大豆在不同轮作体系下的土壤微生物研究概况

陈乃实王 振王丝语姜晓明刘念析

(1.吉林省农业科学院,吉林 长春 130033; 2.松原市宁江区农业技术推广中心,吉林 松原 138000;3.长春农博园,吉林 长春 130000)

轮作是指在同一块田地上有顺序地在年度间轮换种植不同作物或复种组合的一种种植方式,是用地养地相结合的一种生物学措施。与之相反,一年内或连年在同一块田地上连续种植同一种作物的种植方式称为连作。大豆在长期连作条件下会导致病虫草害加重,其中土传病虫害最为严重,如大豆根腐病、大豆胞囊线虫、大豆菌核病及大豆根潜蝇等[1～2]。其主要原因是病原菌数量的增加。大豆连作会导致根系代谢物发生一些变化,根分泌物和残渣为病原菌提供了丰富的营养和宿主条件,为根系病虫害提供了赖以生存的寄主和繁殖的场所,从而使病原菌持续繁殖,加重了下一茬大豆病虫的危害;另一方面是根茬腐解物的积累改变了根际土壤的微生态环境,刺激有害微生物的生长和繁殖,从而对固氮菌、根瘤菌和有机质分解菌等有益微生物产生不利影响,进一步影响了连作大豆根际土壤微生物区系的组成,有害微生物将抑制下一茬大豆的生长,从而诱发了大豆连作障碍[3]。然而大豆病虫害很少危害其他作物,大豆的根系活动不适应自己再生长但适应其他作物生长,病原菌在其他作物生长期间不会持续繁殖,这就促使了轮作的产生,如小麦—玉米—大豆的轮作种植,避免大豆重、迎茬的发生,从而达到降低大豆病虫草害发生的目的。轮作的优势主要包括:轮作会使有寄主专化性的病原菌得不到适宜生长和繁殖的条件,降低病原菌在作物残体和土壤中的残留,从而减少病原菌的数量,增加了拮抗菌的数量;轮作能改善土壤的微生物种群结构,维持土壤微生物的多样性和活性,抑制连作中易繁殖的有害微生物,利于土壤有益微生物生长[4];轮作还可以调节地力,提高肥力,改善土壤的理化性质,增加植物多样性,对土壤微生物产生正面的影响[5]。在美国南部有研究发现,大豆与玉米、小麦、和高粱等46种作物轮作都能够降低土壤中大豆胞囊线虫种群密度[6]。大豆轮作田中根际的有益细菌,如土壤氨化细菌、好气性纤维素分解菌、自生固氮菌数量均高于大豆连作[7]。谷类和豆科作物的轮作,不仅能抑制豆科作物的病虫草害,提高产量,而且能充分利用氮,豆科作物的根瘤中含有固氮菌,豆科固定的氮素在给自身提供生长所需氮源的同时,也会给大豆根际土壤留下更多富含氮素的有机残体,而且豆科作物根系在生长过程中可以释放较多的酶,因此可以更好的增加大豆根际土壤生物学活性[8]。当前对有大豆参与的各种轮作条件下土壤微生物的研究已成为热点,许多学者已经开展了对大豆不同轮作体系下的土壤微生物的广泛研究。

1 大豆轮作体系对土壤微生物类群的影响

大豆轮作方式与土壤微生物变化密切相关,我国众多学者对黑土区大豆轮作和连作下的土壤微生物变化进行了大量研究,一致认为与连作相比,大豆轮作促使大豆根际土壤微生物区系由低肥的“真菌型”土壤向高肥的“细菌型”土壤转化,整体表现为细菌总量增加、真菌总量减少但放线菌变化表现不规律。研究发现,大豆与非豆科作物构成的轮作系统较大豆连作系统可提高土壤细菌总数16%～145%,增加大豆根瘤1.7～11倍[9]。同样也有研究表明,在0～20 cm土层,大豆轮作系统比连作系统的细菌和放线菌高17%和4.5%[10]。许艳丽等研究表明小麦—玉米—大豆轮作一年较大豆连作相比可增加土壤细菌数量0.21%～37.89%,轮作3年可增加细菌数量58.25%～91.86%;邹莉等研究同样发现,大豆轮作3年后与连作相比,土壤细菌含量明显增加,占土壤微生物群体总数的90.3%以上[11]。

