西瓜[Citrullus lanatus（Thunb.）Matsum. et Nakai] 属葫芦科西瓜属 1 年生藤本植物，是世界上重要的园艺作物之一，在我国具有较大的设施栽培面积。设施西瓜栽培保障了城乡居民瓜果供应，同时增加了农民的收入。但设施农业栽培改变了土壤环境，土壤经常处于高温、高湿、高蒸发、无雨水淋溶的环境中^[1]，使得设施种植土壤的养分转化循环规律不同于大田，如土壤界面挥发的氨因塑料膜不能直接排向大气，硝态氮因缺少向下运移的水分而积聚在表层形成盐斑等^[2]。加上设施农业栽培复种指数高、持续施肥且施肥量大等特点，如果多年连作，会造成土壤酸化、盐渍化、养分过量积累^[3]，土壤理化性状发生改变。土壤生物学性状也会因设施作物长期连作而受到影响，使土壤微生物量和土壤酶活性降低^[4]，土壤微生物群落结构改变^[5] 等。因此，长期连作严重影响设施农业生产的可持续发展。

土壤作为植物生长的重要物质基础，其质量好坏与微生物群落结构、土壤酶活性、土壤理化性质等密切相关^[4，6-8]。高通量测序技术在微生物群落结构分析中有较高准确度和全面性^[9]，被越来越多的研究者使用。目前，对于西瓜连作土壤微生态环境变化已有一些研究。聂园军等^[10] 发现，西瓜连续种植 3 年产量会显著降低，细菌的群落多样性下降，真菌的群落多样性上升；薛亮等^[11] 发现，砂田西瓜连作 5～10 年后土壤微生物量碳、氮下降，有机质和速效养分含量降低；冯翠娥等^[12]发现，连作会使硒砂瓜土壤中真菌群落多样性和丰富度指数呈先上升后下降趋势，土壤真菌群落结构的改变是连作障碍的主要原因；王春燕等^[13]发现，连作会使压砂西瓜土壤 pH、土壤养分的含量以及土壤酶的活性降低，增加土壤容重，土壤细菌群落多样性和丰富度显著降低，显著增加土壤中真菌的多样性以及丰富度，微生物优势物种组成改变；张冬明等^[14]发现，连作会使西瓜土壤 pH 逐渐降低，使土壤中细菌和放线菌的数量呈先增加后降低趋势，而真菌数量变化与之相反，土壤酶活性降低，放线菌数量与土壤中蛋白酶的活性、过氧化氢酶的活性及碱解氮的含量正相关，连作会影响西瓜品质。

河南省中牟县西瓜是中牟农村传统特色农业产业之一，是全国农产品地理标志产品，当地西瓜以设施栽培为主，常年大面积连片种植，造成土壤连作障碍日益加重，但有关设施西瓜连作问题目前鲜有研究，为此，本研究立足河南省中牟县，以设施西瓜连作 10 年土壤为研究对象，利用高通量测序技术揭示土壤微生物群落结构变化，测定土壤理化指标和酶活性，剖析设施连作西瓜土壤微生态环境变化，为设施西瓜连作障碍成因分析及解决生产实际问题提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验取材于河南省中牟县韩寺镇大洪村种植西瓜 10 年的温室大棚及棚外相同土质的露天西瓜土壤，该地土壤为轻壤潮土，栽培模式为西瓜-大蒜。试验材料取自同一种植户，设施西瓜和露地西瓜整地、施基肥、定植、灌水（畦灌）、整枝压蔓等方法基本相同，在幼苗期及开花坐果前控制水分，当幼瓜长至鸡蛋大小时，视植株长势间隔 10 d 左右灌水追施膨瓜肥，采收前 7～10 d 不再浇水和施肥。施基肥用量为：复合肥（N∶P₂O₅∶K₂O=17∶17∶17）600 kg/hm²，熟鸡粪 45 m3 /hm²。追肥用量为：大量元素水溶肥 （N∶P₂O₅∶K₂O=15∶5∶35）225 kg/hm²。

