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不同连作年限黄壤烟田土壤细菌群落的差异

寇智瑞 周鑫斌

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不同连作年限黄壤烟田土壤细菌群落的差异

    作者简介: 寇智瑞E-mail:1784759381@qq.com;
    通讯作者: 周鑫斌, E-mail:zxbissas@swu.edu.cn
  • 基金项目: 中国烟草总公司科技重点项目 (110201902005)。

Variation of soil bacterial community in tobacco field after different years of continuous monocropping

    Corresponding author: ZHOU Xin-bin, E-mail:zxbissas@swu.edu.cn
  • 摘要:   【目的】  良好的土壤微生态环境有利于烟田土壤养分的生物转化和烤烟优良品质的形成。本研究利用高通量测序技术,分析了重庆不同种植年限黄壤烟田的土壤细菌群落多样性和结构组成与连作年限的关系。  【方法】  在重庆市选取未种植烤烟 (CK) 和连续种植烤烟1年、3年、5年、8年、10年和12年的地块 (土壤类型为黄壤),取0—20 cm耕层土样,分析其土壤理化性状。对高通量测序所得的细菌原始数据质控、优化等预处理后进行OTU分析,按照97%的相似性阀值将序列划分为不同的OTU,用于分析细菌群落的组成 (关键物种差异比较柱状图),进而进行样本比较分析 (beta多样性分析)、关联与模型预测分析 (相关性heatmap图) 等统计和可视化分析。  【结果】  1) 土壤pH随连作年限的增加呈下降趋势,种植8~12年的土壤pH、有机质和微生物量碳均显著低于1~5年的,种植12年的又显著低于种植8~10年的;土壤碱解氮和速效钾随着连作年限的增加则显著增加,碱解氮含量表现为:种植1年 < 3~5年 < 8年 < 10~12年 (P < 0.05),速效钾含量则表现为,种植1~5年显著低于8年,8年的又显著低于10~12年 (P < 0.05);有效磷含量随着连作年限的增加显著降低,特别是种植12年的,除连作8年的土壤外均显著降低。2) 土壤细菌群落和组成随种植年限的延长而变化,种植5年的烟田细菌的多样性和丰富度最高,多样性Shannon指数和丰富度Chao 1指数分别达到6.23和1686,连作5年后,细菌的多样性和丰富度开始下降,并在连作12年时最低。当连作年限达到12年时,酸杆菌门的含量锐减到13.9%,主要菌属之一的嗜酸杆菌属基本消失,厌氧菌属的含量显著升高到2.42%。在13个主要的土壤细菌门类中 (相对丰度 > 1%),拟杆菌门 (P < 0.01)、浮霉菌门 (P < 0.01)、装甲菌门 (P < 0.01) 和蓝藻菌门 (P < 0.01) 在不同种植年限烟田土壤间差异显著;3) 长期连作对黄壤烟田细菌群落组成具有显著影响,土壤细菌多样性和组成与土壤pH、土壤养分等密切相关,土壤pH与放线菌门、变形菌门、绿弯菌门和酸杆菌门呈显著正相关关系。绿弯菌门与土壤pH、有机质、总碳、碱解氮均呈显著正相关关系,说明pH和土壤速效养分是影响土壤细菌组成的关键因子。  【结论】  长期连作严重影响了土壤理化性状,特别是连作5年以上的地块,土壤pH、有机质、活性有机碳和有效磷含量均显著降低,进而显著降低了土壤细菌群落和组成多样性。因此,强烈建议连作5年以上的烟田要进行轮作,以改善土壤微生态环境及促进烟田健康可持续利用。
  • 图 1  不同连作年限土壤细菌群落PCA分析

    Figure 1.  PCA analysis of bacterial communities in soil after different years of monocropping

    图 2  不同年限黄壤烟田细菌门划分水平上的群落结构柱状图和聚类树

    Figure 2.  Histogram and cluster tree of bacterial community in soil after different years of monocropping

    图 3  土壤细菌群落属水平组成及相对丰度

    Figure 3.  Composition and relative abundance of the soil bacteria at the genus level

    图 4  土壤菌门群落结构与连作年限相关性热图

    Figure 4.  Heatmap of soil bacterial community structure at the phyla level under different years of continuous monocropping

    图 5  土壤主要菌门与土壤特性的斯皮尔曼相关性

    Figure 5.  PeCorrelation heatmap of the top soil bacteria phyla and soil properties

    表 1  不同连作年限土壤的基本理化性质

    Table 1.  Basic physicochemical properties of soil in different years of monocropping

    年限
    Years
    (a)
    pH有机质
    OM
    (g/kg)
    可溶性有机碳
    DOC
    (mg/kg)
    微生物量碳
    MBC
    (mg/kg)
    碱解氮
    Available N
    (mg/kg)
    有效磷
    Available P
    (mg/kg)
    速效钾
    Available K
    (mg/kg)
    交换性钙
    Exch. Ca
    (cmol/kg)
    交换性镁
    Exch. Mg
    (cmol/kg)
    Cl
    (mg/kg)
    CK5.83 a11.84 ab81.16 bc125.61 a107.72 d49.92 a103.14 d7.71 a1.96 a16.02 a
    15.44 b12.17 a87.81 ab122.37 a112.61 d45.84 bc117.42 c7.06 a1.62 b15.87 a
    35.36 b11.97 ab90.33 a108.87 b121.36 c42.08 d110.18 c6.98 a1.57 b15.34 a
    55.32 b12.05 a90.58 a109.21 b132.22 c46.80 b122.53 c5.44 b1.26 c17.44 a
    85.17 c11.31 b78.34 cd70.64 c145.57 b41.68 de138.71 b5.71 b1.22 c14.93 b
    105.19 c11.45 b65.56 cd70.89 c156.40 a43.52 cd143.59 a5.44 c1.78 b13.05 b
    124.79 d10.92 c56.81 d69.22 c160.18 a38.96 e143.59 a5.46 c0.94 d13.33 b
    注(Note):同列数据后不同字母表示种植年限间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column mean significantly different among different planting years (P < 0.05).
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    表 2  不同连作年限土壤细菌多样性指数

    Table 2.  Diversity indices of soil bacterial community (Shannon) in different years of monocropping

    年限 (a)
    Years
    Shannon指数
    Shannon index
    Simpson指数
    Shannon index
    Ace 指数
    Ace index
    Chao 1指数
    Chao 1 index
    CK 6.14 ab0.006 b 1478 ab1498 b
    16.08 b0.004 c1407 b1427 b
    36.10 b 0.005 bc 1520 ab 1567 ab
    56.23 a0.003 d1656 a1686 a
    86.12 b0.004 c1414 b1446 b
    105.86 c0.007 b1402 b1448 b
    125.66 d0.010 a1214 c1225 c
    注(Note):同列数据后不同字母表示种植年限间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column mean significantly different among different planting continuous cropping years (P < 0.05)
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    表 3  土壤理化性质、微生物量与土壤细菌α多样性指数的相关关系

