甘薯轮作与间作对根际土壤微生物群落的影响

胡启国 刘亚军 王文静 王 祁 王红刚 储凤丽

（商丘市农林科学院，476000，河南商丘）

甘薯是我国重要的粮食作物，因产量高、营养丰富、适应性强等特点被广泛接受[1-2]。近年来，由于甘薯产业的快速发展以及我国耕地面积的限制，甘薯主产区连作问题日益突出，严重影响了甘薯的产量和品质[3-4]。有研究[5-7]表明作物常年重茬种植会改变土壤状况及组成，连作障碍程度与复杂的土壤媒介紧密相关。土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，直接影响土壤结构、肥力及养分转化，是评价土壤肥力的重要指标[8-10]。常年连作种植影响甘薯根际土壤微生物群落结构的稳定，使土壤环境劣化，致病真菌增多，引发根腐病[11]。有研究[12-15]表明合理的轮作与间作可以改变土壤微生物群落组成及功能多样性，增加作物生长有益菌比例，降低致病菌比例，提高益生菌等丰度水平；还可以通过选择与病原菌的非寄主植物轮作或间作，使病原菌失去赖以生存的寄主环境，阻止病原菌蔓延或传播，从而减轻土壤病害[16-17]；轮作还可以提高土壤微生物真菌群落多样性指数，改变土壤微生物真菌群落结构，提高土壤肥力[18]。

目前关于连作障碍的研究很多，主要集中在高粱、玉米、大豆和马铃薯等作物上[19-22]，关于甘薯连作障碍的研究报道不多，而关于甘薯轮作与间作对土壤微生物群落的影响及与环境因子相互联系的研究更是鲜见报道。本研究利用磷脂脂肪酸（PLFA）和生态板（BIOLOG ECO）技术手段研究甘薯－小麦轮作、甘薯－玉米间作，揭示作物种间关系对土壤微生物群落影响的规律，探究甘薯不同种植制度下土壤微生物群落的变化特点，为甘薯合理种植制度的选择提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验于河南省商丘市双八镇商丘市农林科学院示范基地（116°38′ E，39°93′ N）进行，海拔 53m。无霜期约210d，年降水686.5～872.9mm，年日照时长约2200h，年均积温（≥10℃）4187～5155℃，属典型暖温带大陆季风型气候。供试土壤为黄潮土类黏土土质，试验地块前茬3年均种植甘薯，冬季闲置恢复。基础土壤养分含量为速效氮 28.88mg/kg，速效磷38.42mg/kg，速效钾152mg/kg，全氮0.42g/kg，全磷0.75g/kg，有机质7.36g/kg，pH 8.1。

1.2 试验设计

试验于2018-2019年进行，采用单因素随机区组设计，设3个处理，分别为甘薯―甘薯连作（SS）、甘薯―小麦―甘薯轮作（S-W）和甘薯―玉米间作（S-C），4次重复。小区面积124.8m2（8.0m×15.6m），甘薯行株距 80cm×26cm，小麦播种量375kg/hm2，玉米行株距 60cm×26cm。供试品种：甘薯为商薯9号，小麦为商麦167，玉米为郑单958。甘薯生育期6月12日―10月10日，小麦生育期10月22日－次年6月8日，玉米生育期6月12日－9月25日。施复合肥（N︰P︰K=15︰15︰15）750kg/hm2和过磷酸钙450kg/hm2，均作为基肥一次性施入，甘薯小麦轮作处理第2年种植甘薯时不施肥，栽培甘薯后立即用滴灌带进行浇水保证其成活率，小麦和玉米播种前浇水保持良好底墒，生育前期因土地干旱浇水一次。2019年于甘薯收获期利用“S”型取样法采集0～20cm土样，采集后的土壤立即使用冰盒带回实验室，经2mm网筛除去杂物后，1份保存在-80℃冰箱用于土壤微生物 PLFA的测定，另 1份保存在-40℃冰箱用于土壤微生物生态板的测定，其余部分自然风干，用于基础理化性质等的测定。

