日晒高温覆膜对韭菜生长及根际土壤微生物多样性的影响.pdf

p345670-675 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 中国生物防治学报 nbsp;Chinese Journal of Biological Control nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 2018 年 10 月 nbsp;收稿日期 2018-04-26 基金项目国家重点研发计划（ 2017YFD0201205） ；河北省财政项目（ F17C10008） nbsp;作者简介宋健，硕士，副研究员， E-mail ； *通信作者，博士，副研究员， E-mail 。 DOI 10.16409/ki.2095-039x.2018.05.004 日晒高温覆膜对韭菜生长及根际土壤微生物多样性的影响 nbsp;宋 健，曹伟平，陈 丹，张 晓，杜立新*（河北省农林科学院植物保护研究所 /河北省农业有害生物综合防治工程技术研究中心 /农业部华北北部作物有害生物综合治理重点实验室， nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp;保定 nbsp;071000） nbsp;摘要 为明确日晒高温覆膜对韭菜生长及根际土壤微生物群落的影响，本研究在河北省韭菜主产区基于日晒高温覆膜措施对韭菜迟眼蕈蚊进行田间防治试验，就覆膜前后土壤的理化性质进行了比较，并采用Biolog−ECO 技术分析了覆膜对土壤微生物群落功能多样性的影响。结果表明，日晒高温覆膜技术对韭蛆各龄期幼虫的防治效果达到 100，覆膜 12 d 后韭菜株高、茎粗、叶宽、色泽、百株鲜重及根长等生长发育指标与未覆膜的对照相比均无显著影响；覆膜后土壤中全磷量显著增加；根据 Biolog−ECO 培养第 144 h的 AWCD 值计算土壤微生物群落的 Shannon−Wiener 指数、 Simpson 指数、 McIntosh 指数和丰富度指数均无显著变化。可见日晒高温覆膜对韭菜迟眼蕈蚊具有明显的防治效果，对韭菜生长及韭菜根际土壤微生物多样性无显著影响。 nbsp;关 nbsp;键 nbsp;词 日晒高温覆膜；韭菜；韭菜迟眼蕈蚊；土壤微生物多样性 中图分类号 S476 nbsp; nbsp;文献标识码 A nbsp; nbsp;文章编号 1005-9261201805-0670-06 Effect of Solarization High Temperature Film Mulching on Chinese Chive Growth and Soil Microbial Functional Diversity SONG Jian, CAO Weiping, CHEN Dan, ZHANG Xiao, DU Lixin*Institute of Plant Protection, Hebei Academy of Agricultural and Forestry Sciences/IPM Center of Hebei Province/Key Laboratory of Integrated Pest Management on Crops in Northern Region of North China, Ministry of Agriculture, Baoding 071000, China Abstract To understand the effects of high temperature with solarization using film mulch on control of Bradysia odoriphaga larvae and soil microbial community in the rhizosphere of Chinese chive, field tests were conducted in Hebei Province. The physicochemical properties of the soil were compared before and after the treatment. Further, Biolog-ECO was used to analyze the functional diversity of soil microbial community changes. The high