作者简介:陈丹梅(1992-),女,四川绵阳人,在读博士。E-mail:544328279@qq.com
试验选择云南省具有代表性的烤烟-休闲-玉米(T-F-M)、烤烟-油菜-玉米(T-C-M)、烤烟-油菜-水稻(T-C-R)和烤烟-苕子-水稻(T-V-R)等4种轮作模式,通过测定土壤养分、酶活性及16S rDNA序列分析,研究了轮作对土壤养分、微生物活性及细菌群落结构的影响。结果表明,经过16年的不同轮作种植后,土壤pH值变化于6.2~7.1之间,有机质和有效氮、磷、钾提高或无显著变化,说明在高强度轮作种植条件下,辅以秸秆还田或冬季休闲均可保持或提高土壤肥力和生产力。土壤微生物量碳氮、蔗糖酶、脱氢酶、脲酶、磷酸酶和过氧化氢酶活性均以T-V-R最高,说明土壤生态环境改善,促进微生物繁衍,数量增加,活性增强。土壤细菌的16S rDNA读数依次为5395(T-F-M)、5864(T-C-M)、5528(T-C-R)和6614(T-V-R),分别代表885,973,969和987种(属)类的细菌,归属于变形菌、绿弯菌、放线菌、酸杆菌、拟杆菌等31个门,其中变形菌门的数量最多,占总量的24.69%~32.49%。此外,在4种轮作处理土壤中,前5种门类的细菌相同,15种优势菌株有6种(属)一样,均有较高的丰富度,但也因种植模式不同而变化,说明土壤是决定细菌组成的基本要素,种植模式可不同程度地改变它们的种群结构。从土壤有机质、有效养分、酶活性、微生物量碳氮、细菌种群结构和多样性等方面看,T-V-R 最佳,该种植模式具有潜在的推广应用价值。
连续种植同一或近缘作物容易发生“ 连作障碍” 。如土壤养分异常积累或过度消耗, 病原微生物迅速繁衍, 化感物质积累, 土壤微生物种群结构失衡, 作物产量品质降低等[1, 2]。玉米(Zea mays)连作降低土壤有益微生物数量, 增加真菌的相对比例, 频繁发生作物病害[3]。西瓜(Citrullus lanatus)根系能分泌酚类物质, 产生自毒作用, 抑制生长, 降低产量[4]。烤烟(Nicotiana tabacum)长期连作, 提高黑胫病和赤星病的发病率, 降低烟叶产量和质量[5]。相反, 轮作能合理利用土壤养分, 改变土壤理化和生物学性质, 保持地力, 增加产量, 提高经济效益[6]。但是, 轮作模式不同, 对土壤理化和生物学性质的影响也不一样。连续5年实施水稻(Oryza sativa)-油菜(Brassica campestris)轮作, 土壤有机质含量显著高于水稻-小麦(Triticum aestivum)和水稻-黑麦草(Lolium perenne)轮作[7]。从土壤酶活性看, 采用草莓(Fragaria ananassa)-休闲种植模式的土壤蔗糖酶活性最高, 草莓-水稻种植模式次之, 草莓-甜瓜(Cucumis melo)轮作最低, 最高比最低提高了94.1%[8]; 但在草莓-休闲种植的土壤中, 酸性磷酸酶和过氧化氢酶活性分别比草莓-甜瓜种植模式降低22.9%和13.5%。在我国东北黑土上, 实施黄瓜(Cucumis sativus)连作、小麦-黄瓜和毛苕子(Vicia villosa)-黄瓜轮作, 轮作显著增加根际细菌种类, 减少结瓜后期的真菌种群, 尤以毛苕子-黄瓜轮作最为显著[9]。
微生物是土壤的重要组成部分, 可释放多种酶类, 参与土壤有机质降解、腐殖质合成和养分循环等生物化学过程[10]。细菌是数量最多和种群最丰富的土壤微生物, 人们通常采用分离培养、磷脂脂肪酸和PCR-DGGE等常规和分子生物学技术研究土壤微生物, 但获得的细菌数量种类有限, 不能充分反映土壤细菌多样化的组成和种群结构。454高通量测序技术是在PCR扩增的基础上, 分析细菌16S rDNA和真菌18S rDNA序列, 与基因库中的已知序列进行对比, 鉴别微生物种(属)类, 具有适用范围广、灵敏性高、可靠性好, 同时检测活性和休眠微生物等特点[11]。
