于 寒，吳春勝，王振民，陳喜鳳，谷 巖

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

連作對(duì)大豆根際可培養(yǎng)微生物及土壤理化性狀的影響

于 寒，吳春勝，王振民，陳喜鳳，谷 巖

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130118)

【目的】探討大豆重迎茬對(duì)根際可培養(yǎng)微生物及土壤理化性狀的影響.【方法】以正茬和重迎茬大豆根際土壤為研究對(duì)象，在不同生育時(shí)期取根際土進(jìn)行土壤微生物區(qū)系、微生物生理類群和土壤理化性狀等指標(biāo)的測(cè)定.【結(jié)果和結(jié)論】大豆重迎茬對(duì)土壤可培養(yǎng)微生物及微生物生理類群有較大影響.重迎茬使大豆全生育期細(xì)菌、放線菌、氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、好氣性自生固氮菌和纖維素分解菌總量減少，真菌數(shù)量顯著增加.各處理土壤平均堿解氮和速效鉀含量順序?yàn)椋赫?迎茬>重茬1年>重茬2年>重茬3年；而土壤速效磷含量為正茬>迎茬>重茬1年>重茬3年>重茬2年.輪作正茬大豆土壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑(MMD)和幾何平均直徑(GMD)均高于迎茬和重茬各處理，其中以GMD差異更顯著.

大豆； 連作； 土壤微生物； 土壤理化性狀

大豆是我國(guó)乃至世界的主要作物之一，連作導(dǎo)致大豆產(chǎn)量降低甚至絕產(chǎn)[1-3].因此，探討連作導(dǎo)致大豆減產(chǎn)的因素，對(duì)于解決大豆的連作障礙有重要意義.關(guān)于大豆連作障礙的研究以大豆和土壤之間的微生態(tài)學(xué)研究較為熱門.許多專家和學(xué)者分別從土壤養(yǎng)分[4]、土壤酶活性[5]、土壤微生物區(qū)系[6-11]、根部病蟲害[12]、作物根系分泌及殘根腐解的有害化感物質(zhì)累積[13]、土壤微生物群落功能多樣性[14]等方面對(duì)大豆根際土壤微環(huán)境做了詳盡的研究，均說明大豆連作障礙是大豆和土壤微生態(tài)系統(tǒng)中多種因子綜合作用的結(jié)果[15].大豆連作使根區(qū)土壤微生物群落功能多樣性發(fā)生改變、細(xì)菌和有益真菌數(shù)量減少、有害真菌數(shù)量(如鐮刀菌和青霉菌)和病蟲害增加等.谷巖等[16]在前期試驗(yàn)中利用磷酸脂肪酸圖譜PLFA方法也表明，大豆連作后土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及土壤酶活性均發(fā)生改變.但目前對(duì)于連作大豆根區(qū)土壤微生物生理類群及土壤理化性質(zhì)的綜合影響仍然缺乏系統(tǒng)研究.

土壤微生物生理類群在土壤微生態(tài)中發(fā)揮著重要的作用，直接參與土壤中C、N等營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)和能量流動(dòng)，其數(shù)量和活性關(guān)系到土壤肥力的高低及土壤生態(tài)系統(tǒng)的維持和改善[17-18].土壤中物質(zhì)的分解、吸收和轉(zhuǎn)化都是靠土壤微生物各專一性的生理類群完成的[19]，土壤微生物生理類群群落結(jié)構(gòu)與作物種植模式、施肥制度等因素密切相關(guān)[20- 21].本文研究了連作大豆不同生育時(shí)期土壤微生物、微生物生理類群和土壤理化性狀的動(dòng)態(tài)變化，試圖探明連作對(duì)大豆根區(qū)微生態(tài)環(huán)境的影響，評(píng)價(jià)連作大豆土壤質(zhì)量演變規(guī)律，為大豆可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)的理論依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料和試驗(yàn)設(shè)計(jì)

大豆品種為歐科豆25號(hào)，來自于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué).試驗(yàn)地點(diǎn)位于吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)作物研究中心試驗(yàn)站.土壤為典型黑土.不同處理分別為：正茬(玉米-玉米-玉米-大豆)、大豆迎茬(大豆-玉米-大豆)、重茬1年、重茬2年和重茬3年處理.每處理小區(qū)行長(zhǎng)20 m，共20行，行距0.65 m，小區(qū)面積為260 m2.2011年4月26日播種，條播，種植密度為20萬株·hm-2.施肥量：磷酸二銨400 kg·hm-2，氯化鉀50 kg·hm-2.10月3日統(tǒng)一收獲.

