Effects of rice planting years on physicochemical property and fungi community in soda saline-alkali soil
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摘要:目的
研究不同种稻年限对苏打盐碱土理化性质及真菌群落的影响，为盐碱地改良提供理论依据。
方法以分别种植水稻1年、3年、5年、15年、20年和50年的苏打盐碱地土壤为研究对象，通过常规分析和IlluminaMiSeq平台测序分析，对不同种稻年限苏打盐碱土基本理化性质及真菌在ITS1+ITS2区域的丰度和多样性进行研究。
结果随种稻年限增加，苏打盐碱土的pH、电导率、总碱度以及水溶性盐分总量均显著下降；有机质和微生物量碳含量显著增加；全氮、铵态氮和硝态氮含量随种稻年限增加呈升高趋势；速效磷含量先显著增加，在种稻20年时达最大值，之后略有下降；速效钾含量没有明显变化规律。种稻1年、3年、5年、15年、20年和50年的土壤中获得的真菌有效序列数量分别为56 942、42 482、45 987、92 214、64 665与68 515，包括5门12纲25目26科45属59种，其中枝孢菌属Cladosporium、霍特曼尼菌属Holtermanniella和马氏链球菌属Massariosphaeria为优势菌属，相对丰度均大于2%。α多样性指数随种稻年限增加先增大后逐渐减小，种稻5年时最大。土壤pH、电导率、总碱度、水溶性盐分总量和速效钾含量是影响种稻后苏打盐碱土真菌群落结构的主要环境因素。
结论种植水稻可以明显改变苏打盐碱土基本理化性质和真菌群落结构，促进苏打盐碱土的改良。
Abstract:ObjectiveTo investigate the effects of different rice planting years on physicochemical properties and fungi communities of soda saline-alkali soil, and provide a theoretical basis for saline-alkali soil improvement.
MethodSoda alkali-saline soil that had been planted with rice for 1, 3, 5, 15, 20 and 50 years respectively were chosen as research objects. The routine analysis and IlluminaMiSeq platform sequencing analysis were conducted to study the basic soil physicochemical properties, richness and diversity of fungi in ITS1+ITS2 domain in soda saline-alkali soil with different rice planting year.
ResultWith the increase of rice planting year, pH, electrical conductivity, total alkalinity and water soluble total salt of saline-alkali soil decreased significantly; soil organic matter and microbial biomass carbon contents increased significantly; total nitrogen, ammonium nitrogen and nitrate nitrogen contents presented increasing trends; available phosphorus increased significantly first, reaching the maximum in the treatment of planting rice for 20 years, then decreased slightly; and available potassium content had no obvious changing pattern. The effective sequence numbers of fungi obtained in soil with 1-, 3-, 5-, 15-, 20- and 50- year rice planting periods were 56 942, 42 482, 45 987, 92 214, 64 665 and 68 515, including five phyla, 12 classes, 25 orders, 26 families, 45 genera and 59 species. Cladosporium, Holtermanniella and Massariosphaeria were dominant with relative abundance more than 2%. The α diversity indexes first increased and then decreased with the extension of rice planting years, reaching the largest in soil planted with rice for five years. Soil pH, electrical conductivity, total alkalinity, water soluble total salt and available potassium contents were the main environmental factors affecting fungi communities of soda alkali-saline soil after planting rice.
ConclusionPlanting rice can siginificantly change the basic physicochemical properties and fungi community structures of soda alkali-saline soil, and promote soil improvement.
