不同養(yǎng)地方式對連作烤煙根際土壤微生物功能多樣性的影響

尤垂淮，曾文龍，陳冬梅，黃錦文，唐莉娜

1 福建農(nóng)林大學作物科學學院，福建福州 350002；2 龍巖市煙草公司，福建龍巖，364000；3 福建省煙草農(nóng)業(yè)科學研究所，福建福州 350003

不同養(yǎng)地方式對連作烤煙根際土壤微生物功能多樣性的影響

尤垂淮1，曾文龍2，陳冬梅1，黃錦文1，唐莉娜3

1 福建農(nóng)林大學作物科學學院，福建福州 350002；2 龍巖市煙草公司，福建龍巖，364000；3 福建省煙草農(nóng)業(yè)科學研究所，福建福州 350003

以烤煙-水稻復種連作8年的土壤為研究對象，通過田間定位試驗，研究冬閑、稻草回田、冬種紫云英回田等三種養(yǎng)地方式對烤煙根際微生態(tài)的影響。結果表明，（1）土壤化感自毒潛力以冬閑養(yǎng)地方式烤煙根際土壤自毒作用最強，其次是冬種紫云英，稻草回田自毒作用最小。（2）基于 BIOLOG平板法的微生物功能多樣性研究表明，冬閑利于以糖類、酚酸類物質(zhì)為碳源的微生物生長；稻草回田利于以胺類為碳源的微生物生長；冬種紫云英回田利于以羧酸類、脂肪酸、氨基酸類為碳源的微生物生長。（3）土壤微生物利用碳源的多樣性指數(shù)：SIMPSON(J)指數(shù)、SHANNON(H)指數(shù)、SHANNON(HE)均勻度指數(shù)、BRILLOUIN指數(shù)、McIntosh(Dmc)指數(shù)，均稻草回田處理高于冬閑和冬種紫云英，說明稻草回田最有利于改善烤煙根際土壤微生物多樣性。可見，對改善土壤微生物群落多樣性，減少連作土壤的自毒作用，稻草回田最好，其次是紫云英回田，冬閑最差。

烤煙；連作障礙；微生物；功能多樣性；BIOLOG；土壤酶

煙草屬茄科忌連作的作物，長期連作導致烤煙病害加重、產(chǎn)量與品質(zhì)下降[1-3]。由于受到耕地面積的限制，福建煙區(qū)種植制度主要以烤煙-水稻復種連作為主，然而，隨著復種連作年限的延長，連作障礙越來越嚴重，制約著煙葉生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展，成為烤煙生產(chǎn)上亟待解決的問題之一。

連作障礙形成是根際土壤系統(tǒng)內(nèi)諸多因素綜合作用的外在表現(xiàn)，如土壤理化性狀惡化、根系分泌物的自毒作用、病原微生物數(shù)量增加導致病蟲害加劇等。已有研究表明，土壤微生物的數(shù)量與種類受耕作制度、作物種類及施肥技術等因素的影響[4-5]，適量綠肥、秸稈回田有利于提高土壤有機質(zhì)，增加土壤微生物生物量，提高作物的產(chǎn)量和品質(zhì)[6-7]。從土壤微生態(tài)角度，探討不同養(yǎng)地方式對植煙土壤微生物種群和數(shù)量的影響，對福建煙區(qū)而言，在這方面的研究鮮有報道。福建煙區(qū)光熱資源豐富，復種指數(shù)高，利用冬季農(nóng)業(yè)養(yǎng)地是一個很好的選擇。為此，本試驗以煙-稻復種連作8年以上的土壤為對象，采用田間定位試驗，通過在冬季設置不同的養(yǎng)地措施，包括冬閑、晚稻收獲后采用稻草回田、冬種紫云英回田等措施，研究探討不同養(yǎng)地措施對烤煙生長、土壤微生物功能多樣性的影響，以期為建立合理耕作制度，減輕或解除煙-稻復種連作障礙提供理論依據(jù)，對指導烤煙生產(chǎn)具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

