木薯（Manihot esculenta Crantz）有“淀粉之王”之称。不仅是优质淀粉作物,而且是重要生物质能源作物[1,2]。以木薯为主要原料的生物质能源产业已列入国家重点发展产业之一[3,4]。然而,木薯是不耐连作的作物,连年种植不仅产量降低,而且品质也下降。关于木薯连作障碍机理,近年来国内外有不少研究。梁海波等[4]研究表明,木薯连作产量降低主要原因之一是连作土壤肥力下降。王战[5]研究结果表明,木薯连作障碍与土壤磷营养有密切关系。周贵靖[6]研究结果表明,木薯连作障碍与土壤理化性状恶化有关。近年来国内外关于木薯连作障碍机理研究多数集中在土壤肥力和理化性状,而对土壤微生物研究较少[7]。本研究主要从土壤微生物研究木薯连作障碍机理,探讨木薯连作障碍与土壤微生物的关系,为克服木薯连作障碍提供依据。
1 材料与方法
1.1 材料
供试木薯品种为新选048,该品种是广西大学木薯课题组育成,试验在广西南宁市兴宁区五塘镇广西大学木薯种植基地进行。
1.2 方法
1.2.1 试验设计 试验在广西南宁市五塘镇广西大学木薯种植基地进行,试验地土壤为沙壤土。试验设计采用定位轮作与连作对比设置,木薯设轮作和连作2种处理,同一块地一半轮作,另一半连作。轮作：2014年种植甘蔗,2015年种植甘薯,2016年种植玉米,2017年种植木薯。连作：2014—2017年连续4年种植木薯。重复3次,小区面积50 m2。
1.2.2 栽培管理 轮作和连作木薯都在2017年3月30日种植,行距与株距都为1 m。木薯种植前每公顷用N:P2O5:K2O为15:15:15的复合肥750 kg作基肥,种植后60 d施苗肥,其中尿素150 kg/hm2,氯化钾150 kg/hm2,复合肥225 kg/hm2。种后120 d施薯肥,氯化钾225 kg/hm2,复合肥225 kg/hm2。其他栽培管理与常规栽培相同。
1.2.3 土壤采样 在木薯工艺成熟期每个小区随机选取3株,在植株主茎周围20 cm取0~10 cm土层的根际土壤,混匀在-80 ℃保存供测定土壤微生物用。同时测定根际土壤三相比。
1.2.4 测定指标及方法 （1）土壤细菌丰度、多样性,真菌丰度、多样性测定采用高通量分析方法：样品提取DNA后,根据保守区设计得到引物,细菌主要是基于16S区,真菌主要基于18S区或ITS区（内转录间区）,进行PCR扩增和产物纯化、定量和均一化构建文库并进行质检,质检合格的文库用Illumina HiSeq 2500进行测序。高通量测序得到的原始图像数据文件,经碱基识别（base calling）分析转化为原始测序序列（sequenced reads）。
（2）土壤三相比测定采用环刀法。
（3）木薯主要经济性状、块根产量测定：在工艺成熟期每个小区随机取5株考测单株块根数、块根长、块根粗和块根重。收获小区鲜薯称重,折算公顷产量。
（4）块根淀粉含量测定：在工艺成熟期每个小区随机取5株,每株取1条块根切碎混匀后,采用国标酸解法测定块根淀粉含量。
1.3 数据处理
采用Excel 2007软件、SPSS 20软件进行统计分析,并采用Duncan’s法进行多重比较,显著性水平为α=0.05。
2 结果与分析
2.1 木薯轮作与连作土壤微生物
表1 连作与轮作土壤细菌、真菌群落丰度与多样性指数Tab. 1 Bacterial and fungus community richness (Chao1 index) and diversity indices (Simpson, Shannon) relative to continuous and rotation cropping |
| 种植方式 Cropping pattern | 微生物 Microorganism | OTUs Number | Chao1指数 Chao1 index | 辛普森指数 Simpson index | 香农指数 Shannon index |
|---|---|---|---|---|---|
| 连作Continuous | 细菌Bacteria | 2498±122.2a | 2844.9±69.24a | 0.0080±0.0063a | 6.2±0.26a |
| 轮作Rotation | 细菌Bacteria | 2030±233.0b | 2381.7±178.6b | 0.0127±0.0069a | 5.8±0.37a |