云南省是我国烤烟主产区, 烤烟轮作比例达80%以上, 烟地夏季主要轮作玉米和水稻, 分别占种植面积的64.7%和27.6%, 冬季一般种植油菜和绿肥或休闲, 轮作年限一般为2~3年[12]。选择科学的轮作模式, 减轻连作障碍, 是保持整个农业生产健康和持续发展的重要措施[13], 但相关研究较少。为了深入了解土壤细菌的数量、活性、组成结构和多样性, 建立科学合理的轮作模式, 本研究采用常规方法和454高通量测序技术, 研究了云南省烟区主要轮作模式对土壤养分、微生物活性与细菌群落结构的影响。
云南省烟草农业科学研究院试验基地(N 24° 14', E 102° 30'), 海拔1680 m, 年均温度15.9℃, 年降雨量918 mm, 雨季(4-9月)降雨量占全年的79.5%, 年日照时数2072 h。供试土壤为云南省典型、具有代表性的砂质红壤, pH 6.4, 有机质10.70 g/kg, 全氮0.54 g/kg, 全磷0.11 g/kg, 全钾6.43 g/kg, 有效氮82.0 mg/kg, 有效磷 9.0 mg/kg, 有效钾160.0 mg/kg。
试验始于1998年, 设置烤烟-休闲-玉米(flue cured tobacco-fallowness-maize, T-F-M)、烤烟-油菜-玉米(flue cured tobacco-canola-maize, T-C-M)、烤烟-油菜-水稻(flue cured tobacco-canola-rice, T-C-R)和烤烟-苕子-水稻(flue cured tobacco-vetch-rice, T-V-R)4种轮作模式。小区面积28 m2, 重复3次, 随机区组排列。烤烟、玉米和水稻5月初移栽, 苕子和油菜秋末播种。根据当地大田生产情况, 油菜施用纯氮90 kg/hm2, P2O5 30 kg/hm2; 玉米和水稻施用纯氮112.5 kg/hm2, P2O5 40 kg/hm2; 苕子施用纯氮75 kg/hm2。此外, 水稻、玉米和油菜秸秆全部切碎还田; 绿肥收割多次, 未彻底收割的残桩全部翻压入土。在烤烟种植季节, 基肥由N∶ P2O5∶ K2O=10∶ 10∶ 25烤烟专用肥提供, 施氮量占施肥总量的70%; 剩余30%的氮素由烤烟专用追肥(N∶ P2O5∶ K2O=10∶ 0∶ 25)提供, 在移栽后7~10 d和30~40 d均分两次穴施。在玉米、油菜及苕子种植季节, 化学氮磷分别由尿素和过磷酸钙提供。其中, 玉米和油菜70%的氮和全部磷肥作基肥, 剩余30%的氮分别在油菜云苔期和玉米大喇叭口期作为追肥穴施, 苕子全施基肥。
在2014年油菜和苕子旺长期, 采集0~20 cm的耕层土壤(包括休闲处理), 拣去杂物, 取部分土壤晾干进行常规分析。采用电位法测定土壤pH; 重铬酸钾容量法测定土壤有机质; 碱解扩散法测定土壤碱解氮; NaHCO3提取法测定土壤有效磷; NH4Ac-火焰光度法测定土壤有效钾[14]。土壤蔗糖酶活性采用3, 5-二硝基水杨酸比色法测定, 酶活性以24 h后1 g土壤中生成的葡萄糖(glucose)mg数表示[15]; 磷酸酶活性用磷酸苯二钠比色法测定, 酶活性以24 h后1 g土中释放的酚mg数表示[15]; 脲酶活性用苯酚钠-次氯酸钠显色法测定, 酶活性以24 h后1 g土中N
