覆膜对陇东旱地苹果根际土壤化感物质积累与真菌群落特征的影响

甘肃陇东黄土高原地区海拔高、日照充足、昼夜温差大，所产苹果（Malus pumila Mill.）糖分含量高，品质较好，目前该地区苹果的栽培面积已超过44万hm2，为中国苹果的主要产区之一[1]。但该地属于干旱半干旱大陆性气候，年降雨量少，降水变率大，易干旱[2]。此外，该苹果产区土质多为黄绵土，土层深厚，但土壤有机质含量较低，土壤结构稳定性较差，保水保肥能力差，易发生干旱和水土流失现象。干旱缺水、土壤养分亏缺和土壤退化等已成为限制当地苹果产业发展的重要因素[3-4]。目前，黄土高原苹果园多采用传统清耕的土壤管理模式，加剧了土壤的退化，导致土壤中有机质的含量降低、生物的多样性下降等土壤质量问题的发生[5]。地膜覆盖技术相较于传统清耕方式有助于改善土壤水热情况，抗旱保墒，防止水土流失，此外地膜覆盖有利于提高土壤酶活性，促进土壤养分的分解利用，改善微生物的生存环境，进而改良土壤微生物的群落结构[6-7]。真菌作为土壤微生物的重要组分之一，具有较强的抗逆性，参与了土壤腐殖化过程，促进土壤有机质转化，在土壤碳氮循环过程中发挥了重要的作用[8-9]。研究表明土壤的理化特征和植物根系分泌物对土壤真菌群落特征具有显著的影响。Li 等[10]研究发现人参根际分泌物中的酚酸类物质提高了土壤中真菌的丰度，但降低真菌的多样性，进而影响了土壤中真菌群落的结构组成。Lin 等[11]研究发现植物根系分泌物有利于提高土壤肥力，改善土壤结构，进而增加土壤微生物的多样性和丰度。地膜覆盖作为西北旱地果园重要的节水保墒措施，明确其对土壤理化性质、植物自毒物质积累和土壤微生物群落特征的影响，对旱地果园科学管理和提高地力具有重要的意义。笔者在本研究中基于长期定位试验，以红富士苹果树为研究对象，分析了不同地膜覆盖年限对苹果树根际土壤酶活性、根系分泌物和真菌群落特征的影响，以期为西北黄土高原旱地苹果园地膜覆盖保墒技术的完善和合理实施奠定一定的理论基础。

1 材料和方法

1.1 试验地概况

试验地位于甘肃省平凉市静宁县国家苹果产业体系平凉综合试验站（N 35°24′，E 105°43′），苹果种植面积为3.34 hm2。该地属于暖温带半湿润半干旱气候，平均海拔1561 m，年均气温7 ℃，年均日照时数2238 h，年平均降水量450 mm，降水期集中于夏季。试验地土壤为黄绵土，土壤pH 值为8.60，有机质含量（w，后同）为12.23 g·kg-1，全磷含量为0.96 g·kg-1，全氮含量为1.01 g·kg-1，全钾含量（w，后同）16.84 g·kg-1，碱解氮含量为71.75 mg·kg-1，速效钾含量为276.51 mg·kg-1，速效磷含量为31.00 mg·kg-1。

1.2 试验设计和采样方法

试验选取种植年限为18 a（年）的红富士苹果，品种为长富2号（Nagano Fuji No.2），砧木为山荆子（Malus baccata），种植株行距为4 m×5 m。选取树冠大小（直径4.8~5.5 m）相似且长势一致（高3.5~4.0 m）的健康植株，分别设置清耕（未覆膜，CK），覆膜2 a（2Y）、覆膜4 a（4Y）、覆膜6 a（6Y）共4 个处理。在距离果树主干0~1.5 m 的范围内覆盖黑色地膜，地膜厚度0.02 mm，宽1.5 m，行间免耕，行间预留1 m 左右的操作行。地膜每6 个月更换1 次。30株树为1 个处理，每个处理设置3 个重复，10 株树为1个重复，不同处理间设置空白行作为保护行。

根系采集方法：于2021 年苹果根系发根高峰期（果实采后至落叶）采用土壤剖面法采样，于树干中心沿垂直行向的方向挖长1.5 m、宽1.5 m、深40 cm（0~20 cm，＞20~40 cm，共2层）的观测面中所有的根系取出带回实验室，每个土层采集根系（R≤2 mm），用去离子水清洗根系，装入密封袋后，用保鲜盒带回实验室待测，每处理5 次重复，每重复1 株树。根围土采集方法：在每个试验区内，用环刀分别采取0~20 cm 和＞20~40 cm 的根围土，转置铝盒内，用于土壤物理指标的测定。根际土壤采集方法：在0~20 cm和＞20~40 cm 土层中取苹果根系样本，装入无菌密封袋，冰袋保存迅速带回实验室。在无菌条件下，将采集的根系样本先抖落与根系结合较松的土壤（非根际土），留下与根系结合较紧密的土即为根际土[12]，将采集的根际土分为3份，一份用液氮速冻，置于-80 ℃的冰箱里保存，用于土壤真菌群落的测定；一份新鲜土壤用于β-1,4-木糖苷酶、纤维二糖水解酶和β-1,4-葡萄糖苷酶活性的测定；一份自然风干过筛研磨后用于土壤化感物质和土壤理化性质的测定，采集的根系清洗干净晾干后用于测定根系生长量。

