设施蔬菜是发展现代农业的重要标志之一，是我 国近年来发展较快、效益较好、对农民增收和农业增 效贡献较大的农业产业。据统计资料显示，截止到 2010年底，我国设施蔬菜种植面积约达466.7 万hm²， 为世界上设施蔬菜面积最大的国家。然而，在水肥高 投入、高产出生产模式下，设施蔬菜栽培产生一系列 环境问题，尤其是土壤质量下降，主要表现为土壤盐 渍化^[1]、硝酸盐积累^[2]和微生物区系破坏^[3]，进而导致蔬 菜产量降低、品质变劣。

土壤微生物群落及其多样性能够敏感地反映土 壤环境质量的变化，其特征可作为生物指标指示土壤 质量、评价土壤肥力^[4]。目前，研究土壤微生物多样性 的方法很多。其中Biolog 法自Garland 等^[5]将其首次 用于描述微生物的群落功能特征以来，就因其快速、 简便、无需分离培养纯微生物即可获得大量土壤微生 物群落结构和功能多样性方面的信息等特点而被广 泛应用。主要用于比较不同土壤类型^[6]、同类土壤不同 植物物种^[7]、不同管理策略下的农业土壤^{[8, 9, 10]}、不同植 被根际^[11]和污染土壤^[12]的微生物特征，但在设施菜地 土壤微生物研究中的应用报道较少。

为此，本试验以我国最大设施蔬菜基地———寿光 的日光温室土壤为研究对象，采用Biolog 检测法探讨 秸秆还田和滴灌2 种调控措施对设施黄瓜土壤微生 物群落结构特征的影响，旨在综合评价不同调控措施 对土壤微生物的影响，以及与黄瓜产量和品质的关 系；通过合理的灌溉和施肥，创造良好的设施土壤生 态环境，为实现设施土壤的可持续利用和蔬菜的高产 优质提供科学依据。 1 材料与方法 1.1 试验设计

试验设在山东省寿光市稻田镇河沟村（N 36°50′ 28.3″，E 118°56′7.8″）的一个日光温室，土壤类型为褐 土。基础土样（0~20 cm）的pH 值为7.63，盐分为 0.187%，有机质18.95 g·kg^-1，全氮1.259 g·kg^-1，速效 磷和速效钾含量分别为210.40、498.72 mg·kg^-1。试验 于2011年2月22日移栽，2011年7月12日拉秧；以 “世纪星”黄瓜品种为种植作物，一年两茬，行距60 cm， 株距25 cm。

试验设4个处理，分别为（1）空白（CK），不施任何 肥料；（2）习惯施肥（CF），施肥量、时间及方式完全按 照农民习惯生产方式进行，基施有机肥（有机质50%， N-P₂O₅-K₂O为2.9%-2.62%-0.42%）308.6 kg·667 m^-2， 追肥（商品冲施肥）12 次，化肥N、P₂O₅、K₂O 分别投入 52.7、59.7 kg·667 m^-2 和52.9 kg·667 m^-2，灌溉（沟灌） 19 次，灌溉量为826 m³·667 m^-2；（3）秸秆还田（RS）， 在处理（2）基础上施用腐熟小麦秸秆调节土壤C/N比， 用量为500 kg·667 m^-2（烘干重）；（4）膜下滴灌（DI），施 肥量、时间及次数等同于处理（2），施肥及灌溉方式通 过滴灌完成，整个生长季灌溉量为382.7 m³·667 m^-2。 所有处理的其他田间管理措施均一致，每处理均3 次 重复，随机区组设计，试验小区面积21.6 m²。 1.2 样品采集和测定

本试验于2011年7月12日黄瓜拉秧前采集土壤 样品，每小区采集5 点0~20 cm 耕层土壤，除去石砾 和植物残体等杂物，混合制样，过2 mm 筛后，拣去可 见有机物，放入4 益冰箱内保存，并尽快进行Biolog 分析。

Biolog 测定基于文献^[5]的方法并稍有变动，具体 操作步骤如下：（1）将称取相当于25 g烘干土的新鲜 土样加入内有250 mL 无菌水的三角瓶中，加无菌棉 花塞；（2）往复式震荡机上200 r·min^-1下振荡20 min； （3）静置片刻后，按逐步稀释法，依次稀释为10^-2、10^-3 梯度液，用8 道加样枪吸取150 μL 10^-3稀释液接种 微平板；（4）在（25±1）℃下培养168 h，每12 h用Biolog 读数仪（Biolog,Hayward,USA）在590 nm 下读数。

黄瓜分次采收，累积计产；并于盛瓜期（5 月4 日） 取样分析果实品质，紫外分光光度法测硝酸盐含量， 2,6-二氯靛酚滴定法测维生素C（Vc）含量，斐林比色 法测可溶性糖含量。 1.3 数据处理和分析