分別于4月26日、6月1日(苗期)、6月20日(分枝期)、7月10日(開花期)、7月30日(結(jié)莢盛期)、8月20日(鼓粒期)、9月10日(初熟期)、9月30日(完熟期)取土樣.按照五點(diǎn)法選取長(zhǎng)勢(shì)均勻一致的植株，輕輕抖動(dòng)根系，從根系上脫落的土壤顆粒為非根際土，緊密附著于根未脫落的土壤為根際土[22]，將土壤混勻后放于滅菌袋中，分別用于土壤微生物區(qū)系、微生物生理類群和土壤理化性狀的測(cè)定；成熟期對(duì)土壤進(jìn)行濕篩分離，分組測(cè)定土壤團(tuán)聚體.

1.2 測(cè)定項(xiàng)目與方法

1.2.1 土壤微生物區(qū)系和生理類群的測(cè)定 采用稀釋平板計(jì)數(shù)法，6次重復(fù).利用牛肉膏蛋白胨、馬丁氏孟加拉紅培養(yǎng)基和淀粉瓊脂(改良高氏1號(hào))培養(yǎng)基分別進(jìn)行大豆根區(qū)土壤中細(xì)菌、真菌和放線菌的分離和計(jì)數(shù)，培養(yǎng)溫度(28±2)℃，細(xì)菌在培養(yǎng)后的第24小時(shí)計(jì)數(shù)；真菌在培養(yǎng)后的第3天計(jì)數(shù)；放線菌則在第7天計(jì)數(shù).微生物數(shù)量以1 g干土中的菌落數(shù)表示，菌落數(shù)=同一個(gè)稀釋度6次重復(fù)的菌落平均數(shù)×10×稀釋倍數(shù).

微生物主要生理類群氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、好氣性固氮菌和好氣性纖維素分解菌數(shù)量分析采用稀釋平板法；氨化細(xì)菌采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基；硝化細(xì)菌采用改良斯蒂芬遜(Stephenson)培養(yǎng)基；好氣性纖維素分解菌采用赫奇遜氏(Hutchinson)培養(yǎng)基；好氣性自生固氮菌采用改良阿須貝氏(Ashby)無氮瓊脂培養(yǎng)基.接種后置于28 ℃恒溫箱內(nèi)培養(yǎng).以上所有指標(biāo)測(cè)定方法均參照《土壤微生物研究法》[22]和《土壤微生物生態(tài)學(xué)及其實(shí)驗(yàn)技術(shù)》[23].

1.2.2 土壤理化性狀的測(cè)定 土壤基本理化性狀測(cè)定參照魯如坤[24]的《土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法》.土壤有機(jī)質(zhì)采用K2Cr2O7-H2SO4消煮、FeSO4容量法測(cè)定；土壤堿解氮采用堿解擴(kuò)散法測(cè)定；速效磷用Olsen 法測(cè)定；速效鉀用中性NH4Ac 浸提、火焰光度法測(cè)定.

土壤團(tuán)聚體分組參照Six等[25]的方法略作修改，將土壤樣品按粒徑(R)分離成R>2.000 mm、0.250 mm

1.3 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel 2003和SPSS 13.0進(jìn)行處理，用Duncan’s法進(jìn)行多重比較.

2 結(jié)果與分析

2.1 連作對(duì)大豆根際微生物區(qū)系的影響

從圖1A可以看出：輪作正茬大豆根際細(xì)菌數(shù)量整個(gè)生育時(shí)期呈現(xiàn)“S”型曲線，在大豆生育初期(苗期至開花初期)，土壤細(xì)菌數(shù)量緩慢增長(zhǎng)且數(shù)量較低，與其他處理無顯著差異.從7 月30 日開始，細(xì)菌數(shù)量顯著增加，直至成熟期達(dá)到最高點(diǎn)；而其他4個(gè)處理大豆根際土壤細(xì)菌含量均呈現(xiàn)“升高-降低-再升高”的趨勢(shì)，在7 月30 日達(dá)到第1個(gè)高峰點(diǎn)，此后略有下降，成熟期繼續(xù)增加.在整個(gè)生育時(shí)期，各處理細(xì)菌總量順序?yàn)椋赫?迎茬>重茬3年>重茬2年>重茬1年.