1.3 土壤理化性质及根系生长量测定

土壤含水量和土壤通气度采用烘干法[13]测定，有机碳含量采用重铬酸钾氧化-分光光度法测定，土壤全氮含量采用凯氏定氮法测定，微生物量碳含量采用氯仿熏蒸浸提法测定。苹果根系生物量采用烘干法测定；根体积和根表面积采用Epson Expression 10000XL根系扫描仪测定[14]。

土壤脲酶活性采用苯酚钠-次氯酸钠显色法测定，土壤蔗糖酶活性采用硫代硫酸钠滴定法测定，土壤过氧化氢酶活性采用高锰酸钾滴定法测定，土壤碱性磷酸酶活性采用磷酸苯二钠比色法[15]测定。土壤β-1,4-木糖苷酶、纤维二糖水解酶和β-1,4-葡萄糖苷酶活性采用微孔板荧光法[16]测定。

1.4 土壤化感物质测定

准确称取风干土样过筛后的土壤100 g，加入适量硅藻土于烧杯中与土样混合均匀。在100 mL 萃取池底部加垫纤维素膜，将混合均匀的样品装入萃取池中，先加入无水乙醇进行萃取，萃取温度120 ℃，压强10.3 MPa，时间5 min，循环次数2次，吹扫体积60%，吹扫时间90 s，以甲醇为萃取溶剂在相同条件下再次萃取。萃取完成后，收集萃取液混合均匀后减压浓缩至半干状态，加入1 mL甲醇复溶，用0.22 μm有机相滤膜过滤，滤液用于HPLC分析[17]。

HPLC 色谱仪为Waters e2695，色谱柱为Acclaim 120 C18（3 μm，150 mm×3 mm），柱温30 ℃。流动相A 为乙腈，流动相B 为水（乙酸调pH 至2.6），流速为0.5 mL·min-1；进样方式为自动进样，进样体积为5 μL；检测波长280 nm。

1.5 土壤真菌群落测定

准确称取0.5 g 的根际土壤，利用试剂盒（Fast DNA SPIN kit for soil）提取土壤真菌DNA，使用ITS1F/ITS4R （5'- CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3'/5'-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3'）对真菌ITSRNA 基因序列进行PCR 扩增。反应体系：PCR 2×Master Mix（2×）15 μL，引物（0.2µmol·µL-1）338F/806R 各加1 μL，DNA 模板（1 ng·µL-1）加1 μL，ddH2O 加2 μL。反应条件：95 ℃预变性2 min，95 ℃变性10 s，62 ℃退火30 s，68 ℃延伸30 s，25次循环，68 ℃再延伸10 min。使用2%琼脂糖凝胶电泳检测PCR 产物纯度，纯化后的产物使用Qiagen Gel Extraction Kit 试剂盒进行回收。使用TruSeq® DNA PCR-Free Sample Preparation Ki 试剂盒构建基因文库，使用Qubit进行DNA 定量和文库检测，使用Illumina MiSeq 平台进行基因测序，测序工作由北京诺禾致源科技股份有限公司完成。获得的原始数据使用QIIME2 data2插件进行质控、修剪、去噪和去除嵌合体，通过97%的相似率对OTU（Operational Taxonomic Units）进行聚类，使用RDP-classifier 软件对代表序列进行物种注释，获得物种信息。

1.6 数据处理与分析

采用SPSS Statistics 21.0 对不同处理间的差异进行单因素方差分析（ANOVA，LSD，p＜0.05），并使用Origin 2021 软件绘制土壤理化性质和根系生长量的多Y 轴条形图和土壤理化性质、根系生长量与化感物质的相关性热图。土壤微生物高通量测序数据使用QIIME 软件分析不同分类水平的物种丰度，使用Origin 2021 软件绘制真菌多样性指数箱线图和真菌丰度图；使用R 4.1.3 软件的ggplot 包绘制真菌OTU 韦恩图。使用R 4.1.3 的Psych 包计算样品OTU 之间的相关系数，基于RMT（随机矩阵理论）构建微生物互作网络的临界值，利用Gephi 0.9.3软件进行数据可视化分析。使用R 4.1.3 的ggcor 包进行Mental 检验，分析真菌群落和外界环境因素之间的相关性。采用Canoco5软件对丰度较高的10个真菌门和土壤理化因素、根系生长量与化感物质的相关性进行RDA分析。