    Table 3.  Correlation coefficients between soil physicochemical properties, microbial biomass and soil bacterialα-diverstiy indices

    指数
    Index
    pH有机质
    OM
    可溶性有机碳
    DOC
    微生物量碳
    MBC
    碱解氮
    Available N
    有效磷
    Available P
    速效钾
    Available K
    交换性钙
    Exch. Ca
    交换性镁
    Exch. Mg
    Cl
    Ace0.895*–0.958**–0.856**–0.856**–0.714**–0.656*–0.672*–0.135–0.1660.472
    Chao 10.600**–0.912**–0.887**–0.904**–0.725**–0.645*–0.641*–0.151–0.2170.487
    Shannon0.785*–0.712**–0.686**–0.735**–0.547**–0.692*–0.758**0.199–0.0640.685
    Simpson–0.526*0.354*0.542**0.546**0.523**0.821*0.884**–0.3630.074–0.819*
    注(Note):*—P < 0.05; **—P < 0.01.
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  • [1] 刘国顺. 烟草栽培学[M]. 北京: 中国农业出版社, 2003. 7.

    Liu G S. Tobacco cultivation[M]. Beijing: China Agricultural Press, 2003.
    [2] 刘方, 何晦兵, 刘元生, 等. 长期连作黄壤烟地养分变化及其施肥效应分析[J]. 烟草科技, 2002, 6: 30–33. Liu F, He H B, Liu Y S, et al. Nutrient changes of yellow soil successively planted flue-cured tobacco and its fertilization effect[J]. Tobacco Science & Technology, 2002, 6: 30–33. doi:  10.3969/j.issn.1002-0861.2002.03.010
    [3] 王连君, 谷思玉. 烤烟连作对土壤养分的影响[J]. 烟草科技, 2004, (9): 40–42. Wang L J, Gu S Y. Effect of succession cropping of fluecured tobacco on soil nutrients[J]. Tobacco Science & Technology, 2004, (9): 40–42. doi:  10.3969/j.issn.1002-0861.2004.09.015
    [4] Gans J, Wolinsky M, Dunbar J. Computational improvements reveal great bacterial diversity and high metal toxicity in soil[J]. Science, 2005, 309(5739): 1387–1390. doi:  10.1126/science.1112665
    [5] Koranda M, Kaiser C, Fuchslueger L, et al. Seasonal variation in functional properties of microbial communities in beech forest soil[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2013, 60: 95–104. doi:  10.1016/j.soilbio.2013.01.025
    [6] Hackl E, Pfeffer M, Donat C, et al. Composition of the microbial communities in the mineral soil under different types of natural forest[J]. Soil Biology & Biochemistry, 2005, 37(4): 661–671.
    [7] 冯俊喜, 王树声, 石屹, 等. 山东烟区不同种植模式土壤微生物群落特征研究[J]. 中国烟草科学, 2011, 32(2): 38–42. Feng J X, Wang S S, Shi Y, et al. Characteristics of soil microbial community under different cropping systems in flue-cured tobacco growing areas of Shandong Province[J]. Chinese Tobacco Science, 2011, 32(2): 38–42. doi:  10.3969/j.issn.1007-5119.2011.02.009
    [8] 段玉琪, 晋艳, 陈泽斌, 等. 烤烟轮作与连作土壤细菌群落多样性比较[J]. 中国烟草学报, 2012, 18(6): 53–59. Duan Y Q, Jin Y, Chen Z B, et al. Comparison of bacteria diversity between tobacco plantation soils of rotational cropping and continuous cropping[J]. Acta Tabacaria Sinica, 2012, 18(6): 53–59. doi:  10.3969/j.issn.1004-5708.2012.06.011
    [9] 陈冬梅, 柯文辉, 陈兰兰, 等. 连作对白肋烟根际土壤细菌群落多样性的影响[J]. 应用生态学报, 2010, 21(7): 1751–1758. Chen D M, Ke W H, Chen L L, et al. Diversity of bacterial community in rhizosphere soils under effects of continuously planting burley tobacco[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2010, 21(7): 1751–1758.
    [10] Will C, Thürmer A, Wollherr A, et al. Horizon specific bacterial community composition of German grassland soils, as revealed by pyrosequencing-based analysis of 16SrRNA genes[J]. Applied & Environmental Microbiology, 2010, 76(20): 6751–6759.
    [11] Zhou Y J, Li J H, Friedman C R, et al. Variation of soil bacterial communities in a chronosequence of rubber tree (Hevea brasiliensis) plantations[J]. Frontiers in Plant Science, 2017, 8: 849. doi:  10.3389/fpls.2017.00849
    [12] 鲁如坤. 土壤农业化学分析方法[M]. 北京: 中国农业科技出版社, 2000, 125-233.

    Lu R K. Analytical methods of soil and agricultural chemistry[M]. Beijing: China Agricultural Science and Technology Press, 2000. 125-233.
    [13] 马宁宁. 设施番茄根围土壤的微生物特性研究[D]. 沈阳: 沈阳农业大学博士学位论文, 2013.

    Ma N N. Study on soil microbial of properties in protected tomato root cirumference[D]. Shenyang: PhD Dissertation of Shenyang Agricultural University, 2013.
    [14] 秦越, 马琨, 刘萍. 马铃薯连作栽培对土壤微生物多样性的影响[J]. 中国生态农业学报, 2015, 23(2): 225–232. Qin Y, Ma K, Liu P. Effect of potato continuous cropping on genetic diversity of soil microorganisms[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2015, 23(2): 225–232.
    [15] 吴凤芝, 王学征. 设施黄瓜连作和轮作中土壤微生物群落多样性的变化及其与产量品质的关系[J]. 中国农业科学, 2007, (10): 2274–2280. Wu F Z, Wang X Z. Effect of monocropping and rotation on soil microbial community diversity and cucumber yield, quality under protected cultivation[J]. Scientia Agricultura Sinica, 2007, (10): 2274–2280. doi:  10.3321/j.issn:0578-1752.2007.10.021
    [16] Ma X M, Yang Q H, Niu S L, et al. Chemically regulation of development and physiological characters of tobacco root[J]. Acta Botanica Boreali-Occidentalia Sinica, 2000, 20(6): 1219–1224.
    [17] 刘艳霞, 李想, 蔡刘体, 等. 烟草根系分泌物酚酸类物质的鉴定及其对根际微生物的影响[J]. 植物营养与肥料学报, 2016, 22(2): 418–428. Liu Y X, Li X, Cai L T, et al. Identification of phenolic acids in tobacco root exudates and their role in the growth of rhizosphere microorganisms[J]. Journal of Plant Nutrition and Fertilizers, 2016, 22(2): 418–428. doi:  10.11674/zwyf.14493
    [18] Qu X H, Wang J G. Effect of amendments with different phenolic acids on soil microbial biomass, activity, and community diversity[J]. Applied Soil Ecology, 2007, 39(2): 172–179.
    [19] 王梓廷. 土壤微生物群落分布和多样性对保护性耕作的响应及其机制[D]. 陕西杨陵: 西北农林科技大学博士学位论文, 2018.

