马铃薯连作对根际土壤微生物生理类群的影响

马得祯，郭晓冬，谭雪莲，郭天文

(1.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州　730070；2.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州　730070；3.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃 兰州　730070)



马铃薯连作对根际土壤微生物生理类群的影响

马得祯1,2，郭晓冬1,2，谭雪莲3，郭天文3

(1.甘肃农业大学园艺学院，甘肃 兰州730070；2.甘肃省农业科学院土壤肥料与节水农业研究所，甘肃 兰州730070；3.甘肃省农业科学院旱地农业研究所，甘肃 兰州730070)

摘要：【目的】 探讨马铃薯连作对根际微生物生理类群的影响.【方法】 以轮作(小麦)为对照，研究马铃薯连作1、3、5 a根际土壤氨化细菌、亚硝化细菌、硝化细菌、纤维素厌氧细菌和好氧细菌的变化.【结果】 种植小麦的轮作土壤细菌数量显著高于马铃薯连作土壤.在马铃薯块茎形成期土壤氨化细菌数量连作1 a的比连作3 a、连作5 a的分别提高54.32%和224.68%，土壤硝化细菌数量连作1 a的比连作3 a、连作5 a的分别提高42.86%和566.67%，土壤亚硝化细菌数量连作1 a的比连作3 a、连作5 a的分别提高11.11%和104.08%.【结论】 氨化细菌、硝化细菌、亚硝化细菌、好氧性纤维素分解菌和厌氧性纤维素分解菌的数量随着连作年限的增加数量显著减少.

关键词：马铃薯；连作；不同生育期；土壤微生物生理群落

马铃薯(Solanumtuberosum)是世界第五大粮食作物[1]，其营养丰富，加工用途广，产业链条长，增产增收潜力大[2].甘肃定西市是我国马铃薯的主产区，随着市场需求量的增加和耕地面积的限制，同一块地里连续多年种植马铃薯的现象非常普遍.近年来，在连年种植马铃薯的田间，出现了产量降低、薯块出现灰褐色病斑[3]、植株分支数减少[4]、叶片变黄等现象，被称为连作障碍[5].连作障碍已成为马铃薯产业发展的主要限制因素[6,7].引起作物连作障碍的原因很多，已有许多报道分别从土壤养分[8-10]、土壤微生物区系[11-12]、土壤酶活性[10,13]、土壤微生物群落功能多样性[14-15]、化感作用等[16]方面对连作土壤微环境作了深入的研究，均说明连作障碍是作物和土壤微环境中多种因素综合作用的结果.另外，也有学者从土壤微生物生理群落方面研究产生连作障碍的原因，例如对麦冬的研究结果表明，随着连作年限的延长，土壤微生物生理类群，如氨化细菌、硝化细菌、固氮菌和纤维素分解菌的数量锐减[17].

目前，有关马铃薯连作障碍机理的研究报道较多[8-16]，而关于马铃薯连作条件下土壤微生物生理群落变化方面的研究尚少见报道.本试验以不同连作年限的马铃薯田土壤为研究对象，研究土壤中微生物的数量变化规律，旨在明确氨化细菌、硝化细菌、亚硝化细菌、好氧性纤维素分解菌和厌氧性纤维素分解菌在马铃薯不同生长期的变化规律，为探讨马铃薯连作障碍的微生物发生机理及综合防控提供参考.

1材料与方法

1.1供试材料与试验设计

2013年4月从甘肃省通渭县会川镇采集连续种植马铃薯1 a、3 a和5 a的0～20 cm耕层土壤，土壤为黑麻土.供试土壤的基本理化性状见表1.以此土壤作为供试土壤，进行盆栽实验，以轮作小麦为对照(即用种植马铃薯1 a的土壤种小麦).共设轮作(CK)、连作1 a、连作3 a和连作5 a 4个处理,每个处理重复6次，试验设计见表2.试验地点在甘肃省农业科学院抗旱试验棚内.将试验用土风干，过2 mm筛，装入瓦盆，瓦盆内径33 cm，高33 cm，外径46 cm，每盆装土25 kg，将土壤与N、P肥混均匀，装盆备用，肥料用量为纯氮300 mg/kg、纯P2O5250 mg/kg.