temperature with solarization using film mulch resulted in 100 control of B. odoriphaga each instar larvae, while it rted no significant effect on the plant height, stem diameter, leaf width, root length, color and fresh weight of one hundred plant after 12 days of solarization treatment. The total phosphorus content in soil increased significantly after the treatment. Shannon-Wiener index, Simpson index, McIntosh index and richness the index of the soil microbial community were not found to change significantly according to the AWCD value after a 144 h culture using Biolog−ECO. It is evident that solarization using film mulch can afford effective control of B. odoriphaga larvae with no significant effect on growth of Chinese chive and rhizosphere soil microbial diversity. Key words solarization high temperature film mulching; Chinese chive; Bradysia odoriphaga; soil microbial functional diversity 第 5 期 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 宋健等日晒高温覆膜对韭菜生长及根际土壤微生物多样性的影响 nbsp;671 随着农村产业结构的调整，韭菜的栽培面积迅速扩大，在蔬菜周年供应中占重要位置。由于韭菜的连茬栽培以及温棚适宜的环境条件，导致韭菜迟眼蕈蚊 Bradysia odoriphaga 的发生和危害逐年加重。韭菜迟眼蕈蚊，俗称韭蛆，属双翅目眼蕈蚊科（ Diptera Sciaridae），是百合科蔬菜的重要害虫，也是我国特有的害虫[1]，主要危害韭菜、大葱、大蒜等多种百合科蔬菜和其他作物，尤喜食韭菜，严重时造成产量损失达 30～ 80，韭蛆个体小、隐蔽性强、防治难度大[2,3]。 nbsp;针对韭蛆不耐高温的特点，史彩华等[4]研究了一套防控韭蛆的日晒高温覆膜技术在 4 月下旬至 9 月中旬，选择太阳光线强烈的天气（当天最大光照强度超过 55000 lx）覆膜，选择透光性好，厚度为 0.10～0.12 mm 的浅蓝色无滴膜，待膜内地表下 5 cm 深处土壤温度持续在 40 ℃以上且超过 4 h，对韭蛆的卵、幼虫、蛹和成虫的防治效果达到 100。此项技术为韭蛆防治提供了新的思路，适用于夏季养根期韭蛆的防治。但高温是否会影响韭菜根系的发育及植株长势是否会影响土壤的理化性质及韭菜根际土壤微生物结构和多样性等，还不明确。基于此，本试验在河北省韭菜主产区肃宁县韭菜田，采用日晒高温覆膜技术对韭蛆进行田间防治，在明确其田间防治效果的基础上，调查了高温对韭菜根系发育、韭菜长势和土壤理化性质的影响，并通过 Biolog−ECO 微孔板碳源利用分析技术对韭菜根际土壤微生物群落功能多样性分析等研究，为日晒高温覆膜技术的推广应用提供科学依据。 nbsp;1 nbsp;材料与方法 nbsp;1.1 nbsp;样地及高温覆膜技术 试验于 2017 年 6 月初至 7 月底在河北沧州肃宁县王家佐村进行。供试材料为四季苔韭。 nbsp;日晒高温覆膜试验选择太阳光线强烈的 6 月进行（当天最大光照强度超过 55000 lx），选择透光性好、膜上不起水雾，厚度为 0.10 mm 浅蓝色无滴膜。覆膜前 2 d 割除韭菜，平铺于采收后的韭菜田地表，覆膜后四周用土压盖严实。