农田根际土壤微生物多样性研究进展

程凯凯，唐海明，李 超，汤文光，文 丽，肖小平*，易镇邪

（1湖南农业大学农学院，长沙 410128；2湖南省土壤肥料研究所，长沙 410125）

1904年，德国微生物学家Lorenz Hiltner提出了“根际”（rhizosphere）的概念，从这以后，“根际”被广泛应用于农田生态学研究领域。根系表面这一特殊的土壤区域具有非常高的微生物多样性，由于农作物生长发育过程中根系生理特性的影响，根际土壤和非根际土壤在物理、化学及生物学特性上差异明显［1～3］。

研究表明，不同土壤管理措施对根际土壤微生物多样性的影响很大［4～6］。利用454高通量测序分析，Uroz等［7］发现菌根根际相比非根际土壤拥有更加丰富的α-、β-、γ-变形菌。传统耕作措施会显著改变根际土壤微生物群落结构，特别是影响由细菌所主导的生物化学过程，增强碳氮元素的矿化速率，导致土壤养分和有机质的损失，长期采用传统耕作措施会对土壤结构和生物多样性产生不利影响。有机肥施用可以改善土壤结构并提高肥力，是改善土壤品质的重要手段。不同种植模式以及作物品种对根际土壤微生物影响较大。Weinert等［8］研究发现，不同品种马铃薯根际土壤细菌丰度在一个范围内，变形菌占到了46%。不同土壤类型是影响根际土壤微生物的重要因素。创新根际土壤微生物的分析方法以及探讨不同经营（管理）措施对农田土壤微生物的影响及机制，对于制定合理的经营（管理）措施，从而构建资源高效型、环境友好型的农业生态系统有着重要的指导意义［9～11］。

1 根际土壤微生物多样性的主要分析方法

随着现代分子生物学技术（高通量测序、核酸测序、质谱技术、超显微和微流控）的快速发展，土壤微生物多样性的研究方法，除了传统的琼脂培养基培养方法外，基因组学、转录组学和蛋白质组学开始应用于土壤微生物的研究中，从而增进研究者对土壤微生物多样性的深入了解［12］。分子技术的广泛应用有利于打开认知农田土壤微生物群落的“黑箱”［13］。分子微生物生态学依赖于从土壤生物中提取并鉴定的核酸和其他细胞成分，如磷脂脂肪酸（Phospholipid Fatty Acids，PLFAS）和蛋白质（Proteins）。通常从土壤样品中提取的微生物细胞含有脱氧核糖核酸（DNA）和核糖核酸（RNA），运用高通量测序技术测定土壤核酸聚合酶链式反应（PCR）的扩增产物，并通过基因组杂交实验直接分析［14］。分子生物学方法不同于传统培养，能辨别自然界绝大多数微生物种群［15］。

随着测序技术的进步，如Roche的454技术、illumina的Solexa、HiSeq技术，以及ABI公司Solid技术的出现，标志着第二代测序（NGS：Next-Generation Sequencing）技术的诞生［16，17］，使科学家得以更为深入地研究环境微生物分子生态学特征。通过第二代高通量测序技术的应用，样品测定准确性以及效率大大提高，也给科研人员减轻了测序的费用压力。

以美国Helicos BioSciences公司的真正单分子测序技术（tSMS）、美国Pacific Biosciences公司的单分子实时测序技术（SMRT）和英国Oxford Nanopore Technologies公司的纳米孔单分子技术为代表的第三代测序随着时代的发展应运而生，测序没有PCR扩增环节，而且测序读长长，弥补了第二代测序技术读长短和系统偏向性的漏洞。土壤微生物的基因库是非常重要的遗传信息库，运用不断发展的测序技术，能更加深入的研究土壤根际微生物多样性［18］。

2 不同农田经营（管理）措施对根际土壤微生物多样性的影响

农田生态系统由于受到人为干扰，和没有干扰的自然生态系统不同。土壤微生物与植物长期进化发展，已经达到和谐共存的状态，所以在自然生态系统中植物种类是影响根际土壤微生物的重要因素。然而在农田系统中，耕作措施、外施化肥、种植模式以及土壤类型是影响农作物根际土壤微生物的重要方面［19～21］。