2 结果与分析

2.1 不同覆膜年限对苹果根际土壤理化性状及根系生长的影响

由表1可知，在0~20 cm的土层内土壤脲酶活性随着覆膜年限的延长而降低，与CK 相比，2Y 和6Y处理的土壤脲酶活性分别降低了4.95%和9.90%。2Y 处理的土壤过氧化氢酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性显著高于其他处理，较CK 3种酶的活性分别增高了19.67%、18.46%和29.39%。4Y 处理的土壤β-1,4-木糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶和纤维二糖水解酶活性达到最高水平，较CK处理3种酶的活性分别增高了84.4%、89.01%和83.45%。在＞20~40 cm土层范围，土壤脲酶的活性随着覆膜年限的延长呈现降低的趋势，而土壤蔗糖酶活性随着覆膜年限的延长而增高。2Y处理的土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性达到最高水平，较CK 处理分别增高了20.78%和79.82%。4Y处理的土壤碱性磷酸酶、β-1,4-木糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶和纤维二糖水解酶活性显著高于其他处理，较CK 分别增高了39.94%、78.71%、97.43%和87.68%。

由图1 可知，在0~20 cm 的土层内，土壤通气度随着覆盖年限的增加而降低，较CK 分别降低了3.23%、24.22%和18.51%。4Y 处理的土壤含水量及土壤有机碳、微生物量碳和全氮的含量均达到最高水平，较CK 分别增加了15.00%、8.29%、50.16%和31.44%。4Y 处理的苹果根系生长量均高于其他覆膜年限，根系生物量、根表面积和根体积分别为54.62 g、10 921.66 cm2和220.56 cm3。在＞20~40 cm的土层内，2Y 处理的土壤含水量达到最高水平，较CK 增加了18.04%。土壤通气度变化与0~20 cm 土壤的变化趋势一致。4Y处理的土壤有机碳、微生物量碳和全氮的含量较CK分别增加了3.72%、64.31%和14.19%。CK处理的根系生物量和根表面积显著高于其他覆膜年限，分别为20.63 g、4 956.95 cm2，2Y 的苹果根体积最大，为103.93 cm3。

2.2 不同覆膜年限对苹果根际土壤化感物质含量的影响

由表2 可知，在0~20 cm 土层范围内，随着覆膜年限的延长，土壤中阿魏酸、苯甲酸、根皮苷和香兰素含量显著降低。6Y 处理的苹果根际土壤中对羟基苯甲酸和肉桂酸的含量达到最高水平，而香豆酸含量在4Y 处理时达到最高水平。在＞20~40 cm 土层范围，随着覆膜年限的延长，土壤中咖啡酸、香兰素、苯甲酸、香豆素、根皮苷、肉桂酸和根皮素的相对含量显著下降，与CK 相比，6Y 处理的土壤中咖啡酸、香兰素、苯甲酸、香豆素、根皮苷、肉桂酸和根皮素的含量分别下降了72.20%、100.00%、77.67%、100.00%、83.21%、54.35%和52.03%。对羟基苯甲酸和阿魏酸仅在4Y 和6Y 处理的土壤中检测出，不同土层土壤中对羟基苯甲酸的含量分别为0.88 mg·kg-1和0.96 mg·kg-1，阿魏酸的含量分别为1.09 mg·kg-1和0.82 mg·kg-1。

2.3 不同覆膜年限对苹果根际土壤真菌群落多样性的影响

通过97%的相似性对OTU 进行聚类，共得到6402 个真菌OTU，其中每个OTU 代表一个物种。通过OTU 差异性分析可知（图2-C、F），0~20 cm 土层中不同处理土壤样品共有OTU 935 个（14.6%），特有OTU数量分别为CK（273）、2Y（342）、4Y（428）和6Y（821），分别占OTU 总数的4.26%、5.34%、6.69%和12.82%。＞20~40 cm 土层中不同处理土壤样品共有OTU 为850 个（13.28%），特有OTU 数量分别为CK（500）、2Y（246）、4Y（460）和6Y（374），分别占OTU 总数的7.81%、3.84%、7.19%和5.84%。0~20 cm 土层土壤真菌群落Chao1 指数和Shannon指数均随着覆膜年限的延长而升高（图2-A、B），而在＞20~40 cm 土层中真菌群落Chao1 指数随着覆膜年限的延长而降低，Shannon 指数则随着覆膜年限的延长而增高（图2-D、E）。

2.4 不同覆膜年限对苹果根际土壤真菌群落丰度的影响

由图3 可知，不同覆膜年限苹果根际土壤中真菌群落的优势真菌门（相对丰度＞1%）主要为担子菌门（Basidiomycota，5%~19%）、被孢霉门（Mortierellomycota，5%~22%）、子囊菌门（Ascomycota，22%~44%）和芽枝霉门（Aphelidiomycota，1%~7%）。在0~20 cm 土层范围内，被孢霉门的相对丰度随着覆膜年限的延长而增加，较CK 分别增加了2%、4%和5%。2Y 处理的根际土壤中担子菌门的相对丰度最高（15%），6Y 处理的根际土壤中被孢霉门的相对丰度最高（图3-A）。在＞20~40 cm 土层范围内，担子菌门和被孢霉门的相对丰度均随着覆膜年限的延长而增加，2Y处理的根际土壤中担子菌门的相对丰度达到最高水平，6Y处理的根际土壤中被孢霉门的相对丰度达到最高水平。土壤中子囊菌门的相对丰度则随着覆膜年限的延长而降低，较CK 分别降低了17%、19%和22%。6Y 处理的根际土壤中芽枝霉门的相对丰度均高于其他处理（图3-C）。