1.2 土样采集

土样采集时间为 2021 年 5 月，采用“S”形布点法用土钻进行取样，取样深度为 0～20 cm，设 3 个重复，每个重复由 5 个样品混合而成。所采土壤样品分为 2 个处理组：连作组（连作 10 年设施西瓜土壤）和对照组（连作 10 年设施西瓜棚外相同土质的露天西瓜土壤），所获取的土壤用低温冰盒快速带回实验室并分成 3 份，1 份 4℃冰箱保存，用于微生物生物量碳、氮含量测定；1 份-80℃冰箱保存，用于土壤微生物分析；1 份土样在室内风干，测定土壤理化性质和酶活性。

1.3 土壤理化性质和土壤酶活性测定

采用鲍士旦^[15]的方法进行土壤理化性质的测定：土壤酸碱度的测定采用电极电位法，有机质含量测定使用 K₂Cr₂O₇ 容量法，硝态氮含量测定使用紫外分光光度法，铵态氮含量测定使用靛酚蓝比色法，有效磷含量测定使用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法，速效钾含量测定使用醋酸铵浸提-火焰光度法。土壤微生物量碳、氮的测定使用氯仿熏蒸-K₂SO₄ 提取法^[16]。采用关松荫^[17] 的方法测定土壤酶活性：过氧化氢酶活性测定使用高锰酸钾滴定法，碱性磷酸酶活性测定使用磷酸苯二钠比色法，脲酶活性测定使用靛酚比色法。

1.4 土壤微生物的测定

委托北京百迈客生物科技有限公司测定土壤微生物多样性，使用 Illumina Novaseq 测序平台对细菌 16S rRNA 的 V3～V4 区和真菌 ITS1 区进行双末端测序（Paired-End）。利用百迈客云平台对获得的高通量测序数据进行分析。

1.5 数据处理

采用 DPSv 7.05 进行单因素方差分析，Excel 2019 进行数据处理及绘图。

2 结果与分析

2.1 设施西瓜连作土壤理化性质和土壤酶活性变化分析

由表1 可知，设施西瓜连作土壤 pH 显著低于露天西瓜土壤，说明设施西瓜连作会降低土壤 pH。设施西瓜连作土壤和露天西瓜土壤有机质含量差异不显著，皆处于中下级别。两处理速效钾含量差异极显著，含量皆达到高等以上级别。设施西瓜连作土壤硝态氮和有效磷含量极显著高于露天西瓜，而土壤铵态氮含量极显著低于露天西瓜。两处理土壤中微生物量碳的含量皆高于微生物量氮的含量，设施西瓜连作土壤中微生物量碳的含量极显著降低，与对照组土壤相比下降 38.25%；设施西瓜连作土壤微生物量氮含量下降，较对照组下降 7.42%。设施西瓜连作土壤过氧化氢酶、碱式磷酸酶和脲酶活性皆极显著低于对照。

注：同行不同大小写字母分别表示处理间差异达 0.01 和 0.05 显著水平。下同。

2.2 设施西瓜连作土壤微生物群落结构变化分析

2.2.1 设施西瓜连作土壤微生物 α-多样性分析

土壤样品细菌和真菌 α-多样性见表2，连作组土壤细菌 ACE 指数和 ChaoI 指数均显著高于对照组，表明设施西瓜连作土壤细菌群落丰富度显著升高。连作组土壤真菌 ACE 指数、Chaol 指数、 Simpson 指数及 Shannon 指数均低于对照组，表明设施西瓜连作降低了土壤真菌物种丰富度和群落多样性。

2.2.2 设施西瓜连作土壤微生物 β-多样性分析

对连作组和对照组土壤样品进行细菌和真菌属水平主坐标分析（PCoA），由图1 可知，在细菌属水平 PC1 和 PC2 的贡献率分别为 54.93% 和 16.11%，在真菌属水平 PC1 和 PC2 的贡献率分别为 33.42% 和 21.37%，且无论是土壤细菌还是真菌，连作组的 3 个样本能够与对照组 3 个样本明显分开，说明设施西瓜连作 10 年土壤微生物群落结构发生了显著改变。