2.1 土壤耕作措施对根际土壤微生物多样性的影响

土壤耕作措施对农作物产量影响非常明显。采用适宜的土壤耕作措施可以改善土壤物理结构，提高土壤养分有效性，增加根际土壤微生物多样性，从而提高农作物生长发育质量，进而增加产量。不同的土壤耕作方式对温室气体排放以及水分利用、农田长久可持续发展等的影响非常巨大［22～25］。

与传统耕作措施相比，免耕不仅能保持土壤结构稳定、减少土壤侵蚀和维持农业生产的可持续性［26，27］，并且还能提高根际土壤微生物群落的多样性［28，29］。免耕使农田土壤的有机质输入增加，而根际土壤微生物种群的差异性与农田土壤碳源底物的差异密切相关，作物秸秆的腐解使有机底物含量大大提高，对根际土壤微生物的种群组成具有一定的影响［30］。

Yang等［31］研究发现，不同耕作方式对根际土壤微生物和土壤酶活性的影响先增后减，开花期最高，在同样玉米秸秆还田措施下，深耕处理比旋耕处理根际微生物和土壤酶活性要高。陈冬林等［32］研究不同耕作措施及早稻秸秆还田对晚稻土壤微生物的影响后发现，早稻秸秆还田使放线菌和好气性细菌的数量增加，而翻耕使土壤真菌数量减少。

2.2 施肥对根际土壤微生物多样性的影响

施肥会使农田物理、化学结构发生明显的变化，进而影响农田根际土壤微生物多样性。例如，施用无机化肥能够显著抑制36%～46%的根际土壤微生物呼吸作用，这可能与根际碳流的减少有关［33］。有学者试验发现，秸秆还田和有机肥配施有利于增加根际土壤微生物多样性［34］。唐海明等［35］利用长期定位试验发现，长期有机无机肥配施可以增加双季稻田根际土壤微生物群落的多样性。倪国荣［36］研究了双季稻区长期不同施肥制度下稻田根际土壤微生物的特性发现，与对照（不施肥）相比，施用有机肥处理的根际土壤微生物群落结构和多样性增加，有机无机肥配施更有利于增加土壤微生物群落结构和多样性。

姜晓宇［37］研究认为，冬季种植绿肥可以使水稻根际微生物活性提高。廖道龙等［38］研究了不同栽培方式和有机肥施用量对冬瓜生产效应的影响，结果表明，有机肥的施用量越大，根际土壤微生物群落结构多样性越丰富。

Li等［39］研究认为，稻田的一系列施肥措施，改变了稻田土壤微生物功能多样性。Jangid等［40］则认为，施用无机肥比施用禽类粪肥微生物群落结构多样性要丰富。Hussain等［41］研究了不同的施肥措施对高粱根际土壤nirK（Cu型亚硝酸盐还原酶）和nirS（细胞色素cd1型亚硝酸盐还原酶）基因丰度的影响，认为施用有机肥使根际土壤nirK和nirS基因数量明显增加。而Sarathchandra等［42］研究认为，农田化学肥料的施用对农田根际土壤微生物多样性没有显著影响。稻田氮肥后移是最近科学家研究的热点，有研究认为氮肥适当后移，有利于水稻生长发育后期根际土壤微生物活性的增加［43］。

2.3 种植模式对根际土壤微生物多样性的影响

唐海明等［44］研究认为，与冬闲—双季稻模式相比，冬季覆盖作物秸秆还田处理提高了双季稻田根际土壤微生物对碳源的利用程度，与冬闲处理相比其它处理均能提高根际土壤微生物群落结构均匀度。王东凯等［45］采用不同种类蔬菜分别与黄瓜进行伴生或套作种植，研究不同种植模式对黄瓜根际土壤微生物的影响。结果表明，不同种类蔬菜与黄瓜伴生或套作均能提高黄瓜根际土壤有益微生物数量，并且黄瓜根际土壤有害微生物数量降低。