将土壤测温计插于地表下 5 cm 深处，测定土壤温度，测温计选择膜的不同位置（中间、四边）共 5 点，当土壤温度均升至 40 ℃以上时开始计时，持续 4 h 后，揭膜，随机选择 5 点调查韭蛆存活情况，待地温恢复后浇水缓苗。设置不覆膜地块为对照区。 nbsp;1.2 nbsp;韭菜迟眼蕈蚊防治效果及韭菜生长情况 覆膜前，采用随机 5 点取样方法，每点连续调查 10 墩韭菜，记录韭菜迟眼蕈蚊幼虫数量，覆膜后当天，采取上述方法调查幼虫死亡虫数，计算防治效果。覆膜后第 12 d，对覆膜地块和未覆膜地块，采用上述调查方法，测量单株韭菜株高、茎粗、叶宽、根长、色泽和百株鲜重等生长指标。 nbsp;1.3 nbsp;样品采集及土壤处理 日晒高温覆膜后第 0、 12、 21 和 34 d 对处理区和对照区韭菜根际土壤按照“ S”形路线 5 点法进行采样，除去土壤表层未分解的凋落物层，采集韭菜根际土 50 g 左右，每样点采集 10 份，混合密封保存于冰盒中， 3～ 4 h 内带回实验室过 2 mm 筛，分装至无菌 EP 管中，置于液氮中冷冻 3～ 4 h，然后转移至 −80 ℃超低温冰箱保存。 nbsp;1.4 nbsp;营养基质化学性状的测定 土壤 pH 使用雷兹 pHS−3B 型酸度计按水土比 51 测定；土壤含水量（ ）＝（原土重烘干土重） /烘干土重 100；土壤中铵态氮、硝态氮、全氮和全磷的含量采用土壤连续流动分析仪 AA3 的分析测定方法进行测定[5,6]。 nbsp;1.5 nbsp;营养基质微生物群落功能多样性测定 采用 Biolog−ECO 分析微生物群落功能多样性， Biolog−ECO 含有 31 种碳源，分为氨基酸类、糖类、羧酸类、胺 /氨类、双亲化合物及聚合物 6 类物质。 ECO 接种液制备方法将土样放在 25 ℃条件下活化24 h，取 5 g（当量干重）土样于 100 mL 三角瓶中，加入 45 mL 灭菌的 NaCl 溶液（ 0.9 mol/L，下同），将三角瓶置于漩涡振荡器上以 200 r/min 振荡 30 min，取一定量上清液并采用 NaCl 溶液稀释至 1000 倍，制备出接种液并移至储液槽。使用 8 孔道排枪向 ECO 板培养基孔中加 150 μL 接种液， 每个样品 3 次重复。接种好的微孔板放入 25 ℃恒温培养箱中。 分别于 4、 24、 48、 72、 96、 120、 144 和 168 h 使用 ELx S08−Biolog微孔板读数仪自动测定吸光度，测定波长分别为 590 nm（颜色＋浊度）和 750 nm（浊度）。采用培养第672 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 中 nbsp;国 nbsp;生 nbsp;物 nbsp;防 nbsp;治 nbsp;学 nbsp;报 nbsp; nbsp;第 34 卷 nbsp;144 h 的数据计算细菌群落平均每孔吸光度、 Biolog 丰富度指数和代谢多样性指数，进行代谢相似性分析。试验过程中使用的移液管、 V 型槽容器等耗材来源于美国 Biolog 公司。 nbsp;1.6 nbsp;数据统计与分析 土壤微生物群落利用碳源的整体能力用 Biolog−ECO 微平板板孔平均颜色变化率（ AWCD）表示[7]，AWCD 反映了土壤微生物利用单一碳源的能力，是土壤微生物活性及群落功能多样性的重要指标。土壤微生物群落功能多样性分析采用 Shannon−Wiener 指数、 Simpson 指数、丰富度指数和 McIntosh 指数表征[8,9]。Shannon−Wiener 指数较高代表微生物种类多且分布均匀。 样品微生物群落种数越多， 各种个体分配越均匀，Simpson 指数越高，表示群落多样性越好。 McIntosh 指数反映了碳源利用种类数的不同，以此区分不同碳源的利用程度。丰富度指数表示被利用的碳源数。 AWCD＝ ∑（ C R） /n； Shannon−Wiener 指数（ H′） nbsp;H′＝ –∑（ Pi lnPi）； Simpson 优势度指数（ D）（ Simpson 指数的变形） D＝ 1 ∑Pi2；丰富度指数（ S） nbsp;＝被利用碳源的总数目[10]； McIntosh 指数（ U） U＝∑2ni 。以上公式中， C 为每个碳源孔的两波段光 nbsp;密度差值； R 为对照孔的光密度值； n 为培养基碳源种类数，本研究中 n＝ 31， Pi 为有培养基的孔与对照 nbsp;孔的光密度值差与板总差的比值，即 Pi＝（ C R） /∑（ C R）[11]； ni为第 i 孔相对吸光值（ C R），N 为吸光值总和， S 为颜色有变化的碳源孔的数目。