輪作對土壤養(yǎng)分、微生物活性及細菌群落結(jié)構(gòu)的影響

陳丹梅，陳曉明，梁永江，霍新建，張長華，段玉琪，楊宇虹，袁玲*

(1.西南大學資源環(huán)境學院，重慶400716；2.貴州省遵義市煙草公司，貴州 遵義 563000；3.云南省煙草農(nóng)業(yè)科學研究院，云南 昆明 650031)

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輪作對土壤養(yǎng)分、微生物活性及細菌群落結(jié)構(gòu)的影響

陳丹梅1，陳曉明2，梁永江2，霍新建2，張長華2，段玉琪3，楊宇虹3，袁玲1*

(1.西南大學資源環(huán)境學院，重慶400716；2.貴州省遵義市煙草公司，貴州 遵義 563000；3.云南省煙草農(nóng)業(yè)科學研究院，云南 昆明 650031)

試驗選擇云南省具有代表性的烤煙-休閑-玉米(T-F-M)、烤煙-油菜-玉米(T-C-M)、烤煙-油菜-水稻(T-C-R)和烤煙-苕子-水稻(T-V-R)等4種輪作模式，通過測定土壤養(yǎng)分、酶活性及16S rDNA序列分析，研究了輪作對土壤養(yǎng)分、微生物活性及細菌群落結(jié)構(gòu)的影響。結(jié)果表明，經(jīng)過16年的不同輪作種植后，土壤pH值變化于6.2～7.1之間，有機質(zhì)和有效氮、磷、鉀提高或無顯著變化，說明在高強度輪作種植條件下，輔以秸稈還田或冬季休閑均可保持或提高土壤肥力和生產(chǎn)力。土壤微生物量碳氮、蔗糖酶、脫氫酶、脲酶、磷酸酶和過氧化氫酶活性均以T-V-R最高，說明土壤生態(tài)環(huán)境改善，促進微生物繁衍，數(shù)量增加，活性增強。土壤細菌的16S rDNA讀數(shù)依次為5395(T-F-M)、5864(T-C-M)、5528(T-C-R)和6614(T-V-R)，分別代表885，973，969和987種(屬)類的細菌，歸屬于變形菌、綠彎菌、放線菌、酸桿菌、擬桿菌等31個門，其中變形菌門的數(shù)量最多，占總量的24.69%～32.49%。此外，在4種輪作處理土壤中，前5種門類的細菌相同，15種優(yōu)勢菌株有6種(屬)一樣，均有較高的豐富度，但也因種植模式不同而變化，說明土壤是決定細菌組成的基本要素，種植模式可不同程度地改變它們的種群結(jié)構(gòu)。從土壤有機質(zhì)、有效養(yǎng)分、酶活性、微生物量碳氮、細菌種群結(jié)構(gòu)和多樣性等方面看，T-V-R 最佳，該種植模式具有潛在的推廣應(yīng)用價值。

輪作；養(yǎng)分；土壤酶；細菌；多樣性

連續(xù)種植同一或近緣作物容易發(fā)生“連作障礙”。如土壤養(yǎng)分異常積累或過度消耗，病原微生物迅速繁衍，化感物質(zhì)積累，土壤微生物種群結(jié)構(gòu)失衡，作物產(chǎn)量品質(zhì)降低等[1-2]。玉米(Zeamays)連作降低土壤有益微生物數(shù)量，增加真菌的相對比例，頻繁發(fā)生作物病害[3]。西瓜(Citrulluslanatus)根系能分泌酚類物質(zhì), 產(chǎn)生自毒作用，抑制生長，降低產(chǎn)量[4]?？緹?Nicotianatabacum)長期連作，提高黑脛病和赤星病的發(fā)病率，降低煙葉產(chǎn)量和質(zhì)量[5]。相反，輪作能合理利用土壤養(yǎng)分，改變土壤理化和生物學性質(zhì)，保持地力，增加產(chǎn)量，提高經(jīng)濟效益[6]。但是，輪作模式不同，對土壤理化和生物學性質(zhì)的影響也不一樣。連續(xù)5年實施水稻(Oryzasativa)-油菜(Brassicacampestris)輪作，土壤有機質(zhì)含量顯著高于水稻-小麥(Triticumaestivum)和水稻-黑麥草(Loliumperenne)輪作[7]。從土壤酶活性看，采用草莓(Fragariaananassa)-休閑種植模式的土壤蔗糖酶活性最高，草莓-水稻種植模式次之，草莓-甜瓜(Cucumismelo)輪作最低，最高比最低提高了94.1%[8]；但在草莓-休閑種植的土壤中，酸性磷酸酶和過氧化氫酶活性分別比草莓-甜瓜種植模式降低22.9%和13.5%。在我國東北黑土上，實施黃瓜(Cucumissativus)連作、小麥-黃瓜和毛苕子(Viciavillosa)-黃瓜輪作，輪作顯著增加根際細菌種類，減少結(jié)瓜后期的真菌種群，尤以毛苕子-黃瓜輪作最為顯著[9]。