| 连作Continuous | 真菌Fungi | 765.0±144.6b | 794.5±137.4b | 0.0617±0.0324a | 4.1±0.73b |
| 轮作Rotation | 真菌Fungus | 914.7±248.9a | 1012.9±395.0a | 0.0213±0.0048a | 4.93±0.13a |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level. | |
注：同列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 |
2.1.2 细菌群落组成 连作土壤样品经物种注释后平均获得39个门、104个纲、163个目、281个科和422个属类细菌;轮作土壤样品经物种注释后平均获得32个门、89个纲、140个目、246个科和347个属类细菌。细菌群落组成在门和属水平见图1。在门水平上,连作土壤样品中,细菌优势菌落为变形菌（Proteobacteria,37.98%）、酸杆菌（Acidobacteria,22.23%）和绿弯菌（Chloroflexi,8.27%）;轮作土壤样品中,细菌优势菌落为变形菌（Proteobacteria,41.83%）、酸杆菌（Acidobacteria,23.04%）和绿弯菌（Chloroflexi,9.03%）。在属水平上,连作土壤样品中,细菌优势菌落为酸杆菌（Acidobacteriaceae,6.78%）和黄色单胞菌（Xanthomonadales,6.31%）;轮作土壤样品中,细菌优势菌落为酸杆菌（Acidobacteriaceae,8.31%）和黄色单胞菌（Xanthomonadales,8.35%）,与周岚等[11]的研究结果相似。
从轮作与连作木薯根际土壤细菌群落组成分析结果可知,连作木薯根际土壤细菌群落中的种群数量比轮作明显增多,这表明木薯连作会引起土壤微生物结构改变而抑制木薯块根生长发育而导致减产。致于土壤微生物结构改变抑制木薯块根生长发育的机理有待进一步研究。
2.1.3 真菌群落组成 连作土壤样品经物种注释后平均获得10个门、22个纲、49个目、80个科和102个属类真菌;轮作土壤样品经物种注释后平均获得10个门、26个纲、55个目、101个科和134个属类真菌。真菌群落组成在门和属水平如图2所示。在门水平上,连作土壤样品中,真菌优势菌落为子囊菌（Ascomycota,49.59%）、担子菌（Basidiomycota,11.82%）和被孢霉（Mortierellomycota,5.79%）;轮作土壤样品中,真菌优势菌落为子囊菌（Ascomycota,41.70%）、担子菌（Basidiomycota,10.13%）和被孢霉（Mortierellomycota,6.47%）。在属水平上,连作土壤样品中,真菌优势菌落为被孢霉（Mortierella,5.65%）、孢子菌（Codinaea,3.91%）和隐球菌（Saitozyma 1.52%）;轮作土壤样品中,真菌优势菌落为被孢霉（Mortierella,6.36%）、隐球菌（Saitozyma, 3.24%）和球腔菌（Mycosphaerella,2.26%）。
从轮作与连作木薯根际土壤真菌群落组成分析结果可知,连作木薯根际土壤真菌群落中的种群数量比轮作明显减少,这表明木薯连作抑制了根际土壤某些真菌种群的生长和繁殖。木薯连作块根生长不良而减产是否与根际土壤真菌种群减少有关,其作用机制如何?这个问题有待进一步研究。
2.2 木薯轮作与连作土壤物理性状
表2 木薯轮作与连作土壤容重比较Tab. 2 Comparison of soil bulk density in rotation and continuous cropping |
| 种植方式 Cropping pattern | 苗期 Seedling stage | 块根形成期 Tuber formation stage | 块根膨大期 Tuber enlargement stage | 块根成熟期 Tuber maturity stage |
|---|---|---|---|---|
| 连作 Continuous | 1.43a | 1.48a | 1.53a | 1.56a |