数据统计分析应用 Excel 2007、 SPSS 16.0 软件进行。 nbsp;2 nbsp;结果与分析 nbsp;2.1 nbsp;日晒高温覆膜对韭菜迟眼蕈蚊防治效果、韭菜生长及土壤理化性质的影响 日晒高温覆膜当天，随机 5 点取样调查未发现存活的韭蛆幼虫，对韭蛆幼虫的防治效果达到 100。日晒高温覆膜 12 d 后，覆膜韭菜长势良好，韭菜深绿色，日晒高温覆膜处理后不影响韭菜生长（ P＞ 0.05）（表 1）。 nbsp;表 1 nbsp;日晒高温覆膜 12 d 对韭菜生长的影响 nbsp;Table 1 nbsp;Effects of solarization high temperature film mulching 12 d on growth of Chinese chive 处理 nbsp;Treatments 平均株高 nbsp;Average plant height cm 平均茎粗 nbsp;Average stem diameter cm 平均叶宽 nbsp;Average leaf widthcm 平均根长 nbsp;Average root lengthcm 色泽 nbsp;Color 平均百株鲜重 nbsp;Average fresh weight one hundred plant g覆膜 nbsp;Film mulching 19.21 4.49 a 0.28 0.09 a 0.32 0.06 a 14.75 2.79 a 深绿色 nbsp;2001 24.93 a CK 20.23 4.07 a 0.31 0.09 a 0.32 0.07 a 15.44 2.66 a 深绿色 nbsp;2017 49.11 a 注同列数据后标有不同字母者表示在 0.05 水平上差异显著。 nbsp;Note Different lowercase letters in the same column indicated significant differences at 0.05 level. nbsp;采用连续流动分析仪 AA3 对不同处理方法、不同时期韭菜田土壤的理化性质进行测定，覆膜前后处理区与对照区土壤理化性质除全磷外，氨态氮、硝态氮、全氮、土壤含水量、 pH 均无显著变化（ P＞ 0.05），只有全磷量在覆膜后呈明显升高的趋势，与对照相比差异显著（ P＜ 0.05）（表 2）。 nbsp;2.2 nbsp;日晒高温覆膜对土壤微生物碳源利用的影响 不同处理、不同时期韭菜田土壤 AWCD 的动态变化图显示，韭菜田土壤微生物总体变化趋势为随着培养时间的延长，日晒高温覆膜处理组和对照组土壤微生物利用碳源的能力均显示出逐渐增加的趋势，在培养 144 h 后逐渐趋于平稳。 从日晒高温覆膜后 0、 12、 21 和 34 d 4 个不同时间段采集的土壤样品 AWCD的动态变化上看（图 1），该 4 个时间段之间土壤微生物利用碳源的能力均无明显差异；同时日晒高温覆膜处理组和对照之间进行逐一比较，两组处理间土壤微生物利用碳源的能力均无明显差异。日晒高温覆膜处理土壤对土壤微生物群落代谢活性无影响，其对碳源的利用能力无显著影响（ P＞ 0.05）。 nbsp;2.3 nbsp;不同处理韭菜地土壤微生物多样性指数分析 根据培养第 144 h 的 AWCD 值计算土壤微生物群落的 Shannon−Wiener 指数、 Simpson 指数、 McIntosh指数和丰富度指数。 结果显示， 相同采集时间下， 日晒高温覆膜处理组与对照组土壤微生物群落的 Simpson第 5 期 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 宋健等日晒高温覆膜对韭菜生长及根际土壤微生物多样性的影响 nbsp;673 指数和丰富度指数无显著差异。覆膜后第 21 d，覆膜组 McIntosh 指数显著高于对照组，覆膜后第 34 d，覆膜组 McIntosh 指数与对照组相比，无显著差异（ P＞ 0.05）（表 3）。 