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氯虫苯甲酰胺属于新型邻氨基苯甲酰胺类杀虫剂，其选择性地与鳞翅目昆虫受体鱼尼丁结合，并打开钙离子通道，使贮存在胞内的钙离子持续释放到肌浆中，导致肌肉细胞丧失收缩功能[1-4]，从而使昆虫表现为取食停止、乏力、反胃和肌肉瘫痪，直至死亡[5-7]。氯虫苯甲酰胺不仅可经茎、叶表面渗透到植物体内，还可通过根部吸收并在木质部移动[8]，具有良好的植物传导特性、耐雨水冲刷能力和抗光解性能及持效性[9]，因其杀虫谱广、对哺乳动物毒性低、对非靶标生物(如鸟、鱼、蚯蚓以及微生物等)影响较小等优点[9-11]，成为近年防治我国水稻害虫的主力品种之一。
2007年氯虫苯甲酰胺在菲律宾获准登记并销售，后在美国、澳大利亚、印度尼西亚、中国、韩国、巴西等50多个国家获准登记。氯虫苯甲酰胺200SC于2007年在中国获临时登记，用于防治稻纵卷叶螟Cnaphalocrocis medinalis Guenée[12]。田间应用表明，氯虫苯甲酰胺不仅对稻纵卷叶螟具有优异的防治效果，还对部分水稻品种具有促生长和增产作用。研究报道氯虫苯甲酰胺对水稻品种冈优881和高粱品种泸糯8号具有一定的增产作用[13-14]，而对武运粳23号增产不明显[15]。
笔者在湖北水稻主要种植区黄冈和仙桃2地4点，进行了大田示范试验，旨在验证氯虫苯甲酰胺200SC对湖北主要水稻种植品种鄂中5号稻纵卷叶螟的防效以及对水稻植株生长和产量的影响，为其大面积示范和推广应用提供科学依据。
1. 材料与方法
1.1 材料
供试水稻Oryza sativa L.品种为鄂中5号，插秧种植。氯虫苯甲酰胺200SC，上海杜邦农化有限公司生产，用药量为30 g·hm-2；阿维菌素18EC，河北威远生物化工股份有限公司生产，用药量为27 g·hm-2。
1.2 方法
1.2.1 试验设计
田间试验在湖北省仙桃市和黄冈市试验点进行，试验点1：仙桃谢场镇新洲村；试验点2：仙桃海口镇陈家村；试验点3：黄冈麻城杨家冲村；试验点4：黄冈麻城刘角林村。各试验点选取一块100~150 m2的水稻田作为大区，大区周围设保护行，每大区分成3个处理区，各处理区之间设保护行并筑20~30 cm宽的田埂。试验区地势平整，水稻长势均匀，肥水管理一致。各试验点基本情况如表 1所示。
表 1 试验点基本情况Table 1. Background of the test sites
1.2.2 施药方法
各处理将氯虫苯甲酰胺200SC和阿维菌素18EC(阳性对照)按药剂试验设计用量兑水配成药液，以水稻常规防治稻纵卷叶螟方法对水稻植株进行茎叶喷雾处理。每平方米喷药液0.045 L，并按每平方米0.045 L用水量计算各处理区的用水量，空白对照区喷等量清水。
1.2.3 试验处理及调查
喷药前进行虫口基数调查，第1次药后14 d，第2次药后14 d进行药效调查，试验期间共调查3次。将各处理区分为2个部分：一部分用于对害虫的药效调查，每试验点各处理调查100蔸水稻，记录稻纵卷叶螟为害卷叶株数；另一部分用于产量的测定。
在施药前，调查卷叶株数、水稻叶色、分蘖数和长势。第1次药后14 d，调查卷叶数和水稻长势。第2次药后14 d，调查卷叶数、水稻叶色、分蘖数和长势。到收获期时，调查水稻无效穗数、每穗粒数、每穗的有效结实粒、千粒质量以及产量。
叶色：用国际水稻研究所LCC比色板为标准，评估每蔸水稻的颜色分级，每种处理随机抽取40蔸水稻，计算4个试验点平均叶色级别和平均长势。
分蘖数：每种处理随机抽取40蔸水稻，分别于药前调查并记录每蔸水稻株数和第2次药后14 d调查并记录每蔸水稻分蘖数，计算4个试验点平均分蘖数和增加率。在同一处理前期没调查过的另一半区域，随机抽取40蔸水稻，调查并记录有效分蘖数、无效分蘖数，计算4个试验点有效分蘖数的增加率和无效分蘖数的减少率。
每穗粒数及结实率：从调查有效穗数项目中的40蔸水稻里，随机抽取10个稻穗进行考种，调查并记录每穗粒数及有效粒数，计算4个试验点每穗粒数和每穗结实粒增加率。
千粒质量：从调查有效穗数项目中的40蔸水稻谷粒里，随机抽点1 000粒稻谷，抽取3次，干燥，直至谷粒含水量(w)为13%时称质量。
测产：用农业部规定的方法进行产量测定，每大区随机验收收割测规(20 m2)水稻，对其进行测产，并把亩产量转化成每公顷的产量，单位为t·hm-2，计算4个试验点增产率。
1.2.4 药效计算
2. 结果与分析
2.1 氯虫苯甲酰胺200SC的保叶效果
在本试验实施期间，氯虫苯甲酰胺200SC对稻纵卷叶螟药效试验调查结果见表 2。由表 2可知：第1次施药后14 d和第2次施药后14 d氯虫苯甲酰胺200SC的保叶效果分别为85.71%和69.69%，明显优于对照药剂阿维菌素18EC的67.21%和48.20%。
表 2 氯虫苯甲酰胺200SC对稻纵卷叶螟的药效1)Table 2. Effects of chlorantraniliprole 200SC on rice leaf roller
2.2 氯虫苯甲酰胺200SC对水稻生长及产量的影响
2.2.1 对水稻叶色及长势的影响
氯虫苯甲酰胺200SC对水稻叶色及长势的影响调查结果见表 3。从表 3可以看出：4个试验点2个处理，药前4个试验点长势一致；第2次药后14 d，氯虫苯甲酰胺200SC处理叶色优于空白对照，与阳性对照阿维菌素18EC差异不显著；氯虫苯甲酰胺200SC处理作物长势优于阳性对照阿维菌素18EC和空白对照。