不同覆膜年限果树根际土壤中的优势真菌属（相对丰度＞1%）主要为被孢霉属（Mortierella，9%~39%）、Solicoccozyma属（9%~33%）、Petriella属（1%~16%）、镰刀菌属（Fusarium，1%~3%）。在0~20 cm土层范围，Petriella 属和镰刀菌属的相对丰度均随着覆膜年限的延长而增加（图3-B）。其中4Y 处理的根际土壤中Petriella 属的相对丰度较高（14%），6Y 处理的根际土壤中被孢霉属的相对丰度达到最高水平（32%），2Y 处理的根际土壤中Solicoccozyma属的相对丰度达到最高水平（33%）。在＞20~40 cm土层范围，优势真菌的变化趋势与0~20 cm 土层范围呈一致的变化趋势（图3-D）。

2.5 不同覆膜年限对苹果根际土壤真菌群落分子生态网络的影响

基于不同覆膜年限的真菌序列数据，采用RMD网络分析真菌之间潜在的互作关系，选取OTU（相对丰度＞0.5%）构建真菌分子生态网络。网络分析的相关参数如表3 所示。0~20 cm 土层范围内，2Y处理对根际土壤真菌分子生态网络的影响较大，节点数和边数均低于CK，4Y 和6Y 处理土壤中真菌分子生态网络的节点数和边数则均高于CK。总体上随着覆膜年限的延长，真菌群落的分子生态网络的正相关系数降低，负相关系数增加，真菌群落之间的协同作用降低，拮抗作用增强，导致真菌群落的稳定性下降。＞20~40 cm 土层范围内，随着覆膜年限的延长，土壤中真菌分子生态网络的节点数和边数呈现降低的趋势，4Y 和6Y 处理土壤真菌群落的分子生态网络的正相关系数显著降低，其中6Y处理的正相关系数最低，为59.65%，表明连续覆膜6 a 土壤真菌群落之间的拮抗作用增强。并且6Y 处理构成真菌群落的节点数和边数最少，表明构成真菌群落的分子生态网络的复杂性降低。不同覆膜年限的不同土层中构成真菌分子生态网络的主要类群为子囊菌门、被孢霉门、担子菌门和壶菌门（图4）。

2.6 苹果根际土壤理化性状、根系生长量与化感物质含量相关性分析

由相关性分析（p＜0.01，p＜0.05）（图5）可知，在0~20 cm土层范围内，土壤含水量与苯甲酸含量呈极显著正相关。土壤通气度与咖啡酸、香兰素、香豆素含量呈极显著正相关关系，与根皮苷、肉桂酸含量呈显著正相关。苹果根系生物量、根表面积和根体积均与香豆酸含量呈极显著正相关关系，与根皮苷含量呈显著的负相关关系，与香豆素含量呈极显著负相关关系，土壤脲酶活性与咖啡酸、香兰素、阿魏酸、苯甲酸、肉桂酸和根皮素含量呈极显著正相关关系，与对羟基苯甲酸含量呈极显著负相关关系。土壤过氧化氢酶活性与香豆酸含量呈极显著正相关关系，与香豆素、根皮苷含量呈极显著负相关关系。土壤蔗糖酶活性与苯甲酸含量呈极显著正相关关系，与对羟基苯甲酸含量呈极显著负相关关系（图5-A）。

在＞20~40 cm 土层范围内，土壤通气度与对羟基苯甲酸、咖啡酸、香兰素、苯甲酸、根皮苷、香豆素、肉桂酸、根皮素含量均呈极显著正相关关系。苹果根系生物量、根表面积和根体积均与对羟基苯甲酸、咖啡酸、香兰素、苯甲酸、根皮苷、香豆素、肉桂酸和根皮素含量呈极显著正相关关系。土壤过氧化氢酶活性与阿魏酸含量呈显著正相关关系，与对羟基苯甲酸、咖啡酸、香兰素、苯甲酸、根皮苷、香豆素、肉桂酸和根皮素含量呈极显著负相关关系。土壤蔗糖酶活性与对羟基苯甲酸、阿魏酸、香豆素和根皮素含量呈极显著负相关关系，与咖啡酸、苯甲酸、根皮苷含量呈显著负相关关系。而β-1,4-木糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶和纤维二糖水解酶活性与阿魏酸含量均呈极显著正相关关系（图5-B）。

