胡啟國 劉亞軍 王文靜 王 祁 王紅剛 儲鳳麗

（商丘市農(nóng)林科學(xué)院，476000，河南商丘）

甘薯是我國重要的糧食作物，因產(chǎn)量高、營養(yǎng)豐富、適應(yīng)性強等特點被廣泛接受[1-2]。近年來，由于甘薯產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展以及我國耕地面積的限制，甘薯主產(chǎn)區(qū)連作問題日益突出，嚴(yán)重影響了甘薯的產(chǎn)量和品質(zhì)[3-4]。有研究[5-7]表明作物常年重茬種植會改變土壤狀況及組成，連作障礙程度與復(fù)雜的土壤媒介緊密相關(guān)。土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，直接影響土壤結(jié)構(gòu)、肥力及養(yǎng)分轉(zhuǎn)化，是評價土壤肥力的重要指標(biāo)[8-10]。常年連作種植影響甘薯根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，使土壤環(huán)境劣化，致病真菌增多，引發(fā)根腐病[11]。有研究[12-15]表明合理的輪作與間作可以改變土壤微生物群落組成及功能多樣性，增加作物生長有益菌比例，降低致病菌比例，提高益生菌等豐度水平；還可以通過選擇與病原菌的非寄主植物輪作或間作，使病原菌失去賴以生存的寄主環(huán)境，阻止病原菌蔓延或傳播，從而減輕土壤病害[16-17]；輪作還可以提高土壤微生物真菌群落多樣性指數(shù)，改變土壤微生物真菌群落結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力[18]。

目前關(guān)于連作障礙的研究很多，主要集中在高粱、玉米、大豆和馬鈴薯等作物上[19-22]，關(guān)于甘薯連作障礙的研究報道不多，而關(guān)于甘薯輪作與間作對土壤微生物群落的影響及與環(huán)境因子相互聯(lián)系的研究更是鮮見報道。本研究利用磷脂脂肪酸（PLFA）和生態(tài)板（BIOLOG ECO）技術(shù)手段研究甘薯－小麥輪作、甘薯－玉米間作，揭示作物種間關(guān)系對土壤微生物群落影響的規(guī)律，探究甘薯不同種植制度下土壤微生物群落的變化特點，為甘薯合理種植制度的選擇提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗于河南省商丘市雙八鎮(zhèn)商丘市農(nóng)林科學(xué)院示范基地（116°38′ E，39°93′ N）進行，海拔 53m。無霜期約210d，年降水686.5～872.9mm，年日照時長約2200h，年均積溫（≥10℃）4187～5155℃，屬典型暖溫帶大陸季風(fēng)型氣候。供試土壤為黃潮土類黏土土質(zhì)，試驗地塊前茬3年均種植甘薯，冬季閑置恢復(fù)?；A(chǔ)土壤養(yǎng)分含量為速效氮 28.88mg/kg，速效磷38.42mg/kg，速效鉀152mg/kg，全氮0.42g/kg，全磷0.75g/kg，有機質(zhì)7.36g/kg，pH 8.1。

1.2 試驗設(shè)計

試驗于2018-2019年進行，采用單因素隨機區(qū)組設(shè)計，設(shè)3個處理，分別為甘薯―甘薯連作（SS）、甘薯―小麥―甘薯輪作（S-W）和甘薯―玉米間作（S-C），4次重復(fù)。小區(qū)面積124.8m2（8.0m×15.6m），甘薯行株距 80cm×26cm，小麥播種量375kg/hm2，玉米行株距 60cm×26cm。供試品種：甘薯為商薯9號，小麥為商麥167，玉米為鄭單958。甘薯生育期6月12日―10月10日，小麥生育期10月22日－次年6月8日，玉米生育期6月12日－9月25日。施復(fù)合肥（N︰P︰K=15︰15︰15）750kg/hm2和過磷酸鈣450kg/hm2，均作為基肥一次性施入，甘薯小麥輪作處理第2年種植甘薯時不施肥，栽培甘薯后立即用滴灌帶進行澆水保證其成活率，小麥和玉米播種前澆水保持良好底墑，生育前期因土地干旱澆水一次。2019年于甘薯收獲期利用“S”型取樣法采集0～20cm土樣，采集后的土壤立即使用冰盒帶回實驗室，經(jīng)2mm網(wǎng)篩除去雜物后，1份保存在-80℃冰箱用于土壤微生物 PLFA的測定，另 1份保存在-40℃冰箱用于土壤微生物生態(tài)板的測定，其余部分自然風(fēng)干，用于基礎(chǔ)理化性質(zhì)等的測定。