    Wang Z T. Distribution and diversity of soil microbial community response to conservation tillage and its mechanism[D]. Yangling, Shaanxi: PhD Dissertation of Northwest A&F University, 2018.
    [20] Lauber C L, Hamady M, Knight R, et al. Pyrosequencing-based assessment of soil pH as a predictor of soil bacterial community structure at the continental scale[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2009, 75(15): 5111–5120. doi:  10.1128/AEM.00335-09
    [21] 张媚, 林马水, 曹秀秀, 等. 不同经营模式山核桃林地土壤pH值、养分与细菌多样性的差异[J]. 生物多样性, 2018, 26(6): 611–619. Zhang M, Lin M S, Cao X X, et al. Difference in pH value and nutrient and bacterial diversity in the Carya cathayensis forest soil under different management models[J]. Biodiversity Science, 2018, 26(6): 611–619. doi:  10.17520/biods.2017268
    [22] 宋兆齐, 王莉, 刘秀花, 等. 云南4处酸性热泉中的变形菌门细菌多样性[J]. 河南农业大学学报, 2016, 50(3): 376–382. Song Z Q, Wang L, Liu X H, et al. The diversities of Proteobacteria in four acidic hot springs in Yunnan[J]. Journal of Henan Agricultural University, 2016, 50(3): 376–382.
    [23] 纳小凡, 郑国琦, 彭励, 等. 不同种植年限宁夏枸杞根际微生物多样性变化[J]. 土壤学报, 2016, 53(1): 241–252. Na X F, Zheng G Q, Peng L, et al. Microbial biodiversity in rhizosphere of lycium bararum l. relative to cultivation history[J]. Acta Pedologica Sinica, 2016, 53(1): 241–252. doi:  10.11766/trxb201503030643
    [24] 纳小凡, 郑国旗, 邢正操, 等. 连作对再植枸杞根际细菌群落多样性和群落结构的影响[J]. 土壤学报, 2017, 54(5): 1280–1292. Na X F, Zheng G Q, Xing Z C, et al. Effects of monocropping on diversity and structure of the bacterial community in rhizosphere of replanted Lycium barbarum L[J]. Acta Pedologica Sinica, 2017, 54(5): 1280–1292.
    [25] Nacke H, Thürmer A, Wollherr A, et al. Pyrosequencing-based assessment of bacterial community structure along different management types in german forest and grassland soils[J]. PLoS ONE, 2011, 6(2): e17000. doi:  10.1371/journal.pone.0017000
    [26] Suleiman A K A, Manoeli L, Boldo J T, et al. Shifts in soil bacterial community after eight years of land-use change[J]. Systematic & Applied Microbiology, 2013, 36(2): 137–144.
    [27] 于冰, 宋阿琳, 李冬初, 等. 长期施用有机和无机肥对红壤微生物群落特征及功能的影响[J]. 中国土壤与肥料, 2017, (6): 58–65. Yu B, Song A N, Li D C, et al. Influences of long-term application of organic and inorganic fertilizers on the structure and function of microbial community in red soil[J]. Soil and Fertilizer Sciences in China, 2017, (6): 58–65. doi:  10.11838/sfsc.20170609
    [28] Tian T, Chen Z, Tian Y, et al. Microbial diversity in solar greenhouse soils in Round-Bohai Bay-Region, China: The influence of cultivation year and environmental condition[J]. Environmental Science and Pollution Research, 2017, (D1): 1–14.
    [29] Bever J D. Feeback between plants and their soil communities in an old field community[J]. Ecology, 1994, 75(7): 1965–1977. doi:  10.2307/1941601
    [30] Schloter M, Dilly O, Munch J C. Indicators for evaluating soil quality[J]. Agriculture Ecosystems & Environment, 2003, 98(1): 255–262.
  • [1] 王先芳任天志智燕彩张贵龙李洁王知文 . 添加生物炭改善菜地土壤氨氧化细菌群落并提高净硝化率. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(3): 502-510. doi: 10.11674/zwyf.19254
    [2] 刘平静肖杰孙本华高明霞张树兰杨学云冯浩 . 长期不同施肥措施下塿土细菌群落结构变化及其主要影响因素. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(2): 307-315. doi: 10.11674/zwyf.19102
    [3] 张鑫周卫艾超黄绍敏梁国庆 . 秸秆还田下氮肥运筹对夏玉米不同时期土壤酶活性及细菌群落结构的影响. 植物营养与肥料学报, 2020, 26(2): 295-306. doi: 10.11674/zwyf.19062
    [4] 吴瑕杨凤军张文慧靳亚忠高凤吴凤芝 . 间作对分蘖洋葱与番茄根际土壤磷转化强度及磷细菌群落结构的影响. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(8): 1422-1433. doi: 10.11674/zwyf.18331
    [5] 王义坤孙琪然段亚楠王柯陈学森沈向尹承苗毛志泉 . 三种菌肥对苹果连作土壤环境及平邑甜茶幼苗生长的影响. 植物营养与肥料学报, 2019, 25(4): 630-638. doi: 10.11674/zwyf.18109
    [6] 毛云飞于文章王增辉杨恒峰张佳腾高付凤陈学森毛志泉沈向 . 土施维生素B6对苹果园土壤微生物多样性的影响. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(2): 394-403. doi: 10.11674/zwyf.17323
    [7] 符鲜杨树青刘德平刘敏韩天凯 . 不同盐渍化土壤中微生物对氮肥的响应. 植物营养与肥料学报, 2018, 24(3): 661-667. doi: 10.11674/zwyf.17355
    [8] 张俊华张翼李明 . 药用植物宁夏枸杞 (Lycium barbarum L.) 土壤细菌群落演替特征. 植物营养与肥料学报, 2017, 23(3): 686-695. doi: 10.11674/zwyf.16338
    [9] 秦杰姜昕周晶马鸣超关大伟周宝库赵百锁杜秉海李俊 . 长期不同施肥黑土细菌和古菌群落结构及主效影响因子分析. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(6): 1590-1598. doi: 10.11674/zwyf.2015.0626
    [10] 崔雯雯宋全昊高小丽贾志宽 . 糜子不同种植方式对土壤酶活性及养分的影响. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(1): 234-240. doi: 10.11674/zwyf.2015.0126
    [11] 王进闯王敬国 . 大豆连作土壤线虫群落结构的影响. 植物营养与肥料学报, 2015, 21(4): 1022-1031. doi: 10.11674/zwyf.2015.0422
    [12] 孙雪姣徐婷婷叶海冬都李萍应杰章晓凝李鑫张崇邦* . 模拟人工湿地中硫酸盐氯霉素处理对细菌数量、湿地酶活性和生化作用的影响. 植物营养与肥料学报, 2014, 20(5): 1311-1317. doi: 10.11674/zwyf.2014.0529
    [13] 韩哲刘守伟潘凯吴凤芝 . 不同栽培模式对黄瓜根际土壤酶活性及细菌群落结构的影响. 植物营养与肥料学报, 2012, 18(4): 922-931. doi: 10.11674/zwyf.2012.11479
    [14] 刘素慧刘世琦张自坤尉辉张宇马琳杨晓建窦娟 . EM对连作大蒜根际土壤微生物和酶活性的影响. 植物营养与肥料学报, 2011, 17(3): 718-723. doi: 10.11674/zwyf.2011.0302
    [15] . 东北春玉米连作体系中土壤氮矿化、残留特征及氮素平衡. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(5): 1144-1152. doi: 10.11674/zwyf.2010.0515
    [16] 邓阳春黄建国 . 长期连作对烤烟产量和土壤养分的影响. 植物营养与肥料学报, 2010, 16(4): 840-845. doi: 10.11674/zwyf.2010.0409
    [17] 解开治徐培智李康活周少川陈建生唐拴虎张发宝黄旭 , . 三种不同种植模式对土壤细菌群落多样性的影响. 植物营养与肥料学报, 2009, 15(5): 1107-1113. doi: 10.11674/zwyf.2009.0518
    [18] 米国华赖宁薇陈范骏刘鹰张福锁 . 细菌、真菌及植物氮营养信号研究进展. 植物营养与肥料学报, 2008, 14(5): 1008-1016. doi: 10.11674/zwyf.2008.0530
    [19] 吕卫光沈其荣余廷园诸海涛 . 酚酸化合物对土壤酶活性和土壤养分的影响. 植物营养与肥料学报, 2006, 12(6): 845-849. doi: 10.11674/zwyf.2006.0615
    [20] 吴凤芝孟立君王学征 . 设施蔬菜轮作和连作土壤酶活性的研究. 植物营养与肥料学报, 2006, 12(4): 554-558. doi: 10.11674/zwyf.2006.0416
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-05-30
  • 网络出版日期:  2020-04-23
  • 刊出日期:  2020-03-01