| 轮作 Rotation | 1.17b | 1.22b | 1.31b | 1.33b |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level. | |
注：同列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 |
表3 木薯连作与轮作土壤三相比 Tab. 3 Three-phase ratios of soil relative to continuous and rotation |
| 种植方式 Cropping pattern | 气相 Gaseous phase/% | 液相 Liquid phase/% | 固相 Solid phase/% |
|---|---|---|---|
| 连作 Continuous | 24.77b | 27.65a | 47.58a |
| 轮作 Rotation | 34.49a | 24.62a | 40.89b |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level. | |
注：同列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 |
2.3 木薯轮作与连作主要经济性状、块根产量
表4 木薯轮作与连作主要经济性状Tab. 4 Main economic characters of cassava in continuous and rotation cropping |
| 种植方式 Cropping pattern | 块根数 Root number | 块根长 Root length/cm | 块根粗 Root thick/mm | 块根重（每株） Root weight/kg | 产量 Yield/(t·hm2) |
|---|---|---|---|---|---|
| 连作Continuous | 9.78±1.64b | 32.76±2.17b | 53.40±1.85b | 3.63±0.11b | 36.29±1.10b |
| 轮作Rotation | 11.38±1.43a | 38.04±2.29a | 59.72±0.43a | 4.83±0.37a | 48.28±3.66a |
Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant difference at 0.05 level. | |
注：同列数据后不同小写字母表示差异显著（P<0.05）。 |
3 讨论
土壤微生物对土壤肥力和作物生长有明显影响。许多研究表明土壤细菌能分解有机质为植物提供有效养分来源,对促进土壤有机物质分解、营养传递和能量流动,促进作物生长起重要作 用[12,13,14];土壤真菌能降解复杂化合物,与作物共生形成菌根,对促进作物生长,维持农业生态系统的稳定具有重要作用[15]。徐海强等[16]对木薯与花生间作的土壤微生物组研究发现,间作可促进土壤微生物活动,改善土壤细菌和真菌的群落结构,促进土壤养分转化,促进木薯、花生生长,提高木薯、花生产量。本研究结果表明,木薯轮作与连作对土壤微生物组的影响有明显差异。轮作可促进土壤真菌种群尤其是好气性种群繁殖,促进养分转化,同时真菌与木薯根共生形成菌根,增强木薯对养分吸收,促进木薯生长,提高木薯产量。连作促进细菌种群尤其是厌氧种群繁殖,抑制养分转化和吸收,导致木薯块根发育不良,产量下降。
土壤真菌与土壤养分有效化有密切关系,土壤微生物中有许多真菌种群参与土壤有机质矿化分解,促进土壤养分有效化,提高土壤有效养分含量[15]。而参与土壤有机质矿化分解的真菌大多是好气性种群,土壤通气性良好可促进好气性微生物活动,从而促进土壤养分有效化。反之,土壤通气不良则抑制土壤好气性微生物活动,影响土壤养分有效化[17]。本研究结果表明,连作木薯土壤容重显著高于轮作木薯,土壤三相比中连作木薯的气相比率比轮作显著降低,根际土壤真菌种群数量比轮作木薯显著减少,这表明,木薯连作由于土壤通气不良,抑制了促进土壤养分转化的真菌种群的生长和繁殖,从而影响土壤养分转化,使土壤有效养分含量下降,影响木薯生长而导致减产。这与周贵靖等[6]研究发现,连作木薯根际土壤速效氮、磷、钾的含量比轮作木薯明显降低的结果一致。与孟品品等[18]研究马铃薯连作的结果相似。