1.3 測試項目與方法

1.3.1 PLFA分析 稱取相當(dāng)于 4g風(fēng)干土重的新鮮土樣，按照劉亞軍[23]的提取步驟，把提取出來的樣品放在進樣口為 250℃，色譜柱為 Agilent HP-5MS，30μm×250μm×0.25μm，柱溫 170℃，H2流量40mL/min（0.4MPa）、N2（0.4MPa）的平臺上，通過氣相色譜儀利用脂肪酸圖譜微生物鑒定系統(tǒng)來分析待測樣品。分析結(jié)果中主要類別脂肪酸14︰0、15︰0、16︰0、16︰1、17︰0、17︰1、18︰0和20︰0用來表征細(xì)菌；18︰2ω6t和18︰1ω9c用來表征真菌；20︰4ω6表征原生動物；20︰1用來表征放線菌[24]。

1.3.2 BIOLOG ECO分析 稱取相當(dāng)于5g風(fēng)干土重的新鮮土樣，加入無菌生理鹽水，搖床振蕩30min后靜置10min，吸取1mL原液注入99mL無菌生理鹽水中，充分搖勻后吸 125μL樣品接種于生態(tài)板中，在 28℃條件下培養(yǎng)接種，利用讀板儀在波段590nm處每24h讀數(shù)1次，連續(xù)讀數(shù)168h。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003和SPSS 17.0軟件進行數(shù)據(jù)整理、作圖和統(tǒng)計分析，利用Canoco 5.0進行冗余分析（RDA）。

2 結(jié)果與分析

2.1 甘薯輪作與間作對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

PLFA是土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化的一個敏感指標(biāo)，是土壤甲基化后的脂肪酸產(chǎn)物，廣泛用于土壤和根系等微生物群落結(jié)構(gòu)組成分析[25]。由圖1可知，甘薯不同種植模式對土壤微生物群落組成有不同的影響。其中甘薯連作處理中用于表征真菌的18︰1ω9c含量顯著（P＜0.05）高于甘薯―小麥輪作和甘薯―玉米間作處理，用于表征放線菌的20︰1含量顯著低于甘薯―小麥輪作和甘薯―玉米間作處理。而其余用于表征細(xì)菌的各類別含量表現(xiàn)出不同的變化趨勢，其中甘薯連作處理的 14︰0含量最高，15︰0、16︰1、16︰0、18︰0、20︰0含量均低于其他2個處理，17︰1、17︰0含量高于甘薯―小麥輪作處理，低于甘薯―玉米間作處理?？梢?，甘薯不同種植制度改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致表征土壤微生物群落類別的生物量發(fā)生較大變化。

圖1 甘薯不同種植模式下土壤微生物群落主要PLFA標(biāo)記分析Fig.1 The marker analysis of main PLFA in soil microbial community under the different planting patterns of sweet potato

而從PLFA標(biāo)記的土壤微生物各類群的生物量（表1）可以看出，甘薯不同種植制度對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)有較大的差別。與甘薯連作處理相比，甘薯―小麥輪作和甘薯―玉米間作處理中的真菌含量分別顯著（P＜0.05）降低16.60%和13.03%，細(xì)菌含量分別顯著增加21.82%和38.77%，放線菌含量分別顯著增加6.98%和12.77%，革蘭氏陽性菌生物量分別顯著增加28.60%和63.44%，革蘭氏陰性菌生物量分別顯著增加 18.21%和 22.29%，甘薯―玉米間作處理中細(xì)菌和放線菌含量均最高，真菌/細(xì)菌最低、革蘭氏陽性菌/革蘭氏陽性菌最高，且達到顯著性水平。結(jié)果表明，甘薯―小麥輪作與甘薯―玉米間作均能增加有益微生物，減少有害微生物，其中甘薯―玉米間作效果優(yōu)于甘薯―小麥輪作處理。

表1 甘薯不同種植模式下土壤微生物群落的PLFA含量Table 1 PLFA content of soil microbial community under the different planting patterns of sweet potato

2.2 甘薯輪作與間作對土壤微生物群落功能的影響

2.2.1 板孔平均顏色變化率 平均顏色變化率（AWCD值）是反映土壤微生物對單一碳源利用能力的指標(biāo)，AWCD值增加越快，表明微生物的代謝活動越強[26]。從圖2中可以看出，AWCD值隨著培養(yǎng)時間的延長而不斷升高。3個處理的AWCD值在0～24h均增加，但無較大變化，24h后，3個處理的AWCD值急劇升高至平緩，而甘薯―玉米間作處理的AWCD值的增長速度明顯高于其他2個處理，說明甘薯―玉米間作處理的土壤微生物群落對碳源利用能力最強。24～144h之間甘薯―小麥輪作處理的AWCD值低于甘薯連作處理，144h后，甘薯―小麥輪作AWCD值高于甘薯連作處理，說明隨著培養(yǎng)時間的延長，甘薯―小麥輪作處理的土壤微生物群落對碳源利用能力強于甘薯連作處理。

