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作物杂志,2025, 第4期: 214–223 doi: 10.16035/j.issn.1001-7283.2025.04.027

• 生理生化·植物营养·栽培耕作 • 上一篇    下一篇

耕作方式和绿肥还田对甘蔗土壤细菌群落结构及功能的影响

周灵芝1(), 周佳1(), 李艳英1, 劳承英1, 黄渝岚1, 申章佑1, 韦本辉1, 吴月先2()   

  1. 1广西壮族自治区农业科学院经济作物研究所，530007，广西南宁
    2广西农业职业技术大学，530007，广西南宁
  • 收稿日期:2024-07-01 修回日期:2024-09-20 出版日期:2025-08-15 发布日期:2025-08-12
  • 通讯作者: 吴月先，研究方向为作物育种和栽培技术，E-mail：2759904027@qq.com
  • 作者简介:周灵芝，研究方向为粉垄耕作与栽培，E-mail：59810551@qq.com；|周佳为共同第一作者，研究方向为粉垄耕作与栽培，E-mail：zhoujia8555@163.com
  • 基金资助:
    广西自然科学基金项目(2022GXNSFAA035518);广西科技重大专项(桂科AA20302020-1);广西农业科学院稳定资助科研团队项目(桂农科2021YT056)

Effects of Cultivation Methods and Green Manure Return on Bacterial Community Structure and Function of Sugarcane Soil

Zhou Lingzhi1(), Zhou Jia1(), Li Yanying1, Lao Chengying1, Huang Yulan1, Shen Zhangyou1, Wei Benhui1, Wu Yuexian2()   

  1. 1Cash Crops Research Institute, Guangxi Academy of Agricultural Sciences, Nanning 530007, Guangxi, China
    2Guangxi Agricultural Vocational and Technical University, Nanning 530007, Guangxi, China
  • Received:2024-07-01 Revised:2024-09-20 Online:2025-08-15 Published:2025-08-12

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摘要：

为探究不同耕作方式和间作绿肥还田对长期连作甘蔗土壤微生物的影响，设置粉垄间作（FLJ）、粉垄单作（FL）、旋耕间作（CKJ）和旋耕单作（CK）4个处理，利用高通量测序对甘蔗3个生长期土壤细菌群落结构及功能进行研究。结果表明，耕作方式显著影响土壤有机质含量和细菌群落丰富度，绿肥还田显著影响土壤碱解氮、速效钾、有机质和pH，生育期显著影响土壤碱解氮、速效钾、pH和细菌群落α多样性，土壤细菌多样性与pH显著相关。3个时期不同处理共有8个细菌门和1个细菌属，变形菌门（Proteobacteria）、绿弯菌门（Chloroflexi）、酸杆菌门（Acidobacteriota）和放线菌门（Actinobacteriota）为主要优势菌门，占比74.71%~89.58%。随着甘蔗生育进程，土壤优势细菌门占比在变化，FLJ处理变形菌门呈下降趋势，绿弯菌门呈上升趋势。3个时期土壤细菌功能有47~75种，以化能异养、好氧化能异养、纤维素分解和固氮作用为主，占比56.12%~81.74%。绿肥还田后各处理纤维素水解作用增强；成熟期FLJ处理的氮固定显著高于其他处理，增幅51.77%~113.04%。21-Feb、热酸菌属与纤维素水解作用和氮固定呈显著正相关。综上，甘蔗土壤养分、土壤细菌群落α多样性、群落结构及功能均随生育期而变化；绿肥还田能显著提高土壤碱解氮和有机质等含量，耕作方式可显著改变土壤细菌群落丰富度。

关键词: 甘蔗, 粉垄耕作, 旋耕, 绿肥还田, 土壤细菌群落结构, 群落功能

Abstract:

To explore the effects of different cultivation methods and green manure returning on soil microorganisms in long-term continuous sugarcane cultivation, four treatments were set up: Fenlong tillage intercropping (FLJ), Fenlong tillage monoculture (FL), rotary tillage intercropping (CKJ) and rotary tillage monoculture (CK). High throughput sequencing was used to study the structure and function of soil bacterial communities in three growth stages of sugarcane. The results showed that cultivation methods significantly affected soil organic matter content and bacterial community richness, green manure returning significantly affected soil alkaline nitrogen, available potassium, organic matter and pH, and the growth stage significantly affected soil alkaline nitrogen, available potassium, pH and bacterial community alpha diversity. Soil microbial diversity was significantly correlated with pH. There were eight bacterial phylum and one genus under different treatments in three stages. Proteobacteria, Chloroflexi, Acidobacteriota and Actinobacteriota were the main dominant bacterial phylum which ranged from 74.71% to 89.58%. With the growth process of sugarcane, the proportion of dominant bacterial phylum in soil was changing. FLJ treatment showed a downward trend in Proteobacteria and an upward trend in Chloroflexi. During the three periods, there were 47-75 types of soil bacterial functions, mainly including chemoheterotrophy, aerobic chemoheterotrophy, cellulolysis and nitrogen- fixation, ranged from 56.12% to 81.74%. After green manure returning, the cellulolysis in each treatment was enhanced. The nitrogen fixation of FLJ treatment at maturity stage was significantly higher than other treatments, increased by 51.77%-113.04%. 21-Feb and Acidothermus were significantly positively correlated with cellulolysis and nitrogen-fixation. In summary, the nutrients of sugarcane soil, the alpha diversity of soil bacterial communities, community structure and function all changed with the growth period. Green manure returning increased significantly the contents of alkaline nitrogen and organic matter of soil. Cultivation methods significantly changed the richness of soil bacterial communities.