不同连作年限黄壤烟田土壤细菌群落的差异

  • 基金项目: 中国烟草总公司科技重点项目 (110201902005)。
  • 摘要:   【目的】  良好的土壤微生态环境有利于烟田土壤养分的生物转化和烤烟优良品质的形成。本研究利用高通量测序技术,分析了重庆不同种植年限黄壤烟田的土壤细菌群落多样性和结构组成与连作年限的关系。  【方法】  在重庆市选取未种植烤烟 (CK) 和连续种植烤烟1年、3年、5年、8年、10年和12年的地块 (土壤类型为黄壤),取0—20 cm耕层土样,分析其土壤理化性状。对高通量测序所得的细菌原始数据质控、优化等预处理后进行OTU分析,按照97%的相似性阀值将序列划分为不同的OTU,用于分析细菌群落的组成 (关键物种差异比较柱状图),进而进行样本比较分析 (beta多样性分析)、关联与模型预测分析 (相关性heatmap图) 等统计和可视化分析。  【结果】  1) 土壤pH随连作年限的增加呈下降趋势,种植8~12年的土壤pH、有机质和微生物量碳均显著低于1~5年的,种植12年的又显著低于种植8~10年的;土壤碱解氮和速效钾随着连作年限的增加则显著增加,碱解氮含量表现为:种植1年 < 3~5年 < 8年 < 10~12年 (P < 0.05),速效钾含量则表现为,种植1~5年显著低于8年,8年的又显著低于10~12年 (P < 0.05);有效磷含量随着连作年限的增加显著降低,特别是种植12年的,除连作8年的土壤外均显著降低。2) 土壤细菌群落和组成随种植年限的延长而变化,种植5年的烟田细菌的多样性和丰富度最高,多样性Shannon指数和丰富度Chao 1指数分别达到6.23和1686,连作5年后,细菌的多样性和丰富度开始下降,并在连作12年时最低。当连作年限达到12年时,酸杆菌门的含量锐减到13.9%,主要菌属之一的嗜酸杆菌属基本消失,厌氧菌属的含量显著升高到2.42%。在13个主要的土壤细菌门类中 (相对丰度 > 1%),拟杆菌门 (P < 0.01)、浮霉菌门 (P < 0.01)、装甲菌门 (P < 0.01) 和蓝藻菌门 (P < 0.01) 在不同种植年限烟田土壤间差异显著;3) 长期连作对黄壤烟田细菌群落组成具有显著影响,土壤细菌多样性和组成与土壤pH、土壤养分等密切相关,土壤pH与放线菌门、变形菌门、绿弯菌门和酸杆菌门呈显著正相关关系。绿弯菌门与土壤pH、有机质、总碳、碱解氮均呈显著正相关关系,说明pH和土壤速效养分是影响土壤细菌组成的关键因子。  【结论】  长期连作严重影响了土壤理化性状,特别是连作5年以上的地块,土壤pH、有机质、活性有机碳和有效磷含量均显著降低,进而显著降低了土壤细菌群落和组成多样性。因此,强烈建议连作5年以上的烟田要进行轮作,以改善土壤微生态环境及促进烟田健康可持续利用。

    English Abstract

    • 烤烟是我国重要的经济作物之一,产量和种植面积均位居世界第一。全国烟草种植面积已达到总耕地面积的约7‰,烟草种植在我国国家税收和贫困山区农民的脱贫致富中起着非常重要的作用[1]。但由于我国人多地少,特别是烤烟种植的山区耕地面积极其有限,烟草连作现象极为严重,长期连作加上高强度的土地利用和粗放管理,极大地降低了烟草抗病性和品质。已有研究主要从土壤理化性质、土壤酶活性、土传病害等角度分析连作障碍机理[2-3],在各种连作障碍机制中,根际微生态系统失调可能是连作障碍发生的主要原因[4]