表 3 氯虫苯甲酰胺200SC对水稻叶色及作物长势的影响1)Table 3. Influence of chlorantraniliprole 200SC on rice leaf color and crop vigor
2.2.2 对水稻分蘖的影响
氯虫苯甲酰胺200SC对水稻分蘖的影响调查结果显示第2次药后14 d，氯虫苯甲酰胺200SC处理4个试验点水稻分蘖数为10.49苗·蔸-1，阿维菌素18EC处理为9.40苗·蔸-1，与空白对照8.45苗·蔸-1相比，分别增加24.14%和11.24%。氯虫苯甲酰胺200SC对水稻分蘖有较明显的促进作用，并明显优于阳性对照药剂阿维菌素18EC。
氯虫苯甲酰胺200SC和阿维菌素18EC处理，4个试验点平均水稻有效分蘖分别为19.79和20.50株·蔸-1，比对照(19.40株·蔸-1)分别增加2.01%和3.35%，对照药剂阿维菌素18EC优于处理药剂氯虫苯甲酰胺200SC；无效分蘖分别为0.83和0.80株·蔸-1，分别比对照(1.34株·蔸-1)减少38.06%和40.30%，2种药剂间差异不显著。试验结果表明氯虫苯甲酰胺200SC可提高水稻有效分蘖和减少无效分蘖数。
2.2.3 对水稻每穗粒数及结实率的影响
4个试验点平均水稻每穗粒数和每穗结实粒数，氯虫苯甲酰胺200SC处理分别为177.00和133.10粒·穗-1，比对照(160.58和126.78粒·穗-1)分别增加10.23%和4.99%；对照药剂阿维菌素18EC分别为167.65和133.10粒·穗-1，比对照分别增加4.49%和4.99%。氯虫苯甲酰胺200SC处理每穗粒数增加效果优于对照药剂阿维菌素18EC；而每穗结实粒数与对照药剂阿维菌素18EC相当。但各药剂处理的4个试验点的每穗粒数和结实粒数差异显著，这可能与不同试验点药剂对稻纵卷叶螟防治效果相关。
2.2.4 对水稻千粒质量及产量的影响
氯虫苯甲酰胺200SC对水稻千粒质量及产量的影响调查结果见表 4。从表 4可以看出：氯虫苯甲酰胺200SC和阿维菌素18EC处理千粒质量分别为17.63和17.49 g，对照为17.17 g，氯虫苯甲酰胺200SC处理千粒质量增加效果优于对照药剂阿维菌素18EC；20 m2水稻产量分别为8.85和8.48 kg，对照为7.85 kg，与对照相比，氯虫苯甲酰胺200SC处理增产率为12.72%优于对照药剂阿维菌素18EC处理的7.89%。试验结果表明2种药剂处理均可增加水稻产量和千粒质量，且处理药剂氯虫苯甲酰胺200SC优于对照药剂阿维菌素18EC。
表 4 氯虫苯甲酰胺200SC对水稻千粒质量及产量的影响1)Table 4. Influence of chlorantraniliprole 200SC on thousand-grain weight and rice yield
3. 结论
4个试验点第1次施药后14 d和第2次施药后14 d氯虫苯甲酰胺200SC对稻纵卷叶螟防效分别为85.71%和69.69%，明显优于对照药剂阿维菌素18EC的67.21%和48.20%。与董波等[15]和赵阳等[16]研究结果基本一致，而保叶率效果低于束兆林等[17]和张志东等[13]报道的防效，这可能与稻纵卷叶螟产生抗药性有关。
氯虫苯甲酰胺200SC对水稻叶色和长势与对照药剂差异不显著。但第2次施药后14天，水稻分蘖数比空白对照平均增加2.04苗·蔸-1，每蔸水稻分蘖数平均增加了24.14%，而对照药阿维菌素18EC分蘖数增加0.95苗·蔸-1，每蔸水稻分蘖数平均增加了11.24%。因此，氯虫苯甲酰胺200SC对水稻分蘖有较明显的促进作用，并优于对照药剂。
氯虫苯甲酰胺200SC和阿维菌素18EC处理水稻有效分蘖数分别增加2.01%和3.35%，对照药剂阿维菌素18EC处理优于处理药剂氯虫苯甲酰胺200SC处理；无效分蘖数分别减少38.06%和40.30%，处理药剂之间差异不显著；而每穗粒数分别增加10.23%和4.40%，氯虫苯甲酰胺200SC处理优于对照药剂阿维菌素18EC处理；结实率分别增加4.49%和4.49%，处理药剂之间差异不显著；千粒质量分别增加2.68%和1.86%，每667 m2产量分别增加12.72%和7.89%，处理药剂氯虫苯甲酰胺200SC优于对照药剂阿维菌素18EC，与张志东等[13]报道一致，这可能与氯虫苯甲酰胺200SC诱导水稻每蔸分蘖数增加2.04棵苗，每穗粒数增加16.42粒和千粒质量增加0.46 g相关，因此，氯虫苯甲酰胺可诱导水稻分蘖数，每穗粒数和千粒质量增加，从而提高水稻的亩产量，其增产机理有待进一步的研究。
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图 1 不同种稻年限苏打盐碱土真菌稀释曲线
Figure 1. The dilution curve of fungi in soda saline-alkali soil with different rice planting year
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图 2 土壤真菌门水平组成及相对丰度（不含未知门）
Figure 2. Soil fungi composition and relative richness at phylum level excluding unknown phyla
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图 3 土壤真菌属水平组成及相对丰度（不含未知属）