微生物对碳源的利用采用微平板每孔颜色平均 变化率（Average well color development,AWCD）描述， 物种丰富度指数（Shannon index,H）、均匀度指数（Substrate evenness,E）、优势度指数（Simpson's dominance, Ds）、碳源利用丰富度指数（Substrate richness,S）表示 土壤微生物碳源利用的多样性，公式参考文献^[9]中的 方法。

试验数据为3 次重复的平均值；采用SAS 软件 Duncan's 新复极差法进行多重比较及差异显著性分 析。 2 结果与分析 2.1 不同调控措施土壤微生物群落多样性的变化 2.1.1 平均颜色变化率的差异

微生物培养开始后，每隔12 h测定AWCD值，得到AWCD随时间的动态变化图（图 1）。结果显示，不 同处理土壤微生物群落反应速度有所不同，说明群落 能利用单一碳源的微生物数量和种类不同。接种培养 后，土壤微生物经过24 h的滞后期，逐渐适应Biolog 微平板基质环境，随后进入对数增长期直至72 h，然 后生长减缓逐渐稳定。

图 1 土壤微生物群落AWCD随培养时间的变化 Figure 1 AWCD changeswithincubationtimeofdifferenttreatments

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培养期间，不施肥处理AWCD最低，微生物培养 72 h各处理AWCD在0.494~0.881之间；与CF 处理 相比，RS 处理AWCD显著增加，是CF 的1.3 倍；DI 处理AWCD略低，但差异不显著。表明施肥有利于提 高微生物的代谢活性，习惯施肥模式基础上添加秸秆 调节土壤C/N 比，土壤微生物利用碳源的能力及代谢 活性进一步提高。 2.1.2 土壤微生物多样性指数的差异

物种丰富度指数、均匀度指数、优势度指数和碳 源利用丰富度指数是表征群落多样性的常用指数。根 据对吸光度变化曲线的分析发现72 h前后的吸光度 数据能够很大程度上反映不同微生物群落的代谢特 性差异，因此采用反应72 h的数据用于微生物代谢 特性的分析。

如表 1所示，除CK 外，CF处理物种丰富度指数、 均匀度指数、优势度指数和碳源利用丰富度指数最 低，表明农民习惯施肥模式下过量的肥料投入造成微 生物功能降低，需要进行土壤培育。与CF处理相比， RS 和DI 处理土壤微生物群落物种丰富度指数和碳 源利用丰富度指数显著增加，表明秸秆还田和滴灌措 施的应用有利于提高土壤微生物多样性。

表 1 土壤微生物群落多样性指数 Table 1 Diversity indices for soil microbial communities

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主成分分析是处理数学降维的一种方法，将多个 变量通过线性变换以选出较少个数重要变量。主成分 个数的提取原则是相对应特征值大于1 的前m个主 成分。根据此原则，共提取出了8 个主成分，累计贡献 率达93.06%。其中第1主成分（PC1）贡献率是33.9%， 权重最大；第2 主成分（PC2）贡献率是14.22%；第3~ 8 主成分贡献率分别是12.01%、9.36%、7.72%、 6.93%、5.34%和3.56%，因第3~8主成分贡献率较小， 所以本文只解释第1 主成分和第2 主成分（图 2）。不 同处理在PC 轴上出现了明显的分布差异。RS 处理 分布在PC1 轴的正方向上，平均得分系数为5.21； 其他处理全部分布在PC1 轴的负方向上，得分系数 在-3.26~-0.18之间。在PC2轴上，CK分布在负方向 上，RS处理在正负方向上都有分布。

图 2 不同处理土壤微生物碳源利用主成分分析 Figure 2 Principal components analysis for carbon utilization of soil microbial communities in different treatments

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对微生物碳源利用的主成分进行方差分析（表 2） 可知，不同处理在PC1 和PC2 上的得分系数出现显著差异（P<0.05）。RS 处理在PC1 轴上的得分显著高 于其他处理，由于第2主成分的贡献率（14.22%）远远 小于第1 主成分（33.9%），因此第1 主成分解释了大 部分的变异，对综合得分的影响也主要取决于第1 主 成分。各处理综合得分也以RS 最高，其次是DI 处 理，且差异显著。

表 2 不同处理主成分得分系数 Table 2 The scores of principal components for different treatments

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对黄瓜产量进行分析表明（表 3），不施肥处理黄 瓜产量最低，为3 325.32 kg·667 m^-2；施肥能显著提高 黄瓜产量，是不施肥处理的2.8 倍左右。与CF处理相 比，RS 处理下黄瓜产量略增产0.69%，DI 处理减产 0.84%，但差异均未达显著水平。对黄瓜盛瓜期品质 进行分析表明，施肥可显著提高果实可溶性糖含量和 Vc含量，但CF、RS、DI 三处理之间差异不显著。

表 3 不同处理的黄瓜产量与品质 Table 3 The yield and fruit nutrient quality in different treatments