注：图 A 为细菌，图 B 为真菌。

2.2.3 设施西瓜连作土壤微生物群落结构组成变化

2.2.3.1 设施西瓜连作土壤细菌的群落结构组成变化

对设施西瓜连作 10 年土壤与露天西瓜土壤样品进行细菌门水平上物种分布柱状图分析（图2），结果显示，两处理优势群落隶属 12 门（丰度比例高于 1%）。其中细菌变形菌门占主要优势，在连作组及对照组土壤中所占比例分别为 34.06% 和 31.02%，随后是酸杆菌门（23.70% 和 30.28%）、绿弯菌门（9.85% 和 8.09%）、芽单胞菌门（7.25% 和 6.00%）、拟杆菌门（4.83% 和 5.99%）、放线菌门（3.65% 和 3.27%）、硝化螺旋菌门（3.04% 和 2.40%）、浮霉菌门（2.58% 和 1.97%）、己科河菌门（2.34% 和 2.16%）、厚壁菌门（1.73% 和 2.52%）、疣微菌门（1.74% 和 2.36%）、Latesci-bacteria（1.40% 和 1.64%），上述优势菌门相对丰度累计占到细菌总数的 96.16% 和 97.71%。显著性差异分析优势群落（图3）发现，两处理酸杆菌门、硝化螺旋菌门和疣微菌门差异极显著，连作组绿弯菌门、变形菌门、芽单胞菌门相较对照组有显著差异，其中连作组变形菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门和硝化螺旋菌门的相对丰度较对照组分别增加了 9.80%、21.76%、20.83%、27.12%，酸杆菌门、疣微菌门的相对丰度较对照组分别减少了 21.7%、 26.27%。可见，设施西瓜连作改变了土壤细菌群落的组成。

注：不同大小写字母分别表示处理间差异达 0.01 和 0.05 显著水平。表5 同。

2.2.3.2 设施西瓜连作土壤真菌群落结构组成变化

从测序结果（图4）得出，连作组与对照组土壤样品中真菌门水平分类共检测出 7 个门类，优势群落隶属于 4 门（丰度比例高于 1%），本研究中子囊菌门占主要优势，在连作组及对照组土壤中所占比例分别为 86.05% 和 77.55%。随后是担子菌门 （6.13% 和 7.08%）、被孢霉门（5.29% 和 4.51%）、罗兹菌门（0.45% 和 7.22%）。通过图5 可以看出，两处理担子菌门差异极显著，子囊菌门和罗兹菌门有显著差异，其中连作组子囊菌门的相对丰度较对照组增加了 10.96%，担子菌门和罗兹菌门的相对丰度分别较对照组减少了 13.42% 和 93.77%。由此可见，设施西瓜连作改变了土壤真菌群落的组成。

2.3 设施西瓜连作土壤优势菌群与土壤理化指标和酶活性相关性分析

设施西瓜连作土壤优势菌门丰度与土壤理化指标含量和酶活性相关分析（表3）表明：除 Latesci-bacteria 和己科河菌门与土壤环境因子无显著相关性外，其他优势菌群与土壤环境因子显著相关。酸杆菌门与 pH 和速效钾，拟杆菌门与铵态氮，浮霉菌门与有效磷，担子菌门与微生物量碳和过氧化氢酶，罗兹菌门与 pH 和速效钾皆呈极显著正相关；拟杆菌门与有效磷，绿弯菌门与铵态氮和微生物量碳，芽单胞菌门与 pH，硝化螺旋菌门与过氧化氢酶，浮霉菌门与铵态氮，变形菌门与脲酶，子囊菌门与碱式磷酸酶，被孢霉门与铵态氮皆呈极显著负相关。说明土壤优势菌群与土壤环境因子之间相互影响。

注：** 表示 P<0.01，* 表示 P<0.05。

3 讨论与结论

3.1 设施西瓜连作土壤理化指标与酶活性的变化

连作是设施生产中最常见的种植方式，土壤酸化是影响设施作物种植的障碍因子之一。土壤酸化会引起土壤物理、化学和生物学性质的改变，破坏互生、共生和相克相济的平衡关系，更有利于病菌的生长和侵染，还会降低土壤酶的活性。张冬明等^[14]、张福建等^[18]、王芳等^[19]、钱晓雍^[3]、闫童等^[20]研究皆表明，设施作物连作会降低土壤 pH，本研究发现，设施西瓜连作 10 年土壤与对照相比 pH 显著下降，这与前人研究结果一致。