      细菌是土壤微生物中最丰富的一类,它们对有机质的分解、腐殖质的合成、植物营养物质获得、碳氮循环和土壤的发育,具有十分重要的作用[5],在过去,人们运用磷脂脂肪酸法 (PLFAs) 等手段测定土壤细菌结构[6],一些研究者运用PLFA技术分析了烟田土壤微生物区系组成,表明不同烤烟种植模式对土壤微生物生物量及群落结构动态都有影响,其中小麦–烤烟套作体系的土壤微生物多样性指数在各个生育期均最大[7]。段玉琪等[8]利用限制性片段长度多态性聚合酶链反应 (PCR-RFLP) 技术对云南烤烟烟区连作土壤微生物区系进行研究,发现连作使植烟土壤细菌群落结构趋于简单,导致微生物群落功能失调,是引发连作障碍的原因之一。陈冬梅等[9]采用末端限制性片段长度多态性 (T-RFLP) 方法,对恩施白肋烟土壤细菌结构的研究发现,连作1~2年的烟田土壤细菌多样性和丰富度略有升高,但连作4年后,根际鞘氨醇单胞菌属和链霉菌属等益生菌数量减少,蜡状芽孢杆菌等潜在致病菌增加,破坏了烟草根际土壤细菌群落的平衡,使其微生态环境恶化。

      传统的分离和培养方法具有较多的局限性,很难准确揭示细菌的群落结构、功能及多样性。近年来,第二代高通量测序技术在土壤微生物物种、结构、功能和遗传多样性的研究中可以获得丰富的信息,不可培养的土壤细菌通过基因组信息能够全面了解土壤细菌群落状态,该方法目前被广泛应用于土壤微生物区系的研究中[10-11]。然而,烟草连作造成土壤微生物区系特别是细菌群落连续变化的研究还鲜见报道。运用基于16S rRNA高通量测序技术明确不同连作年限的黄壤烟田土壤细菌的种类以及它们之间的相对丰度和进化关系,探讨土壤细菌多样性与土壤环境因子之间的内在联系,揭示不同连作年限种植对黄壤土壤环境带来的影响,对于研究烟田土壤微生态环境的改良有着重要的现实意义,可为我国烤烟可持续种植和利用提供科学依据。

      • 试验地位于重庆市彭水县润溪乡白果坪,东经107°54′44″、北纬29°06′56″,海拔高度为1213 m,为亚热带温润季风气候,气候温和、雨量充沛、光照偏少。多年平均气温17.50℃,常年平均降雨量1104 mm,无霜期312天。

      • 本试验供试烤烟品种为‘云烟87’,垄高40 cm、垄距100 cm、株间距50 cm,种植密度为18000株/hm2,供试区域土壤为黄壤。选择种植年限为1年、3年、5年、8年、10年和12年的烟田,同时选择相邻从未种植过烟草的耕地为对照,每一连作年限的烟田选取3块烟田作为3次重复,所有烟田均按照中国烟草公司统一要求进行栽培和施肥管理,具体施肥方案为:施N总量 120 kg/hm2,N∶P2O5∶K2O = 1∶1∶2.3;磷肥作为基肥一次性施入,氮肥和钾肥按7∶3的比例用于基施和追施,氮肥追施在烟草移栽后的7~10天,钾肥追施在移栽后30天左右。

      • 2018年8月,烟草完全采收后,采集土壤样品。取烟株间垄0—20 cm土壤,每块烟田按照五点取样法采集5个点,并将采集的土壤充分混合均匀,用四分法取出约1千克土样,迅速放入冰盒中保存。将低温保存的土样带回实验室后,迅速过2 mm筛,同时剔除动植物残体及石块等杂质,一部分放入超低温冰箱中保存,用于测定土壤细菌群落结构,另一部分自然风干后,过0.85 mm和0.15 mm土筛,用于测定土壤基本理化性质。

      • 土壤理化指标的测定参考《土壤农化分析》[12],其中,土壤pH值用土水比1∶2 5浸提,电位法测定;土壤有机质使用重铬酸钾外加热法测定;土壤溶解性有机碳含量用水浸提后,取上清液使用岛津TOC-VCPH分析仪测定;土壤微生物生物量碳含量采用氯仿熏蒸—硫酸钾提取法测定;土壤碱解氮采用扩散皿法测定;土壤有效磷 采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—钼锑抗比色法测定;土壤速效钾采用NH4OAc浸提—火焰光度法测定;土壤交换性钙和镁 (Ca、Mg) 采用1 mol/L乙酸铵交换—原子吸收分光光度法测定;土壤水溶性氯 (Cl) 采用硝酸银滴定法测定。

      • 采用FastDNA® SPIN Kit for Soil (Qiagen,CA,USA) 试剂盒提取土壤细菌总DNA,具体方法详见试剂盒使用说明书。采用通用引物338F(5′–ACTCCTACGGGAGGCAGCAG–3′) 以及806R(5′–GGACTACHVGGGTWTCTAAT–3′) 引物对细菌16S rRNA V3,V4区进行PCR扩增。PCR扩增仪为ABI GeneAmp 9700型,PCR扩增步骤:95℃预变性3 min;95℃变性30 s,55℃退火30 s,72℃延伸45 s,循环27次,最后72℃延伸10 min 结束,并用2%琼脂糖凝胶电泳检测PCR产物。待测样品送至上海美吉生物医药科技有限公司,利用Illumina Miseq平台进行高通量测序,MiSeq测序得到的是双端序列数据,首先根据序列之间的重叠关系,将成对的序列拼接 (合并) 成一条序列,同时对序列的质量和合并的效果进行质控过滤,根据序列首尾两端的barcode和引物序列区分样品得到有效序列,并校正序列方向,即为优化数据。得到优化数据后,在Usearch(vsesion 7.0) 软件平台上对优化序列提取非重复序列,便于降低分析中间过程冗余计算量,再去除没有重复的单序列,最后按照97%相似性对非重复序列 (不含单序列) 进行OTU聚类,在聚类过程中去除嵌合体,得到OTU的代表序列,采用RDP classifier贝叶斯算法对97%相似水平的OTU代表序列进行分类学分析,并分别在门水平和属水平统计各样本的群落组成。最后在其I-Sanger云平台上对检测结果进行计算与分析,并将原始数据提交至NCBI存档 (检索号:SRP218195)。

      • 利用Microsoft Excel 2013和SPSS 18.0统计软件对试验数据进行统计及方差分析和主成分分析 (PCA),并用Duncan检验法进行差异显著性分析。为获得更加精确的生物学信息,采用QIIME软件,根据97%的相似度进行生物序列归并,划分出多个OTUs,并利用Mothur软件计算丰富度指数Chao 1和多样性指数Shannon,并进行Alpha多样性分析。具体计算公式为:

        $ {H_{shannon}} = - \sum\limits_{i = 1}^{{S_{obs}}} {\frac{{{n_i}}}{N}ln \frac{{{n_i}}}{N}} $

        式中:Sobs为实际观测到的OTU数目;ni为第i个OTU所含序列数;N为所有的序列数。

        $ {S_{chao1}} = {S_{obs}} + \frac{{{n_1}\left( {{n_1} - 1} \right)}}{{2\left( {n{ _2} + 1} \right)}} $

        式中:Sobs为实际观测到的OTU数目;n1为只含一条序列的的OTU数目;n2为只含有两条序列的OTU数目。

      • 表1可知,随着连作年限的延长,土壤性质发生了显著的变化,土壤pH随连作年限有下降趋势,连作8~12年后的土壤pH、有机质和微生物量碳均显著低于1~5年的,连作12年的又显著低于连作8~10年的。土壤碱解氮和速效钾随着连作年限的增加显著增加,碱解氮含量表现为:种植1年 < 3~5年 < 8年 < 10~12年 (P < 0.05),速效钾含量表现为,种植1~5年显著低于8年,8年的又显著低于10~12年 (P < 0.05)。而有效磷含量随着连作年限的增加显著降低,特别是连作12年的,除连作8年的土壤外均显著降低。中微量元素如交换性钙、镁和水溶性氯随着连作年限增加,均呈不同程度的下降趋势。

        表 1  不同连作年限土壤的基本理化性质

        Table 1.  Basic physicochemical properties of soil in different years of monocropping

        年限
        Years
        (a)
        pH有机质
        OM
        (g/kg)
        可溶性有机碳
        DOC
        (mg/kg)
        微生物量碳
        MBC
        (mg/kg)
        碱解氮
        Available N
        (mg/kg)
        有效磷
        Available P
        (mg/kg)
        速效钾
        Available K
        (mg/kg)
        交换性钙
        Exch. Ca
        (cmol/kg)
        交换性镁
        Exch. Mg
        (cmol/kg)
        Cl
        (mg/kg)
        CK5.83 a11.84 ab81.16 bc125.61 a107.72 d49.92 a103.14 d7.71 a1.96 a16.02 a
        15.44 b12.17 a87.81 ab122.37 a112.61 d45.84 bc117.42 c7.06 a1.62 b15.87 a
        35.36 b11.97 ab90.33 a108.87 b121.36 c42.08 d110.18 c6.98 a1.57 b15.34 a
        55.32 b12.05 a90.58 a109.21 b132.22 c46.80 b122.53 c5.44 b1.26 c17.44 a
        85.17 c11.31 b78.34 cd70.64 c145.57 b41.68 de138.71 b5.71 b1.22 c14.93 b
        105.19 c11.45 b65.56 cd70.89 c156.40 a43.52 cd143.59 a5.44 c1.78 b13.05 b
        124.79 d10.92 c56.81 d69.22 c160.18 a38.96 e143.59 a5.46 c0.94 d13.33 b
        注(Note):同列数据后不同字母表示种植年限间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column mean significantly different among different planting years (P < 0.05).
      • Shannon指数的大小反映了细菌群落的的多样性,Chao 1指数代表土壤细菌丰富度的变化。由表2可知,连作3年的土壤细菌的Shannon指数最高,达到6.23,而连作12年的的最低,为5.66。Shannon指数从大到小依次为3年 > 8年 > 5年 > 1年 > 10年 > 12年。从丰富度变化指数Chao 1分析,种植5年的土壤细菌的Chao 1指数最高,达到1686,相比种植1年的 (1427) 增加了18.15%,而种植12年的土壤最低 (1225),比1年减少了14.16%,比5年减少了27.34%,丰富度指数从大到小依次为5年 > 3年 > 1年 > 8年 > 10年 > 12年。可以看出,随着连作年限的增加,多样性指数和丰富度指数均呈先增加后降低的趋势。

        表 2  不同连作年限土壤细菌多样性指数

        Table 2.  Diversity indices of soil bacterial community (Shannon) in different years of monocropping

        年限 (a)
        Years
        Shannon指数
        Shannon index
        Simpson指数
        Shannon index
        Ace 指数
        Ace index
        Chao 1指数
        Chao 1 index
        CK 6.14 ab0.006 b 1478 ab1498 b
        16.08 b0.004 c1407 b1427 b
        36.10 b 0.005 bc 1520 ab 1567 ab
        56.23 a0.003 d1656 a1686 a
        86.12 b0.004 c1414 b1446 b
        105.86 c0.007 b1402 b1448 b
        125.66 d0.010 a1214 c1225 c
        注(Note):同列数据后不同字母表示种植年限间差异显著 (P < 0.05) Values followed by different letters in a column mean significantly different among different planting continuous cropping years (P < 0.05)
      • 土壤理化性质与土壤细菌α多样性指数的相关性分析表明 (表3)表明,Ace指数、Chao 1指数、Shannon指数与SOM、DOC、MBC、碱解氮、有效磷和速效钾呈显著负相关,与pH值呈显著正相关;Simpson指数与SOM、DOC、MBC、碱解氮、有效磷和速效钾呈显著正相关,与pH值和Cl呈显著负相关。

        表 3  土壤理化性质、微生物量与土壤细菌α多样性指数的相关关系

        Table 3.  Correlation coefficients between soil physicochemical properties, microbial biomass and soil bacterialα-diverstiy indices

        指数
        Index
        pH有机质
        OM
        可溶性有机碳
        DOC
        微生物量碳
        MBC
        碱解氮
        Available N
        有效磷
        Available P
        速效钾
        Available K
        交换性钙
        Exch. Ca
        交换性镁
        Exch. Mg
        Cl
        Ace0.895*–0.958**–0.856**–0.856**–0.714**–0.656*–0.672*–0.135–0.1660.472
        Chao 10.600**–0.912**–0.887**–0.904**–0.725**–0.645*–0.641*–0.151–0.2170.487
        Shannon0.785*–0.712**–0.686**–0.735**–0.547**–0.692*–0.758**0.199–0.0640.685
        Simpson–0.526*0.354*0.542**0.546**0.523**0.821*0.884**–0.3630.074–0.819*
        注(Note):*—P < 0.05; **—P < 0.01.
      • 通过对不同连作年限的土壤样本的OTU组成进行主成分分析,提取两个主成分因子,用来表征细菌群落的特征,其中,PC1的贡献率为48.22%,PC2的贡献率为22.79%,2个主成分累加方差贡献率达到71.01%,可以表征所有的变量特征,所以取2个主成分得分作图来表征细菌群落特征。从第一个主成分来看,在连作3年时贡献率最高,其次是5年,在连作12年时最低;从第二个主成分来看,不同连作年限的贡献率呈现波动性,连作3年和5年时最高,其次是对照、连作1年和10年,连作8年和12年时最低 (图1)。综上,可以认为连作会对土壤细菌群落结构产生影响。