2.7 苹果根际土壤真菌群落与土壤理化性状、根系生长量及化感物质含量的相关性分析

Mental 检验结果表明，土壤理化性状和根系生长量对不同覆膜年限的根际土壤中真菌群落结构的影响具有显著差异。在0~20 cm土层范围内，过氧化氢酶对CK 处理的苹果根际土壤中真菌群落结构的影响较为显著，相关系数为0.45（p=0.027）。4Y处理根际土壤中真菌的群落结构主要受土壤通气度、有机碳含量、微生物量碳含量、全氮含量、根系生物量、根表面积、根体积、β-1,4-木糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶和纤维二糖水解酶活性的影响，相关系数分别为0.38（p=0.002）、0.32（p=0.29）、0.25（p=0.035）、0.38（p=0.031）、0.54（p=0.002）、0.48（p=0.001）、0.41（p=0.014）、0.31（p=0.046）、0.32（p=0.05）和0.33（p=0.04）。6Y处理的土壤中真菌的群落结构主要受土壤含水量及脲酶和蔗糖酶活性的影响，相关系数分别为0.38（p=0.021）、0.41（p=0.014）和0.35（p=0.024）（图6-A）。＞20~40 cm 土层范围内土壤酶活性对不同处理的苹果根际土壤中真菌群落结构均具有一定的影响，其中土壤蔗糖酶活性对CK 和2Y 处理的土壤真菌群落结构的影响较为显著，相关系数分别为0.37（p=0.007）和0.30（p=0.042）。而6Y处理的土壤中真菌群落结构主要受土壤含水量、根表面积和根体积的影响，相关系数分别为0.42（p=0.018）、0.56（p=0.002）和0.0.63（p=0.001）（图6-B）。

由图6-C 可知，在0~20 cm 土层范围内覆膜4Y和6Y 的土壤真菌群落受土壤化感物质的影响较显著，香豆酸和香豆素是影响4Y 处理土壤真菌群落的主要化感物质，相关系数分别为0.47（p=0.002）和0.49（p=0.002）。6Y 处理土壤真菌群落主要受对羟基苯甲酸、咖啡酸、香兰素和苯甲酸含量的影响较显著，相关系数分别为0.67（p=0.003）、0.35（p=0.02）、0.40（p=0.007）、0.57（p=0.001）。由图6-D 可知，在＞20~40 cm 土层范围内4Y 处理土壤真菌群落主要受香豆素含量的影响，相关系数为0.32（p=0.04）。6Y 处理土壤真菌群落主要受香兰素含量的影响，相关系数为0.38（p=0.01）。

RDA分析结果表明，在0~20 cm土层，土壤理化性状、根系生长量和化感物质含量对土壤真菌群落结构影响的解释率为84.19%，其中轴变量的解释率分别为50.77%和33.42%。由图7-A 可知，土壤脲酶（p=0.03）和β-1,4-葡萄糖苷酶（p=0.007 4）活性是影响真菌群落的主要因子，与担子菌门、子囊菌门、毛霉门、罗兹菌门和球囊菌门均呈显著负相关关系。与被孢霉门呈显著正相关关系。在＞20~40 cm 土层，土壤理化性状、根系生长量和化感物质含量对土壤真菌群落结构影响的解释率为92.53%，其中轴变量解释率分别为72.65%和19.88%。由图7-B 可知，土壤香兰素（p=0.042）和咖啡酸（p=0.034）含量是影响土壤真菌群落的主要因子，与担子菌门呈显著正相关关系，与子囊菌门和被孢霉门呈显著负相关关系。

3 讨 论

3.1 不同覆膜年限对苹果根际土壤理化性状和根系生长的影响

研究表明覆盖措施能够改变土壤的生化特性，对土壤养分循环和能量转化均具有一定的影响[18]。Xiang 等[19]研究发现果园覆草能够显著提高土壤中转化酶、脲酶、磷酸酶和纤维素酶活性。Li等[20]研究发现地膜覆盖能够提高土壤有机碳、微生物量氮和硝态氮的含量，但促进了土壤的反硝化作用，引起土壤氮素流失。前人研究表明过氧化氢酶能促进土壤中微生物的代谢，并促进了土壤中有机质分解[21]。土壤中蔗糖酶的活性与土壤微生物的数量、土壤呼吸强度呈正相关关系，促进了土壤中蔗糖的分解，增加土壤中易溶解性有机物质的含量，与土壤的肥力呈正相关关系[22]。而土壤碱性磷酸酶主要来源于土壤微生物，该酶可将土壤中的有机磷水解成植物可利用的磷酸盐，促进了植物对磷的吸收[23]。在本研究中，随着覆膜年限的延长，土壤通气度显著降低。覆膜2年（2Y）和4年（4Y）的苹果根际土壤含水量较高。覆膜能够有效改善土壤物理性状，在果树生长初期有利于根系的伸展和膜内的水分下渗，阻止了田间积水流失和蒸发所造成的损失，从而提高土壤含水量[24]。2Y 处理的苹果根际土壤中过氧化氢酶、蔗糖酶和碱性磷酸酶活性显著增高，而土壤过氧化氢酶和蔗糖酶和碱性磷酸酶活性均与微生物的活性呈正相关[21-23]。因此覆膜2 a 能有效激发苹果根际土壤微生物的代谢活性，从而促进土壤的养分转化和循环。覆膜4 a 的苹果根际土壤中β-1,4-木糖苷酶、β-1,4-葡萄糖苷酶和纤维二糖水解酶活性显著增高，这3 种酶均与土壤中纤维素的水解有关，是参与土壤碳循环的主要酶。而3 种酶活性的增高能够显著增加土壤中有机碳含量，并提高土壤中有机质的转化效率，从而促进了土壤的碳循环[25]。此外4Y 处理的土壤中有机碳、微生物量碳和全氮的含量均显著高于其他处理，但随着覆膜年限的延长，土壤脲酶活性显著降低，而脲酶活性与土壤的氮素循环有关，说明连续覆膜在一定程度上影响了土壤中氮素的转化，因此地膜覆盖过程中应适量的补充氮素，防止土壤氮素的亏缺[13]。此外，4Y 处理的苹果根系生物量、根表面积和根体积均高于其他处理，在0~20 cm 的土层中对根系生长的影响尤为显著。较CK 处理，4Y 处理的苹果根系生物量、根表面积和根体积分别增加了489.84%、533.87%和542.39%。这可能与土壤中养分的含量有关[26]。