Figure 3. Soil fungi composition and relative richness at genus level excluding unknown genus
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图 4 不同种稻年限土壤真菌群落与环境因子的冗余分析
Figure 4. Redundancy analyses of fungal communities and environmental factors of soda saline-alkali soil with different rice planting year
表 1 不同种稻年限苏打盐碱土基本理化性质的变化1)
Table 1 Changes of the basic physicochemical properties of soda saline-alkaline soil with different rice planting year
处理 Treatment 1 年 One year 3 年 Three years 5 年 Five years 15 年 15 years 20 年 20 years 50 年 50 years pH 9.29±0.01a 9.13±0.00b 8.82±0.02c 8.68±0.00d 8.34±0.00e 8.27±0.01f 电导率/(μs·cm–1)
Electrocorductibility526.33±0.58a 487.33±1.15b 456.00±1.00c 430.00±2.00d 408.33±1.15e 241.33±1.53f 总碱/(cmol·L–1)
Total alkaloids1.80±0.03a 1.65±0.03b 1.39±0.00c 1.25±0.01d 0.71±0.03e 0.54±0.01f 水溶性盐分/(mg·g–1)
Hydrolyte-salt2.27±0.03a 1.74±0.01b 1.65±0.04c 1.54±0.02d 1.32±0.04e 0.69±0.00f 有机质/(mg·g–1)
Organic matter18.53±0.05f 19.15±0.00e 21.54±0.09d 24.07±0.01c 25.77±0.08b 25.96±0.08a 微生物量碳/(μg·g–1)
Microbial biomass C232.42±0.28f 240.00±2.97e 282.95±1.36d 310.26±1.37c 373.89±2.35b 597.76±1.52a 全氮/(mg·g–1) Total N 0.72±0.03d 0.88±0.02cd 1.06±0.02bc 1.21±0.24ab 1.36±0.06a 1.41±0.17a 铵态氮/(μg·g–1) $ \scriptstyle\rm NH^+_4$-N 1.87±0.49a 2.23±0.32a 2.12±0.69a 2.31±0.50a 2.46±0.95a 2.43±0.54a 硝态氮/(μg·g–1) $\scriptstyle\rm NO^{-}_3$-N 1.32±0.05d 1.86±0.07cd 2.72±0.12bc 3.37±0.43ab 3.13±0.77b 4.37±0.06a 速效磷/(μg·g–1) Available P 5.58±0.17f 11.62±0.02e 13.90±0.00d 14.90±0.06c 23.24±0.17a 19.76±0.01b 速效钾/(μg·g–1) Available K 123.51±0.58c 146.38±0.01b 165.98±0.01a 116.98±1.00c 121.88±0.71c 141.48±0.71c 1) 表中数据为平均值±标准差，同行数据后不同小写字母者表示差异显著 (P< 0.05，LSD 法)
1) The data in the table were $\scriptstyle{\overline X \pm {\rm{SD}}}$, different lowercase letters in the same colum indicated significant difference (P<0.05, LSD method)
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表 2 不同种稻年限苏打盐碱土真菌α多样性指数
Table 2 Fungal α diversity indexes of soda saline-alkaline soil with different rice planting year
年
YearAce 指数
Ace indexChao1 指数
Chaol indexShannon 指数
Shannon indexSimpson 指数
Simpson indexOTU 数量
OTU quantity覆盖率/%
Coverage rate1 273 270 3.103 0.650 257 99.9 3 305 342 5.944 0.967 283 99.9 5 350 356 6.204 0.968 341 99.9 15 294 295 5.635 0.948 287 100.0 20 314 322 4.641 0.887 300 99.9 50 262 275 4.196 0.871 252 99.9
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