微生物是土壤的重要組成部分，可釋放多種酶類，參與土壤有機質(zhì)降解、腐殖質(zhì)合成和養(yǎng)分循環(huán)等生物化學過程[10]。細菌是數(shù)量最多和種群最豐富的土壤微生物，人們通常采用分離培養(yǎng)、磷脂脂肪酸和PCR-DGGE等常規(guī)和分子生物學技術(shù)研究土壤微生物，但獲得的細菌數(shù)量種類有限，不能充分反映土壤細菌多樣化的組成和種群結(jié)構(gòu)。454高通量測序技術(shù)是在PCR擴增的基礎(chǔ)上，分析細菌16S rDNA和真菌18S rDNA序列，與基因庫中的已知序列進行對比，鑒別微生物種(屬)類，具有適用范圍廣、靈敏性高、可靠性好，同時檢測活性和休眠微生物等特點[11]。

云南省是我國烤煙主產(chǎn)區(qū)，烤煙輪作比例達80%以上，煙地夏季主要輪作玉米和水稻，分別占種植面積的64.7%和27.6%，冬季一般種植油菜和綠肥或休閑，輪作年限一般為2～3年[12]。選擇科學的輪作模式，減輕連作障礙，是保持整個農(nóng)業(yè)生產(chǎn)健康和持續(xù)發(fā)展的重要措施[13]，但相關(guān)研究較少。為了深入了解土壤細菌的數(shù)量、活性、組成結(jié)構(gòu)和多樣性，建立科學合理的輪作模式，本研究采用常規(guī)方法和454高通量測序技術(shù)，研究了云南省煙區(qū)主要輪作模式對土壤養(yǎng)分、微生物活性與細菌群落結(jié)構(gòu)的影響。

1 材料與方法

1.1試驗地概況

云南省煙草農(nóng)業(yè)科學研究院試驗基地(N 24°14′，E 102°30′)，海拔1680 m，年均溫度15.9℃，年降雨量918 mm，雨季(4-9月)降雨量占全年的79.5%，年日照時數(shù)2072 h。供試土壤為云南省典型、具有代表性的砂質(zhì)紅壤，pH 6.4，有機質(zhì)10.70 g/kg，全氮0.54 g/kg，全磷0.11 g/kg，全鉀6.43 g/kg，有效氮82.0 mg/kg，有效磷 9.0 mg/kg，有效鉀160.0 mg/kg。

