甘薯[Ipomoea batatas (L.) Lam]是我国重要的粮食作物,在我国有着悠久的栽培历史[6]。近年来,随着甘薯产业的快速发展,种植面积逐年增加,而甘薯常年连作种植造成产量下降、品质降低以及病虫害频繁发生,长期连作也导致甘薯自毒物质积累,土壤微生物群落结构稳定性发生改变,有害真菌比例及真菌与细菌比值上升,放线菌及有益细菌比例下降,甘薯连作障碍问题日益突出[7,8,9,10]。而有研究[11,12,13]表明,合理的轮作是缓解连作障碍的有效方法。苏燕等[14]研究表明,轮作栽培可以提高马铃薯根际土壤的细菌群落多样性,提高细菌丰富度指数及多样性指数;姚小东等[15]研究表明,花生轮作种植可以改变土壤微生物群落结构,增加有益细菌比例,降低有害真菌比例;付风云等[16]研究表明轮作栽培可以促进土壤中不同种类微生物对碳源及养分的利用,提高土壤细菌群落丰富度指数和碳源利用能力,提高细菌与真菌比值,有利于提高土壤肥力和保持土壤健康;也有研究[17]表明,与病原菌的非寄主植物轮作可使病原菌失去赖以生存的寄主环境,防治病原菌蔓延或传播,从而减轻土壤病害。由此可知,轮作会对土壤微生物群落结构与功能产生较大的影响。
虽然目前关于轮作种植对土壤微生物影响的研究报道有很多,但关于甘薯轮作种植对土壤微生物群落结构和功能多样性的研究并不多,关于甘薯轮作土壤微生物群落变化与环境因子的相关性研究更是鲜有报道。因此本研究通过甘薯不同轮作方式对土壤微生物群落结构、碳源利用能力及多样性指数的研究,探究甘薯轮作条件下土壤微生物群落的变化特点,以期为缓解甘薯连作障碍、筛选适宜的轮作模式提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验区概况
试验地商丘市农林科学院试验示范中心（116°38′ E,39°93′ N）处于黄淮平原农区,年降水量686.5~750.0mm,全年0℃以上积温4500~5500℃,年均气温13.5~14.5℃,年日照时长2200~2400h,无霜期210~214d,属暖温带大陆季风型气候。供试土壤为潮土,土壤基础理化性质为全氮0.51g/kg、全磷0.59g/kg、碱解氮42.32mg/kg、速效磷36.8mg/kg、速效钾263.5mg/kg、有机质7.35g/kg、pH值8.00。
1.2 试验材料
供试甘薯品种为商薯17号,由商丘市农林科学院甘薯站选育;花生（Arachis hypogaea L.）为商花5号,由商丘市农林科学院经济作物研究所选育;小麦（Triticum aestivum L.）为商麦167,由商丘市农林科学院小麦区试站选育。
1.3 试验设计
试验于2017-2019年进行,采用单因素随机区组设计,设甘薯―甘薯连作（S-S）、甘薯―花生轮作（S-P）、甘薯―小麦轮作（S-W）3个处理,4次重复,小区面积31.2m2。甘薯、花生、小麦种植密度分别为4.60×104、1.65×105和5.25×106株/hm2。
轮作处理于2017年均种植甘薯,次年轮作,第3年再种植甘薯,以此类推,一年一熟,2018年、2019年为定位试验。3个处理施肥量均为600kg/hm2复合肥（N:P:K=15:15:15）,一次性施入,生育期不追肥,甘薯种植时滴灌以促进苗成活,生育期内不进行灌水,花生、小麦生育期内进行1次灌水。2019年甘薯收获期用土钻利用五点取样法采集0~30cm土壤样品,采集完立即放入便携式冰盒,并带回实验室,过20目筛后一部分放在2℃~8℃冰箱用于测定微生物功能,一部分放在-40℃冰箱用于测定微生物磷脂脂肪酸（PLFA）。
1.4 测试项目与方法
1.5 数据分析
采用Microsoft Excel 2010进行数据处理,利用SPSS 17.0新复极差法进行显著性检验,利用Canoco 5.0进行冗余分析（redundancy analysis,RDA）。平均颜色变化率（AWCD）、丰富度指数（Shannon index,H）、均匀度指数（Mclntochindex,E）、优势度指数（Simpson index,Ds）计算公式[21]如下：
式中：A1为对照孔的吸光值,Ai为第i个碳源孔的吸光值;Pi为第i孔的相对吸光值与整个平板相对吸光值总和的比率;S为颜色变化孔的数目。
2 结果与分析
2.1 轮作对土壤微生物群落主要类群的影响