Key words: Sugarcane, Fenlong tillage, Rotary tillage, Green manure returning, Soil bacterial community structure, Community function

表1

不同处理对土壤养分的影响

生育期
Growth stage		 处理
Treatment		 碱解氮
AN (mg/kg)		 有效磷
AP (mg/kg)		 速效钾
AK (mg/kg)		 有机质
SOM (g/kg)		 pH
分蘖期Tillering stage FLJ 89.03±4.14ab 116.19±3.80a 400.58±12.36a 30.93±1.09a 5.21±0.01a
FL 90.41±1.99a 123.98±3.08a 406.46±26.91a 30.62±0.41a 4.82±0.12b
CKJ 80.54±3.81b 125.96±3.14a 399.51±31.06a 30.22±0.36a 5.38±0.08a
CK 90.07±3.01a 131.53±8.86a 419.70±4.01a 30.24±0.36a 4.85±0.18b
伸长期Elongation stage FLJ 82.01±7.22a 127.68±11.86a 394.92±7.90b 32.48±0.77a 4.54±0.15a
FL 83.07±6.51a 125.61±5.05a 386.94±30.20b 30.22±0.60b 4.53±0.10a
CKJ 95.03±5.84a 137.28±10.82a 333.63±5.59c 29.44±0.91b 4.61±0.03a
CK 87.85±7.41a 134.33±5.82a 462.40±18.08a 28.62±0.15b 4.71±0.02a
成熟期Maturity FLJ 97.91±4.95a 124.57±12.42a 331.62±7.70bc 31.18±3.15a 4.46±0.00a
FL 71.83±1.90c 119.13±7.75a 352.18±8.25ab 30.81±0.73a 4.41±0.00b
CKJ 84.46±6.84b 131.67±10.30a 328.07±3.23c 31.29±0.35a 4.38±0.02b
CK 74.65±3.49bc 132.49±7.39a 367.89±10.87a 27.89±0.23a 4.23±0.02c
耕作Tillage 0.873 0.127 0.267 0.001** 0.280
绿肥Green manure 0.006** 0.918 0.000** 0.003** 0.000**
生育期Growth stage 0.034* 0.642 0.000** 0.777 0.000**
耕作×绿肥Tillage×green manure 0.128 0.930 0.000** 0.559 0.472
耕作×生育期Tillage×growth stage 0.003** 0.994 0.996 0.159 0.003**
绿肥×生育期Green manure×growth stage 0.000** 0.772 0.008** 0.138 0.000**
耕作×绿肥×生育期Tillage×green manure×growth stage 0.023* 0.952 0.000** 0.048* 0.216

表2

不同处理的土壤细菌群落α多样性指数

生育期
Growth stage		 处理
Treatment		 Chao1指数
Chao1 index		 ACE指数
ACE index		 Shannon指数
Shannon index		 Simpson指数
Simpson index		 覆盖率
Coverage (%)
分蘖期Tillering stage FLJ 2546.24±49.15a 2534.67±71.02a 9.43±0.40a 0.0043±0.00a 99.27±0.00a
FL 2398.76±49.69b 2380.91±85.03ab 9.13±0.11a 0.0052±0.00a 98.97±0.00b
CKJ 2479.36±70.49ab 2460.41±38.42ab 9.39±0.11a 0.0049±0.00a 98.90±0.00b
CK 2385.55±31.50b 2358.79±47.78b 9.38±0.16a 0.0048±0.00a 99.41±0.00a
伸长期Elongation stage FLJ 2987.34±120.92a 3021.19±107.87a 6.63±0.08ab 0.9963±0.00a 97.18±0.00a
FL 3169.00±229.82a 3253.80±286.68a 6.49±0.13b 0.9955±0.00ab 96.61±0.00a
CKJ 3383.28±108.55a 3451.48±142.64a 6.78±0.03a 0.9967±0.00a 96.73±0.00a
CK 3282.24±193.24a 3375.15±189.19a 6.49±0.12b 0.9945±0.00b 96.93±0.00a
成熟期Maturity FLJ 3156.29±130.91a 3202.54±129.89a 6.80±0.07a 0.9972±0.00a 97.23±0.00a
FL 3830.48±326.90a 3852.04±295.79a 7.05±0.20a 0.9971±0.00a 97.08±0.00ab
CKJ 3879.41±521.88a 3957.80±588.57a 6.88±0.09a 0.9968±0.00a 96.64±0.00ab
CK 3684.35±138.16a 3785.05±42.37a 6.71±0.42a 0.9962±0.00a 96.01±0.00b
耕作Tillage 0.026* 0.019* 0.777 0.251 0.014
绿肥Green manure 0.461 0.414 0.120 0.063 0.171
生育期Growth stage 0.000** 0.000** 0.000** 0.000** 0.000**
耕作×绿肥Tillage×green manure 0.016* 0.026* 0.503 0.049* 0.100
耕作×生育期Tillage×growth stage 0.137 0.099 0.320 0.447 0.007**
绿肥×生育期Green manure×growth stage 0.137 0.163 0.292 0.016* 0.200
耕作×绿肥×生育期Tillage×green manure×growth stage 0.042* 0.080 0.112 0.723 0.038*