試驗于2007-2013年在福建南平浦城仙陽烤煙試驗站基地進行。供試煙田為煙-稻復種連作8年以上，供試烤煙品種為K326。試驗田地勢平坦，土壤質(zhì)地為砂壤土，土壤pH值5.0，有機質(zhì)34.8g/kg，速效氮180.0mg/kg，速效磷21.6mg/kg，速效鉀103.0mg/kg，全氮2.38 g/kg，全磷0.73 g/kg，全鉀34.5 g/kg，土壤陽離子交換量7.8 cmol/kg。

1.2 試驗設計

試驗設3種養(yǎng)地方式，即從2007年起，前處理均一致，上半年種烤煙，下半年種水稻，而后采用不同養(yǎng)地方式：A為對照（烤煙-水稻-冬閑），即早季種煙，煙收獲后種水稻，水稻收獲后冬閑；B：稻草回田，即早季種煙，煙收獲后種水稻，水稻收獲后稻草回田；C：冬種紫云英，紫云英回田。試驗采用隨機區(qū)組設計，每個處理設3次重復，共計9個小區(qū)。每個處理小區(qū)種5畦，每畦植煙44株，共220株，行株距1.2m×0.5m。田間管理按規(guī)范化栽培措施進行。田間定位從2007年開始，在田間定位的第4年（2010年），在烤煙生長旺長期，取烤煙根際土壤，進行土壤微生物和土壤酶活性分析；在煙株打頂后1周，觀察記載煙株農(nóng)藝性狀；烤后煙根據(jù)烤煙國標進行分級測產(chǎn)，煙葉感官質(zhì)量評價由鄭州煙草研究院農(nóng)業(yè)室進行評價。

1.3 試驗方法

1.3.1 不同養(yǎng)地措施下烤煙根際土壤化感自毒潛力評價

烤煙根際土壤化感潛力評價主要采用土壤-瓊脂三明治法[8]。配制0.8%的瓊脂溶液，加熱冷卻至45℃時，取30 mL倒入培養(yǎng)皿（高度1.3 cm，直徑6.2 cm），加入15 g新鮮烤煙根際土壤，用玻璃棒攪勻，置于室溫，凝固后加入2 mL加熱的0.5%瓊脂溶液，冷卻凝固后，播入10粒已萌發(fā)的煙草種子或者萵苣種子，均勻分布，以無土處理為對照，10次重復，在人工氣候箱中培養(yǎng)。不同種植培養(yǎng)溫度和時間不同，煙草種子培養(yǎng)溫度為25℃，培養(yǎng)10天；萵苣種子培養(yǎng)溫度為30℃，培養(yǎng)3天，每天光照12 h（7:00～19:00）。培養(yǎng)結束，主要測量植株根長。土壤化感潛力用相對抑制率（inhibition rate，IR），IR=(1-處理值/對照值)×100%。

1.3.2 烤煙根際土壤微生物功能多樣性分析

根際微生物群落功能多樣性主要采用BIOLOG ECO微平板(Biolog Inc., CA, USA)，每塊生態(tài)板96孔，31種碳源和一個水作為空白對照，3次重復。具體操作程序主要是根據(jù)Choi等[9]的方法。生態(tài)板在28℃下聯(lián)系培養(yǎng)7 d，每天固定時間用光吸收酶標儀在590 nm處讀取每孔的吸光值，連續(xù)讀取7 d。每塊板上微生物活性采用平均顏色變化率AWCD(Average Well Color Development)表示，計算公式為：AWCD=[∑(C-R)]/N，其中C是所測定的31個碳源孔的吸光值，R為對照孔的吸光值，N為碳源的數(shù)目。土壤微生物群落功能多樣性指數(shù)計算參照植物生態(tài)學中的方法[10]，計算采用反應96 h的測定結果。Simpsom 指 數(shù) 1/D =[∑ni(ni-1)/N(N-1)]-1；Shannon-Wiener指數(shù)H′=∑(pi×logpi)；Shannon均勻度E = H′/lnS；McIntosh指數(shù)U=(∑ni2)1/2；Brillouin 指數(shù)H =（1/N）/ln[N!(/n1!n2!n3!n4!......nn!)]；McIntosh均勻度指數(shù)E=(N-U)/(N-N(S)-1/2)。其中pi為第i孔相對吸光值（C-R）與整個平板相對吸光值總和的比率。S為顏色變化孔的數(shù)目，ni為第i孔相對吸光值（C-R）；N為吸光值總和。