由表1可知,不同种植方式对甘薯土壤微生物群落结构组成有不同的影响。与甘薯―甘薯连作相比,甘薯―花生轮作处理中真菌的生物量、真菌/细菌分别显著（P<0.05）降低18.69%和34.21%,细菌、放线菌、革兰氏阳性菌（G+）、革兰氏阴性菌（G-）生物量分别显著增加26.67%、8.47%、36.49%和21.59%,G+/G-增加14.00%,但无显著性差异,甘薯―小麦轮作处理中的真菌、细菌、放线菌、G+、G-生物量及G+/G-均降低,真菌/细菌增加7.89%,但无显著差异。在不同轮作方式的对比中,甘薯―花生轮作处理中真菌生物量、真菌/细菌低于甘薯―小麦轮作处理,细菌、放线菌、G+、G-生物量及G+/G-均明显增加,可见,不同轮作方式在一定程度上影响土壤微生物群落组成,其中甘薯―花生轮作较甘薯―小麦轮作更易降低有害菌真菌比例,提高有益菌细菌及放线菌比例。收获期甘薯连作处理薯块病害情况明显高于轮作处理,结合甘薯连作处理中真菌生物量显著高于轮作处理,分析认为可能是随着真菌占比的增加引发了某些病害,微生物中真菌比例是反映土壤性质不良的重要指标之一[22]。
表1 不同轮作方式对土壤微生物群落主要类群的影响
Table 1
| 处理 Treatment | 真菌 Fungal | 细菌 Bacterial | 放线菌 Actinomyc-ete | 真菌/细菌 Fungal/bacterial | 革兰氏阳性菌（G+） Gram positive | 革兰氏阴性菌（G-） Gram negative | G+/G- |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 甘薯―甘薯S-S | 4.12±0.36a | 10.76±0.73b | 2.48±0.25b | 0.38±0.08a | 3.59±0.33b | 7.18±0.31b | 0.50±0.05a |
| 甘薯―花生S-P | 3.35±0.12b | 13.63±0.36a | 2.69±0.10a | 0.25±0.02b | 4.90±0.69a | 8.73±0.32a | 0.57±0.06a |
| 甘薯―小麦S-W | 3.97±0.39ab | 9.85±0.22b | 2.46±0.12b | 0.41±0.07a | 3.10±0.11b | 6.76±0.39b | 0.46±0.04a |
同列中不同小写字母表示差异显著（P < 0.05）,下同
Different lowercase letters indicate significant difference (P < 0.05) in the same column; S-S: sweet potato-sweet potato, S-P: sweet potato-peanut, S-W: sweet potato-wheat; the same below
2.2 轮作对土壤微生物群落碳源利用的影响
由表2可知,不同种植方式下土壤微生物对六大类主要碳源的利用能力明显不同。与甘薯―甘薯连作相比,甘薯―花生轮作处理中土壤微生物对羧酸类化合物、碳水化合物、氨基酸、胺类化合物的利用能力分别显著（P<0.05）提升10.62%、143.48%、147.06%和145.71%,对多聚化合物和芳香化合物的利用能力分别降低7.06%和6.06%,无显著性差异,甘薯―小麦轮作处理中土壤微生物对碳水化合物、氨基酸和胺类化合物的利用能力分别显著提升105.80%、117.65%和128.95%,对羧酸化合物、多聚化合物和芳香化合物的利用能力分别下降32.74%、22.35%和60.61%,其中对羧酸化合物、芳香化合物的利用能力显著下降。由此可知,不同种植方式下土壤微生物对碳源的利用能力不同。不同轮作方式中,甘薯―花生轮作处理土壤微生物对六大类碳源的利用能力均高于甘薯―小麦轮作处理,其中土壤微生物对羧酸化合物、碳水化合物、芳香化合物的利用能力显著高于甘薯―小麦轮作处理,可见甘薯―花生轮作种植下土壤微生物对碳源的利用能力明显强于甘薯―小麦轮作。
表2 不同轮作方式对土壤微生物群落碳源利用的影响
Table 2
| 处理 Treatment | 羧酸类化合物 Carboxylic acids | 多聚化合物 Poly compound | 碳水化合物 Carbohydrates | 芳香化合物 Aromatic | 氨基酸 Amino acid | 胺类化合物 Amine |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 甘薯―甘薯S-S | 1.13±0.10b | 0.85±0.16a | 0.69±0.07c | 0.66±0.07a | 0.51±0.04b | 0.38±0.06b |