图1

土壤细菌多样性指数与环境因子的相关性 “*”、“**”和“***”分别表示在P < 0.05、P < 0.01和P < 0.001水平相关性显著。下同。

图2

不同处理细菌门水平相对丰度

图3

不同处理细菌属水平相对丰度

表3

土壤细菌FAPROTAX功能预测

生育期Growth stage 功能Function FLJ FL CKJ CK
分蘖期Tillering stage 化能异养 31.55±0.18a 32.39±2.41a 26.48±1.04b 32.53±0.40a
好氧化能异养 30.48±0.50ab 31.81±2.83a 25.98±2.53b 32.03±0.31a
动物寄生或共生 4.32±0.21b 2.94±0.29c 6.10±0.22a 2.54±0.45b
人类病原体 4.30±0.20b 2.93±0.31c 6.03±0.22a 2.52±0.43c
人类关联 4.30±0.20b 2.93±0.31c 6.03±0.22a 2.52±0.43c
人类病原体肺炎 4.23±0.21b 2.84±0.42c 5.87±0.50a 2.43±0.40b
氮固定 3.65±0.17a 4.73±0.84a 4.34±0.22a 3.99±0.29a
纤维素水解作用 10.39±0.98a 9.96±1.16a 5.18±0.25b 2.99±0.23c
捕食性或外寄生性 2.28±0.28a 0.72±0.07c 1.69±0.11b 0.93±0.11c
尿素分解 1.28±0.02b 1.33±0.05b 1.37±0.13b 1.64±0.08a
伸长期Elongation stage 化能异养 31.83±2.60a 32.27±1.66a 30.97±1.33a 31.45±1.04a
好氧化能异养 31.55±2.64a 31.81±1.91a 30.11±1.40a 30.96±1.12a
纤维素水解作用 12.07±1.77a 11.16±0.74ab 7.26±0.63c 8.61±0.78bc
氮固定 5.52±0.67a 5.59±0.26a 4.73±0.83a 6.14±0.45a
尿素分解 2.35±0.40a 2.03±0.21a 2.71±0.51a 1.90±0.20a
动物寄生或共生 2.16±0.20a 2.03±0.19a 2.22±0.26a 2.04±0.23a
人类病原体 2.03±0.18a 1.88±0.25a 2.03±0.24a 1.95±0.17a
人类关联 2.04±0.19a 1.94±0.34a 2.16±0.24a 1.99±0.11a
人类病原体肺炎 1.81±0.18a 1.64±0.17a 1.60±0.24a 1.74±0.09a
硝酸盐还原 1.85±0.16a 0.95±0.14b 1.89±0.14a 1.75±0.19a
成熟期Maturity 化能异养 32.01±0.64a 26.21±2.71b 27.91±2.40ab 30.78±0.98ab
好氧化能异养 29.13±2.26a 22.39±3.60a 24.53±3.66a 28.63±2.39a
纤维素水解作用 12.78±1.58a 5.91±0.30b 7.35±0.89b 11.86±1.11a
发酵 3.24±0.49b 4.91±0.57a 5.38±0.50a 2.28±0.20b
氮固定 3.43±0.07a 1.61±0.22b 2.08±0.28b 2.26±0.38b
动物寄生或共生 2.08±0.20b 4.51±0.25a 4.04±0.30a 2.82±0.38b
人类关联 1.91±0.20b 4.37±0.67a 3.89±0.31a 2.42±0.16b
人类病原体 1.63±0.06b 3.07±0.37a 2.31±0.38ab 1.88±0.32b
人类病原体肺炎 1.47±0.11b 2.03±0.13a 1.66±0.16ab 1.57±0.18b
硝酸盐还原 0.97±0.16b 2.99±0.30a 2.45±0.36ab 1.50±0.11b

图4

不同处理土壤细菌功能与优势菌属的相关性

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