1.3.3 土壤酶活性的測定

采用TTC（氯化三苯基四氮唑）比色法測定脫氫酶活性，過氧化物酶和多酚氧化酶采用紫色沒食子酸比色法測定，脲酶用苯酚鈉比色法，蔗糖酶用硝基水楊酸比色法，纖維素酶用蒽酮比色法，過氧化氫酶用高錳酸鉀滴定法，蛋白酶采用Folin-Ciocslteu法測定，磷酸單脂酶采用對硝基苯磷酸二鈉比色法[11]。

1.3.4 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS11.5軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析。

2 結果與分析

2.1 不同養(yǎng)地方式對烤煙主要農(nóng)藝性狀的影響

研究結果表明（表1），不同處理之間煙株農(nóng)藝性狀呈顯著差異。從煙株株高可以看出，B處理最高，其次是C處理，A處理相對較低，且三者之間達到顯著性差異；有效葉數(shù)，處理B ＞ C ＞A。綜合主要農(nóng)藝性狀來看，B、C處理優(yōu)于A處理。

表1 不同養(yǎng)地方式對烤煙主要農(nóng)藝性狀的影響Tab. 1 Effect of different soil management methods on major agronomic traits

2.2 不同養(yǎng)地方式對烤煙產(chǎn)質(zhì)量的影響

不同養(yǎng)地方式對烤煙經(jīng)濟性狀的影響見表2。由2可以看出，不同養(yǎng)地方式對烤煙經(jīng)濟性狀的影響呈顯著差異，綜合烤煙產(chǎn)量、產(chǎn)值、上中等煙比例表現(xiàn)，烤煙經(jīng)濟性狀表現(xiàn)為B、C處理優(yōu)于A處理。從中上部煙葉感官質(zhì)量評價來看，稻草回田的B處理優(yōu)于紫云英回田的C處理。

表2 不同養(yǎng)地方式對烤煙產(chǎn)質(zhì)量影響Tab. 2 Effect of different soil management methods on the yield and output value of tobacco leaves

2.3 不同養(yǎng)地措施下烤煙根際土壤自毒潛力

研究結果表明（圖1）：不同養(yǎng)地措施下，烤煙根際土壤對烤煙、萵苣幼苗根系的生長均具有明顯的抑制作用，且差異達顯著水平，即冬季采用休閑的A處理（烤煙-水稻-冬閑）烤煙根際土壤對烤煙、萵苣幼苗根長的抑制率分別為30.8%、49.4%，煙后作水稻間作紫云英回田的C處理烤煙根際土壤對烤煙、萵苣幼苗根長的抑制率分別為20%、31.3%；而煙后水稻收獲后采用稻草回田的B處理（烤煙-水稻-稻草回田）烤煙根際土壤對烤煙、萵苣幼苗根長的抑制率分別為18.5%、25.6%。可見，不同養(yǎng)地措施下，采用稻草回田（B）的處理最有利于減輕烤煙土壤的自毒作用，而紫云英回田的次之，冬季休閑的最差，但稻草回田、紫云英回田處理間差異不顯著。

圖1 不同養(yǎng)地措施下烤煙根際土壤對煙草、萵苣根長的影響Fig. 1 Effect of different soil management methods on root length of tobacco and lettuce