1.2試驗處理

試驗始于1998年，設(shè)置烤煙-休閑-玉米(flue cured tobacco-fallowness-maize, T-F-M)、烤煙-油菜-玉米(flue cured tobacco-canola-maize, T-C-M)、烤煙-油菜-水稻(flue cured tobacco-canola-rice, T-C-R)和烤煙-苕子-水稻(flue cured tobacco-vetch-rice, T-V-R)4種輪作模式。小區(qū)面積28 m2，重復(fù)3次，隨機區(qū)組排列?？緹?、玉米和水稻5月初移栽，苕子和油菜秋末播種。根據(jù)當?shù)卮筇锷a(chǎn)情況，油菜施用純氮90 kg/hm2，P2O530 kg/hm2；玉米和水稻施用純氮112.5 kg/hm2，P2O540 kg/hm2；苕子施用純氮75 kg/hm2。此外，水稻、玉米和油菜秸稈全部切碎還田；綠肥收割多次，未徹底收割的殘樁全部翻壓入土。在烤煙種植季節(jié)，基肥由N∶P2O5∶K2O=10∶10∶25烤煙專用肥提供，施氮量占施肥總量的70%；剩余30%的氮素由烤煙專用追肥(N∶P2O5∶K2O=10∶0∶25)提供，在移栽后7～10 d和30～40 d均分兩次穴施。在玉米、油菜及苕子種植季節(jié)，化學氮磷分別由尿素和過磷酸鈣提供。其中，玉米和油菜70%的氮和全部磷肥作基肥，剩余30%的氮分別在油菜云苔期和玉米大喇叭口期作為追肥穴施，苕子全施基肥。

1.3土樣采集與分析

在2014年油菜和苕子旺長期，采集0～20 cm的耕層土壤(包括休閑處理)，揀去雜物，取部分土壤晾干進行常規(guī)分析。采用電位法測定土壤pH；重鉻酸鉀容量法測定土壤有機質(zhì)；堿解擴散法測定土壤堿解氮；NaHCO3提取法測定土壤有效磷；NH4Ac-火焰光度法測定土壤有效鉀[14]。土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，酶活性以24 h后1 g土壤中生成的葡萄糖(glucose)mg數(shù)表示[15]；磷酸酶活性用磷酸苯二鈉比色法測定，酶活性以24 h后1 g土中釋放的酚mg數(shù)表示[15]；脲酶活性用苯酚鈉-次氯酸鈉顯色法測定，酶活性以24 h后1 g土中NH4+-N的mg數(shù)表示[15]；過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，酶活性以每h內(nèi)1 g土消耗0.1 mol/L KMnO4的mL數(shù)表示[15]；脫氫酶活性采用TTC比色法測定，酶活性以24 h后1 g土中TPF(三苯基甲月替)的mg數(shù)表示[15]。另取部分土壤立即液氮冷凍備測微生物碳氮量和細菌16S rRNA序列。微生物碳氮量采用氯仿熏蒸-0.5 mol/L K2SO4提取，用K2Cr2O7氧化法測碳和腚酚藍比色法測氮[16]。

在上海美吉生物科技有限公司進行細菌16S rDNA測序，參照454高通量測序方法，提取、擴增、純化、定量和均一化細菌16S rDNA，利用Roche Genome Sequencer FLX測序平臺進行測序[17]。然后，對有效序列進行去雜、修剪、除嵌合體序列等過濾處理，得到優(yōu)化序列，通過聚類分析形成分類單元(operational taxonomic units，OTUs)，采用BLAST程序?qū)Ρ菺enBank(http://ncbi.nlm.nih.gov)中的已知序列，根據(jù)97%的相似度確定16S rDNA序列所代表的細菌種(屬)類。

1.4數(shù)據(jù)處理

利用土壤細菌屬(種)數(shù)(OTUs)和16S rDNA序列數(shù)(Reads)計算土壤細菌的種群特征值，包括多樣性指數(shù)和優(yōu)勢度指數(shù)。

Shannon-Wiener多樣性指數(shù)(H)的計算公式為：

Simpson優(yōu)勢度指數(shù)(D)的計算公式為：

其中,Sobs為獲得OTUs的總數(shù)量；ni為細菌i的OTUs數(shù)量；N為獲得細菌的總數(shù)量[18-19]。

細菌豐富度為某種細菌的16SrDNA讀數(shù)占細菌16SrDNA總讀數(shù)的百分數(shù)[20-21]。

1.5統(tǒng)計分析

用Excel進行基本計算，SPSS16.0軟件進行統(tǒng)計分析，差異顯著性水平為P<0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1土壤pH、有機質(zhì)與有效養(yǎng)分