周德平等^[21]发现，土壤中的有机质含量、速效氮及速效钾的含量随着设施芦笋的种植年限的延长而持续增加；赵辉等^[22]研究表明，设施蔬菜连作土壤有效磷含量高于露天蔬菜，随着设施蔬菜的种植年限延长，土壤中铵态氮和硝态氮含量逐渐增加，速效钾含量递减；郑立伟等^[8]研究表明，设施甜瓜连作种植使土壤氮、磷的含量被积累，而速效钾的含量显著降低。本研究也表明，设施西瓜连作 10 年土壤有机质含量增加，硝态氮和有效磷含量极显著增加，这可能与设施土壤长期处于相对封闭的高温、高肥且少雨的环境有关，养分的淋溶比较少，养分富集较明显。本研究设施西瓜连作土壤速效钾含量极显著降低，可能是由于该区域设施西瓜种植对钾肥的施用不够重视，而西瓜又是喜钾作物，导致速效钾含量显著降低。在本研究中，土壤铵态氮极显著降低，这可能是当地施肥习惯中较少施用铵态氮，而设施连作又使土壤 pH 降低，从而硝化作用增强^[23]，加上作物对铵态氮的吸收，最终导致土壤铵态氮含量降低。

本研究发现，与对照相比设施西瓜连作 10 年土壤微生物量碳显著降低，这与前人研究一致^[4，7，24]，说明设施西瓜连作会抑制土壤中的微生物生长，土壤微生物生物量降低，土壤污染加重。设施西瓜连作 10 年显著降低土壤过氧化氢酶、碱式磷酸酶和脲酶活性，说明设施作物连作会导致土壤中过氧化氢分解能力下降，致使有毒物质累积，作物过氧化氢毒害作用增加^[25]；导致土壤氮循环和磷循环受阻，土壤养分供应能力下降^{[8，21，25]}。

3.2 设施西瓜连作土壤微生物群落结构变化

本研究发现，设施西瓜连作 10 年土壤微生物多样性改变。其中土壤细菌物种丰富度显著增加，这与 Zhu 等^[26]、岳思君等^[27]的研究结果一致，说明连作后可能会造成土壤中某些细菌微生物物种多样化，但王春燕等^[13]、吴凤芝等^[5]发现，连作会使土壤细菌群落多样性和丰富度显著降低，这些研究结果的差异可能与土壤及作物类型、作物管理方式等因素有关。土传病害发生可能与微生物多样性减少有关^[28]，本研究发现，设施西瓜连作 10 年土壤中的真菌群落丰富度及多样性降低，这与李晶晶等^[29] 的研究结果相吻合。本研究结果表明，连作会影响土壤微生物多样性指数，使土壤中微生物群落内部菌群分布不均匀，影响土壤中益生菌与致病菌群间的平衡关系，因此，设施西瓜连作土壤具有更高的病害发病潜力。

设施西瓜连作 10 年显著改变土壤中细菌的群落结构。在门水平上丰度最高的变形菌门和酸杆菌门皆发生显著变化，其中土壤变形菌门相对丰度显著增加，而酸杆菌门相对丰度显著降低。变形菌门是盐渍化土壤中的主要优势群落^[30-31]，而盐渍化是设施栽培土壤的问题之一，这可能是变形菌门丰度显著增加的原因，变形菌门含有很多致病菌^[32]，其丰度的显著增加可能会增加致病菌。酸杆菌门在植物残体降解中扮演着重要角色^[33]，其相对丰度显著减少会影响土壤养分转化。设施西瓜连作 10 年土壤中绿弯菌门的相对丰度显著升高，而绿弯菌门为寡营养菌^[34]，说明设施西瓜连作 10 年土壤的营养状况已恶化。本研究发现，设施西瓜连作 10 年会使土壤硝化螺旋菌门相对丰度显著增加。Li 等^[35] 研究表明，长期施用氮肥会提高硝化螺旋菌等氨氧化细菌的相对丰度，而本研究发现，设施西瓜连作 10 年土壤硝态氮含量显著积累，这可能是导致硝化螺旋菌门相对丰度显著增加的原因之一。芽单胞菌门具有降解土壤污染物功能，而在本研究中，设施西瓜连作土壤芽单胞菌门相对丰度显著增加，其原因有待进一步探究。