圖2 甘薯不同種植模式下土壤微生物群落的AWCD值Fig.2 The AWCD value of soil microbial community under the different planting patterns of sweet potato

2.2.2 土壤微生物對碳源利用能力 由表2可知，甘薯不同種植模式下土壤微生物對6類主要碳源的利用能力有較大差異。甘薯―玉米間作處理土壤微生物對羧酸類化合物、多聚化合物、碳水化合物、氨基酸化合物、胺類化合物的利用能力最強，對芳香族化合物的利用能力最弱，與甘薯連作處理相比，甘薯―玉米間作對羧酸類化合物、多聚化合物、碳水化合物、氨基酸化合物、胺類化合物的利用能力分別顯著（P＜0.05）增加 17.28%、14.67%、54.17%、36.62%和20.00%；甘薯―小麥輪作處理土壤微生物對碳水化合物、氨基酸化合物、胺類化合物的利用能力分別顯著增加 38.89%、12.68%和12.73%。甘薯連作處理下土壤微生物對芳香族化合物的利用能力最強?？梢?，甘薯不同種植模式改變了土壤微生物對碳源的利用能力。

表2 甘薯不同種植模式下土壤微生物群落的碳源利用能力Table 2 The carbon source utilization capacity of soil microbial community under the different planting patterns of sweet potato

2.3 土壤微生物群落主要組成類別、碳源利用能力與土壤理化性狀間的多元分析

主成分分析結(jié)果（圖3a）表明，基于與特征向量載荷因子相聯(lián)系的排序軸1和排序軸2能夠在累積變量 85.38%上解釋了不同種植模式下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化。各處理點空間位置比較分散，說明土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對甘薯不同種植模式產(chǎn)生了不同響應(yīng)。從圖 3a中可以看出細(xì)菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌與土壤有機質(zhì)、速效鉀、pH、速效氮、全氮呈正相關(guān)關(guān)系；真菌與pH呈正相關(guān)關(guān)系；放線菌與全磷呈正相關(guān)關(guān)系；土壤速效鉀（28.3%）、全氮（38.2%）為主要驅(qū)動因子，說明速效鉀、全氮的攝入有利于細(xì)菌、革蘭氏陽性菌、革蘭氏陰性菌生物量的增加，抑制真菌、放線菌生物量的增加，土壤全氮假設(shè)性測驗結(jié)果表明（pseudo-F=10.3，P=0.008），土壤全氮對土壤微生物群落的影響是極顯著的（P＜0.01）。

土壤微生物碳源利用能力與環(huán)境因子的相關(guān)關(guān)系結(jié)果（圖3b）表明，排序軸1和排序軸2能夠在累積變量 71.39%上解釋了不同種植模式下土壤微生物對碳源利用能力的變化。其中土壤微生物群落對羧酸化合物、胺類化合物、氨基酸的利用能力與土壤全氮、堿解氮、有機質(zhì)、pH、速效鉀呈正相關(guān)關(guān)系；對碳水化合物、多聚化合物的利用能力與速效鉀、pH呈正相關(guān)關(guān)系；對芳香化合物的利用能力與全磷、速效磷呈正相關(guān)關(guān)系；土壤速效鉀（23.7%）和全氮（26.4%）為主要驅(qū)動因子，說明速效鉀、全氮的攝入有利于提升土壤微生物對羧酸類化合物、多聚化合物、碳水化合物、氨基酸化合物、胺類化合物的利用能力，土壤全氮假設(shè)性測驗結(jié)果表明（pseudo-F=4.8，P=0.02），全氮對土壤微生物碳源利用能力的影響是顯著的（P＜0.05）。綜合圖3可知，土壤速效鉀和全氮是主要驅(qū)動因子，對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與碳源利用能力的影響是顯著的。由此可知，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與碳源利用能力受多種環(huán)境因子共同制約。

圖3 土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、碳源利用能力和土壤環(huán)境因子之間的主成分分析Fig.3 Principal component analysis of soil microbial community structure,carbon source utilization capacity with soil environmental factors