2.4 不同養(yǎng)地措施下烤煙根際土壤微生物功能多樣性分析

2.4.1 不同養(yǎng)地措施下烤煙根際土壤微生物碳源利用率分析

利用BIOLOG生態(tài)板測定不同養(yǎng)地措施下烤煙根際土壤微生物對羧酸衍生物、糖類、酚酸、脂肪酸、氨基酸類、胺類等6大類碳源的利用效率，結果表明（表3），不同養(yǎng)地方式下烤煙根際土壤微生物，除對糖類利用率未達顯著差異外，對羧酸衍生物、酚酸、脂肪酸、氨基酸類、胺類等的利用效率，不同處理間均呈顯著差異。以羧酸類、脂肪酸、氨基酸類物質(zhì)為碳源時， 不同養(yǎng)地措施下連作煙草土壤微生物碳源利用的AWCD值均為紫云英回田處理＞稻草回田＞冬季休閑。以胺類物質(zhì)為碳源時，不同養(yǎng)地措施下連作煙草土壤微生物碳源利用的AWCD值為稻草回田處理＞冬季休閑＞紫云英回田。以酚酸、糖類物質(zhì)為碳源時，其影響規(guī)律則為冬季休閑處理＞紫云英回田＞稻草回田。進一步分析發(fā)現(xiàn)，冬閑最有利于以糖類、酚酸類物質(zhì)為底物的微生物生長，稻草回田最有利于以胺類為底物的微生物生長；冬天種植紫云英回田最有利于以羧酸類、脂肪酸、氨基酸類物質(zhì)的微生物生長。不同養(yǎng)地措施可顯著影響煙草根際土壤微生物的功能多樣性。

表3 不同養(yǎng)地方式烤煙根際土壤不同碳源培養(yǎng)條件下的微生物的AWCD值Tab. 3 Averages of well color development (AWCD) value for different types of carbon sources in rhizospheric soil under different soil management methods

2.4.2 不同養(yǎng)地措施下烤煙根際土壤微生物碳源利用特性的主成分分析

利用培養(yǎng)7d后的AWCD值，對不同養(yǎng)地措施下烤煙根際土壤微生物利用單一碳源特性進行主成分分析，結果表明（圖2），與土壤微生物碳源利用功能多樣性相關的主成分1、主成分2可分別解釋變量方差的52.91%和47.09%。進一步分析發(fā)現(xiàn)，冬閑A處理烤煙根際土壤位于主成分1的正端，主成分2的負端；稻草回田B處理的烤煙根際土壤位于主成分1負端，主成分2的負端；紫云英回田C處理的烤煙根際土壤位于主成分1的正端，主成分2的正端。主成分得分系數(shù)與單一碳源AWCD值的相關性分析結果表明（表4），與兩個主成分顯著相關的碳源有17種，其中與主成分1顯著相關的碳源有9種；與主成分2顯著相關的碳源有8種?？梢娞荚丛谥鞒煞址蛛x中起主要貢獻作用的是羧酸類、酚酸類、胺類碳源。

圖2 培養(yǎng)7 d后土壤微生物碳源利用主成分分析的因子荷載圖Fig. 2 Loadings for the principal component analysis (PCA) of microbe in monoculture soil of tobacco after cultured in media for 7 days

表4 土壤中與PC1和PC2顯著相關的主要培養(yǎng)基成分Tab. 4 Main components in media that are signi fi cantly correlated with PC 1 and PC 2 in PCA for each soil

2.4.3 不同養(yǎng)地措施下烤煙根際土壤微生物利用碳源的多樣性指數(shù)

土壤微生物群落利用碳源類型的多少可以用多樣性指數(shù)表示[12]。研究結果（表5）表明，不同養(yǎng)地措施下烤煙根際土壤微生物群落功能多樣性用不同指數(shù)表示時存在一定的差異。冬種植紫云英回田的養(yǎng)地方式的多樣性指數(shù)均與冬閑、稻草回田養(yǎng)地方式有顯著的差異，且均比它們低。稻草回田的SIMPSON(J)指 數(shù)、SHANNON(H)指 數(shù)、EVENNESS指 數(shù)、BRILLOUIN指數(shù)、McIntosh(Dmc)指數(shù)均比A、C高，說明稻草回田處理有利于修復烤煙根際土壤微生態(tài)，保持土壤微生物種群的多樣性。