设施西瓜连作显著影响土壤中真菌的群落结构。设施西瓜连作土壤真菌优势菌门相较露天西瓜发生改变，其中子囊菌门丰度显著增加，该结果与郑立伟等^[8]一致，而李玉娇等^[36]研究发现，设施黄瓜连作土壤子囊菌门丰度变化不显著，李晶晶等^[29]研究发现，不同连作年限设施百合子囊菌门没有显著差异，李杨等^[37]研究发现，日光温室黄瓜连作 3 年子囊菌门无明显变化，连作 5 年后子囊菌门相对丰度开始下降，说明子囊菌门丰度的变化还与作物、区域等有关。担子菌可降解木质素，在土壤质量较好的环境里数量较多，而在本研究中设施西瓜连作土壤担子菌门丰度显著降低，说明设施西瓜连作土壤质量下降。

3.3 设施西瓜连作土壤优势菌群与土壤理化指标和酶活性相关性分析

土壤理化性质、酶活性和微生物群落是保证植物根系处于良好微生态环境的重要因素^[38]。相关性分析表明，所测土壤理化性质和土壤酶活性与土壤优势菌门丰度皆呈一定相关性，且除有机质外，所测土壤因子与大多数土壤优势菌门丰度存在显著甚至极显著相关性，说明土壤环境因子可通过影响优势菌门丰度来影响土壤中微生物群落。

相关性分析发现，土壤细菌和真菌优势菌门丰度与 pH 有较强的响应，这与 Landesman 等^[39]研究结果一致，说明土壤酸碱性对土壤微生物群落的组成有主要影响；土壤细菌和真菌主要优势菌门微生物群落丰度与铵态氮、有效磷、速效钾含量有较强的响应，设施西瓜连作 10 年土壤铵态氮含量和速效钾含量显著降低，有效磷含量显著升高，说明连作及作物种植长期不合理的管理会严重影响微生物群落结构组成，改变植物生长的微生态环境，进而产生连作障碍。因此，铵态氮、有效磷和速效钾在土壤中的含量及所占比例可能是维持土壤微生物群落稳定的关键，所以在西瓜栽培种植中应当合理配施氮、磷、钾，同时应当注意铵态氮肥和硝态氮肥比例以及钾肥的施用。

通过相关性分析发现，土壤质量较好的环境里，数量较多的担子菌门的丰度与微生物量碳含量呈极显著正相关，而寡营养菌绿弯菌门丰度与微生物量碳含量呈极显著负相关，说明担子菌门和绿弯菌门丰度对土壤微生物量、土壤质量有一定的指示作用。

土壤酶活性与土壤中细菌和真菌优势菌呈现一定相关性，土壤过氧化氢酶活性与硝化螺旋菌门丰度呈极显著负相关，说明硝化螺旋菌门丰度会抑制过氧化氢酶活性。过氧化氢酶活性与可降解木质素的担子菌门丰度呈正相关，且呈极显著相关，而担子菌门在土壤质量较好的环境里数量较多。除拟杆菌门丰度与碱式磷酸酶活性呈显著正相关外，大多优势菌与碱式磷酸酶呈负相关且达到显著水平，其中子囊菌门丰度与碱式磷酸酶活性呈极显著负相关，土壤脲酶活性与含有很多致病菌的变形菌门的丰度呈极显著负相关。以上结果说明，微生物群落结构的变化对酶活性有较大影响。

综上，设施西瓜连作 10 年土壤的 pH、硝态氮、铵态氮、有效磷、速效钾和微生物量碳含量与对照相比有极显著差异；设施西瓜连作 10 年土壤酶活性与对照相比皆极显著降低；设施西瓜连作 10 年显著增加了土壤中细菌的丰富度，降低了土壤真菌的多样性，改变了土壤中微生物的群落结构，使土壤微生态系统稳定性降低，打破了原有的土壤微生态平衡；设施西瓜土壤中细菌和真菌群落的改变，与土壤的理化性质和酶活性有一定相关性，西瓜连作障碍的产生是土壤理化性质、酶活性及微生物群落共同作用的结果。

参考文献