4月中旬播种，待幼苗长至4叶时，每盆留4株，每隔2 d浇1次水，并且查看植株生长情况.供试马铃薯品种为‘新大坪’(Solanumtuberosum)，轮作小麦品种为‘陇春20’(Triticumaestivum).

表1　供试土壤的基本理化性状

表2　盆栽实验设计

1.2样品采集

在马铃薯的不同生育期采集根际土样，铲除土壤表层1 cm的表土，以避免外界杂质对土样影响.对每个盆栽处理，随机选一植株，将其根系挖出一小部分，把距植株1～2 cm处的土块除去，将附着在根系表面的土壤抖落并收集，作为根际土，每次采集土样50～ 60 g，然后将植株根系用土覆盖，浇水.将土样带回实验室，将新鲜土样过2 mm筛，储藏在4 ℃冰箱中，测定土壤微生物数量.

1.3测定方法与数据处理

氨化细菌的测定，采用牛肉膏蛋白胨培养基平板培养法[18]，亚硝化细菌、硝化细菌和纤维素厌氧细菌和好氧细菌采用MPN法测定[18].数据处理采用Excel 2003和Spss 17.0.

2结果与分析

2.1不同种植年限马铃薯土壤氨化细菌数量的变化

由图1可看出，轮作(种植小麦)的土壤氨化细菌数量显著高于连作马铃薯土壤(P<0.05).在播前至苗期，连作1 a的土壤氨化细菌数量比连作3 a的土壤氨化细菌数量增幅大，这说明连作1 a的土壤环境更适合氨化细菌的生长.在块茎形成期，连作1 a、连作3 a和连作5 a的土壤氨化细菌数量都是最高，这可能与植株生长势有关.且随着连作年限的延长，土壤氨化细菌数量减少.与连作1 a相比，连作3 a和连作5 a处理的马铃薯土壤氨化细菌数在苗期、块茎形成期、块茎增长期和淀粉积累期氨化细菌数量均显著降低(P<0.05).

图中字母表示不同处理同一生育期的差异显著性，不同小写字母表示差异显著(P<0.05).图1　马铃薯各生育期土壤氨化细菌的数量变化Fig.1　Variation of ammonifier numbers in different growth periods of potatoes

将轮作(CK)土壤与马铃薯连作1 a的土壤比较，在苗期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期，轮作土壤的氨化细菌数量依次比种植马铃薯连作1 a的土壤氨化细菌数高115.79%、70.40%、72.83%、52.38%和6.82%.说明，随着连作年限的增加，土壤中氨化细菌数量减少.

2.2不同种植年限马铃薯土壤硝化细菌数量的变化

轮作土壤与马铃薯连作1 a的土壤比较，在苗期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期，轮作土壤的硝化细菌数量依次比连作马铃薯1 a的土壤硝化细菌数量高112.50%、40.00%、74.60%、94.44%和160.00%(P<0.05)(图2).在全生育期内，连作5 a的土壤硝化细菌数量最少，且消长幅度也最小，这可能是连作年限的延长致使硝化细菌的活性变差造成的.而从整个生育期来看，土壤硝化细菌数量呈现出低-高-低的变化趋势，在块茎形成期达到高峰值，在淀粉积累期迅速降低.

在块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期，土壤的硝化细菌数，连作1 a的比连作3 a的依次高42.86%、50.00%、111.76%和100.00%，比连作5 a的依次高566.67%、320.00%、227.27%和244.83%.说明，随着连作年限的延长，土壤硝化细菌的数量逐年减少.

图中字母表示不同处理同一生育期的差异显著性，不同小写字母表示差异显著(P<0.05).图2　马铃薯各生育期土壤硝化细菌的数量变化Fig.2　Variation of soil nitrifying bacteria numbers in different growth periods of potatoes

2.3不同种植年限马铃薯土壤亚硝化细菌数量的变化

土壤中硝化作用的第一阶段是由亚硝化细菌完成的，第二阶段是由硝化细菌完成的.而第一阶段由亚硝化细菌完成的氨的氧化在硝化作用过程中起着限速反应的作用，因此，研究土壤中亚硝化细菌数量的多少能反应出土壤硝化作用的强弱.