1.3 测试项目与方法

1.3.1 PLFA分析 称取相当于 4g风干土重的新鲜土样，按照刘亚军[23]的提取步骤，把提取出来的样品放在进样口为 250℃，色谱柱为 Agilent HP-5MS，30μm×250μm×0.25μm，柱温 170℃，H2流量40mL/min（0.4MPa）、N2（0.4MPa）的平台上，通过气相色谱仪利用脂肪酸图谱微生物鉴定系统来分析待测样品。分析结果中主要类别脂肪酸14︰0、15︰0、16︰0、16︰1、17︰0、17︰1、18︰0和20︰0用来表征细菌；18︰2ω6t和18︰1ω9c用来表征真菌；20︰4ω6表征原生动物；20︰1用来表征放线菌[24]。

1.3.2 BIOLOG ECO分析 称取相当于5g风干土重的新鲜土样，加入无菌生理盐水，摇床振荡30min后静置10min，吸取1mL原液注入99mL无菌生理盐水中，充分摇匀后吸 125μL样品接种于生态板中，在 28℃条件下培养接种，利用读板仪在波段590nm处每24h读数1次，连续读数168h。

1.4 数据处理

采用Excel 2003和SPSS 17.0软件进行数据整理、作图和统计分析，利用Canoco 5.0进行冗余分析（RDA）。

2 结果与分析

2.1 甘薯轮作与间作对土壤微生物群落结构的影响

PLFA是土壤微生物群落结构变化的一个敏感指标，是土壤甲基化后的脂肪酸产物，广泛用于土壤和根系等微生物群落结构组成分析[25]。由图1可知，甘薯不同种植模式对土壤微生物群落组成有不同的影响。其中甘薯连作处理中用于表征真菌的18︰1ω9c含量显著（P＜0.05）高于甘薯―小麦轮作和甘薯―玉米间作处理，用于表征放线菌的20︰1含量显著低于甘薯―小麦轮作和甘薯―玉米间作处理。而其余用于表征细菌的各类别含量表现出不同的变化趋势，其中甘薯连作处理的 14︰0含量最高，15︰0、16︰1、16︰0、18︰0、20︰0含量均低于其他2个处理，17︰1、17︰0含量高于甘薯―小麦轮作处理，低于甘薯―玉米间作处理。可见，甘薯不同种植制度改变了土壤微生物群落结构，导致表征土壤微生物群落类别的生物量发生较大变化。

图1 甘薯不同种植模式下土壤微生物群落主要PLFA标记分析Fig.1 The marker analysis of main PLFA in soil microbial community under the different planting patterns of sweet potato

而从PLFA标记的土壤微生物各类群的生物量（表1）可以看出，甘薯不同种植制度对土壤微生物群落结构有较大的差别。与甘薯连作处理相比，甘薯―小麦轮作和甘薯―玉米间作处理中的真菌含量分别显著（P＜0.05）降低16.60%和13.03%，细菌含量分别显著增加21.82%和38.77%，放线菌含量分别显著增加6.98%和12.77%，革兰氏阳性菌生物量分别显著增加28.60%和63.44%，革兰氏阴性菌生物量分别显著增加 18.21%和 22.29%，甘薯―玉米间作处理中细菌和放线菌含量均最高，真菌/细菌最低、革兰氏阳性菌/革兰氏阳性菌最高，且达到显著性水平。结果表明，甘薯―小麦轮作与甘薯―玉米间作均能增加有益微生物，减少有害微生物，其中甘薯―玉米间作效果优于甘薯―小麦轮作处理。

表1 甘薯不同种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 甘薯轮作与间作对土壤微生物群落功能的影响

2.2.1 板孔平均颜色变化率 平均颜色变化率（AWCD值）是反映土壤微生物对单一碳源利用能力的指标，AWCD值增加越快，表明微生物的代谢活动越强[26]。从图2中可以看出，AWCD值随着培养时间的延长而不断升高。3个处理的AWCD值在0～24h均增加，但无较大变化，24h后，3个处理的AWCD值急剧升高至平缓，而甘薯―玉米间作处理的AWCD值的增长速度明显高于其他2个处理，说明甘薯―玉米间作处理的土壤微生物群落对碳源利用能力最强。24～144h之间甘薯―小麦轮作处理的AWCD值低于甘薯连作处理，144h后，甘薯―小麦轮作AWCD值高于甘薯连作处理，说明随着培养时间的延长，甘薯―小麦轮作处理的土壤微生物群落对碳源利用能力强于甘薯连作处理。