在上海美吉生物科技有限公司进行细菌16S rDNA测序, 参照454高通量测序方法, 提取、扩增、纯化、定量和均一化细菌16S rDNA, 利用Roche Genome Sequencer FLX测序平台进行测序[17]。然后, 对有效序列进行去杂、修剪、除嵌合体序列等过滤处理, 得到优化序列, 通过聚类分析形成分类单元(operational taxonomic units, OTUs), 采用BLAST程序对比GenBank(http://ncbi.nlm.nih.gov)中的已知序列, 根据97%的相似度确定16S rDNA序列所代表的细菌种(属)类。
利用土壤细菌属(种)数(OTUs)和16S rDNA序列数(Reads)计算土壤细菌的种群特征值, 包括多样性指数和优势度指数。
Shannon-Wiener多样性指数(H)的计算公式为:
H=-
Simpson优势度指数(D)的计算公式为:
D=
用Excel进行基本计算, SPSS 16.0软件进行统计分析, 差异显著性水平为P< 0.05。
在不同种轮作处理的土壤中, pH、有机质和有效养分的含量显著提高或无明显变化(表1)。与原始土壤相比, T-C-M和T-F-M显著提高土壤pH, 从pH 6.4提高到pH 6.9~7.1, 但T-C-R和T-V-R对土壤pH无显著影响。T-C-M、T-C-R和T-V-R不同程度地提高了土壤有机质含量, 增幅变化于16.26%~45.14%之间, 以T-V-R最为显著。T-C-R和T-V-R的有效氮较原始土壤分别提高10.0%和32.5%; 在4种轮作处理的土壤中, 有效磷含量是原始土壤的2.13~4.67倍; T-F-M使土壤有效钾增加64.06%。
| 表1 不同轮作模式对土壤pH、有机质和有效养分的影响 Table 1 Selected properties of the soil under different rotation treatments |
土壤酶活性因轮作模式不同而异(表2)。在T-V-R处理的土壤中, 蔗糖酶、磷酸酶、脱氢酶、过氧化氢酶和脲酶活性最高。在T-F-M、T-C-M和T-C-R处理的土壤中, 蔗糖酶活性无显著差异; 脲酶活性的变化趋势同蔗糖酶。在T-C-M处理的土壤中, 磷酸酶和脱氢酶活性最低, 但脱氢酶活性与T-C-R处理无显著差异。在T-F-M和T-C-R处理的土壤中, 过氧化氢酶活性无显著差异, 但显著低于T-C-M和T-V-R。
| 表2 不同种植模式对土壤酶活性的影响 Table 2 Influence of rotation modals on enzyme activities in soil |
由图1可知, 微生物量碳T-V-R处理最高, 达到154.70 mg/kg; T-C-M和T-C-R次之; T-F-M最低, 仅56.33 mg/kg。但是, 微生物量氮的变化趋势与微生物量碳有所不同, T-V-R最高, T-C-M和T-F-M次之, T-C-R最低。在4种不同轮作模式处理中, 微生物碳氮比差异显著。
2.4.1 稀释曲线
随机抽取测序样品中的16S rDNA读数(reads), 以细菌种(属)类数(OTUs)为纵坐标, 16S rDNA读数为横坐标, 获得稀释曲线(图2)[22]。结果表明, 抽样读数大约在1500以下时, 细菌种(属)类数迅速增加; 读数在1500~4000之间, 细菌种(属)数缓慢增加; 读数超过4000之后, 其种(属)类数的增长逐渐趋于平缓。此外, 细菌稀释曲线的最高值因轮作处理不同而异, T-V-R最高, T-C-M和T-C-R次之, T-F-M最低。
2.4.2 细菌门类
