构发生变化［32-33］。本研究中2个不同处理的微生物优势类群相似，均在14%以上，放线菌门、酸性微生物门、拟杆菌门、变形杆菌门、分组 6门、红温病门、厌食线虫科、宝石单胞菌门及其他的丰度较低在10%以下。这与以前的研究结论相似［34-35］。但不同处理中优势类群的相对丰度各不相同，经过秸秆覆盖伽玛变形杆菌门、α变形菌门的相对丰度较高，2个处理均在14%以上，放线菌门、酸性微生物门、拟杆菌门、变形杆菌门、分组 6门、红温病门、宝石单胞菌门丰度较低，可能是由于秸秆覆盖为土壤提供丰富的营养元素，也间接促进微生物的繁殖［36］；在地膜覆盖处理中，酸杆菌门、厌食线虫科的相对丰度较高，地膜覆盖后土壤养分较低，酸杆菌门和厌食线虫科易富集在低肥力土壤中［37］。从本试验的结果来看，2个处理中分别仍然有30.01%、24.77%的未知微生物，因此其具体种类及作用还需深入的研究。

秸秆覆盖、地膜覆盖处理后的土壤微生物以发酵作用、化能异养、固氮作用为主，上述的作用均为生态系统的重要功能，并由大多数微生物执行［38］，经过长期的秸秆覆盖，发酵作用、化能异养、固氮作用、叶绿体固氮作用均较强，表明秸秆覆盖使更多的微生物参与到土壤碳循环的过程中，秸秆中含有大量的有机碳，不仅提供大量碳源，而且有利于土壤中有机碳的矿化［39］，同时释放出更多作物可利用的无机养分，使作物产量提高。

综上，秸秆覆盖解决了生产上存在的很多问题，起到了增产、增温、增肥、增效、改善土壤质量的“四增一改”的作用，提高了土壤中微生物的数量和多样性，减少白色污染，降低成本，对蔬菜生长有利。

参考文献：

［1］Jordán A，Zavala L M，Gil J. Effects of mulching on soil physical properties and runoff under semi-arid conditions in southern Spain［J］. Catena，2010，81（1）：77-85.

［2］王 妍. 不同秸秆还田方式对砂姜黑土真菌群落的影响［D］. 合肥：安徽农业大学，2016.

［3］刘永忠，张克强，王根全，等. 旱地农业覆盖栽培技术研究进展［J］. 中国农学通报，2005，21（5）：202-205.

［4］中国地膜覆盖栽培研究会. 地膜覆盖栽培技术大全［M］. 北京：农业出版社，1988.

［5］中国耕作制度研究会. 中国少耕免耕和覆盖技术研究［M］. 北京：北京科学技术出版社，1991.

［6］周茂娟，梁银丽，陈甲瑞，等. 地表处理方式对日光温室辣椒水分利用效率及土壤硝态氮、速效磷分布的影响［J］. 应用生态学报，2007，18（6）：1393-1396.

［7］吴 兴，梁银丽，郝旺林，等. 覆盖方式对温室辣椒结果期生长和水分利用的影响［J］. 中国生态农业学报，2011，19（1）：54-58.

［8］赵丽丽，刘爱群. 地面覆盖处理对日光温室土壤养分、秋冬茬番茄生长和产量的影响［J］. 北方园艺，2016（10）：41-44.

［9］阎世江，田如霞，柴文臣，等. 秸秆覆盖对越冬茬茄子生长发育、品质及土壤环境的影响［J］. 东北农业科学，2021，46（5）：76-81.

［10］阎世江，张继宁，刘 洁. 不同覆盖方式对黄瓜生长发育及品质的影响［J］. 中国瓜菜，2021，34（11）：74-79.

［11］张德奇，廖允成，賈志宽. 旱区地膜覆盖技术的研究进展及发展前景［J］. 干旱地区农业研究，2005，23（1）：208-213.

［12］Kadioglu A，Terzi R，Saruhan N，et al. Current advances in the investigation of leaf rolling caused by biotic and abiotic stress factors［J］. Plant Science，2012，182：42-48.

［13］胡洪涛，胡时友，周荣华，等. 油菜秸秆还田对土壤真菌群落结构和功能影响的研究［J］. 环境科学与技术，2020，43（增刊1）：6-10.

［14］李红宇，王志君，范名宇，等. 秸秆连续还田对苏打盐碱水稻土养分及真菌群落的影响［J］. 干旱地区农业研究，2021，39（2）：15-23.