图2 甘薯不同种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 土壤微生物对碳源利用能力 由表2可知，甘薯不同种植模式下土壤微生物对6类主要碳源的利用能力有较大差异。甘薯―玉米间作处理土壤微生物对羧酸类化合物、多聚化合物、碳水化合物、氨基酸化合物、胺类化合物的利用能力最强，对芳香族化合物的利用能力最弱，与甘薯连作处理相比，甘薯―玉米间作对羧酸类化合物、多聚化合物、碳水化合物、氨基酸化合物、胺类化合物的利用能力分别显著（P＜0.05）增加 17.28%、14.67%、54.17%、36.62%和20.00%；甘薯―小麦轮作处理土壤微生物对碳水化合物、氨基酸化合物、胺类化合物的利用能力分别显著增加 38.89%、12.68%和12.73%。甘薯连作处理下土壤微生物对芳香族化合物的利用能力最强。可见，甘薯不同种植模式改变了土壤微生物对碳源的利用能力。

表2 甘薯不同种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组成类别、碳源利用能力与土壤理化性状间的多元分析

主成分分析结果（图3a）表明，基于与特征向量载荷因子相联系的排序轴1和排序轴2能够在累积变量 85.38%上解释了不同种植模式下土壤微生物群落结构的变化。各处理点空间位置比较分散，说明土壤微生物群落结构对甘薯不同种植模式产生了不同响应。从图 3a中可以看出细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌与土壤有机质、速效钾、pH、速效氮、全氮呈正相关关系；真菌与pH呈正相关关系；放线菌与全磷呈正相关关系；土壤速效钾（28.3%）、全氮（38.2%）为主要驱动因子，说明速效钾、全氮的摄入有利于细菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌生物量的增加，抑制真菌、放线菌生物量的增加，土壤全氮假设性测验结果表明（pseudo-F=10.3，P=0.008），土壤全氮对土壤微生物群落的影响是极显著的（P＜0.01）。

土壤微生物碳源利用能力与环境因子的相关关系结果（图3b）表明，排序轴1和排序轴2能够在累积变量 71.39%上解释了不同种植模式下土壤微生物对碳源利用能力的变化。其中土壤微生物群落对羧酸化合物、胺类化合物、氨基酸的利用能力与土壤全氮、碱解氮、有机质、pH、速效钾呈正相关关系；对碳水化合物、多聚化合物的利用能力与速效钾、pH呈正相关关系；对芳香化合物的利用能力与全磷、速效磷呈正相关关系；土壤速效钾（23.7%）和全氮（26.4%）为主要驱动因子，说明速效钾、全氮的摄入有利于提升土壤微生物对羧酸类化合物、多聚化合物、碳水化合物、氨基酸化合物、胺类化合物的利用能力，土壤全氮假设性测验结果表明（pseudo-F=4.8，P=0.02），全氮对土壤微生物碳源利用能力的影响是显著的（P＜0.05）。综合图3可知，土壤速效钾和全氮是主要驱动因子，对土壤微生物群落结构与碳源利用能力的影响是显著的。由此可知，土壤微生物群落结构与碳源利用能力受多种环境因子共同制约。

图3 土壤微生物群落结构、碳源利用能力和土壤环境因子之间的主成分分析Fig.3 Principal component analysis of soil microbial community structure,carbon source utilization capacity with soil environmental factors

