连作与轮作下木薯产量及土壤微生物特征比较

刘珊廷 罗兴录 吴美艳 唐志平 王超超 张家陵

1. 广西大学农学院，广西南宁  530005;2. 亚热带农业生物资源保护与利用国家重点实验室，广西南宁  530005

摘  要  本研究以木薯品种新选048为材料，利用高通量测序技术比较研究木薯连作与轮作的土壤微生物丰度、多样性、群落组成，并结合土壤三相比和木薯产量综合分析，探讨木薯连作障碍与土壤微生物的关系。结果表明：木薯连作土壤的细菌丰度、多样性高于轮作，连作细菌的OTU数目比轮作高23.05%，Chao1指数比轮作高463.2，香农指数比轮作高0.41;而连作真菌丰度、多样性低于轮作，轮作真菌的OTU数目比连作高19.57%，Chao1指数比连作高217.5，香农指数比连作高0.76;连作土壤容重比轮作高0.24 g/cm3;土壤三相比，木薯连作的土壤固相比率比轮作高6.69%，液相比輪作高3.03%，而气相比率比轮作减少9.72%，差异显著（P<0.05）;轮作木薯产量比连作增产11.99 t/hm2，差异显著（P<0.05）。由此可见，土壤微生物组和土壤三相比的变化与木薯连作障碍有密切关系，采取栽培管理措施调节土壤微物组成和土壤三相比，是克服木薯连作障碍的有效途径。

关键词  木薯;连作障碍;土壤微生物;高通量测序

中图分类号  S533      文献标识码  A

Abstract  The relationship between the continuous cropping obstacles of cassava and soil microorganisms was studied by a comprehensive analysis of the soil microbial abundance， diversity， and community composition， yield of cassava under continuous cropping and rotation using a cassava variety Xinxuan 048 as the material and using high-throughput sequencing technology in the experiment. The results showed that the bacterial abundance and diversity of cassava continuous soil were higher than that of the rotation. The number of OTUs of the bacteria for the continuous cropping was 23.05% higher than that of the rotation. The Chao1 index of the continuous cropping was 463.2 higher than that of the rotation and the Shannon index of the continuous croping was 0.41 higher than that of the rotation， while the abundance and diversity of the fungi of the continuous cropping were lower than that of the rotation. The number of OTUs of the fungi of the rotation was 19.57% higher than that of the continuous cropping， the Chao1 index of the fungi of the rotation was 217.5 higher than that of the continuous cropping， and the Shannon index of the rotation was 0.76 higher than that of the continuous crop. The soil bulk density of the continuous cropping was 0.24 g/cm3 higher than of the rotation. The soil solid phase in the continuous cropping was 6.69% higher than that in rotation， and the liquid phases was 3.03%， while gas phases was 9.72% lower than that in rotation. The yield of rotation was 11.99 t/hm2 higher than that of the continuous， reaching a significant level of 0.05. The changes of microbial community in the soil and the solid， liquid and gas phase of the soil were closely related to the continuous cropping obstacles of cassava. It is an effective way to overcome the continuous cropping obstacles of cassava to adopt cultivation management measures to adjust the composition of soil micro-organisms.

Keywords  cassava （Manihot esculenta Crantz）; continuous cropping obstacles; soil microbiome; high-throughput

sequencing

DOI  10.3969/j.issn.1000-2561.2019.08.002

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。王戰[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Duncans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

2.1.1  细菌、真菌丰度与多样性  木薯轮作与连作的土壤细菌、真菌丰度与多样性分析结果见表1。从表1可知，木薯连作土壤细菌OTUs数目及Chao1指数较轮作土壤高，差异显著;而木薯连作土壤细菌Shannon指数值更大，Simpson指数值更小，连作土壤细菌的物种多样性较轮作土壤高，差异不显著[8]。说明木薯连作与轮作相比，土壤细菌丰度存在显著性差异，细菌多样性不存在显著性差异。

从表1可以看出，连作土壤真菌OTUs数目及Chao1指数较轮作土壤低，差异达显著水平（P<0.05）;木薯连作土壤真菌Shannon指数值更小，Simpson指数值更大，连作土壤真菌的物种多样性较轮作土壤低，差异达显著水平（P<0.05）。说明木薯连作与轮作相比，连作土壤真菌丰度与多样性比轮作低[9-10]。

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（Acidobac teriaceae，6.78%）和黄色单胞菌（Xanthomo nadales，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

C：连作;R：轮作。

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（Morti erellomycota，5.79%）;輪作土壤样品中，真菌优势菌落为子囊菌（Ascomycota，41.70%）、担子菌（Basidiomycota，10.13%）和被孢霉（Mortier ellomycota，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

2.2.1  木薯轮作与连作土壤容重  木薯轮作与连作土壤容重测定结果见表2。从表2可以看出，木薯轮作土壤容重明显低于连作，差异达显著水平（P<0.05）。由此可见，木薯轮作可以降低土壤容重。土壤容重降低，土壤紧实度变小，有利木薯块根生长发育和淀粉积累。

2.2.2  木薯轮作与连作土壤三相比  土壤固相、液相和气相体积比是反映土壤通气性、保水性的重要指标。木薯轮作与连作的土壤固相、液相和气相体积测定结果见表3。由表3可知，木薯轮作土壤的固相和液相比连作的低，而土壤的气相比连作高。可见，轮作可以提高土壤的通透性。木薯是块根作物，土壤通透性提高对促进块根的生长发育和淀粉积累起重要作用。

木薯轮作与连作的主要经济性状、块根产量的考测与测定见表4。从表4可知，木薯轮作与连作单株块数、块根粗、块根长、单株块根重、产量轮作显著高于连作。这表明木薯连作减产主要是连作使块根生长发育受到抑制。至于其机理有待进一步研究。

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[12-14];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。

土壤细菌是与作物土传病害密切相关的一种微生物[19]。木薯连作根际土壤微生物群落中细菌的种群尤其是厌氧菌种群数量比轮作明显增多，这可能是木薯连作使土壤理化性状恶化，通透性差，导致厌氧细菌种群繁殖和积累，而厌氧细菌种群尤其是有害的厌氧细菌种群繁殖和积累，会抑制木薯块根生长发育，导致木薯块根生长发育不良，从而使木薯块根减少，块根变短变小，产量大幅度下降。此外，厌氧细菌种群的繁殖和积累可能抑制土壤养分有效化，从而影响木薯对养分的吸收利用，导致木薯生长不良而减产[20]。致于厌氧细菌种群的繁殖和积累抑制木薯块根生长发育的生理、分子机制有待进一步研究。

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