在不同種輪作處理的土壤中，pH、有機質(zhì)和有效養(yǎng)分的含量顯著提高或無明顯變化(表1)。與原始土壤相比，T-C-M和T-F-M顯著提高土壤pH，從pH6.4提高到pH6.9～7.1，但T-C-R和T-V-R對土壤pH無顯著影響。T-C-M、T-C-R和T-V-R不同程度地提高了土壤有機質(zhì)含量，增幅變化于16.26%～45.14%之間，以T-V-R最為顯著。T-C-R和T-V-R的有效氮較原始土壤分別提高10.0%和32.5%；在4種輪作處理的土壤中，有效磷含量是原始土壤的2.13～4.67倍；T-F-M使土壤有效鉀增加64.06%。

2.2土壤酶活性

土壤酶活性因輪作模式不同而異(表2)。在T-V-R處理的土壤中，蔗糖酶、磷酸酶、脫氫酶、過氧化氫酶和脲酶活性最高。在T-F-M、T-C-M和T-C-R處理的土壤中，蔗糖酶活性無顯著差異；脲酶活性的變化趨勢同蔗糖酶。在T-C-M處理的土壤中，磷酸酶和脫氫酶活性最低，但脫氫酶活性與T-C-R處理無顯著差異。在T-F-M和T-C-R處理的土壤中，過氧化氫酶活性無顯著差異，但顯著低于T-C-M和T-V-R。

表1 不同輪作模式對土壤pH、有機質(zhì)和有效養(yǎng)分的影響Table 1 Selected properties of the soil under different rotation treatments

注:同列不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)，下同。

Note:In each column, different small letters indicate significant differences among cropping treatments atP<0.05, the same below.

表2 不同種植模式對土壤酶活性的影響Table 2 Influence of rotation modals on enzyme activities in soil

* 蔗糖酶活性Sucrase activity：mg 葡萄糖Glucose/(g·h)；磷酸酶活性Phosphatase activity：mg pNP/(g·h)；脫氫酶活性Dehydrogenase activity：mg TPF/(g·h)；過氧化氫酶活性Catalase activity：mL(0.1 mol/L K2MnO4)/(h·g)；脲酶活性Urease activity：mg NH4+-N/(g·h).

2.3微生物生物量

由圖1可知，微生物量碳T-V-R處理最高，達到154.70 mg/kg；T-C-M和T-C-R次之；T-F-M最低，僅56.33 mg/kg。但是，微生物量氮的變化趨勢與微生物量碳有所不同，T-V-R最高，T-C-M和T-F-M次之，T-C-R最低。在4種不同輪作模式處理中，微生物碳氮比差異顯著。

2.4土壤細菌

2.4.1稀釋曲線 隨機抽取測序樣品中的16S rDNA讀數(shù)(reads)，以細菌種(屬)類數(shù)(OTUs)為縱坐標，16S rDNA讀數(shù)為橫坐標，獲得稀釋曲線(圖2)[22]。結(jié)果表明，抽樣讀數(shù)大約在1500以下時，細菌種(屬)類數(shù)迅速增加；讀數(shù)在1500～4000之間，細菌種(屬)數(shù)緩慢增加；讀數(shù)超過4000之后，其種(屬)類數(shù)的增長逐漸趨于平緩。此外，細菌稀釋曲線的最高值因輪作處理不同而異，T-V-R最高，T-C-M和T-C-R次之，T-F-M最低。

圖1 種植模式對土壤微生物量碳氮的影響

圖2 不同輪作處理的土壤中細菌稀釋性曲線

2.4.2細菌門類 在T-F-M、T-C-M、T-C-R和T-V-R處理的土壤中，細菌16S rDNA讀數(shù)依次為5395，5864，5528和6614，分別代表885，973，969和987種(屬)類的細菌，其中62.21%～69.72%的細菌讀數(shù)小于5。土壤細菌分別歸屬于變形菌(Proteobacteria)、綠彎菌(Chloroflexi)、放線菌(Actinobacteria)、酸桿菌(Acidobacteria)、擬桿菌(Bacteroidetes)、浮霉菌(Planctomycetes)、芽單胞菌(Gemmatimonadetes)及厚壁菌(Firmicutes)等31個門，約有1%的細菌尚待確定所歸屬的門類(表3，圖3)。其中，變形菌門的豐富度最高，占總量的24.69%～32.49%，平均29.51%。此外，在各處理的土壤中，前5種門類的細菌相同，依次為變形菌門、綠彎菌門、放線菌門、酸桿菌門和擬桿菌門，其豐富度因種植模式不同而異。