3 讨论

研究[27-28]表明作物种间合理互作能够提高土地产能，调节土壤微生物群落多样性。土壤微生物是土壤的重要组成部分，参与着土壤中大多数的物质转化和能量交换过程，在土壤根际生态系统养分循环、有机质分解和土传病原菌的过程中发挥重要作用，也是反映土壤环境变化的重要指标[29-30]。作物种间可通过产生根系分泌物来影响根际微生物群落，微生物功能多样性对土壤微生态系统稳定性、地力持续性有较大的影响[31-32]。大蒜―辣椒轮作和玉米―辣椒间作能够提高潜在有益菌丰度，并显著降低潜在病原菌的相对丰度，改善土壤微生物群落结构多样性[33]；小麦―蚕豆间作能够显著提高根际土壤中细菌、真菌、放线菌、好氧菌生物量及PLFA总生物量[34]；可见，轮作与间作能够在一定程度上改变土壤微生物群落结构。也有研究[35]表明甘薯长期连作种植可增加有害真菌比例，促使甘薯病害加重，进而导致产量和品质下降。本研究表明，土壤微生物群落各类别及各类群的生物量受种植方式的影响，与甘薯连作相比，间作与轮作改变了土壤微生物群落组成，显著提高了土壤细菌、放线菌和革兰氏阳性菌生物量，显著降低了真菌生物量，甘薯―玉米间作处理较甘薯―小麦轮作处理效果更为显著。分析认为轮作与间作种植可使种间作物的根系分泌物、作物残体在土壤中积累，丰富了土壤微生物的营养物质，改变了微生物群落结构，促进其多样性。

作物轮作或间作种植时，其根系分泌物、作物残体等可为土壤提供了大量的可需碳源，促进了植物与土壤微生物交互作用，改变了土壤微生物群落结构，而植物群落的变化能够促进特定土壤微生物功能群结构的改变[36-37]。轮作能够提高土壤中细菌的丰富度和多样性，降低有害真菌的丰度，增加了土壤微生物群落总体活性和碳源利用多样性[18]；间作能够提高土壤微生物的碳源利用能力，显著提高均匀度指数（McIntosh index）和丰富度指数（Richness index），提高土壤微生物生理活性[38]。本研究表明，与甘薯连作相比，甘薯―玉米间作处理的 AWCD值显著增高，甘薯―小麦轮作处理的AWCD值随着培养时间的延长逐渐增高；甘薯―玉米间作处理土壤微生物对羧酸类化合物、多聚化合物、碳水化合物、氨基酸化合物、胺类化合物的利用能力显著高于其他2个处理。分析认为，甘薯―玉米间作时，由于作物种间互作原理及根际效应，其根系分泌物相互交错，产生了土壤微生物所需的某类碳源，促进了土壤微生物的代谢活动，进而影响了其功能多样性，而甘薯―小麦轮作处理的 AWCD值与甘薯连作差别不大，各种碳源利用能力也表现不一，认为是小麦收获后其残留物提供的营养物质及碳源对土壤微生物的利用所需类别有所差异，进而表现出弱于甘薯―玉米间作处理。说明作物地下部种间关系的差异，能直接或间接地通过影响作物根系分泌物、根际沉积物来影响参与碳源基质代谢类群的土壤微生物，改变土壤微生物群落功能多样性。为明确甘薯根际土壤微生物对碳源利用能力的差异，需要借助分子生物学方法进一步明确关键微生物菌群的变化。

在进一步对土壤微生物群落结构及碳源利用能力与土壤环境因子的分析时发现，土壤速效钾和全氮均为主要驱动因子，并且在排序轴上能够超过85.38%和 71.39%的累积贡献率解释其相互关系，这说明土壤微生物群落结构及功能多样性的变化不仅受作物种间关系的影响，也受外界环境因子的干扰。由此可知，甘薯不同种植模式会对根际土壤微生物群落结构及功能多样性产生不同的响应。研究结果能够从土壤微生物角度为选择甘薯合理种植制度和种间搭配作物以及缓解甘薯连作障碍提供理论依据。

4 结论

甘薯―小麦轮作、甘薯―玉米间作种植改变了土壤微生物群落主要类别及类群的PLFA生物量；甘薯―玉米间作处理的AWCD值显著高于甘薯―小麦轮作和甘薯连作处理；与其他2个处理相比，甘薯―玉米间作处理对羧酸类化合物、多聚化合物、碳水化合物、氨基酸化合物、胺类化合物的利用能力显著提高；土壤微生物群落结构及功能多样性的变化受多种因素共同制约；甘薯―玉米间作种植对保持土壤微生物群落多样性的效果较好。