| 甘薯―花生S-P | 1.25±0.06a | 0.79±0.13a | 1.68±0.11a | 0.62±0.05a | 1.26±0.11a | 0.89±0.07a |
| 甘薯―小麦S-W | 0.76±0.07c | 0.66±0.04a | 1.42±0.14b | 0.26±0.03b | 1.11±0.08a | 0.87±0.16a |
2.3 轮作对土壤微生物群落多样性的影响
由表3可知,不同轮作方式下土壤多样性指数表现不同。与甘薯―甘薯连作相比,甘薯―花生、甘薯―小麦处理中的丰富度指数分别显著提高41.90%和60.34%,均匀度指数分别显著提高99.09%和81.55%,优势度指数分别显著提高11.30%和38.33%。由此可知,轮作种植对土壤微生物多样性指数变化有一定的影响。不同轮作方式中,甘薯―花生轮作处理的丰富度指数、优势度指数较甘薯―小麦轮作处理分别显著降低11.50%和22.99%,均匀度指数提高9.66%。说明甘薯―花生轮作处理土壤微生物群落均一性较高,但土壤微生物丰富度指数和优势度指数低于甘薯―小麦轮作处理,这可能是由于以可培养的土壤微生物某群落功能多样性来评价土壤微生物功能多样性限制了在土壤中不能培养但占优势地位的微生物群落功能的表现[23],甘薯―小麦轮作处理的微生物群落结构组成、碳源利用能力及功能多样性的变化并不一致,这与Lupwayi等[24]的研究较相似。可见不同轮作方式对土壤微生物群落功能多样性影响不同。
表3 不同轮作方式对土壤微生物多样性指数的影响
Table 3
| 处理 Treatment | 丰富度指数 Shannon index | 均匀度指数 Mclntoch index | 优势度指数 Simpson index |
|---|---|---|---|
| 甘薯―甘薯S-S | 1.79±0.28c | 4.39±0.47b | 43.64±1.24c |
| 甘薯―花生S-P | 2.54±0.12b | 8.74±0.43a | 48.57±2.12b |
| 甘薯―小麦S-W | 2.87±0.15a | 7.97±0.73a | 63.07±1.47a |
2.4 土壤微生物群落与环境因子间的相互关系
由图1a可知,基于特征向量载荷因子相联系的排序轴1和2能够在累积变量83.92%上解释不同处理的土壤养分对土壤微生物群落主要类群的影响。土壤细菌、放线菌、G+、G-生物量及G+/G-与土壤全磷、全氮、速效磷、碱解氮、有机质含量呈正相关,与土壤速效钾含量呈负相关;土壤真菌生物量和真菌/细菌与速效钾含量呈正相关,与土壤全磷、全氮、速效磷、碱解氮、有机质含量呈负相关,其中土壤速效磷（63.0%）和全氮（14.0%）为主要驱动因子。说明外源速效磷和全氮的摄入有利于土壤细菌、放线菌、G+、G-生物量及G+/G-的增加,抑制土壤真菌生物量及真菌与细菌比值的增加。
图1
图1
土壤微生物群落结构(a)、碳源利用能力(b)、多样性指数(c)与环境因子间的RDA分析
AP、AK、AN、TN、TP、OM和pH分别指土壤速效磷、速效钾、碱解氮、全氮、全磷、有机质和pH值;F/B、bacteria、Actinomycete、fungal、G+、G-、G+/C-分别代表土壤真菌/细菌、细菌、放线菌、真菌、革兰氏阳性菌、革兰氏阴性菌、革兰氏阳性菌/革兰氏阴性菌;carboh、pol、carbox、phe、amino、amine分别代表碳水化合物、多聚化合物、羧酸类化合物、芳香类化合物、氨基酸、胺类化合物;shanindx、Mclnindx、Simpindx分别代表丰富度指数、均匀度指数、优势度指数。SS1~SS4、SP1~SP4和SW1~SW4分别表示甘薯―甘薯连作、甘薯―花生轮作和甘薯―小麦轮作的4个重复
Fig.1
The RDA analysis between soil microbial community structure (a), carbon source utilization capacity(b), diversity index (c)and environmental factors