2.4.3優(yōu)勢菌株 在各處理的土壤中，前15種優(yōu)勢菌株的豐富度合計占總量的45.91%～48.58%。其中，以兩種待定細菌(unclassified bacteria)的豐富度最高，平均占總量的26.68%和11.52%；第15種優(yōu)勢菌株的豐富度占總量的0.24%～0.44%。

表3 在不同輪作土壤中，15種優(yōu)勢細菌菌屬(株)的豐富度

Table3 The abundance of top 15 predominant bacteria in soil with different rotation treatments

圖3 不同種植處理的土壤中，前10個門類細菌16S rDNA序列數(shù)及其豐富度

由表3可知，在15種優(yōu)勢菌株中，待定細菌-1、待定細菌-2、酸桿菌、芽單胞菌、放線菌和綠彎菌共存于4種輪作模式的土壤中。其中，待定細菌-1和待定細菌-2的豐富度合計高達42.62%～45.68%，且不因輪作處理而發(fā)生改變；酸桿菌、放線菌和芽單孢菌屬于已鑒定的前5種優(yōu)勢菌株。此外，伯克氏菌(Burkholderiaceae)共存于T-F-M、T-C-M和T-V-R處理的土壤；黏球菌、α-變形菌和酸微菌是T-F-M、T-C-R和T-V-R的共有細菌；β-變形菌同時存在于T-C-M、T-C-R和T-V-R處理的土壤。

在15種優(yōu)勢菌株中，梭菌僅發(fā)現(xiàn)于T-F-M處理的土壤；鏈霉菌、終極腐霉菌和黃桿菌為T-C-M處理土壤的獨有菌株；在T-C-R處理的土壤中，獨有菌株包括變形菌、假單胞菌、浮霉狀菌和根瘤菌；在T-V-R處理的土壤中，中慢生型天山根瘤菌和貪噬菌為獨有菌株。

2.4.4細菌群落特征值 在T-V-R的土壤中，細菌多樣性指數(shù)最高，達到3.925；T-C-M次之，為3.756；T-F-M和T-C-R最低。但是，優(yōu)勢度指數(shù)T-F-M最高，達0.711，T-V-R最低，僅0.583(表4)。

3 討論

經(jīng)過16年的輪作種植，有機質(zhì)和有效養(yǎng)分提高或無顯著變化，土壤pH變化于6.2～7.1之間，仍然在糧、油、經(jīng)、蔬等多種作物種植的適合范圍之內(nèi)，說明在高強度輪作種植條件下，輔以秸稈還田或冬季休閑均可保持或提高土壤肥力和生產(chǎn)力。此外，在各輪作處理的土壤中，有效磷高達19.2～42.0 mg/kg，是原始土壤 9.0 mg/kg的2.13～4.67倍，可以適量減施磷肥。綜合土壤pH、有機質(zhì)和有效養(yǎng)分的變化，以T-V-R種植模式最佳。

表4 各輪作處理土壤細菌群落特征值Table 4 Characteristic values of bacterial communities in soil under different rotation treatments

土壤有機質(zhì)是微生物的碳源和氮源[23]。秸稈還田和輪作向土壤提供大量的、豐富多樣的有機質(zhì)，可滿足不同微生物對碳源和養(yǎng)分的需要。在實施T-V-R輪作的過程中，水旱輪作，嫌/好氣交替，創(chuàng)造了適合多種微生物繁衍的不同土壤環(huán)境；烤煙、水稻和苕子的近緣性小，有機成分差異較大，有益于不同微生物的繁殖生長。因此，T-V-R土壤中的微生物量碳氮最高，16S rDNA讀數(shù)最大，細菌種(屬)類最多。從土壤酶活性看，T-V-R輪作的蔗糖酶、脫氫酶、磷酸酶、過氧化氫酶和脲酶活性最強，推測微生物分泌的酶較多[24]，土壤酶活性強促進有機質(zhì)分解、腐殖質(zhì)合成、養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、生物固氮、污染物清除等[25]。