在T-F-M、T-C-M、T-C-R和T-V-R处理的土壤中, 细菌16S rDNA读数依次为5395, 5864, 5528和6614, 分别代表885, 973, 969和987种(属)类的细菌, 其中62.21%~69.72%的细菌读数小于5。土壤细菌分别归属于变形菌(Proteobacteria)、绿弯菌(Chloroflexi)、放线菌(Actinobacteria)、酸杆菌(Acidobacteria)、拟杆菌(Bacteroidetes)、浮霉菌(Planctomycetes)、芽单胞菌(Gemmatimonadetes)及厚壁菌(Firmicutes)等31个门, 约有1%的细菌尚待确定所归属的门类(表3, 图3)。其中, 变形菌门的丰富度最高, 占总量的24.69%~32.49%, 平均29.51%。此外, 在各处理的土壤中, 前5种门类的细菌相同, 依次为变形菌门、绿弯菌门、放线菌门、酸杆菌门和拟杆菌门, 其丰富度因种植模式不同而异。
2.4.3 优势菌株
在各处理的土壤中, 前15种优势菌株的丰富度合计占总量的45.91%~48.58%。其中, 以两种待定细菌(unclassified bacteria)的丰富度最高, 平均占总量的26.68%和11.52%; 第15种优势菌株的丰富度占总量的0.24%~0.44%。
| 图3 不同种植处理的土壤中, 前10个门类细菌16S rDNA序列数及其丰富度Fig.3 The 16S rDNA reads and abundance of top 10 bacterial phyla in soil with different cropping treatments |
由表3可知, 在15种优势菌株中, 待定细菌-1、待定细菌-2、酸杆菌、芽单胞菌、放线菌和绿弯菌共存于4种轮作模式的土壤中。其中, 待定细菌-1和待定细菌-2的丰富度合计高达42.62%~45.68%, 且不因轮作处理而发生改变; 酸杆菌、放线菌和芽单孢菌属于已鉴定的前5种优势菌株。此外, 伯克氏菌(Burkholderiaceae)共存于T-F-M、T-C-M和T-V-R处理的土壤; 黏球菌、α -变形菌和酸微菌是T-F-M、T-C-R和T-V-R的共有细菌; β -变形菌同时存在于T-C-M、T-C-R和T-V-R处理的土壤。
在15种优势菌株中, 梭菌仅发现于T-F-M处理的土壤; 链霉菌、终极腐霉菌和黄杆菌为T-C-M处理土壤的独有菌株; 在T-C-R处理的土壤中, 独有菌株包括变形菌、假单胞菌、浮霉状菌和根瘤菌; 在T-V-R处理的土壤中, 中慢生型天山根瘤菌和贪噬菌为独有菌株。
2.4.4 细菌群落特征值 在T-V-R的土壤中, 细菌多样性指数最高, 达到3.925; T-C-M次之, 为3.756; T-F-M和T-C-R最低。但是, 优势度指数T-F-M最高, 达0.711, T-V-R最低, 仅0.583(表4)。
| 表4 各轮作处理土壤细菌群落特征值 Table 4 Characteristic values of bacterial communities in soil under different rotation treatments |
经过16年的轮作种植, 有机质和有效养分提高或无显著变化, 土壤pH变化于6.2~7.1之间, 仍然在粮、油、经、蔬等多种作物种植的适合范围之内, 说明在高强度轮作种植条件下, 辅以秸秆还田或冬季休闲均可保持或提高土壤肥力和生产力。此外, 在各轮作处理的土壤中, 有效磷高达19.2~42.0 mg/kg, 是原始土壤 9.0 mg/kg的2.13~4.67倍, 可以适量减施磷肥。综合土壤pH、有机质和有效养分的变化, 以T-V-R种植模式最佳。
土壤有机质是微生物的碳源和氮源[23]。秸秆还田和轮作向土壤提供大量的、丰富多样的有机质, 可满足不同微生物对碳源和养分的需要。在实施T-V-R轮作的过程中, 水旱轮作, 嫌/好气交替, 创造了适合多种微生物繁衍的不同土壤环境; 烤烟、水稻和苕子的近缘性小, 有机成分差异较大, 有益于不同微生物的繁殖生长。因此, T-V-R土壤中的微生物量碳氮最高, 16S rDNA读数最大, 细菌种(属)类最多。从土壤酶活性看, T-V-R轮作的蔗糖酶、脱氢酶、磷酸酶、过氧化氢酶和脲酶活性最强, 推测微生物分泌的酶较多[24], 土壤酶活性强促进有机质分解、腐殖质合成、养分转化、生物固氮、污染物清除等[25]。