圖1 連作對(duì)大豆根際土壤微生物數(shù)量的影響

大豆根際放線菌數(shù)量在生育初期處理間無顯著差異，7月30日輪作正茬和重茬3年放線菌數(shù)量達(dá)到最高點(diǎn)，顯著高于其他處理，在8月20日有所降低，但成熟期數(shù)量又顯著增加.而迎茬、重茬1年和重茬2年大豆根際放線菌數(shù)量在8月20日達(dá)到峰值，此后迅速降低.在成熟期，正茬大豆根際土壤放線菌數(shù)量比迎茬、重茬1年、重茬2年和重茬3年分別增加26.5%、30.2%、35.4%和8.24%(圖1B).

根際土壤真菌數(shù)量在全生育時(shí)期內(nèi)呈現(xiàn)“M”型曲線，高峰分別在苗期和鼓粒期，在這2個(gè)時(shí)期，土壤真菌數(shù)量以重茬3年和迎茬處理最高，顯著高于其他處理.此期重茬3年比迎茬處理土壤真菌數(shù)量增加7.5%，比其他3個(gè)處理平均數(shù)量增加36.5%.整個(gè)生育時(shí)期內(nèi)，重茬1年、重茬2年和輪作正茬3個(gè)處理大豆根際土壤真菌數(shù)量無顯著差異(圖1C).

2.2 連作對(duì)大豆根際土壤微生物主要生理類群的影響

土壤中物質(zhì)的分解、吸收和轉(zhuǎn)化均由土壤微生物各專一性的生理類群完成，其數(shù)量和活性直接關(guān)系到土壤肥力的高低.從表1可以看出，在分析的幾類有益細(xì)菌生理類群中，氨化細(xì)菌數(shù)量最多，好氣性自生固氮菌次之，好氣性纖維素分解菌含量最少.在整個(gè)大豆生長(zhǎng)過程中，好氣性纖維素分解菌數(shù)量在7月10日初花期達(dá)最大值，其他各生理菌群數(shù)量均在結(jié)莢期出現(xiàn)高峰，氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌數(shù)量處理間順序均為：正茬>迎茬>重茬1年>重茬3年>重茬2年；好氣性自生固氮菌和好氣性纖維素分解菌：正茬>迎茬>重茬1年>重茬2年>重茬3年.

表1 連作對(duì)大豆根際土壤微生物主要生理類群的影響1)Tab.1 Influences of continuous cropping soybean on the soil microbial physiological groups 103·g-1

1) 相同微生物生理類群同列數(shù)據(jù)后凡是有一個(gè)相同小寫字母者，表示處理間差異不顯著(P>0.05,Duncan’s法).

2.3 連作對(duì)大豆根際土壤養(yǎng)分的影響

大豆連作對(duì)土壤理化性狀的影響見表2.正茬和迎茬處理土壤堿解氮在6月20日大豆分枝期呈現(xiàn)低谷后逐漸升高，在7月30日結(jié)莢期達(dá)到最大值，而后下降.重茬處理只有1個(gè)高峰，出現(xiàn)時(shí)間不同.重茬3年最大值出現(xiàn)在8月20日鼓粒期，而重茬1年和2年處理土壤堿解氮在結(jié)莢期達(dá)最大.處理間堿解氮為：正茬>迎茬>重茬1年>重茬2年>重茬3年.在7月30日結(jié)莢期，正茬處理土壤堿解氮比迎茬、重茬1年、重茬2年和重茬3年處理分別增加10.7%、17.9%、31.5%和48.1%.

