土壤肥力状况对植烟土壤微生物区系的影响

敖金成，徐天养，王加春，郭智勇，蒙 刚，沈燕金*

（1.云南农业大学 植物保护学院，云南 昆明 650201；2.云南省烟草公司 文山州公司，云南 文山 663000）

健康优质的耕地资源对现代农业的可持续发展至关重要。研究表明，微生物在维持土壤质量及推动土壤的健康发展方面具有十分重要的作用［1-2］。土壤微生物区系失衡会影响作物对营养物质的吸收，诱发作物病害，甚至导致连作障碍的发生［3］。有相关研究［4-5］指出，微生物数量与土壤大多数养分含量（除有效磷和全钾之外）之间存在着一定的正相关关系，养分含量高的土壤中微生物数量也多；但关于土壤养分水平与土壤微生物区系的相关性，以及有关功能菌数量、群落结构稳定性等方面的研究鲜见报道。近年来，土壤微生物种群、数量及分布已经作为评价土壤生态环境质量的重要指标，并且越来越受到重视［6-7］。当前，植烟土壤质量退化、植烟区域由适宜区向次适宜区转移的趋势加快，烟叶品质下降等问题已成为烟草行业普遍关注的焦点。云南是烤烟的主要种植区，土地资源的可持续利用是烟草产业得以持续发展的关键。鉴于此，该研究分别以云南省曲靖市、昆明市、文山州这3个代表性的典型烟区的较高、中等、较低肥力土壤微生物区系为研究对象，探索了不同生态区植烟土壤的微生物区系以及群落稳定性特征，以期为退化土壤的改良以及快速提升肥力提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 土壤样品采集及处理

于2020年7月的烤烟成熟期在云南省曲靖市、昆明市、文山州这3个具有代表性的核心植烟区进行取样，共计45个样品。根据均匀性和代表性原则，首先剥去表土，然后将烟株挖起，抖落部分根围土，充分混匀后按四分法取混合样。每类养分水平土壤取5个重复样；取样时，根据田间烤烟长势初步确定土壤的肥力水平；一部分样品用于检测理化性质，带回实验室自然晾干，过40目筛保存备用；另一部分样品用于检测微生物区系及土壤脂肪酸（FAs），该部分样品用自封袋密封后立即置于车载冰箱中，带回实验室后迅速放置于冰柜以保存备用。

1.2 检测项目及方法

1.2.1 土壤常规养分检测及肥力判断 土壤常规养分的测定参照文献［8］进行。检测结果如表1所示。土壤肥力的综合判断参照相关文献［9-10］进行；应用主成分分析方法计算出各项肥力指标的权重，再利用模糊数学中的隶属函数计算土壤肥力综合指标值（Integrated Fertility Index， IFI）［11-12］，以此来评价土壤肥力。计算公式如下：

其中，p为指标个数，Ni和Wi分别为第i种肥力指标的隶属度和相应的权重。将土壤综合肥力指标值（IFI）划分为5个等级，即：高（IFI≥0.8）、较高（0.6≤IFI<0.8）、中（0.4≤IFI<0.6）、较低（0.2≤ IFI<0.4）和低（IFI<0.2）。从表1可看出，田间判断烤烟长势与土壤IFI值均与其对应的等级相符，确定将3个植烟区土壤肥力水平分为较高水平、中等水平和较低水平，并以此为依据进行土壤微生物区系特征研究。

表1 3种试验土壤的基本理化性质

1.2.2 土壤微生物区系的测定 土壤细菌、真菌、放线菌、固氮菌、解磷菌和钾细菌均采用稀释平板培养法测定菌落数（cfu/g），具体方法参照文献［13］。

1.2.3 土壤脂肪酸（FAs）的提取与含量检测 采用EL法对土壤样品中的微生物FAs进行提取，具体方法参照文献［14］，然后采用Schutter和Dick的方法［15］进行数据修正。

1.3 数据分析

应用主成分分析方法和模糊数学中的隶属函数确定土壤肥力水平，采用Excel 2007和SPSS 16进行数据的统计和聚类分析。

2 结果与分析

2.1 土壤肥力水平对植烟土壤微生物区系的影响

2.1.1 土壤肥力水平与微生物区系的相关性 随着土壤肥力的降低，文山、昆明、曲靖这3个生态区植烟土壤的细菌、真菌、放线菌数量整体呈线性下降（图1 a，b，c），线性方程的决定系数R2分别为0.7197、0.6770和0.6760，表现出较好的线性负相关关系，说明高肥力水平土壤的细菌、真菌、放线菌数量较多，低肥力土壤的微生物数量较少，与前人的研究结果［16］一致。另外3个典型烟区不同肥力水平土壤的微生物数量存在差异，均以昆明烟区最多，文山烟区次之，曲靖烟区最少。

2.1.2 不同肥力水平植烟土壤微生物区系统计性分析 从表2可以看出，云南3个典型烟区不同肥力水平土壤的真菌、细菌、放线菌数量差异较大，尤其以较高肥力土壤差异最大。从真菌、细菌、放线菌数量占总菌数的比例看，较高、中等、较低肥力土壤真菌占总菌数的16.7%～21.0%，细菌占总菌数的77.8%～80.9%，放线菌数量仅占总菌数的0.6%～4.1%，反映了不同养分水平土壤主要微生物类群数量特征基本一致。而从真菌细菌比值（F/B）看，土壤肥力水平越高，其土壤微生物结构越稳定，此研究结果与前人的研究结论［17］一致。