轮作处理根际土壤亚硝化细菌的数量高于连作马铃薯处理(图3).在苗期、块茎形成期、块茎增长期、淀粉积累期和成熟期，轮作土壤的亚硝化细菌数量依次是连作马铃薯1 a的1.5倍、1.4倍、16.0倍、5.7倍和1.8倍.

在块茎形成期，与马铃薯连作1 a相比，连作5 a土壤的亚硝化细菌数量明显降低(P<0.05)，而在马铃薯全生育期中，所有处理均为块茎形成期的土壤亚硝化细菌数量最高.这可能与植株长势有关.在淀粉积累期和成熟期，连作1 a的土壤亚硝化细菌数量与连作3 a和连作5 a的土壤亚硝化细菌数量相比差异均达显著水平(P<0.05)，且比连作3 a的高118.75%和75.00%，比连作5 a的高191.67%和77.22%.说明，铃薯种植年限越长，土壤中的亚硝化细菌数量越少.

图中字母表示不同处理下同一生育期的差异显著性，不同小写字母表示差异显著(P<0.05).图3　马铃薯各生育期土壤亚硝化细菌的数量变化Fig.3　Variation of soil nitrite bacteria numbers in different growth periods of potatoes

2.4不同种植年限马铃薯土壤好氧性、厌氧性纤维素分解菌数量的变化

纤维素是土壤最丰富的含碳有机物，分解纤维素的细菌有好氧的和厌氧的，其对纤维素的分解作用被视为自然界碳素循环的基础[18].植物通过光合作用固定大气中的碳素，一部分以有机质的形式储存于土壤，而有机质可给作物提供生长所需的各种营养成分[19].

图 4、图5分别为马铃薯各生育期土壤好氧性、厌氧性纤维素分解菌的数量变化.将轮作的土壤与连作马铃薯1 a的土壤比较，苗期轮作土壤的好氧性纤维素分解菌数量是连作马铃薯1 a的2.8倍，厌氧性纤维素分解菌数量是连作马铃薯1 a土壤的2.3倍.

图中字母表示不同处理同一生育期的差异显著性，不同小写字母表示差异显著(P<0.05).图4　马铃薯各生育期土壤好氧性纤维素分解菌的数量变化Fig.4　Variation of soil aerobic cellulose-decomposing bacteria numbers in different growth periods of potatoes

图中字母表示不同处理同一生育期的差异显著性，不同小写字母表示差异显著(P<0.05).图5　马铃薯各生育期土壤厌氧性纤维素分解菌的数量变化Fig.5　Variation of soil anaerobic cellulose-decomposing bacteria numbers in different growth periods of potatoes

在连作1 a、连作3 a 和连作5 a的各生育期内，土壤的纤维素分解菌均为播前最高.这与马铃薯根部初步形成有关，马铃薯属于豆科植物，其根部会形成根瘤，根瘤形成的过程中，植物根内会积累大量的糖，这些糖成为根瘤菌生活的来源；也有可能是施入氮肥的效果(播前土壤没有施入肥料)，土壤中上茬马铃薯的残渣经施 (N)肥后，纤维素分解菌被激活，所以单位面积的纤维素分解菌数量减少.且随着种植年限的延长，在苗期，好氧性纤维素分解菌连作1 a比连作3 a和连作5 a的分别高75.00%、100.00%；厌氧性纤维素分解菌连作1 a比连作3 a和连作5 a的分别高84.62%、166.67%.说明，土壤纤维素分解菌数量随着种植年限的延长其数量逐步减少.

