轮作模式下土壤微生物与线虫群落的互作研究现状

范雅琦，王亚南，霍瑞轩，姚 涛，杨珍平，乔月静，郭来春

（1山西农业大学农学院，山西太谷 030801；2白城市农业科学院，吉林白城 137000）

0 引言

由于连作等不良种植方式所引起的土壤质量下降、水土流失等问题，不但困扰着国内的农业生产，也是整个国际社会亟待解决的难题。轮作作为种植制度中的一种重要的作物种植方式，在中国悠久的农业历史文明中，发挥了巨大的生态效应和经济效益，逐渐形成了禾谷类轮作、粮食和经济作物轮作、水旱轮作等多种轮作模式，其应用避免了由于常年连作单一作物带来的土壤化学性质的变化、土壤有效酶活性下降、土传病害富集以及自毒物质积累等弊端[1-2]。大量研究表明，适宜的轮作模式有防治病虫草害、改善土壤养分状况[3]的作用，同时轮换种植的不同作物可均衡利用土壤中的多种有效养分，使得土地资源得到充分应用[4]，具有多种种植优势。目前，已知的轮作对土壤微生态影响的机制主要是不同的轮作作物根系分泌物质影响了土壤微生物的类群[5]，而土壤微生物类群又与土壤线虫群落间相互影响，这一系列复杂机制最终反映于作物的产量或品质性状上。土壤生态学作为生态学的新兴分支学科，主要研究土壤生物、土壤非生物环境之间的相互作用关系，探索能够解决农业生产中土壤生态问题的途径，对维持生态平衡具有极其重要的意义[6]，得到国际生态学界的广泛关注。土壤微生物与土壤线虫是其中重要的组成部分，因此关于土壤微生物与线虫群落所开展的研究也日益增多。土壤微生物的种类与数量直接决定着土壤肥力，进而影响作物生长发育[7]，而栽培措施的改变会不同程度地引起土壤内微生物群落的变化，土壤线虫在改善土壤质量方面同样有明显效果，早前多数学者关于土壤线虫的研究多集中在植物寄生类线虫所引起的植物病害[8]，同时在土壤线虫研究较早期阶段，国内外学者关于线虫群落分布的研究也多集中于自然或半自然生态系统中[9]，关于农田生态系统中的土壤线虫群落研究少有报道，而线虫作为农田土壤中数量及影响均十分巨大的重要生物，对促进土壤养分循环具有重要作用。本研究以农田生态系统下的土壤微生物与线虫群落为研究对象，整理分析近年来基于轮作模式下影响农田土壤微生物和线虫群落变化的相关研究成果及两者间的相互作用，并针对不同生态尺度进行全面分析，明确其在提高作物产量品质方面的积极作用，以指示农田土壤的健康质量、寻求适宜的轮作方式，起到指导农业生产的重要作用。

1 轮作模式对土壤微生物群落的影响

土壤微生物群落结构对不同轮作模式的响应不尽相同，科学合理的轮作模式能够显著增加农田土壤内微生物群落的多样性。目前国内外关于土壤微生物群落的研究基本分为生物化学分析法和分子水平的分析法2种，其中包括早年利用较多的平板培养技术、PLEA法测定土壤微生物结构的多样性、基于杂交的遗传多样性分析，以及新兴的高通量测序和宏基因组技术[10-12]。这些方法均在不同方面存在一些弊端，如采用平板技术培养下的微生物种类有限，PLEA法只能对属分类水平上的微生物进行分析且无法进行定性定量分析，某些基于PCR技术的分子生物学方法会存在重现性差的问题。因此在选择试验方法时要根据试验目的按需选择。