nbsp;表 2 nbsp;日晒高温覆膜对土壤理化性质的影响 nbsp;Table 2 nbsp;Effects of solarization high temperature film mulching on soil physical and chemical properties 处理 nbsp;Treatments 时间 nbsp;Time d 含水量 nbsp;Soil moisture pH 全氮 nbsp;Total N mg/Kg全磷 nbsp;Total P mg/Kg氨态氮 nbsp;NH4-N mg/Kg 硝态氮 nbsp;NO3-N mg/Kg 0 10.53 1.07 ab 7.94 0.14 a 587.85 80.05 ab 1311.52 140.86 b 13.91 1.50 a 15.00 2.65 a 12 8.33 0.84 a 7.85 0.12 a 583.45 6.10 a 1060.24 79.41 b 17.88 1.45 a 15.34 3.44 ab 21 10.67 0.33 b 7.89 0.05 a 569.90 86.20 a 981.04 47.28 b 14.16 2.20 ab 13.24 3.26 ab 覆膜 nbsp;Film mulching 34 3.93 0.49 ab 7.99 0.10 a 549.20 81.38 a 898.24 46.10 b 14.57 0.66 a 8.41 1.50 ab 0 9.87 0.56 a 7.79 0.06 a 696.84 11.52 a 1076.00 23.30 a 14.25 3.06 a 15.74 2.38 a 12 8.13 0.19 a 7.91 0.03 a 567.20 25.31 a 753.92 56.44 a 15.22 3.60 a 18.83 1.67 a 21 8.40 0.43 a 7.78 0.06 a 541.87 14.90 a 671.60 49.50 a 20.58 4.12 a 10.10 0.75 a CK 34 3.67 0.47 a 8.10 0.07 a 532.85 73.61 a 690.27 75.80 a 15.89 3.80 a 9.82 0.95 a 注不同小写字母表示在同一采样时间不同处理条件下差异显著（ P≤ 0.05） 。 nbsp;Note The different lowercase letters indicated significant difference between different treatment conditions at the same sampling time P≤ 0.05. The same below. 00.20.40.60.81.01.24 24 48 72 96 120 144 168时间 nbsp;Time h平均颜色变化率AWCD覆膜 nbsp;Film mulching 34 dck 34 d覆膜 nbsp;Film mulching 21 dck 21 d覆膜 nbsp;Film mulching 12 dck 12 d4 24 48 72 96 120 144 1684 24 48 72 96 120 144 168 4 24 48 72 96 120 144 16800.20.40.60.81.01.200.20.40.60.81.01.200.20.40.60.81.01.2平均颜色变化率AWCD平均颜色变化率AWCD平均颜色变化率AWCD覆膜 nbsp;Film mulching 0 dck 0 d时间 nbsp;Time h图 1 nbsp;日晒高温覆膜对土壤微生物碳源利用的影响（平均值 标准差） nbsp;Fig. 1 nbsp;Effects of solarization high temperature film mulching on utilization of carbon sources by microorganisms mean SD 3 nbsp;讨论 nbsp;日晒高温覆膜对韭菜迟眼蕈蚊各龄期幼虫的防治效果高达 100，对韭菜的长势和根系发育无显著影响。对韭菜根际表层 0～ 5 cm 土壤的理化性质进行比较，日晒高温处理后土壤中的全磷量较对照区有显著增加。