3讨论

从生理群落的数量角度来看，随着连作年限的增加，各细菌生理群均呈现出降低趋势，这与谭雪莲等[20]研究结果一致.在马铃薯整个生育时期中，块茎形成期、氨化细菌、硝化细菌和亚硝化细菌的数量达到最大，这是由于植株地上部生物量增多、光合能力增强、合成蔗糖和淀粉的速度加快，源源不断地向马铃薯植株地下部的块茎和根系供给营养，通过根系分泌物供给微生物碳源和能源，微生物活性增强，繁殖量大[21].

今芝[22]研究结果表明马铃薯连作4 a后氨化细菌数量无明显变化,亚硝化细菌数量显著减少；而马铃薯连作5 a时氨化细菌、亚硝化细菌数量均高于轮作，轮作作物是生菜和小麦；曹莉等[23]研究表明连作2、3、4和7 a的马铃薯土壤种植豆科牧草后，土壤硝化细菌数量显著增加.本研究结果表明，氨化细菌、硝化细菌和亚硝化细菌3类细菌生理群均表现为种植小麦土壤高于马铃薯连作1 a的土壤.说明连作年限的长短及轮作作物的不同影响土壤中细菌的含量.

本研究中，种植马铃薯的土壤好氧性纤维素分解菌数量比厌氧性纤维素分解菌数量高2～4倍，这是由于纤维素是土壤中含量最高、分布最广的不含氮有机物，分解主要靠好氧性微生物引起[24].

氨化细菌、硝化细菌、好氧性纤维素分解菌和厌氧性纤维素分解菌都称为氮素生理群，是具有相同或不同形态，执行同一种功能的一类微生物[25].它们是土壤中的一个庞大的功能群，在土壤含氮有机物质中起着十分重要的作用[26]，其数量的多少标志着土壤供氮能力的大小，而连作处理下5大有益细菌生理群数量都减少，说明连作极易导致土壤供氮能力的减弱，生产中应该避免连作栽培.

参考文献

[1]Yasar Alptenkin.Integrated pest management of potatoes[J].Agricultural Sciences，2011,2(3),297-300

[2]冯献,詹玲.中国马铃薯贸易形势与前景展望[J].农业展望,2012,8(9):45-50

[3]何卫蓉,罗贤芝,蔡道辉.马铃薯晚疫病大发生原因分析及综合防治[J].中国园艺文摘,2013(3):164-165

[4]刘存寿,何建栋,柴忠良,等.马铃薯连作障碍机理与防治措施研究[C]∥中国作物学会马铃薯专业委员会.马铃薯产业与粮食安全,2009

[5]吴凤芝,赵凤艳,刘元英.设施蔬菜连作障碍原因综合分析与防治措施[J].东北农业大学学报,2000,31(3):241-247

[6]孟品品,刘星,邱慧珍,等.连作马铃薯根际土壤真菌种群结构及其生物效应[J].应用生态学报,2012,23(11):3079-3086

[7]李继平,李敏权,惠娜娜,等.马铃薯连作田土壤中主要病原真菌的种群动态变化规律[J].草业学报,2013,22(4):147-152

[8]胡宇,郭天文,张绪成.旱地马铃薯连作对土壤养分的影响[J].安徽农业科学,2009，37(12):5436-5439,5610

[9]Douglas L，John L K,Cynthia A C，et al.Thirty-Year tillage effects on crop yield and soil fertility indicators[J].Soil & Tillage Research,2013,130(6):24-41