在不同輪作處理的土壤中，土壤微生物量碳氮比高低相差約2.5倍，意味著它們的群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生了顯著變化。本文采用454高通量測序方法，揭示了細菌從門類到種(屬)的組成、優(yōu)勢菌株、豐富度和多樣性特征等。結(jié)果表明，稀釋性曲線呈迅速增加-緩慢增加-逐漸平緩的變化趨勢，說明16S rDNA的樣本量和測序數(shù)據(jù)合理，準確地反映了樣本中的細菌數(shù)及組成情況；稀釋曲線的峰值高低不一，意味著輪作處理影響細菌的多樣性。一般認為，多樣性指數(shù)表示生物群落中的物種多寡，數(shù)值愈大表示群落中的物種越豐富；優(yōu)勢度指數(shù)越大，生物群落內(nèi)的奇異度越高，優(yōu)勢種群突出[26]。在健康穩(wěn)定的生態(tài)環(huán)境中，生物多樣性指數(shù)較高，優(yōu)勢度指數(shù)較低。T-V-R顯著提高細菌群落的多樣性指數(shù)，但降低優(yōu)勢度指數(shù)。因此，T-V-R處理的土壤生態(tài)環(huán)境較好，有益于細菌生長繁殖，數(shù)量增多，種群增加，密度增大。此外，在不同種植模式的土壤中，細菌的豐富度因輪作和它們的門、屬、種不同而異，存在885～987種(屬)的細菌，遠遠超過了目前的常規(guī)培養(yǎng)、磷脂脂肪酸和PCR-DGGE能達到的水平。因此，更能深入研究土壤細菌的組成和群落結(jié)構(gòu)。值得注意的是，16S rDNA讀數(shù)和細菌OTUs以T-V-R最高，T-F-M最低，說明T-V-R土壤中的細菌數(shù)和種(屬)類最多。

在4種輪作處理的土壤中，前5種門類的細菌相同，但因種植模式不同而影響其豐富度。在前15種優(yōu)勢細菌中，有 6種(屬)共同存在于各輪作處理的土壤中，均有較高的豐富度，也因種植模式不同而發(fā)生變化；其中待定細菌-1和待定細菌-2的豐富度合計高達42.62%～45.68%，居絕對優(yōu)勢地位。說明土壤是決定細菌組成的基本要素，種植模式可不同程度地改變細菌的種群結(jié)構(gòu)。從優(yōu)勢菌株的功能看，豐富度最高的待定細菌-1和待定細菌-2尚待鑒定分類，需要明確其生物學功能；酸桿菌廣泛存在于自然界的各種環(huán)境中，具有豐富的遺傳和代謝多樣性，對穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)貢獻極大[27-28]；放線菌也是自然界分布最廣泛的微生物類群之一，參與土壤有機質(zhì)轉(zhuǎn)化，土壤結(jié)構(gòu)形成，植物生長素和抗生素分泌[29]；綠彎菌是活性污泥的組成成分之一[30]，生活在好氧環(huán)境下，有利于土壤中有毒物質(zhì)的降解。除T-C-R之外，其他3種輪作處理的土壤都存在伯克氏菌，且豐富度較高，它們能分泌生長素、ACC脫氨酶和鐵載體，溶解礦物態(tài)無機磷，促進番茄(Lycopersiconesculentum)、美洲商陸(PhytolaccaAmericana)和籽粒莧(Amaranthushypochondriacus)生長，提高植物抗(耐)重金屬的能力[31-32]。此外，T-V-R處理的土壤中還存在貪噬菌和中慢生型天山根瘤菌，前者參與有機磷、硝基酪氨酸、除草劑、三氯乙烯等的生物降解[33-34]，中慢生型天山根瘤菌明顯與苕子結(jié)瘤固氮有關(guān)。因此，優(yōu)勢細菌的作用與土壤功能密切相關(guān)。