表选项

土壤微生物群落多样性指数与黄瓜产量、品质的 相关性分析结果（表 4）表明，优势度指数和碳源利用 丰富度指数与产量、可溶性糖、Vc 呈正相关，均匀度 指数与黄瓜产量品质呈负相关。其中碳源利用丰富度 指数与黄瓜果实Vc 含量相关性最高，为0.692，达到 极显著水平。

表 4 土壤微生物多样性指数与黄瓜产量、品质相关分析结果 Table 4 The correlation between soil microbial diversity index with cucumber yield and fruit quality

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Biolog 方法是基于微生物群落对碳源的利用度 来描述微生物功能的动态变化。本文利用Biolog方法 研究不同调控措施对日光温室土壤微生物群落结构 及功能多样性的影响，结果表明，反映土壤微生物代谢活性大小的AWCD值随培养时间的延长而升高， 符合一般微生物利用基质的规律，即存在明显的适应 期、对数增长期、稳定期等阶段^[9]。AWCD值越高，土 壤中微生物群落代谢活性也就越高^[13]。本研究表明， 施肥能够提高土壤微生物的代谢活性；通过秸秆还田 调节土壤C/N 措施，土壤微生物的代谢活性显著提 高。土壤微生物活性是反映土壤生态系统功能的重要 指标，土壤微生物活性高，土壤生态系统稳定性和缓 冲容量大，功能增强，因而土壤对外来胁迫所引起的 生态系统波动的恢复能力就会提高^[14]。

从表征微生物群落多样性的几个常用指数来看， 除不施肥处理外，习惯施肥模式下土壤微生物多样性 指数最低，过量的肥料投入造成土壤微生物功能降 低，生态环境恶化。而秸秆还田调节C/N 措施下物种 丰富度指数、均匀度指数和碳源利用丰富度指数显著 增加，表明土壤微生物多样性显著提高，这是由于小 麦秸秆含有大量碳水化合物以及氮、磷、钾等营养元 素，具有改善土壤理化性质^[15]、补充土壤水分、激发微 生物活性等作用^[16]。土壤碳库是保持土壤微生物多样 性的关键^[17]，秸秆中含有大量易分解、易被微生物利 用的有机物质，添加这类物质有利于促进土壤微生物 增殖^[18]。滴灌措施的应用能够保持良好的土壤结构^[15]， 也能提高土壤微生物多样性。

主成分分析解释了不同处理土壤微生物碳源利 用是否存在差异^[19]。通过主成分分析表明，不同的施 肥措施下土壤微生物对碳源的利用能力不同，第1 主 成分解释了大部分的变异，秸秆还田处理分布于第1 主成分正方向，而其他处理分布在第1 主成分负方向 上，表明秸秆还田处理下土壤微生物群落代谢特征发 生改变。土壤有机物质含量和组成的变化可能是影响 不同处理土壤微生物碳源代谢特征的重要原因之一， 秸秆还田处理通过添加含有大量碳水化合物的有机 物质后，土壤中有机物质的含量和组成发生改变，尤其是氨基糖和单糖等物质的含量显著提高，土壤微生 物可利用的碳源趋于稳定^[20]。

黄瓜的产量和品质受水肥管理影响较大。本研究 结果表明，施用肥料可以显著提高黄瓜产量，改善黄 瓜品质。但与当地习惯施肥模式相比，秸秆还田和滴 灌措施的应用并没有引起黄瓜显著增产，可溶性糖含 量、Vc 含量和硝酸盐等品质指标也没有显著变化，具 体原因有待于继续研究。黄瓜产量、可溶性糖含量和 Vc 含量与土壤微生物群落优势度指数和碳源利用丰 富度指数呈正相关，表明合理的水肥配合能促进土壤 微生物的生长繁殖，增加土壤微生物群落多样性，进 而促进高产、优质的黄瓜生产。 4 结论

不同处理平均颜色变化率呈现出以下变化规律: 秸秆还田>农民习惯施肥>膜下滴灌>不施肥；显著性 分析表明，施肥能够提高土壤微生物的代谢活性；通 过秸秆还田调节土壤C/N 措施使土壤微生物的代谢 活性显著提高。不同处理的土壤微生物物种丰富度指 数和均匀度指数均以习惯施肥模式最低；通过秸秆还 田调控土壤C/N 和滴灌措施对习惯施肥模式进行改 进，微生物多样性指数显著提高。不同处理土壤微生 物碳源代谢特征发生分异，秸秆还田处理分布于第1 主成分正方向，得分系数在4.91~5.50 之间；其他处理 分布在第1 主成分负方向，得分系数在-3.26~-0.18 之间。

与习惯施肥相比，秸秆还田和膜下滴灌处理黄瓜 产量和品质均无显著变化。微生物多样性指数中优势 度指数和碳源利用丰富度指数与黄瓜产量、果实可溶 性糖和Vc含量成正相关。

通过秸秆还田和膜下滴灌2 种措施均有助于改 善土壤微生态环境，尤以前者效果最佳。