The AP, AK, AN, TN, TP, OM and pH represent the soil available phosphorus, available potassium, alkali hydrolyzable nitrogen, total nitrogen, total phosphorus, organic matter and pH value, respectively; The F/B, bacterial, actinomycete, fungal, G+, G-, G+/C- represent the fungi/bacteria ratio, soil fungi, bacteria, actinomycete, Gram-positive bacteria, Gram-negative bacteria, Gram-positive bacteria / Gram-negative bacteria ratio, respectively; The carboh, pol, carbox, phe, amino, amine represent the carbohydrates, polymers, carboxylic acids, aromatic compounds, amino acids, amines, The Shanindx, Mclnindx and Simpindx represent the aroma index, evenness index and Simpson index, respectively. SS1-SS4, SP1-SP4 and SW1-SW4 represent four repeats of sweet potato-sweet potato continuous cropping, sweet potato-peanut rotation and sweet potato- wheat rotation, respectively
由图1b可知,排序轴1和2能够在累积变量86.09%上解释土壤养分对土壤微生物群落碳源利用能力的影响,假设性测验结果表明（pseudo-F=4.8,P=0.01）所有排序轴都是显著的（P<0.05）。其中土壤微生物群落对碳水化合物、胺类化合物、氨基酸的利用能力与土壤全磷、全氮、速效磷、碱解氮、有机质含量、pH呈正相关,与土壤速效钾含量呈负相关;对羧酸类化合物、多聚化合物、芳香化合物的利用能力与土壤全磷、全氮、速效磷、碱解氮含量呈正相关,与土壤有机质、速效钾含量、pH呈负相关,土壤碱解氮（43.8%）和速效钾（19.5%）为主要驱动因子。说明外源碱解氮含量的摄入会促进以6类化合物为碳源基质的土壤微生物代谢强度,而土壤速效钾含量的增加会抑制其代谢活动。
由图1c可知,排序轴1和2能够在积累变量92.26%上解释土壤养分对土壤微生物群落功能多样性的影响,假设性测验结果表明（pseudo-F=10.0,P=0.008）,所有排序轴都是极显著的（P<0.01）。其中土壤微生物群落丰富度指数、均匀度指数、优势度指数与土壤全氮、碱解氮、有机质、速效钾含量呈正相关,与土壤全磷、速效磷含量呈负相关,土壤速效钾（51.4%）和全氮（17.5%）为主要驱动因子。说明土壤速效钾、全氮的摄入有利于增加土壤微生物群落功能多样性指数。
从图1中可以看出,各处理点较为分散,并位于不同象限,说明不同种植模式下土壤养分含量对土壤微生物群落结构、碳源利用能力和多样性指数存在相互促进或相互制约的复杂关系。以上结果表明,土壤微生物群落结构与功能多样性受多种土壤环境因子共同影响。
3 讨论
土壤微生物是发挥生态系统功能的重要促进因子,对根系代谢活动、土壤结构形成和肥力转化等有显著影响[25]。磷脂脂肪酸（PLFA）是活体微生物细胞膜的重要组分,目前广泛用于土壤和根系等微生物群落的组成结构分析[26]。有研究[27]表明,土壤微生物群落结构越复杂、物种丰富度越高,土壤生态系统的稳定性就越高。作物轮作种植时植物残体和根系分泌物等相互接触侵染,可直接或间接影响土壤微生物群落结构[28]。胡彦婷等[29]研究表明,轮作种植改变了土壤微生物群落结构多样性和细菌菌落的组成;张笑宇等[30]研究表明,轮作种植提高了土壤中细菌和放线菌数量,降低了真菌数量。本研究中,与甘薯连作相比,甘薯―花生轮作种植细菌、放线菌、革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的生物量显著提高,真菌生物量显著降低,真菌/细菌降低;甘薯―小麦轮作种植细菌、放线菌、真菌、革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌的生物量均降低,真菌/细菌升高。分析认为,可能是由于甘薯―花生、甘薯―小麦轮作种植时根系分泌物数量和种类各不相同,对土壤微生物群落的代谢功能、生长发育产生不同的影响,甘薯―花生轮作较甘薯―小麦轮作具有明显的土壤微生物根际效应。