        图  1  不同连作年限土壤细菌群落PCA分析

        Figure 1.  PCA analysis of bacterial communities in soil after different years of monocropping

      • 对不同连作年限的黄壤烟田土壤细菌群落进行门水平层面上的结构分析,在相似水平为97%的条件下对OTUs的代表序列做分类学分析 (图2)。结果表明,7个处理共检出2274个OTUs分布,分属于37个菌门。其中,土壤细菌群落主要由变形菌门 (Proteobacteria)、酸杆菌门 (Acidobacteria)、绿弯菌门 (Chloroflexi)、放线菌门 (Actinobacteria)、蓝藻菌门 (Cyanobacteria)、厚壁菌门 (Firmicutes)、拟杆菌门 (Bacteroidetes)、硝化螺旋菌门 (Nitrospirae)、疣微菌门 (Verrucomicrobia) 等13种菌门以及极少量未知的菌门组成。其中,变形菌门 (24.26%~34.67%)、酸杆菌门 (13.92%~25.79%)、绿弯菌门 (10.89%~22.38%) 和放线菌门 (8.59%~19.80%) 为四种主要菌门。连作1~3年对变形菌门的影响不大,相对丰度依次为34.24%、30.72%,但随着连作年限的增加而降低,连作8a后变形菌门的相对丰度降至27.46%,当连作12年后,变形菌门的相对丰度降至26.76%,相比对照减少了22.82%。对于酸杆菌门而言,CK的相对丰度为19.42%,5年的为20.84%,10年的为25.79%,但当连作年限达到12年后,酸杆菌门的相对丰度又显著减少到13.92%。放线菌门相对丰度在1~10年间介于8.59%~15.00%,在连作12年时显著增加至19.81%。连作5年,变形菌门和酸杆菌门的相对丰度最高,

        图  2  不同年限黄壤烟田细菌门划分水平上的群落结构柱状图和聚类树

        Figure 2.  Histogram and cluster tree of bacterial community in soil after different years of monocropping

        连作5年后,变形菌门和酸杆菌门两大主要菌门的相对丰度减少,而含有致病菌的放线菌门的相对丰度却显著增加,因此在以后的研究中,需要细化连作年限对土壤细菌群落和组成的影响,特别是连作5~8年需要细化研究,比如连作5年、6年、7年和8年,土壤细菌群落和组成是如何变化的还未可知,而这对于当前烟叶生产非常重要。根据进行层次聚类分析,使用非加权组平均法构建树状结构比较各样地土壤细菌群落的相似性和差异关系。可以看出,种植年限为0~5年的烟田土壤菌群结构相似度较高,与连作8年、10年和12年的差异较大,连作8年和10年的烟田土壤菌群结构相似度较高。

        对不同年限烟田土壤11个主要细菌群落门类所占百分比采用Duncan法进行差异显著性检验。检验结果显示,变形菌门 (P = 0.752)、酸杆菌门 (P = 0.654)、绿弯菌门 (P = 0.711)、放线菌门 (P = 0.145)、疣微菌门 (P = 0.433)、硝化螺旋菌门 (P = 0.117) 在不同年限烟田土壤中分布较为均匀,差异不显著;拟杆菌门 (P < 0.01)、浮霉菌门 (P < 0.01)、装甲菌门 (P < 0.01) 和蓝藻菌门 (P < 0.01) 在不同年限种植烟田土壤间差异显著。

        对不同连作年限的黄壤烟田土壤细菌群落进行属水平层面上的组成及相对丰度分析,结果如图3所示。土壤细菌群落主要由51种已知菌属以及约占21.49%~36.55%的未知菌属 (Others) 组成,通过不同连作年限柱体的长度差异可知,连作会对土壤各菌属丰度产生显著影响。CK细菌菌属有360个,种植1年后,菌属个数为349,当连作5年时,菌属个数上升到373,连作8年后菌属数降为343个,当连作12年时,细菌菌属的种类明显减少,菌属个数降至337个,主要菌属之一的嗜酸杆菌属消失,主要菌属的相对丰度产生较大变化,细菌菌属群落结构多样性降低。

        图  3  土壤细菌群落属水平组成及相对丰度

        Figure 3.  Composition and relative abundance of the soil bacteria at the genus level

        图4表明,一些主要菌门如变形菌门 (Proteobacteria)、酸杆菌门 (Acidobacteria)、绿弯菌门 (Chloroflexi)、放线菌门 (Actinobacteria),随着连作年限的增加,菌门在热图中的颜色梯度保持相对稳定,说明菌门的相对丰度未产生较大变化,连作对其的影响不显著。蓝藻菌门 (Cyanobacteria)的丰度在CK组最低,随着连作年限的增加,蓝藻菌门的丰度逐渐增加,在连作12年时达到最高。连作3年后的衣原体菌门 (Chlamydiae) 的丰度最高,其次是连作1年、8年和10年,连作5年时较低,而在连作12年后消失。绿菌门 (Chlorobi) 在对照土壤中没有发现,其丰度在连作1年、5年和连作10年时最高,其次是连作8年和12年,在连作3年时最低。总体上看,连作对主要菌门的影响不显著,但会使一些次要菌门的丰度发生波动。

        图  4  土壤菌门群落结构与连作年限相关性热图

        Figure 4.  Heatmap of soil bacterial community structure at the phyla level under different years of continuous monocropping

      • 土壤细菌的多样性和丰富度对维持土壤生态健康起着关键的作用,可在一定程度上反映土壤的质量状况[13]。本次研究结果显示,相比植烟1年的烟田,连作3年后,土壤细菌群落多样性和丰富度均上升,并在连作5年时丰富度最高,当连作达到8年后,土壤细菌群落的多样性和丰富度显著降低,并且随着连作年限的增加,细菌的多样性和丰富度下降越明显。秦越等[14]对马铃薯连作的研究表明,随着连作年限的增加,土壤细菌群落的多样性和丰富度持续下降,这与吴凤芝等[15]对黄瓜连作的研究结果相似。而本研究结果表明,种植1年的烟田土壤细菌多样性和丰富度较CK低,且随着连作年限的增加,黄壤烟田土壤细菌的多样性和丰富度呈先上升再下降的趋势,造成这一现象的原因可能与烟草根系的活动和根系分泌物的富集有关。烟草根系发达,在耕作层中根系分布的深度和宽度都较大[16],为微生物的繁殖创造了较为有利的环境。刘艳霞等[17]的研究表明,烟草根系分泌物中的苯甲酸和3-苯丙酸能同时促进土壤中病原菌和拮抗菌的生长繁殖,但对病原菌的促进作用显著大于拮抗菌,是造成连作障碍的重要诱因。Qu等[18]的研究表明,2,4-二叔丁基苯酚和香草酸等根系分泌物对微生物的生长繁殖表现为低浓度促进,高浓度抑制。据此我们可以推测,在本研究中,当连续种植1~5年后,烟草根系分泌物在土壤中富集浓度可能还较低,一定程度上还可作为碳源被微生物利用,进而细菌群落的多样性和丰富度逐渐升高。种植8年后,烟草根系分泌物中自毒物质不断积累,抑制了自身生长和土壤有益微生物的活性,使其多样性和丰富度随之降低。