目前，国内外关于常见轮作方式对土壤微生物群落的影响已有大量相关研究。禾谷、禾豆类和粮食经济类作物年间轮作和年内换茬轮作是中国常见的轮作模式，如在北方一年一熟地区，玉米→小麦→大豆三年轮作和在南方一年多熟地区，油菜-水稻-水稻→小麦-水稻-水稻等轮作模式。孙倩等[13]关于谷田轮作模式的研究结果表明，3种不同的轮作模式相较连作均降低了土壤细菌群落的丰富度指数，谷子与黑豆轮作能够提高细菌群落的多样性。Li等[14]在对水稻油菜轮作长达30年的定位试验得出，“水稻-水稻-油菜”轮作模式较“水稻-水稻-休闲”模式显著提高了α-变形细菌、β-变形细菌和γ-变形细菌的丰度和细菌群落的多样性。真菌多样性指数的增加，可以通过农田土壤内多种真菌的相互作用抑制病原真菌的大量繁衍[15]，以此降低植株发生真菌病害的可能性，此指标可作为筛选适宜轮作模式的根据之一。刘杭[16]进行黑土区的3种主要种植作物大豆、玉米、小麦的轮作试验，结果表明，玉米长期连作降低了真菌群落丰度，不同于作物轮作对细菌群落丰度普遍的降低作用，大豆连作田的真菌多样性指数及其有益菌丰度要高于轮作，由此得出，单纯从土壤真菌群落的角度分析，大豆在该地区的种植较耐连作。此外，固氮菌、氨化细菌等作为促进植物吸收及土壤氮循环的功能微生物，在不同轮作模式中也表现不同的作用效果。水旱轮作作为在连作水稻种植区被广泛提倡的轮作方式，可以通过水旱更替影响土壤微生物群落结构，提高土壤肥力，改善连作水稻田的病虫草害问题。Ren等[17]的结果表明，水旱轮作可能产生一定的减产效应。因此，近年来关于水旱轮作的研究大多配合有增产作用的田间管理措施进行[18-19]，对土壤微生物的影响也不能单从轮作作物方面研究，还需要配合相关的土壤类型和理化性质进行探究。

2 轮作模式对土壤线虫群落的影响

长期连作会引起植物线虫病害加重，轮作后植物寄生类线虫失去其作用的寄主植物使得为害程度减轻或被消除，这是防治专性寄生线虫病害的重要方式之一。李秀花等[20]关于轮作对燕麦胞囊线虫种群动态的研究表明，轮作后的胞囊线虫衰退率高于90%，可以有效降低燕麦胞囊线虫虫口密度，此研究结果即为轮作在防治植物病害方面表现出积极意义的原因[21-22]。然而，线虫作为土壤生态系统中数量最为庞大的生物之一，仅有占其总数极小部分的植物寄生性线虫会引起植物线虫病害的发生，相反绝大部分的线虫如食细菌、食真菌和杂食性线虫在调节土壤生态系统中的养分循环方面表现出十分积极的作用。目前，关于土壤线虫群落的研究除对线虫总数的确定外，还需要准确的形态学鉴别来划分其科属或者采用分子生物学方法如PCR、分子标记等技术进行分类研究[23-24]。因其十分庞大的工作量，在当前研究中，关于完整的线虫群落结构的研究并不多，主要研究方向还是针对植食性线虫在特定农田或特定栽培作物中所引起病害的相关研究，而针对线虫群落对轮作模式不同响应机制的研究较少。

因此，关于轮作模式下的土壤线虫群落研究不能局限于对线虫病害的改善减轻作用，更应关注其对土壤健康状况的指示和改良作用。陈立杰等[25]关于大豆连作与轮作的试验研究结果表明，连作使得大豆田中根际胞囊线虫数量显著高于轮作，而轮作田中的土壤线虫总数高于连作，说明轮作不仅减轻了大豆田中的线虫病害，且使得土壤中的有益线虫种类与数目增多，有改善土壤质量的积极作用。与韩新华等[26]对大豆轮作田线虫群落的研究结果一致。关于黄土高原苜蓿适宜轮作模式的研究中，霍娜等[27]发现，相比苜蓿连作，其与各种作物轮作在植物寄生线虫指数(PPI)、线虫通路指数(NCR)等指标上均有明显的改善效果。Zhang等[28]在玉米轮作模式的探究过程中证实，玉米-大豆轮作系统增加了线虫的丰度，增加了土壤线虫的代谢，有利于更多样化的残渣资源进入土壤食物网。以上研究结果均证明，轮作田在土壤线虫群落的丰富度及稳定程度要明显优于连作田。

3 轮作模式下土壤理化性状对微生物与线虫群落的影响

轮作模式对作物生长最直接的影响主要反映于栽培土壤的理化性质上。分析国内外学者的研究结果发现，轮作对于土壤性状的改善作用，主要是由于不同作物残体所含元素的差异导致其残枝落叶在土壤中分解作用表现不同，以及不同类作物根系分布存在差异导致土壤的孔隙度等物理结构表现不同[29-31]。关于轮作对土壤物理性状的影响近些年来关注的主要指标有土壤容重、土壤含水量及土壤孔隙度等[32]，此外还有一些热力学、水力学[33]性质。化学性状主要涉及土壤的全量指标以及速效指标[34]。目前，关于物理性状对微生物与线虫群落的研究并不多见，化学性状如有机质含量、pH等会对线虫及微生物群落产生一定的影响[35-36]。