總之，不同輪作方式均有益于保持或提高土壤肥力和土地生產(chǎn)力。從土壤有機質(zhì)、有效養(yǎng)分、酶活性、微生物量、細菌種群結(jié)構(gòu)和多樣性等方面看，T-V-R最佳，是值得推廣的一種種植模式。

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Influence of crop rotation on soil nutrients, microbial activities and bacterial community structures

CHEN Dan-Mei1, CHEN Xiao-Ming2, LIANG Yong-Jiang2, HUO Xin-Jian2, ZHANG Chang-Hua2,DUAN Yu-Qi3, YANG Yu-Hong3, YUAN Ling1*

1.CollegeofResourcesandEnvironment,SouthwestUniversity,Chongqing400716,China； 2.GuizhouZunyiTobaccoCompany,Zunyi563000,China； 3.YunnanTobaccoAgricultureResearchInstitute,Kunming650031,China

A 16-year field experiment has been carried out to investigate the influence of crop rotations on soil nutrients, microbial activities and bacterial community structures.The study includes 454 pyrosequencing analysis of bacterial 16S rDNA.The experiment investigated four crop rotation treatments:1) flue-cured tobacco in summer, followed by winter fallowing and maize in summer (T-F-M); 2) flue-cured tobacco in summer, canola in winter and maize in summer (T-C-M); 3) flue-cured tobacco in summer, canola in winter and rice in summer (T-C-R); and 4) tobacco in summer,Viciavillosain winter and rice in summer (T-V-R).After 16-years of crop rotation, soil pH had changed from 6.2 to 7.1.Compared with original soil levels, organic matter and available nutrients (such as nitrogen, phosphorus and potassium) either varied very little or significantly increased, suggesting the retention or growth of fertility under intensive rotations that return straw into soil and fallow during winter.There were higher microbial biomass carbon and nitrogen and enzyme activity (for example, sucrase, phosphatase, dehydrogenase, catalase and urease) in soils under the T-V-R treatment than in any of the other treatments.The readings of bacterial 16S rDNA sequences were 5395 for T-F-M soils, 5864 for T-C-M, 5528 for T-C-R and 6614 for T-V-R, representing 885, 973, 969 and 987 bacterial genera or species respectively, attributed to 31 phyla including Proteobacteria, Chloroflexi, Actinobacteria, Acidobacteria and Bacteroidetes.Proteobacteria were the largest group, accounting for 24.69%-32.49% of soil bacteria.5 of the 31 bacterial phyla and 6 of the 15 predominant bacteria were found in all the treatments’ soils.It seems reasonable to suggest that crop rotation was a fundamental determinant of the abundance of soil bacterial components and community structures.Taking into account variations in organic matter, available nutrients, enzyme activities, microbial biomass, bacterial community structures and biodiversity, our experiment suggests that T-V-R could be the best rotation model to promote in the flue-tobacco cultivation areas of Yunnan province.Key words:rotation; nutrients; soil enzymes; bacteria; diversity

10.11686/cyxb2015002

http://cyxb.lzu.edu.cn

2015-01-05；改回日期：2015-02-11

遵義市煙草公司(2010ZY)，云南省煙草公司(2013YN11)，國家煙草專賣局(110201302016)和科技部“973”課題(2013CB127405)資助。

陳丹梅(1992-)，女，四川綿陽人，在讀博士。E-mail:544328279@qq.com*通信作者Corresponding author.E-mail:lingyuanh@aliyun.com

陳丹梅, 陳曉明, 梁永江, 霍新建, 張長華, 段玉琪, 楊宇虹, 袁玲.輪作對土壤養(yǎng)分、微生物活性及細菌群落結(jié)構(gòu)的影響.草業(yè)學報, 2015, 24(12):56-65.

CHEN Dan-Mei, CHEN Xiao-Ming, LIANG Yong-Jiang, HUO Xin-Jian, ZHANG Chang-Hua, DUAN Yu-Qi, YANG Yu-Hong, YUAN Ling.Influence of crop rotation on soil nutrients, microbial activities and bacterial community structures.Acta Prataculturae Sinica, 2015, 24(12):56-65.