3 討論

研究[27-28]表明作物種間合理互作能夠提高土地產(chǎn)能，調(diào)節(jié)土壤微生物群落多樣性。土壤微生物是土壤的重要組成部分，參與著土壤中大多數(shù)的物質(zhì)轉(zhuǎn)化和能量交換過程，在土壤根際生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)、有機質(zhì)分解和土傳病原菌的過程中發(fā)揮重要作用，也是反映土壤環(huán)境變化的重要指標(biāo)[29-30]。作物種間可通過產(chǎn)生根系分泌物來影響根際微生物群落，微生物功能多樣性對土壤微生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性、地力持續(xù)性有較大的影響[31-32]。大蒜―辣椒輪作和玉米―辣椒間作能夠提高潛在有益菌豐度，并顯著降低潛在病原菌的相對豐度，改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性[33]；小麥―蠶豆間作能夠顯著提高根際土壤中細(xì)菌、真菌、放線菌、好氧菌生物量及PLFA總生物量[34]；可見，輪作與間作能夠在一定程度上改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)。也有研究[35]表明甘薯長期連作種植可增加有害真菌比例，促使甘薯病害加重，進而導(dǎo)致產(chǎn)量和品質(zhì)下降。本研究表明，土壤微生物群落各類別及各類群的生物量受種植方式的影響，與甘薯連作相比，間作與輪作改變了土壤微生物群落組成，顯著提高了土壤細(xì)菌、放線菌和革蘭氏陽性菌生物量，顯著降低了真菌生物量，甘薯―玉米間作處理較甘薯―小麥輪作處理效果更為顯著。分析認(rèn)為輪作與間作種植可使種間作物的根系分泌物、作物殘體在土壤中積累，豐富了土壤微生物的營養(yǎng)物質(zhì)，改變了微生物群落結(jié)構(gòu)，促進其多樣性。

作物輪作或間作種植時，其根系分泌物、作物殘體等可為土壤提供了大量的可需碳源，促進了植物與土壤微生物交互作用，改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，而植物群落的變化能夠促進特定土壤微生物功能群結(jié)構(gòu)的改變[36-37]。輪作能夠提高土壤中細(xì)菌的豐富度和多樣性，降低有害真菌的豐度，增加了土壤微生物群落總體活性和碳源利用多樣性[18]；間作能夠提高土壤微生物的碳源利用能力，顯著提高均勻度指數(shù)（McIntosh index）和豐富度指數(shù)（Richness index），提高土壤微生物生理活性[38]。本研究表明，與甘薯連作相比，甘薯―玉米間作處理的 AWCD值顯著增高，甘薯―小麥輪作處理的AWCD值隨著培養(yǎng)時間的延長逐漸增高；甘薯―玉米間作處理土壤微生物對羧酸類化合物、多聚化合物、碳水化合物、氨基酸化合物、胺類化合物的利用能力顯著高于其他2個處理。分析認(rèn)為，甘薯―玉米間作時，由于作物種間互作原理及根際效應(yīng)，其根系分泌物相互交錯，產(chǎn)生了土壤微生物所需的某類碳源，促進了土壤微生物的代謝活動，進而影響了其功能多樣性，而甘薯―小麥輪作處理的 AWCD值與甘薯連作差別不大，各種碳源利用能力也表現(xiàn)不一，認(rèn)為是小麥?zhǔn)斋@后其殘留物提供的營養(yǎng)物質(zhì)及碳源對土壤微生物的利用所需類別有所差異，進而表現(xiàn)出弱于甘薯―玉米間作處理。說明作物地下部種間關(guān)系的差異，能直接或間接地通過影響作物根系分泌物、根際沉積物來影響參與碳源基質(zhì)代謝類群的土壤微生物，改變土壤微生物群落功能多樣性。為明確甘薯根際土壤微生物對碳源利用能力的差異，需要借助分子生物學(xué)方法進一步明確關(guān)鍵微生物菌群的變化。

在進一步對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及碳源利用能力與土壤環(huán)境因子的分析時發(fā)現(xiàn)，土壤速效鉀和全氮均為主要驅(qū)動因子，并且在排序軸上能夠超過85.38%和 71.39%的累積貢獻率解釋其相互關(guān)系，這說明土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能多樣性的變化不僅受作物種間關(guān)系的影響，也受外界環(huán)境因子的干擾。由此可知，甘薯不同種植模式會對根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能多樣性產(chǎn)生不同的響應(yīng)。研究結(jié)果能夠從土壤微生物角度為選擇甘薯合理種植制度和種間搭配作物以及緩解甘薯連作障礙提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

甘薯―小麥輪作、甘薯―玉米間作種植改變了土壤微生物群落主要類別及類群的PLFA生物量；甘薯―玉米間作處理的AWCD值顯著高于甘薯―小麥輪作和甘薯連作處理；與其他2個處理相比，甘薯―玉米間作處理對羧酸類化合物、多聚化合物、碳水化合物、氨基酸化合物、胺類化合物的利用能力顯著提高；土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能多樣性的變化受多種因素共同制約；甘薯―玉米間作種植對保持土壤微生物群落多樣性的效果較好。