在不同轮作处理的土壤中, 土壤微生物量碳氮比高低相差约2.5倍, 意味着它们的群落结构也发生了显著变化。本文采用454高通量测序方法, 揭示了细菌从门类到种(属)的组成、优势菌株、丰富度和多样性特征等。结果表明, 稀释性曲线呈迅速增加-缓慢增加-逐渐平缓的变化趋势, 说明16S rDNA的样本量和测序数据合理, 准确地反映了样本中的细菌数及组成情况; 稀释曲线的峰值高低不一, 意味着轮作处理影响细菌的多样性。一般认为, 多样性指数表示生物群落中的物种多寡, 数值愈大表示群落中的物种越丰富; 优势度指数越大, 生物群落内的奇异度越高, 优势种群突出[26]。在健康稳定的生态环境中, 生物多样性指数较高, 优势度指数较低。T-V-R显著提高细菌群落的多样性指数, 但降低优势度指数。因此, T-V-R处理的土壤生态环境较好, 有益于细菌生长繁殖, 数量增多, 种群增加, 密度增大。此外, 在不同种植模式的土壤中, 细菌的丰富度因轮作和它们的门、属、种不同而异, 存在885~987种(属)的细菌, 远远超过了目前的常规培养、磷脂脂肪酸和PCR-DGGE能达到的水平。因此, 更能深入研究土壤细菌的组成和群落结构。值得注意的是, 16S rDNA读数和细菌OTUs以T-V-R最高, T-F-M最低, 说明T-V-R土壤中的细菌数和种(属)类最多。
在4种轮作处理的土壤中, 前5种门类的细菌相同, 但因种植模式不同而影响其丰富度。在前15种优势细菌中, 有 6种(属)共同存在于各轮作处理的土壤中, 均有较高的丰富度, 也因种植模式不同而发生变化; 其中待定细菌-1和待定细菌-2的丰富度合计高达42.62%~45.68%, 居绝对优势地位。说明土壤是决定细菌组成的基本要素, 种植模式可不同程度地改变细菌的种群结构。从优势菌株的功能看, 丰富度最高的待定细菌-1和待定细菌-2尚待鉴定分类, 需要明确其生物学功能; 酸杆菌广泛存在于自然界的各种环境中, 具有丰富的遗传和代谢多样性, 对稳定生态系统贡献极大[27, 28]; 放线菌也是自然界分布最广泛的微生物类群之一, 参与土壤有机质转化, 土壤结构形成, 植物生长素和抗生素分泌[29]; 绿弯菌是活性污泥的组成成分之一[30], 生活在好氧环境下, 有利于土壤中有毒物质的降解。除T-C-R之外, 其他3种轮作处理的土壤都存在伯克氏菌, 且丰富度较高, 它们能分泌生长素、ACC脱氨酶和铁载体, 溶解矿物态无机磷, 促进番茄(Lycopersicon esculentum)、美洲商陆(Phytolacca Americana)和籽粒苋(Amaranthus hypochondriacus)生长, 提高植物抗(耐)重金属的能力[31, 32]。此外, T-V-R处理的土壤中还存在贪噬菌和中慢生型天山根瘤菌, 前者参与有机磷、硝基酪氨酸、除草剂、三氯乙烯等的生物降解[33, 34], 中慢生型天山根瘤菌明显与苕子结瘤固氮有关。因此, 优势细菌的作用与土壤功能密切相关。
总之, 不同轮作方式均有益于保持或提高土壤肥力和土地生产力。从土壤有机质、有效养分、酶活性、微生物量、细菌种群结构和多样性等方面看, T-V-R最佳, 是值得推广的一种种植模式。
The authors have declared that no competing interests exist.
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