整個(gè)生長(zhǎng)過程中，土壤速效磷含量為：正茬、迎茬(二者無顯著差異)> 重茬1年>重茬3年>重茬2年.在7月30日鼓粒期，正茬處理土壤速效磷含量比迎茬、重茬1年、重茬2年、重茬3年處理分別增加7.06%、25.62%、76.18%和47.16%.而各處理大豆根際土壤速效鉀含量在大豆生育期內(nèi)，呈現(xiàn)“升高-降低-升高”的變化趨勢(shì)，分別在7月10日初花期和9月30日達(dá)到兩個(gè)極點(diǎn)，土壤速效鉀含量以正茬最高，重茬3年最低.

表2 連作對(duì)大豆根際土壤養(yǎng)分的影響Tab.2 Influences of continuous cropping soybean on the soil nutrients w/(mg·kg-1)

1) 相同土壤養(yǎng)分同列數(shù)據(jù)后凡是有一個(gè)相同小寫字母者，表示處理間差異不顯著(P>0.05,Duncan’s法).

2.4 連作對(duì)大豆土壤團(tuán)聚體分布和分形特征的影響

土壤經(jīng)過濕篩分組后，穩(wěn)定性高的團(tuán)聚體在水的保護(hù)下，不容易分解，而穩(wěn)定性較低的團(tuán)聚體則很容易解體為粒徑更小的團(tuán)聚體.水穩(wěn)性團(tuán)聚體對(duì)保持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性有重要的貢獻(xiàn)[26].各處理以0.053 mm2.000 mm的土壤大團(tuán)聚體最低.在0.053 mm

土壤團(tuán)聚體是具有分形特征的系統(tǒng)[26].土壤團(tuán)聚體的平均質(zhì)量直徑和幾何平均直徑是各粒徑土壤團(tuán)聚體含量的綜合反映.從圖3可以看出，土壤團(tuán)聚體的幾何平均直徑各處理間差異更大，正茬>重茬1年、迎茬(二者無顯著差異)>重茬2年>重茬3年；正茬、迎茬和重茬1年的土壤團(tuán)聚體平均質(zhì)量直徑無顯著差異，均顯著高于重茬2年和3年.

相同團(tuán)聚體粒徑范圍不同柱子上凡是有一個(gè)相同小寫字母者，表示差異不顯著(P>0.05，Duncan’s法).

圖2 連作對(duì)大豆土壤團(tuán)聚體分布的影響

Fig.2 Influences of continuous cropping soybean on the soil aggregates size

每圖中，柱子上凡是有一個(gè)相同小寫字母者，表示差異不顯著(P>0.05，Duncan’s法).

3 討論與結(jié)論

土壤微生物是土壤活的有機(jī)體.大豆重、迎茬使其全生育時(shí)期細(xì)菌和放線菌總量減少，真菌總量增加，連作年限及迎茬處理之間變化無規(guī)律.微生物生理類群在土壤微生態(tài)中發(fā)揮著重要的作用，在物質(zhì)轉(zhuǎn)化中具有特定的功能[17].氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌、好氣性自生固氮菌和纖維素分解菌都是參與土壤氮素循環(huán)的有益微生物生理群.有研究表明，連作土壤中根際微生物比較單一，多樣性較差，連作區(qū)內(nèi)細(xì)菌生理菌群數(shù)量相對(duì)較少[27].隨著連作年限的增加，各有益細(xì)菌生理類群的數(shù)量逐漸減少[28].在本試驗(yàn)中，重迎茬使4種微生物生理類群總量均減少，但處理間變化并不一致.其中，好氣性自生固氮菌和纖維素分解菌順序?yàn)椋赫?迎茬>重茬1年>重茬2年>重茬3年；而硝化細(xì)菌和氨化細(xì)菌則為輪作正茬>迎茬、重茬1年>重茬3年>重茬2年.劉亞鋒等[29]對(duì)連作黃瓜和孫艷艷等[30]對(duì)連作番茄的研究中發(fā)現(xiàn)，連作2年的土壤中自生固氮菌和纖維素分解菌數(shù)量上升，第3年有所下降.而劉素慧等[17]對(duì)連作大蒜的研究表明，短期連作(5～10年)對(duì)土壤中氨化細(xì)菌和硝化細(xì)菌等具有促進(jìn)作用，長(zhǎng)期連作(15～20年)有一定的抑制作用.因此，根際微生物主要生理類群數(shù)量變化規(guī)律并不一致，與作物種類、不同連作年限、作物根際分泌物、腐解物的種類和數(shù)量均密切相關(guān).