3.2 不同覆膜年限对苹果根际土壤化感物质的影响

果树生长发育过程中会向土壤中分泌大量的代谢产物，植物根系分泌物经过长期累积会导致植物产生明显的自毒效应[27]。根系分泌物及其分解产物不仅能够影响果树的生长和生理特性，而且根系分泌物及其分解产物的过度累积则会改变土壤微生物群落的碳源，导致土壤微生物群落发生变化[27]。研究表明根系分泌的酚酸类物质过度积累导致土壤环境发生变化，有利于真菌的生存，而病原类真菌的耐受性较强，更容易生存，因此酚酸类物质过度积累会导致果树病害的发生[28]。笔者在本研究中测定分析了可能导致苹果果树自毒作用的主要化感物质，对比分析了不同覆膜年限对苹果果树根际土壤中化感物质含量的影响，结果表明随着覆膜年限的延长，不同土层的土壤中苯甲酸和根皮苷含量均显著下降，而其他的化感物质则均未呈现出明显的变化趋势。总体上较其他处理，地膜覆盖6 a 的土壤中主要化感物质（咖啡酸、香兰素、苯甲酸、香豆素、根皮苷、肉桂酸和根皮素）的相对含量下降较为显著，其中根皮苷、根皮素和苯甲酸等是抑制苹果树生长的主要化感物质[29]，此外6Y 处理的苹果根系生物量、根表面积和根体积均显著降低。可见随着覆膜年限的延长，地膜覆盖措施在一定程度上抑制了苹果根系的生长，并降低了苹果树根际土壤中化感物质的积累。土壤中的自毒物质主要由植物及其分解产物构成，主要来源于植物根系，表明根系的减少和自毒物质的积累呈显著的正相关。

3.3 覆膜年限对苹果根际土壤真菌群落的影响

土壤真菌所分泌的水解酶和氧化酶参与了土壤中有机质分解过程，真菌作为土壤中有机残体的主要分解者，在土壤的碳循环过程中具有重要作用，土壤真菌群落特征是评价土壤肥力特征变化的主要指标[30-31]。在本研究中，随着覆膜年限的延长，土壤真菌的多样性和丰富度总体上呈增加的趋势，不同覆膜年限的土壤中优势真菌门主要为子囊菌门、担子菌门和被孢霉门等，其中被孢霉门的相对丰度随着覆膜年限的延长显著增加。研究表明被孢霉门的真菌具有较强的抗逆性，是土壤中纤维素、半纤维素和几丁质的主要分解菌，在土壤腐殖质的形成中发挥着重要的作用[31]。Kruczyńska 等[32]研究发现被孢霉门真菌对耕作措施具有较高的敏感性。在本研究中被孢霉门的相对丰度显著增加，表明被孢霉门对地膜覆盖措施具有较强的适应能力，其中在覆膜4 a的苹果根际土壤中被孢霉门的丰度显著增高，表明4Y处理能够促进苹果根际土壤中纤维类物质的降解、有机质的转化和腐殖质的形成，这与酶和养分的变化一致。此外，笔者在本研究中发现，不同覆膜年限处理的土壤中优势真菌属主要为被孢霉属、Solicoc‐cozyma 属、Petriella 属和镰刀菌属。其中镰刀菌属是植物的潜在致病菌，能够引起多种植物病害，而在本研究中，土壤中镰刀菌属相对丰度随着覆膜年限的延长而增加，因此在地膜覆盖过程中应配合相应的防治措施，预防土壤镰刀菌属所引起的果树病害发生。此外，研究结果表明随着地膜覆盖年限的延长，土壤中真菌群落之间的正相关系数降低，表明地膜覆盖措施在一定程度上导致土壤真菌群落的复杂度下降，从而使得真菌群落对外界环境因子的抗逆性下降[33]。