      • 土壤细菌种类多种多样,群落结构的组成受到外界环境的强烈影响[19]。本次对土壤细菌门水平的研究结果发现,对照土壤的优势菌门为变形菌、酸杆菌和放线菌;连作3年后,土壤优势菌门变为变形菌、酸杆菌和绿弯菌;当连作年限为12年时,土壤中的优势菌门变为变形菌、放线菌和绿弯菌。属水平的研究同样表明,不同连作年限的细菌菌属群落结构出现明显的层次变化。造成这一现象的主要原因可能是土壤理化性质的改变。Lauber等[20]的研究认为,土壤pH是影响陆地土壤微生物群落演替的关键因子之一,并显著影响土壤细菌的群落结构组成。张媚等[21]对连作山核桃根际土壤进行基因组测序分析,发现土壤pH值与酸杆菌门、变形菌门、厚壁菌门及子囊菌门等含量显著相关。宋兆齐等[22]研究也发现,温泉水中酸性越强,变形菌门数量越多。纳小凡等[23-24]研究发现,土壤有效磷含量是影响连作枸杞非根际土壤细菌群落的一个主要因素,接合菌门、酸杆菌门和子囊菌门数量与有效磷含量呈显著负相关,芽单胞菌门与有效磷含量显著正相关。本研究中,连作8年后,土壤pH和有效磷含量显著降低,对变形菌门的影响不大,却显著影响了酸杆菌门、放线菌门和绿弯菌门的数量,说明土壤pH和有效磷对细菌群落有显著的影响。

      • 土壤pH值是影响土壤细菌群落结构和多样性的主要影响因子[25]。我们的结果也证实Ace指数、Chao 1指数、Shannon指数与pH值呈显著正相关,多年连作使得土壤pH降低,同时细菌的Ace指数、Chao 1指数、Shannon指数降低;种植8年烟田土壤pH值已降低至5.17,土壤细菌多样性相较种植5年也显著降低。土壤酸碱度与土壤细菌多样性的关系可能存在两个科学假设,第一个假设是,首先某个酸碱度直接对土壤细菌有一个生理限制,进而改变竞争结果或减少单个菌群的净生长使其不能够存活。许多细菌的细胞内pH水平接近中性,因此土壤环境的极端pH值可能会施加一种明显的生理胁迫效应,某些菌群可能比其它菌群对这种胁迫有更好的耐受性,因而其存活的可能性增加[20]。第二个假设是,土壤的酸碱度虽不能直接改变细菌群落,但可能作为一种整体的综合变量,如许多土壤特性 (营养物质有效性、有机质含量、土壤水分状况) 直接或间接与土壤酸碱度相关,这些因素可能导致微生物区系组成的变化[26]。通过斯皮尔曼相关分析证实,土壤pH与放线菌门、变形菌门、绿弯菌门和酸杆菌门数量有显著的相关关系,同时我们发现绿弯菌门与土壤pH、OM、全氮、全磷、碱解氮均有显著的正相关关系 (图5)。这说明速效养分也可能是影响土壤细菌组成的关键因子,以上表明,pH和土壤养分显著影响细菌的群落结构。于冰等在中国湖南的长期定位试验揭示土壤细菌丰度与土壤速效磷含量呈显著正相关,相关系数达到0.902[27],Tian等的研究也证实,土壤钾素含量是影响湿地土壤细菌群落以及丰度变化的主要因素之一[28],但具体影响机制还不清楚。烟田土壤细菌多样性以及结构状况的影响因素是复杂而且多方面的,所以要明确烟田土壤细菌变化机理依然是一项困难、艰巨的任务。要维持土壤细菌多样性以及丰富度,应该加强土壤养分管理,减少因为人为干扰造成的土壤酸化,建立完善的烟草种植体系。

        图  5  土壤主要菌门与土壤特性的斯皮尔曼相关性

        Figure 5.  PeCorrelation heatmap of the top soil bacteria phyla and soil properties

        烟田长期连作改变了土壤微生物区系组成,同时影响烟株生长和烟叶品质[29]。微生物区系是土壤健康的指示者,一个健康的土壤环境是保障烟草正常生长的前提条件[30]。因此,为了维持健康的烟田土壤微生态,推荐采用土壤养分管理措施,比如采用石灰和生物炭等碱性物料改良酸性和平衡烟田土壤养分,特别是中微量元素的补充。同时应积极采取烟田保护性耕作制度,如实行合理的轮作,轮作能够改良土壤结构、提高土壤肥力和改善土壤微生态环境。研究表明,通过合理轮作能显著增加土壤中细菌及放线菌数量、降低土壤中病原菌数量、调节微生物总量、控制细菌和真菌的比值,从而有利于解决连作障碍的发生[8]

      • 1) 对黄壤烟田来说,连作5年不会对土壤理化性质产生显著影响,超过8年会导致土壤酸化和微生物量碳显著降低,超过5年土壤盐基阳离子和有效磷含量显著减少,速效氮、速效钾等养分显著积累。

        2) 长期连作对黄壤烟田细菌群落组成产生显著影响,种植5年的烟田土壤菌群结构与连作8年、10年和12年的差异较大,其中种植8年和10年的烟田土壤菌群结构相似度较高。在13个主要的土壤细菌门类中 (相对丰度 > 1%),拟杆菌门 (P < 0.01)、浮霉菌门 (P < 0.01)、装甲菌门 (P < 0.01) 和蓝藻菌门 (P < 0.01) 在不同年限种植烟田土壤间差异明显,种植5年土壤细菌群落多样性最高。

        3) 土壤细菌多样性和组成与土壤pH、土壤养分等密切相关,土壤pH与放线菌门、变形菌门、绿弯菌门和酸杆菌门有显著的正相关关系,绿弯菌门与土壤pH、有机质、有效磷、碱解氮均有显著的正相关关系,这说明pH和土壤速效养分是影响土壤细菌群落组成的关键因子。

    参考文献 (30)

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