有研究表明,在大豆生育期内,真菌对大豆根系的生长发育和养分吸收有不良影响,而大豆连作容易降低拮抗菌的种群密度,导致病原菌在土壤中繁殖、聚集,继而产生了严重的病害,研究表明,小麦—玉米—大豆轮作根际优势真菌是青霉菌和灰葡萄孢菌,大豆连作1年是镰孢菌,连作3 年是镰孢菌和立枯丝核菌[12],刘金波等研究表明小麦—玉米—大豆轮作的青霉数量与大豆连作1年相比反而有所减少,而镰孢菌数量略高于大豆长期连作16年,大豆长期连作镰孢菌数量会有所降低[13]。Lietal.研究发现,大豆连作3年显著改变细菌和真菌结构,镰刀菌数增加,而在连作9年时,大豆生长有一定好转,病害减轻,产量提高,部分病原生物的拮抗菌如木霉菌种群有明显增加[14]。连作20年大豆根际土壤镰孢菌种群密度和优势菌的优势度均显著低于3年连作,种群多样性和均匀度显著高于3年连作,大豆20年连作会导致根际土壤镰孢菌种群生长受抑制,使其种群结构和遗传多样性发生改变,同时降低大豆根腐病菌种群致病力[15]。邹莉等研究发现,大豆轮作体系可减少土壤中真菌数量3.17%～21.83%,,随着轮作年限增加,3年可减少真菌数量18%～35.5%。马春梅的研究表明,大豆轮作系统下的真菌数量在大豆生育盛期 (7月24日) 以后低于连作,且随着轮作年限的增加真菌数量明显降低[16]。但有研究发现小麦—玉米—大豆轮作真菌数略高于大豆连作16年,可见大豆长期连作后土壤真菌总数并未随着连作年限增加而增加。也有研究发现玉米—大豆轮作细菌和真菌数量均显著高于大豆连作21年[17]。

2 大豆不同轮作体系对土壤微生物多样性的影响

轮作可以改善土壤微生态环境,提高微生物群落多样性。不同连作年限大豆Biolog研究结果表明,在收获期正茬和迎茬土体微生物多样性高于连作4年和8年[18]。岳冰冰的研究发现,多种轮作方式中大豆—烟草轮作的颜色平均变化率明显高于连作处理,增加了土壤微生物的碳源利用能力[19]。从功能多样性来看,大豆连作的均匀度指数和丰富度显著低于玉米大豆轮作,且连作24年要低于11年,轮作15年多样性指数和均匀度指数低于轮作4年[20]。由于不同轮作作物根系分泌物不同,从而影响了土壤微生物群落,而连作土壤中根系分泌物相对单一,导致土壤中微生物的代谢结构单一,微生物功能多样性降低。有研究表明大豆连作后土壤细菌群落结构发生了显著的改变,大豆连作后土壤细菌多样性指数和均匀度指数均有所降低,小麦—玉米—大豆轮作土壤细菌多样性更为丰富,并以变形菌为优势细菌类群,而连作5年大豆连作土壤细菌多样性有所减少,以酸杆菌为优势细菌类群,16S rDNA克隆文库在轮作和连作之间差异显著[21]。Baietal.的研究表明大豆连作1年和2年的真菌在属水平上的相对丰度比一年大豆的高,大豆连作1年和2年的优势菌Thelebolus相对丰度分别为5.5%和5.8%,1年大豆相对丰度只有0.48%[22]。但也有研究认为,不同轮作方式对微生物多样性影响不显著,且长期高强度的轮作有可能减少,甚至消除土壤中某些特异性的功能微生物[23]。连作增大了作物对土壤微生物的选择压力,降低了土壤微生物的多样性,而轮作能够优化根际土壤环境,有利于多种微生物的生长代谢。