3.4 不同覆膜年限苹果根际土壤理化因素、根系生长量和化感物质与真菌群落的相关性分析

土壤覆膜措施对土壤表层及亚表层的土壤环境均具有一定的影响，从而改变了土壤中微生物的群落特征，研究表明地膜覆盖会改变土壤中养分含量和生态酶计量比，改变土壤微生物养分供需，从而导致微生物群落结构发生变化[34]。如土壤酶活性会影响土壤中养分的分解和循环，进而对植物的生长产生影响[35-36]。反之植物生长过程中产生的根系分泌物改变了根际周围的土壤环境，植物的代谢产物过度积累会导致土壤中微生物的群落特征发生变化，从而影响了微生物的生理代谢，导致土壤酶活性改变[37-38]。白羽祥等[39]研究发现土壤理化性质的改变均对土壤中酚酸类物质的含量产生一定的影响。而在本研究中，土壤通气性与化感物质的含量均呈显著的正相关，研究表明土壤通气性与植物根系活力相关，根系活力的增强可能导致土壤中代谢物质的累积，其影响机制有待进一步研究[40]。此外土壤过氧化氢酶和蔗糖酶活性均与主要的土壤化感物质呈显著负相关，其中过氧化氢酶活性与土壤的氧化还原作用相关，其酶活性的增高能够缓解自毒物质的积累。这与以上研究结果一致。Zhalnina 等[41]研究发现植物根系分泌物会改变根际土壤微生物的群落结构和土壤的酶活性。在本研究中，苹果根系生物量、根表面积和根体积的增加促进了土壤中化感物质的累积，在＞20~40 cm 的范围内，这种影响效应尤为显著（p＜0.01）。因此6Y处理的土壤中化感物的含量总体上呈现降低的趋势，这可能与长期覆膜后苹果根系的生长量大幅下降有关[42]。此外覆膜年限过长，土壤通气性降低，对微生物群落会产生不利的影响，导致有机质的分解速度及养分的有效性降低[43]。通过土壤理化性状、根系生长量和土壤化感物质与土壤真菌群落之间的相关性分析，发现土壤脲酶和β-1,4-葡萄糖苷酶是影响苹果根际土壤真菌群落的主要酶，在本研究中，脲酶活性随着覆膜年限的延长而降低，而β-1,4-葡萄糖苷酶活性显著增高，说明土壤覆膜不利于土壤中与氮素循环相关的真菌群落增加，而有益于与碳循环相关的真菌群落增加[44]。而土壤香兰素是影响苹果根际土壤真菌群落的主要化感物质，香兰素为酚类物质，在本研究中，随着覆膜年限的延长土壤中香兰素含量呈显著下降趋势，有利于子囊菌门和被孢霉门的真菌，而子囊菌门和被孢霉门的真菌与土壤中有机物质分解相关，说明土壤覆膜通过减少自毒物质积累，从而促进土壤中有机物质的转化[45]。

4 结 论

果园覆膜处理在一定程度上提高了苹果根际土壤中养分含量和土壤酶活性，且对苹果的根系生长具有一定的促进作用，并提高了苹果根际土壤真菌群落的多样性，综合对比不同覆膜年限，结果表明覆膜4 a 的苹果根际土壤保水性、土壤养分、土壤酶活性和苹果根系的生长量均达到最高水平，若覆膜年限过长则会导致苹果根际土壤中通气性、养分含量、酶活性和苹果根系的生长量呈现下降趋势，且土壤真菌群落的稳定性随着覆膜年限的延长而降低。因此覆膜年限不宜过长，并且覆膜过程中需补充氮素营养，注意防治有害微生物的滋生。

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Effects of film mulching on allelopathic material accumulation and fungal community characteristics in rhizosphere soil of apple in Longdong dryland

SUN Wentai,YANG Yang,MA Ming,DONG Tie,YIN Xiaoning,NIU Junqiang
(Institute of Forestry,Fruits and Floriculture,Gansu Academy of Agricultural Sciences,Lanzhou 730070,Gansu,China)