图1 3种土壤微生物区系与肥力水平的相关性分析

表2 不同肥力植烟土壤的真菌、细菌、放线菌特征

2.2 土壤肥力水平与几种主要功能菌数量的关系

从图2可以看出，随着土壤肥力的降低，云南3个典型烟区植烟土壤的固氮菌、解磷菌和解钾菌数量呈减少趋势，线性决定方程的R2分别为0.6129、0.8065和0.6136，表现出较好的线性负相关关系。总体看，较高肥力和中等肥力土壤的固氮菌、解磷菌、解钾菌数量除个别烟区外，差别较小，但较低肥力土壤的固氮菌、解磷菌、解钾菌数量则明显较少。固氮、解磷、解钾菌是植物根系重要的促生细菌［18］，是植物所需氮源、磷源、钾源的主要提供者［19］。研究结果表明，较高肥力和中等肥力土壤的固氮、解磷、解钾菌数量明显较低肥力土壤高，反映出中高肥力水平土壤氮、磷、钾养分供应能力强，而低肥力土壤的供应能力弱。

图2 不同肥力水平对植烟土壤功能菌数量的影响

2.3 土壤肥力水平与土壤FAs含量相关性分析

由图3可以看出，土壤FAs含量与土壤肥力呈明显的线性负相关关系（r=0.900，P＜0.01），线性方程的决定系数R2=0.8102；较高肥力和中等肥力土壤总FAs含量均明显大于较低肥力土壤。与较高肥力土壤相比，文山烟区中等和较低肥力土壤FAs含量分别降低了6.4%和68.8%，昆明烟区土壤FAs含量分别降低了42.9%和199.6%，曲靖烟区土壤FAs含量分别降低了9.3%和75.5%。如果仅从肥力水平看，与较高肥力水平相比，中等和较低肥力水平土壤FAs含量分别降低了17.7%和105.6%。

图3 不同肥力水平的土壤FAs含量特征

2.4 不同烟区不同肥力的土壤微生物聚类分析

将不同产区不同肥力水平土壤的细菌、真菌、放线菌、总菌数、3种功能菌数量及土壤脂肪酸含量参数进行聚类（图4）。结果表明，可将不同生态区不同肥力土壤微生物特征聚为4类，昆明较高肥力土壤单独聚为第Ⅰ类；文山较高肥力和昆明中等肥力聚为第Ⅱ类；曲靖较高肥力和文山中等肥力聚为第Ⅲ类；文山、曲靖、昆明较低肥力和曲靖中等肥力聚为第Ⅳ类。研究结果表明，产区间土壤微生物特性存在明显差异，土壤中等偏上水平以昆明产区的土壤微生物量最大，文山产区与昆明产区较为接近，而曲靖产区的土壤微生物数量相对偏少。

图4 不同烟区不同肥力的土壤微生物特征聚类分析

3 结果与讨论

微生物量、酶活性及群落结构特征对土壤养分盈亏等环境胁迫的耐受力具有明显种群特征［20-21］。马书琴等［22］研究认为土壤的理化性质与微生物群落结构的分布具有明显的相关性。本试验中，不同生态区植烟土壤的养分水平与真菌、细菌、放线菌等的数量均呈明显的线性负相关，微生物数量均随土壤养分水平的降低而减少，与章家恩等［4］研究认为土壤微生物数量随土壤养分含量的升高而增加的结论一致，因为养分高的土壤有利于微生物的繁殖［23-25］，充足的土壤有机质能够满足固氮、解磷、解钾等有益微生物代谢及生长需求［18］。试验中，土壤固氮、解磷、解钾菌数量也表现出随土壤肥力的降低呈线性降低的趋势。从3种肥力土壤微生物类群看，细菌占土壤总菌数的比例为77.8%～80.9%，是几种肥力土壤主要的微生物类群，属于“细菌型”土壤。

Vries等［26］研究认为，F/B值越高，土壤微生物结构越稳定；FAs来源较多且复杂，包括活体微生物膜FAs以外的其他FAs［14］。因而FAs组成差异可以反映微生物群落结构的差异［27］。本试验中，土壤肥力水平越高，其F/B值和FAs含量越高，且呈现明显的线性正相关；说明云南这3个典型生态植烟区较高肥力土壤微生物量更多，微生物群落结构稳定性更好；低肥力土壤因为微生物数量少，因而群落结构不稳定。

杨超等［4］研究认为，在不同生态环境下，烤烟根际及非根际土壤中各类微生物数量及多样性指数各不相同，即土壤微生物区系表现出区域特征。由于土壤微生物数量及多样性受多种因素的影响，如土地利用方式［28-29］、轮作模式［30-31］、施肥［32］、生态因子［33］等因素；因而，土壤微生物区域特征是人为因素和自然因素长期共同作用的结果。聚类分析表明，云南3个典型生态产区间土壤微生物特性存在明显差异，昆明烟区中等偏上水平的土壤微生物量最大，文山烟区与昆明烟区较为接近，而曲靖烟区的土壤微生物相对偏少，这可能也是不同产区的烟叶品质、风格特征存在差异的原因之一。

综上所述，植烟土壤的肥力水平越高，其土壤细菌、真菌、放线菌，以及固氮菌、解磷菌、解钾菌3种功能菌数量越多，群落结构越稳定。