［15］胡 蓉，郑 露，刘 浩，等. 秸秆还田对水稻根际微生物多样性和水稻纹枯病发生的影响［J］. 植物保护学报，2020，47 （6）：1261-1269.

［16］Kennedy A C，Smith K L. Soil microbial diversity and the sustainability of agricultural soils［J］. Plant and Soil，1995，170（1）：75-86.

［17］Mganga K Z，Razavi B S，Kuzyakov Y. Land use affects soil biochemical properties in Mt.Kilimanjaro region［J］. Catena，2016，141：22-29.

［18］吕贻忠，李保国. 土壤学［M］. 北京：中国农业出版社，2006.

［19］杜守宇，田恩平，温 敏，等. 秸秆覆盖还田的整体功能效应与系列化技术研究［J］. 干旱地区农业研究，1994，12（2）：88-94.

［20］卜玉山，苗果园，周乃健，等. 地膜和秸秆覆盖土壤肥力效应分析与比较［J］. 中国农业科学，2006，39（5）：1069-1075.

［21］肖继兵，杨久廷，辛宗绪. 辽西地区秸秆覆盖试验研究［J］. 节水灌溉，2008（2）：8-10，13.

［22］刘玉含，张展羽，伊德里萨，等. 农田秸秆覆盖技术及其发展趋势分析［J］. 水利经济，2007，25（2）：53-56，83.

［23］周 翠，张月仙. 覆盖方式对马铃薯生长及产量的影响［J］. 浙江农业科学，2011，52（2）：264-266.

［24］吴卫华，林昌庭，何伟民，等. 稻田免耕、稻草全程覆盖种植马铃薯栽培技术［J］. 中国马铃薯，2001，15（5）：318-319.

［25］杜荣州. 稻田免耕、稻草全程覆盖马铃薯栽培冬种试验［J］. 中国马铃薯，2004，18（1）：45-46.

［26］王福琪，肖光杰，王德明. 稻田马铃薯不同覆盖物免耕栽培初报［J］. 耕作与栽培，2004（1）：48-49.

［27］阎世江，田如霞，刘 洁，等. 设施蔬菜秸秆覆盖技术研究进展［J］. 山西农业科学，2018，46（10）：1756-1759.

［28］肖 健，吴银秀，杨尚东，等. 秸秆覆盖还田对桑园土壤真菌群落结构组成的影响［J］. 西南农业学报，2021，34（12）：2707-2713.

［29］林刚云，肖 健，吴银秀，等. 秸秆覆盖还田对桑园土壤生物学性状及其细菌群落结构的影响［J］. 南方农业学报，2020，51（10）：2339-2347.

［30］张 红，曹莹菲，徐温新，等. 植物秸秆腐解特性与微生物群落变化的响应［J］. 土壤学报，2019，56（6）：1482-1492.

［31］练金山，王慧颖，徐明岗，等. 长期施用有机肥潮土细菌的多样性及功能预测［J］. 植物营养与肥料学报，2021，27（12）：2073-2082.

［32］Zelenev V V，van Bruggen A H C，Semenov A M. Short-term wavelike dynamics of bacterial populations in response to nutrient input from fresh plant residues［J］. Microbial Ecology，2005，49（1）：83-93.

［33］王娟娟，胡珈玮，狄 霖，等. 秸秆还田与氮肥运筹对水稻不同生育期土壤细菌群落结构的影响［J］. 江苏农业学报，2021，37（6）：1460-1470.

［34］孙瑞波，郭熙盛，王道中，等. 长期施用化肥及秸秆还田对砂姜黑土细菌群落的影响［J］. 微生物学通报，2015，42（10）：2049-2057.

［35］Zhou J，Guan D W，Zhou B K，et al. Influence of 34-years of fertilization on bacterial communities in an intensively cultivated black soil in northeast China［J］. Soil Biology and Biochemistry，2015，90：42-51.

［36］Shi Y，Delgado-Baquerizo M，Li Y T，et al. Abundance of kinless hubs within soil microbial networks are associated with high functional potential in agricultural ecosystems［J］. Environment International，2020，142：105869.

［37］Ai C，Zhang S Q，Zhang X，et al. Distinct responses of soil bacterial and fungal communities to changes in fertilization regime and crop rotation［J］. Geoderma，2018，319：156-166.

［38］Rivett D W，Bell T. Abundance determines the functional role of bacterial phylotypes in complex communities［J］. Nature Microbiology，2018，3（7）：767-772.

［39］徐明崗，于 荣，王伯仁. 土壤活性有机质的研究进展［J］. 土壤肥料，2000（6）：3-7.