Abstract: 【Objective】Long-term film mulching in the Longdong dry plateau area exacerbated the degradation of rhizosphere soil, resulting in a decrease in the content of organic matters in the soil.The community structure and activity of soil microorganisms were closely related to the changes of rhizosphere soil microecological environment, root exudates and soil nutrients.Exploring the effects of different mulching years on the enzyme activity,root exudates and fungal community characteristics of the rhizoosphere soil of apple trees is helpful to lay a theoretical foundation for the improvement and rational implementation of water-saving and water-preserving technology in apple orchards in the dry land of Northwest Loess Plateau.【Methods】This study used 18-year old Nagano Fuji No.2 apple trees as the experimental object.High performance liquid chromatography (HPLC) and Illumina high-flux sequencing technology were used to investigate the effects of clean tillage (Control, CK), film mulching for 2 years (2Y), film mulching for 4 years (4Y) and film mulching for 6 years (6Y) on the root-sphere surface soil(0-20 cm)and subsurface soil(＞20-40)in apple orchard.Meanwhile,soil physical properties, carbon and nitrogen accumulation, enzyme activities related to carbon and nitrogen metabolism,root biomass and growth distribution characteristics of different soil layers were monitored.【Results】The results showed that the urease activity of apple rhizosphere soil decreased with the increase of mulching years, while the enzyme activity of soil sucrase existed the opposite trend.Short-term mulching (2Y and 4Y) treatments effectively improved the activities of soil catalase, sucrase, alkaline phosphatase, β-1, 4-xylosidase, β-1, 4-glucosidase and cellobiohydrolase.Compared with CK, the enzyme activities increased by 19.67%, 18.46%, 29.39% and 84.4%, 89.01% and 83.45%, respectively, which contributed to the increase of soil organic carbon, microbial biomass carbon and total nitrogen, which were significantly increased by 15.00%,8.29%,50.16%and 31.44%,respectively by 4Y treatment relative to CK.Favorable rhizosphere environment was conducive to the growth and development of apple roots.The growth of apple roots under 4Y treatment was better than under the other mulch treatments,and the root biomass, root surface area and root volume in 4Y were 54.62 g, 10 921.66 cm2 and 220.56 cm3, respectively.In the surface soil, soil ventilation decreased with the increase of mulching years.Compared with CK,2Y,4Y and 6Y treatments had a soil ventilation decreased by 3.23%,24.22%and 18.51%, respectively.Therefore, the root biomass and root surface area of CK, which were 20.63 g and 4 956.95 cm2, respectively, were obviously higher than those of the mulching treatments.The contents of main allelochemicals in soil (ferulic acid, benzoic acid, phloroside and vanillin) revealed a decreasing trend with the increase of film mulching years, but p-hydroxybenzoic acid did not appear in CK and 2Y treatment, but increased with mulching years.The contents of p-hydroxybenzoic acid and cinnamic acid in apple rhizosphere soil under 6Y treatment reached the highest level,while coumaric acid reached the highest content at 4Y.Coumaric acid might be the product accumulated under the specific ecological environment of long-term mulch.The dominant fungal groups in the rhizosphere soil of apple with different mulching years were Basidiomycota (5%-19%), Mortierellomycota (5%-22%),Aphelidiomycota(22%-44%)and Aphelidiomycota(1%-7%),with the dominant fungal genera being Mor‐tierella (9%-39%),Solicoccozyma (9%-33%),Petriella (1%-16%) and Fusarium (1%-3%).The characteristics of fungal communities in different soil layers were distinctive.In the surface soil, Chao1 index and Shannon index of the fungal community increased with the increase of mulching years, while in the subsurface soil, Chao1 index of the fungal community decreased with the increase of mulching years, while the Shannon index appeared an opposite trend.With the increase of mulching years, the abundance of Fusarium in rhizosphere soil increased significantly.Compared with CK, the contents of soil water content, organic carbon, microbial biomass carbon and total nitrogen in rhizosphere soil under 4Y treatment were significantly improved by 5.65%-15.00%, 3.72%-8.29%, 50.16%-64.31% and 14.19%-31.44%,respectively.The enzyme activities of β-1,4-xylosidase,β-1,4-glucosidase and cellobiohydrolase were significantly increased by 78.71%-84.4%,89.01%-97.43%and 83.45%-87.68%,respectively,compared with CK.Relative to CK,apple root biomass,root surface area and root volume increased by 489.84%,533.87%and 542.39%,respectively.The activities of soil urease and β-1,4-glucosidase, and vanillin content in root exudates were the main environmental factors affecting soil fungal community in rhizosphere ecological environment.【Conclusion】In conclusion, mulching measures can improve the enzyme activity and microbial metabolic activity of apple rhizosphere soil to a certain extent, and promote the carbon cycling process in the soil.The increase of mulching years reduces the accumulation of allelochemicals in the soil, but too long mulching may have adverse effects on the soil fungal community structure and promote the accumulation of Fusarium,which is harmful to the healthy development of rhizosphere soil and roots.Therefore,4 years of film mulching is the appropriate continuous mulching years for apple orchards in the northwest dry land.

Key words: Apple orchard; Film-mulching period; Soil enzyme activity;Allelochemicals; Fungal community

中图分类号：S661.1

文献标志码：A

文章编号：1009-9980(2024)07-1342-17

DOI: 10.13925/j.cnki.gsxb.20240155

收稿日期：2024-04-07

接受日期：2024-04-22

基金项目：西部青年学者项目（23JR6KA033）；国家重点研发计划项目（2022YFD1602106）；甘肃省科技特派团专项（23CXNA0038）；国家现代农业产业技术体系（GARS-27）

作者简介：孙文泰，女，副研究员，主要从事果树栽培与生态研究。E-mail：swt830312@126.com