作物根系及其分泌物为土壤微生物提供了较多种类碳源,在作物与土壤微生物交互作用方面发挥重要作用,植物群落的变化对土壤微生物群落功能的变化有明显影响[31]。杨尚东等[32]研究表明,轮作提高了土壤细菌多样性指数、丰富度指数和均匀度指数,提高了菌群稳定性;也有研究[33]表明,轮作显著提高了土壤微生物丰富度指数,改变了土壤微生物对六大类碳源的利用能力。本研究结果表明,与甘薯连作相比,甘薯―花生轮作种植提高了土壤微生物对羧酸类化合物、碳水化合物、氨基酸和胺类化合物的利用能力;甘薯―小麦轮作种植提高了土壤微生物对碳水化合物、氨基酸和胺类化合物的利用能力,2种轮作方式均提高了土壤微生物群落丰富度指数、均匀度指数和优势度指数。分析认为,轮作种植时由于根系及根系分泌物的残留物质与甘薯根系的相互作用,影响了土壤中以碳源为基质的微生物群落代谢,改变了土壤微生物群落的功能多样性,进而表现出不同的变化。甘薯―花生轮作处理土壤微生物丰富度、优势度指数弱于甘薯―小麦轮作处理,分析认为可能是在甘薯根系土壤中不能表达的某优势种群的功能表现。有研究[34]表明土壤中类芽孢杆菌能降解芳香族和碳水化合物,枯草芽孢杆菌能降解酚酸类化合物等。说明轮作种植时不同作物可通过根系分泌物的侵染作用直接或间接影响以碳源基质为生的土壤微生物群落代谢能力,改变土壤微生物群落功能多样性。
有研究[35,36,37,38]表明,土壤养分变化对土壤微生物群落结构和功能多样性的影响较大。本研究中,土壤微生物群落结构、碳源利用能力和多样性指数均与土壤养分变化有紧密联系,其中土壤速效磷（63.0%）和全氮（14.0%）为土壤微生物群落结构的主要驱动因子;土壤碱解氮（43.8%）和速效钾（19.5%）为土壤微生物碳源利用能力的主要驱动因子;土壤速效钾（51.4%）和全氮（17.5%）为土壤微生物群落多样性指数的主要驱动因子。说明轮作种植下土壤微生物群落结构和功能多样性的变化不仅受作物根系及其分泌物的影响,也受土壤肥力变化的影响。由此可知,甘薯不同轮作方式对土壤微生物群落多样性的变化有不同的影响。
4 结论
甘薯―花生和甘薯―小麦轮作种植改变了土壤微生物群落结构多样性,其中甘薯―花生轮作种植提高了细菌、放线菌、革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌生物量,降低了真菌与细菌比值;甘薯―小麦轮作种植降低了细菌、放线菌、真菌、革兰氏阳性菌和革兰氏阴性菌生物量,提高了真菌/细菌;甘薯―花生和甘薯―小麦轮作提高了土壤微生物对碳水化合物、氨基酸和胺类化合物的利用能力,提高了土壤微生物群落丰富度指数、均匀度指数和优势度指数。土壤微生物群落结构与功能的变化受轮作作物种类及土壤环境因子的共同制约与影响。
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植物与土壤微生物在调控生态系统养分循环中的作用
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陆地生态系统的地上、地下是相互联系的。植物与土壤微生物作为陆地生态系统中的重要组成部分, 它们之间的相互作用是生态系统地上、地下结合的重要纽带。该文首先介绍了植物在养分循环中对营养元素的吸收、积累和归还等作用, 阐述了土壤微生物对养分有效性及土壤质量具有重要的作用。其次, 重点综述了植物与土壤微生物之间相互依存、相互竞争的关系。植物通过其凋落物与分泌物为土壤微生物提供营养, 土壤微生物作为分解者提供植物可吸收的营养元素, 比如共生体菌根真菌即可使植物根与土壤真菌达到互惠。然而, 植物的养分吸收与微生物的养分固持同时存在, 因而两者之间存在对养分的竞争。通过植物多样性对土壤微生物多样性的影响分析, 以及土壤微生物直接或间接作用于植物多样性和生产力的分析,探讨了植物物种多样性与土壤微生物多样性之间的内在联系。针对当前植物与土壤微生物对养分循环的调控机制的争论, 提出植物凋落物是调节植物与土壤微生物养分循环的良好媒介, 植物与土壤微生物的共同作用对维持整个生态系统的稳定性具有重要意义。也指出了目前在陆地生态系统地上、地下研究中存在的不足和亟待解决的问题。
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