轮作对土壤物理结构的改善作用通常是农户选择适宜大田栽培模式的重要原因。例如利用禾豆作物不同的根系分布特点改变土壤的孔隙度，利用不同作物地上部生物量差异及根系差异影响土壤容重[37-41]。近年来国内外关于轮作模式对土壤物理性状的研究多配合其他措施，如免耕、秸秆覆盖及施肥方式[42-45]等其他大田栽培措施，单纯的轮作模式对土壤物理性状改良已无法满足生产需求，与微生物、线虫群落相结合的研究更是鲜少涉及，其中的作用机制并不十分明确。

化学性质决定着土壤肥力[46]，利用不同作物轮作改良栽培土壤化学性质是培肥地力、改良盐碱地的有利手段[47-49]。轮作下土壤有机碳、全氮含量均有显著提高，土壤微生物量碳氮、线虫总多度也有不同程度的增加，且显著降低了植物寄生线虫指数[27]。刘婷等[50]关于水旱轮作的相关研究得出小麦季根际线虫总数显著高于水稻季，土壤pH、有机碳含量及微生物量碳氮均明显下降的结论。这些变化的出现可能是多方面因素共同决定，也视轮作体系的不同而存在差异，而后作用于土壤微生物与线虫群落中。苏兰茜等[51]研究发现，食细菌线虫丰度与土壤有机质和pH呈显著正相关，而植食性线虫丰度与土壤pH、有机质、碱解氮含量和食微线虫丰度呈显著负相关。其与微生物间的取食关系也会对微生物群落产生作用，因此，可以借助土壤生态系统对适宜轮作模式的机理等展开研究。

4 轮作模式对土壤团聚体中微生物和线虫群落的影响

土壤团聚体是构成土壤结构的基本单元，其数量、大小与分布情况使得土壤中的固、液、气三相达到相互协调，决定着土壤肥沃情况[52-53]。目前国内外关于团聚体的研究多围绕其组成、稳定性、有机碳分布或某些元素含量等[54-57]开展，此外，也不乏关于土壤团聚体中的线虫与微生物的研究，土壤团聚体与土壤微生物和线虫群落密切相关[58-59]，彼此之间相互促进又相互依赖。但针对轮作模式下引起团聚体中线虫与微生物群落的变化目前还少有研究。

土壤团聚体的组成即土壤中各粒级团聚体所占的比例，是调节土壤孔隙状况、增强土壤保水保肥能力的关键[60]。其中通常将直径＞0.25 mm的团粒结构称为大团聚体，将＜0.25 mm的团粒结构称为微团聚体。王浩田等[61]在关于稻-烟轮作的研究中指出，随着植烟年限的增加土壤中大团聚体结构逐渐被破坏；刘勇军[62]关于稻烟轮作的研究指出，植烟区土壤主要还是由大团聚体为主。在大团聚体中，微生物与线虫的群落丰度、生物量、多样性均较高[63-65]，有利于维持团聚体内各生物的稳定生存状态。因此可以通过探索能显著影响大团聚体形成的相关轮作方式来达到应用此优势的效果。土壤团聚体的稳定状态除了与大团聚体有关外，也与微团聚体间存在密切联系。陈晓东等[66]关于盐碱地土壤团聚体稳定性的研究结果表明，有机物料施用可以增加土壤微团聚体的稳定性。李明等[67]关于氮肥施加对团聚体微生物的研究结果显示，在合理的氮肥施加量下，大团聚体中土壤微生物群落表现要优于微团聚体，但对比其他施加量下微团聚体中微生物群落表现同样有所提升。因此，在进行轮作模式探究时，要综合考虑大团聚体和微团聚体中微生物和线虫群落的反应。