分析原因，首先日晒高温覆膜使得土壤中有机质中的磷以可溶性灰分的形式存在，从而有效磷的含 nbsp;674 nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; nbsp; 中 nbsp;国 nbsp;生 nbsp;物 nbsp;防 nbsp;治 nbsp;学 nbsp;报 nbsp; nbsp;第 34 卷 nbsp;表 3 nbsp;日晒高温覆膜对韭菜田土壤微生物多样性指数的影响 nbsp;Table 3 nbsp;Effects of solarization high temperature film mulching on soil microbial diversity index 处理 nbsp;Treatments 时间 nbsp;Time d Shannon-Wiener Simpson McIntosh 丰富度指数 nbsp;Richness index 0 3.08 0.07 a 0.95 0.00 a 4.17 0.89 ab 23.73 1.48 ab 12 3.23 0.01 a 0.96 0.00 a 4.69 0.38 ab 26.47 1.41 ab 21 3.10 0.05 ab 0.95 0.00 ab 5.62 0.18 b 23.67 1.05 a 覆膜 nbsp;Film mulching 34 3.08 0.25 ab 0.95 0.00 ab 5.87 0.40 a 23.3333 1.19 ab 0 3.21 0.10 a 0.96 0.01 a 5.38 0.57 a 25.87 2.29 a 12 3.07 0.15 a 0.95 0.01 a 5.22 0.86 a 24.17 2.79 a 21 2.65 0.49 a 0.90 0.06 a 4.95 0.31 a 23.33 2.19 a CK 34 2.62 0.35 a 0.91 0.04 a 5.71 0.04 a 25.11 2.67 a 量增加了；其次，高温造成土壤中难溶性磷酸盐晶相的改变，使晶态的磷酸盐向非晶态的磷酸盐转化，土壤中难溶磷酸盐转化成可溶性磷酸盐， 使得土壤中有效态的磷素增多， 从而使得土壤中全磷含量明显提高。 nbsp;环境因子中，温度对土壤微生物的群落结构和活性的影响非常突出。温度升高可以增加土壤微生物量[12]，也可以降低土壤微生物量[13]，也有学者认为，温度升高并不能改变土壤细菌和真菌的丰富度[14]。张卫健等[15]对美国大平原地区土壤微生物群落结构研究中，发现人工增温 1.8 ℃后，土壤微生物总量没有显著变化，许多研究也得出了相同的结论[16,17]。但同时发现，微生物群落结构却发生了明显变化，温度升高明显提高了土壤微生物中真菌活性，增加了其丰富度，从而增强了土壤微生物对土壤有机碳的利用效率[18]。很多学者也得出了同样的的结论温度升高增强了真菌的优势，提高了土壤对菌类中一些酶的利用效率， 极大地影响了土壤微生物群落结构[13,18,19]。 Hayden 等[20]利用多因子气候变化草地平台研究发现，温度升高对细菌和真菌丰度没有影响。我们设计的试验，根据 Biolog−ECO 微孔板培养第 144 h 的 AWCD值计算土壤微生物群落的 Shannon−Wiener 指数、 Simpson 指数和丰富度指数未发现显著差异。结果与上述结论是一致的。日晒高温覆膜后第 21 d，覆膜组 McIntosh 指数显著高于对照组 McIntosh 指数，可能是由于覆膜对土壤异质性的影响和土壤理化性质的变化造成的。但在日晒高温覆膜后第 34 d，覆膜组 McIntosh指数与对照组 McIntosh 指数相比无显著差异，说明覆膜对碳源利用不会造成持续影响，只在短期内稍有波动，可见日晒高温覆膜对土壤中微生物的多样性不会造成显著影响。 nbsp;王海泉等[21]研究发现，行间覆膜栽培大豆并没有改变大豆根际土壤微生物三大类群数量变化，覆膜比不覆膜增加了大豆根际土壤微生物总量，覆膜比不覆膜增加了大豆根际土壤微生物的生物碳含量，提高大豆产量。王素素等[22]研究表明土壤经 55 ℃和 70 ℃高温 10、 20 d 处理后土壤中细菌、真菌数量均减少，其中真菌数量下降尤为明显，但对草莓植株生长、根系活力和根系总呼吸速率都具有不同程度促进作用。 nbsp;本试验结果表明，高温覆膜技术对韭菜根际土壤中细菌和真菌的多样性变化影响不大，但由于植物 −土壤 −微生物之间存在着复杂的关联性，温度升高的幅度、不同的持续时间、植物的不同生长时期、土壤条件及不同的环境条件均可对土壤微生物种群结构和丰度造成一定的影响，同时 Biolog−ECO 只是针对可培养的细菌和真菌进行了初步的研究，后续我们还将通过高通量测序分析技术对土壤中可培养和不可培养的细菌真菌结构和种类进行全面深入研究。 nbsp;参 nbsp;考 nbsp;文 nbsp;献 nbsp;[1] 张友军 , 吴青君 , 王少丽 , 等 . 我国蔬菜重要害虫研究现状与展望 [J]. 植物保护 , 2013, 395 38-45. 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