3 大豆不同轮作体系对微生物生物量的影响

土壤微生物生物量既可作为土壤有机质和养分转化与循环的动力,又可作为土壤中植物有效养分的储蓄库,反映土壤微生物在土壤养分积累中的作用潜力,其对土壤环境因子的变化极为敏感,土壤的微小变动均会引起其活性变化,是衡量土壤质量、维持土壤肥力和作物生产力的一个重要指标[24]。很多研究表明相比于连作,轮作显著提高了土壤微生物生物量,有结果显示玉米—大豆轮作21年比大豆连21年革兰氏阳性细菌的生物量高1.7%,微生物生物量碳高29%,轮作总的微生物生物量最高是大豆连作的2.4倍[25]。在成熟期玉米—大豆轮作土壤微生物量碳比大豆迎茬增加65.3%、比大豆连作1年增加42.6%、比连作2年增加114.8%、比连作3年增加161.1%,在开花期轮作的土壤微生物生物量比迎茬、连作1年、连作2年和连作3年分别增加36.6%、60.21%、59.44%、66.25%,轮作比连作3年真菌和细菌生物量的比例降低了2倍以上。而有研究发现大豆经过长期连作后由于土壤微生物生态环境发生改变,使根际土壤中微生物群落结构和数量产生变化,土壤健康状况较短期连作有所改善。20年连作的土壤中细菌、真菌和放线菌生物量均出现增加的趋势,在盛花期连作20年的土壤微生物总生物量比轮作和迎茬分别高49.4%和50. 5%,轮作增加了土壤细菌生物量,降低了真菌生物量,20年连作在一定程度上改变了土壤微生物群落结构,但20年轮作土壤生态系统仍然相对较稳定[26]。总的来说,轮作可改善土壤微生物量,促使微生物群落多样性水平升高,种群趋于多样化。

4 大豆不同轮作体系对土壤酶活性的影响

有研究表明,土壤微生物生物量和多样性均与土壤酶活性有关[27],特别是一些非专一性和水解性的酶能够反映土壤对植物根系供应养分的潜在能力[28]。有研究表明大豆轮作可以提高土壤过氧化氢酶活性和土壤脱氢酶活性,在大豆连作条件下土壤蔗糖酶活性明显下降[29,30]。玉米—大豆轮作系统与大豆连作系统相比显著提高了β-半乳糖苷酶、β-葡糖苷酶和蛋白酶的活性,而大豆—高粱轮作模式下β-半乳糖苷酶活性显著低于大豆连作模式[31]。与大豆迎茬、连作相比,大豆轮作系统可提高土壤酶活性,其中连作2年的脲酶、转化酶和磷酸酶活性降低幅度最大,分别比轮作降低了29.6%、51.0%和41.9%,脲酶、转化酶、磷酸酶与各种养分间均呈极显著正相关[32]。傅慧兰等研究表明,大豆连作土壤的变化是影响土壤酶活性的主要因素,也是大豆连作对不良环境的交叉适应,其中大豆连作导致的根际土壤变化与土壤脲酶、转化酶、过氧化氢酶、磷酸酶的酶活性之间存在着显著的正相关,土壤中脲酶、酸性磷酸酶、过氧化氢酶,转化酶,多酚氧化酶和蔗糖酶活性随着连作年限的增加呈下降趋势[33]。戴建军的研究同样表明,大豆连作降低了根际土壤多酚氧化酶和脲酶活性,土壤微生物量碳氮含量及其碳氮比都与土壤过氧化氢酶活性和多酚氧化酶活性呈显著相关或极显著相关[34]。Pérezetal.研究同样表明大豆—玉米轮作15年和4年的脱氢酶活性均高于大豆连作5年和24年,而大豆连作5年的酸性磷酸酶活性反而高于玉米—大豆轮作4年和15年。

5 研究展望

综上所述,相比大豆连作,轮作有助于提高根际土壤微生物多样性,细菌数量增加,真菌数量减少,土壤酶活性增加,可有效抑制大豆的病虫草害,改善土壤环境,进而促进了土壤的可持续利用,对维持生态平衡具有重要的意义。然而,近年来越来越多的研究围绕土壤微生物生物量碳、氮评价某些指标对土壤的影响,但是影响土壤微生物生物量碳、氮转化的诸多因素,仍需进一步研究。另外,当前分子生物学技术的迅速发展为土壤微生物研究带来了前所未有的机遇,采用传统与分子技术相结合,深入研究种植制度—土壤—土壤微生物三者之间的关系,对理解土壤微生物多样性及其功能对土壤环境和作物生长发育的影响具有重要意义,同时农业生产活动对土壤微生物多样性和土壤生物过程的影响也是未来土壤微生物研究中亟待解决的关键科学问题。