5 不同空间尺度下线虫微生物的互作

微生物与线虫在土壤生态系统食物网中占据着十分重要的地位[68]，在土壤中起着改善农田土壤质量状况、促进土壤养分循环以及分解有机质矿物质的作用。利用微生物菌剂对植物寄生类线虫开展生物防治是线虫微生物互作的一大重要应用[69]。此外，在大田生产中某些措施也存在着两者间的互作效应，如秸秆还田引起土壤的养分状况发生变化，增加了土壤中微生物的数量，进而导致食细菌类线虫数量的明显增加[70]，降低了植物寄生类线虫的数量。单独针对微生物与线虫两者的研究已较成熟，而两者间的互作研究是近年来新兴起的一个研究方向。结合轮作模式进行线虫微生物互作的相关研究，同时也可针对不同的空间尺度下的群落分布开展更加有针对性的分析。

参考褚海燕等[71]关于土壤微生物生物地理学研究综述，可将土壤线虫与微生物群落分布大体分为宏观与微观2个方面，其中宏观层面主要针对不同生态系统下的两者互作研究，或不同海拔下的互作。农田生态系统中作物轮作条件下的互作效应，主要建立于两者在农田土壤食物网中的关系[72-73]，如不同轮作模式下，通过食物网间的营养级联效应[74]来达到土壤线虫与微生物的相互作用关系，陈云峰等[75]将土壤食物网同线虫区系分析结合，可对其进行准确的定性分析，从而达到调控土壤线虫群落的目的。微生物作为土壤食物网中数量庞大、作用广泛的重要部分，与线虫间的取食关系对调节土壤食物网的结构功能，调控土壤的各项指标起到了重大作用，这也是针对两者互作效应探究的意义所在。

从微观层面又可以将线虫与微生物群落的分布细分到根际、不同土层或土壤团聚体中。根际土壤被划定为植物根系周围1～2 mm处的一小部分区域[76]，该区域对作物地上部的生长发育尤为重要，近年来，国内外针对根际土壤的相关文献较多[77-79]。苏燕等[80]关于水旱轮作模式下马铃薯根际土壤细菌群落的研究结果显示，线虫与微生物在土壤根际处的互作关系主要是由于植物根际分泌物的产生，影响了根际土壤微生物的群落组成，进一步引起土壤线虫群落的变化。黄阔[81]的研究结果表明，根结线虫的发生与根际土壤中细菌群落结构的多样性存在显著的负相关性。除根际土壤外，非根际土壤同样对作物生长发育有着积极意义。颜秀娟等[82]对轮作大豆田线虫群落的土层分布特征进行调查得出，在0～50 cm土层中，以20～30 cm土层的线虫数量最多，其中以食细菌线虫和植物寄生类线虫为主，而食真菌线虫与杂食类线虫集中分布于0～20 cm的表层土壤中，此调查结果基本适用于多数状态下的农田土壤中。微生物群落的土层分布由土壤食物网中与不同营养类群线虫的取食关系所决定。土壤团聚体是线虫与微生物互作作用的一个重要场所，蒋瑀霁等[83]的研究表明长期施用有机肥下土壤大团聚体中线虫和微生物群落结构更为复杂，且食细菌线虫与细菌存在着显著正相关关系。早年间已有大量研究证实，团聚体的大小与其中线虫与微生物群落丰度和稳定程度呈正相关，但此类研究大多针对两者中的一个，关于其互作关系的研究并不多见。将轮作模式同团聚体中的线虫微生物互作相结合进行研究是一个值得关注的方向，以两者的互作效应为研究对象来探索最适宜作物生长的轮作模式。此外，在不同空间尺度下，针对两者间相互作用研究的侧重点不甚相同，如何有针对性地选择合适的空间尺度所需要探究的方面还有很多。

6 总结与展望

目前，国内外关于轮作模式的研究多侧重于对连作障碍的消除和减轻作用、对土壤理化性状的改良效应等，而针对轮作方式对土壤生物性状如线虫、微生物的互作效应的研究不多。土壤线虫与微生物作为土壤中分布较为广泛的生物，其在农田生态系统中的调节、指示作用近年来得到了充分的认识。土壤线虫与微生物群落结构的变化与其生活环境特别是土壤环境密切相关。

关于轮作模式下的微生物群落研究已较成熟。之前土壤线虫较多地作为引起植物病害的病因被植保专家进行了大量有针对性的研究，随着线虫在农田生态系统中的作用逐渐被人们认识，其作为土壤生态健康的指示生物应受到更多的关注。

土壤线虫在土壤生态系统中表现出的作用多与土壤内微生物的活动有关，同样微生物群落也受到土壤线虫的影响，作为土壤生物网中最庞大的生物群落，针对两者的互作研究将为土壤生物网络级联效应，土壤食物网功能构建起到重要作用。