[10]孙权,陈茹,宋乃平,等.宁南黄土丘陵区马铃薯连作土壤养分、酶活性和微生物区系的演变[J].水土保持学报,2010,24(6):208-212

[11]汪春明,马坤,代晓华,等.间作栽培对马铃薯根际土壤微生物区系的影响[J].生态与农村环境学报,2013,29(6):711-716

[12]陆丽华.马铃薯连作土壤中根际微生物区系变化的研究[D].扬州:扬州大学,2013

[13]杜茜,马琨.马铃薯连作对土壤理化性质及酶活性的影响[J].黑龙江农业科学,2013(5):20-23

[14]马坤,张丽,杜茜,等.马铃薯连作栽培对微生物群落的影响[J].水土保持学报,2010,24(4):229-233

[15]顾天雨.马铃薯连作条件下的土壤微生物群落变化[D].扬州:扬州大学,2014

[16]刘苹,赵海军,万书波,等.连作对花生根系分泌物化感作用的影响[J].中国生态农业学报,2011,19(3):639-644

[17]李琼芳.不同连作年限麦冬根际微生物区系动态研究[J].土壤通报,2006,37(3):563- 565

[18]林先贵.土壤微生物研究原理与方法[M].北京:高等教育出版社,2001

[19]窦森.土壤有机质[M].北京:科学出版社,2010

[20]谭雪莲,郭晓冬,马明生,等.连作对马铃薯土壤微生物区系和产量的影响[J].核农学报,2012,26(9):1322-1325

[21]卢建斌.马铃薯新大坪的干物质和养分积累与分配规律研究[D].兰州：甘肃农业大学,2012

[22]今芝.连作、轮作马铃薯对根际微生物数量及土壤养分的影响[D].呼和浩特：内蒙古农业大学,2012

[23]曹莉,秦舒浩,张俊莲,等.轮作豆科牧草对连作马铃薯田土壤微生物菌群及酶活性的影响[J].草业学报,2013,22(3):139-145

[24]黄昌勇.土壤学[M].北京：中国农业出版社,2003

[25]姚拓,龙瑞军,师尚礼,等.高寒草地不同扰动生境土壤微生物氮素生理群数量特征研究[J].土壤学报,2007，44(1):123-129

[26]刘志培,刘双江.硝化作用微生物的分子生物学研究进展[J].应用与环境生物学报,2004,10(4):521-525

[27]杜瑛.微生物肥料在农业中的应用[J].内蒙古农业科技,2010(4):99-101

(责任编辑胡文忠)

Effect of potato continuous cropping on rhizosphere soil microbial physiological colony

MA De-zhen1,2,GUO Xiao-dong1,2,TAN Xue-lian3,GUO Tian-wen3

(1.College of Horticulture,Gansu Agricultural University,Lanzhou 730070,China;2.Institute of Soil Fertilizer and Water-saving Agriculture,Gansu Academy of Agricultural Sciences,Lanzhou 730070,China;3.Institute of Dryland Agriculture,Gansu Academy of Agricultural Sciences,Lanzhou 730070，China)

Abstract：【Objective】 To investigate the change rule of rhizosphere soil microbial physiological groups under the continuous potato cropping.【Method】 Pot experiments were conducted to study the changes of microbial physiological groups,such as ammonifiers,nitrifying bacteria,nitrite bacteria,erobic cellulose-decomposing bacteria and anaerobic cellulose-decomposing bacteria.【Result】 The number of soil bacteria in wheat rotation soil were significantly higher than that of in the continuous potato cropping soil.In potato tuber formation stage,in 1 a potato cropping soil,the number of ammonifiers bacteria was respectively 54.32% and 224.68% higher than 3 a and 5 a continuous potato cropping soil.The number of nitrifying bacteria was respectively 42.86% and 566.67% higher than that of 3 a and 5 a continuous potato cropping soil.The number of nitrite bacteria was respectively 11.11% and 104.08% higher than that of 3 a and 5 a continuous potato cropping soil.【Conclusion】 The results suggest that the number of soil ammonifiers,nitrifying bacteria,nitrite bacteria,aerobic cellulose-decomposing bacteria and anaerobic cellulose-decomposing bacteria are significantly reduced with the extension of potato planting time.

Key words：potato;continuous cropping;different growth periods;soil microbial physiologies colony

通信作者：郭晓冬,女,研究员,研究方向为作物设施栽培.E-mail:287639717@qq.com

基金项目：国家自然科学基金项目“马铃薯连作土壤微生物种群演替及根系分泌物累积规律的研究”(41161042).

收稿日期：2015-03-10；修回日期：2016-03-03

中图分类号：S 344.4

文献标志码：A

文章编号：1003-4315(2016)02-0035-05

第一作者：马得祯(1987-),女,硕士研究生,研究方向为作物设施栽培.E-mail:madz.love@163.com