长期栽培实践中已发现轮作有利于减少病害发生，提高产量，改善品质，并已证明根际土壤微生物是导致轮作与连作对植株生长发育影响的最主要因素［46］。烟草长期连作可引起植株枯萎病，导致烟草植株的死亡。Santhanam等［47］将分离自健康烟草植株根际的6株促生细菌菌株混合后接种，显著降低了连作烟草的死亡率。李鑫等［48］发现，在盐碱土上进行桑树、大豆间作与两种作物单作相比，可提升土壤微生物群落多样性。张向前等［49］发现，与玉米单作相比，玉米、花生间作和玉米、大豆间作均可提升土壤中细菌、真菌、放线菌及固氮菌的数量，并对玉米子粒品质有积极影响，但这种影响在很大程度上受到施肥水平的影响。轮作与间作类似，也可以对植物根际土壤微生物环境和果实品质产生积极影响［50，51］。Yang等［52］发现进行了10年玉米—冬小麦—蚕豆轮作的土壤中，根际土壤微生物活性显著高于非根际土壤，且根际土壤在免耕条件下对碳源的代谢活性更强。

2.4 土壤类型对根际土壤微生物多样性的影响

不同母质发育土壤的物理结构和化学特性差异很大。前人通过研究南方双季稻区6种典型母质发育的土壤类型，发现不同土壤类型可以显著地影响土壤微生物量碳、氮的含量，板页岩土壤微生物量碳含量最高，河沙泥微生物量碳最低［53］。有学者研究认为，不同土壤类型对耕作层土壤微生物量碳影响较大，以潮土最高，褐土次之，砂姜黑土最低［54，55］。有学者在亚热带红壤类型上研究冬季作物对水稻生育期土壤微生物量碳、氮的影响，结果表明冬季作物处理土壤微生物碳、氮与冬闲田存在显著差异［56］。朱波等在长期定位试验上开展的前期测试结果表明，不同土壤类型对非根际土壤微生物量碳、氮有重要影响［53］。

徐万里等［57］通过研究不同土壤类型对根际土壤微生物的影响认为，不同土壤类型对根际土壤细菌和真菌影响较大，对放线菌影响较小。沈冰洁等［58］研究发现，对根际土壤微生物影响较大的重要原因是不同土壤类型中有机碳和全氮的含量差异。徐晶等［59］通过研究红壤、黑土和灰漠土发现，随着不同土壤耕作时间的推移，根际土壤微生物数量呈现明显差异。

3 展望

根际土壤作为土壤生态系统特殊的界面，对农业生产具有重要的影响，未来要从以下方面进行不断的创新研究。

3.1 研究方法的不断创新

在分析根际土壤微生物群落结构及多样性时，假如只是利用单一的一种方法，结果往往不够准确，因此在根际微生物研究中，应该采用多种技术相结合，但是每种方法又具有局限性，这就需要找到合适的技术搭配，因此对研究方法和技术的探索仍是重要的研究方向，这也是逐步剥离复杂影响因素，深入描述植物与根际微生物相互作用关系的研究重点与难点所在。

3.2 农田土壤培肥与根际土壤微生物

农田土壤培肥与根际土壤微生物的多样性有重要联系，因此，应根据当地的气候、土壤条件、栽培模式选择合理的农田管理措施，结合施用绿肥、有机肥和秸秆还田等措施，促进根际土壤微生物多样性，培肥土壤，以有利于农田的可持续发展［60］。近年来针对湖南双季稻区长期少免耕、旋耕等耕作措施导致稻田土壤耕层变浅，耕性变劣，保水保肥性能变差等问题，重点研究深耕，并结合种植紫云英、稻草还田等综合措施对加深耕层厚度，改善土壤结构、扩大土壤库容的作用，从而提出深耕模式下的双季稻田绿色丰产集成技术：不同耕作模式与品种优化配置、土壤培肥、水旱轮作，促进根际土壤微生物多样性，培肥稻田土壤。

近年来，随着高通量测序技术的发展，根际土壤微生物研究迎来了飞速发展，原位测定根际土壤微生物多样性以及根际土壤微生物在影响农作物养分转化方面的影响都是未来研究的方向。随着根际土壤微生物研究方法的不断创新发展，根际土壤微生物的研究应用一定能在不远的将来获得重大进展。