大豆連作障礙很大程度上是由于連作改變了土壤微生物環(huán)境，進(jìn)而改變土壤理化性狀.連作大豆秸稈腐解物和根系分泌物等在土壤中的殘留和積累，產(chǎn)生了自身的毒害作用[31]，不僅影響土壤微生物種群的變化，也對(duì)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生一定的影響.本研究各處理土壤平均堿解氮和速效鉀含量順序?yàn)椋赫?迎茬>重茬1年>重茬2年>重茬3年；而土壤速效磷含量為正茬>迎茬>重茬1年>重茬3年>重茬2年.而孫磊[32]在對(duì)大豆根際土壤養(yǎng)分的研究中表明，正茬速效氮含量顯著高于重茬處理，但連作8年和12年之間無顯著差異，甚至比連作4年有所提高；速效磷不同連作年限間變化不明顯；而速效鉀則在連作4年后含量有所提高.王樹起等[5]研究結(jié)果表明，與正茬相比，迎茬和不同連作年限土壤有效養(yǎng)分含量均降低，其中連作2年各種養(yǎng)分降低幅度最大，堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別降低了40.4%、53.6%和41.3%.隨著連作時(shí)間的延長(zhǎng)，各種有效養(yǎng)分含量又有所增加.受作物自身特性和自然生態(tài)環(huán)境的影響，不同作物或同一作物不同地點(diǎn)連作效應(yīng)的結(jié)果均不盡相同.劉建國(guó)等[33]對(duì)連作棉田的研究結(jié)果表明，隨著連作年限的增加土壤有機(jī)質(zhì)和堿解氮含量呈現(xiàn)增長(zhǎng)趨勢(shì)，有效磷含量連作10年后較穩(wěn)定，有效鉀含量顯著下降.

通過比較濕篩后土壤各級(jí)粒徑(R)團(tuán)聚體的變化發(fā)現(xiàn)，以0.053 mm

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【責(zé)任編輯周志紅】

Effectsofsoybeancontinuouscroppingonrhisphereculturablemicroorganismsandphysicochemicalpropertiesofsoil

YU Han，WU Chunsheng，WANG Zhenmin，CHEN Xifeng，GU Yan

(College of Agronomy, Jilin Agricultural University, Changchun 130118, China)

【Objective】Effects of soybean continuous cropping on soil microorganisms and physicochemical properties were studied.【Method】With the rhisphere soils of cropping and rotation soybean as test materials, the following indexes including soil microorganisms, bacterial physiological groups, physicochemical properties were investigated during the different growth stages of soybean.【Result and conclusion】The results showed that there were significant influences of continuous and alternate cropping on soil microorganisms. The number of bacteria, actinomycetes decreased, especially the reduction of ammonifying bacteria, nitrifying bacteria, aerobic nitrogen-fixing bacteria, cellulose-decomposing bacteria, but fungi amount increased. The content order of soil available nitrogen and potassium was rotation cropping>alternate cropping>1-year continuous cropping>2-year continuous cropping >3-year continuous cropping. The content order of soil available phosphorus was rotation cropping>alternate cropping>1-year continuous cropping>3-year continuous cropping >2-year continuous cropping. The mean mass diameter and geometric mean diameter of rotation soil were significantly higher than alternate and continuous cropping.

soybean； continuous cropping； soil microorganism； physicochemical property of soil

2013- 02- 26優(yōu)先出版時(shí)間2014- 01- 03

優(yōu)先出版網(wǎng)址：http:∥www.cnki.net/kcms/detail/44.1110.S.20140103.0822.006.html

于 寒(1982—)女，博士研究生，E-mail：yuhan_0910@163.com；通信作者：谷 巖(1981—)，女，副研究員，博士,E-mail:guyan810831@163.com

國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金(31000687)；吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)校內(nèi)博士啟動(dòng)基金(201206)

于 寒，吳春勝，王振民，等.連作對(duì)大豆根際可培養(yǎng)微生物及土壤理化性狀的影響[J].華南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014,35(2):28- 34.

S513

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1001- 411X(2014)02- 0028- 07