表5 不同養(yǎng)地措施下烤煙根際土壤微生物利用碳源的多樣性指數(shù)Tab. 5 Diversity index for rhizospheric soil microbe in utilizing carbon source under different soil management methods

2.5 不同養(yǎng)地措施對烤煙根際土壤酶活性的影響

由表6可知，處理間除土壤脲酶未達顯著差異外，土壤蛋白酶、纖維素酶、蔗糖酶、酸性磷酸酶、多酚氧化酶、過氧化氫酶、過氧化物酶、脫氫酶活性均呈顯著差異。從整體上看，采用稻草回田處理和紫云英回田處理有利于提高烤煙根際土壤酶活性。

表6 不同養(yǎng)地措施下烤煙根際土壤酶活性Tab. 6 Rhizospheric soil enzyme activity under different soil management methods

3 討論

煙草連作障礙是制約煙草產(chǎn)量與品質(zhì)的關鍵因素。已有研究表明，不同程度的施肥用量或適宜的肥料種類可在一定程度上減輕煙草連作障礙[13-14]。本研究發(fā)現(xiàn)建立合理耕作制度，通過加強耕地的養(yǎng)地措施，培肥土壤，在一定程度上也可以減輕煙-稻復種的連作障礙。

土壤微生物在土壤微生態(tài)環(huán)境中對物質(zhì)轉化與分解具有特定的功能，土壤微生物群落數(shù)量及結構的變化直接影響著根際微生物整體功能[12]。通過培肥養(yǎng)地措施，可以改善土壤微生物種群和數(shù)量，進而改變連作土壤對煙草的化感自毒作用。運用土壤微生物的BIOLOG分析則從其利用單一碳源能力的角度闡明土壤微生物的功能。碳源平均顏色變化率(AWCD)及其功能多樣性指數(shù)可以反映土壤微生物的活性及其功能多樣性[15-16]。本研究運用BIOLOG技術分析不同養(yǎng)地方式對煙-稻復種連作的煙草土壤微生物功能多樣性的影響，結果表明，單一碳源培養(yǎng)條件下，冬閑最有利于以糖類、酚酸類物質(zhì)為底物的微生物生長；稻草回田最有利于以胺類為底物的微生物生長；冬天種植紫云英回田最有利于以羧酸類、脂肪酸、氨基酸類物質(zhì)的微生物生長。由此說明，冬閑處理下以酚酸類為底物的微生物大量繁殖，紫云英的次之，而稻草回田最少，即可說明冬閑處理下根際土壤富含較多酚酸次生代謝物質(zhì)，酚酸是主要的化感自毒物質(zhì)，一定程度上抑制了煙草的生長，結合化感自毒潛力評價結果，冬閑處理下自毒潛力最強，而稻草回田最弱，由此可以看出稻草回田處理下酚酸較少積累，促進煙草的生長。

生態(tài)系統(tǒng)中物種多樣性指數(shù)反映了種群結構的復雜程度。一般來說，多樣性指數(shù)較高，系統(tǒng)的結構也較復雜，穩(wěn)定性相對較高[12]。不同養(yǎng)地措施下烤煙根際土壤微生物群落功能多樣性結果表明，稻草回田這種養(yǎng)地措施下烤煙根際土壤微生物的SIMPSON(J)指 數(shù)、SHANNON(H)指 數(shù)、EVENNESS指 數(shù)、BRILLOUIN指數(shù)、McIntosh(Dmc)指數(shù)均高于冬閑和冬季種植紫云英養(yǎng)地方式，即說明稻草回田這種養(yǎng)地方式下烤煙根際微生物多樣性較好。由于土壤微生態(tài)系統(tǒng)微生物的種類繁多，這些微生物種類之間是如何傳遞信號促進或抑制其它類別微生物生長的，從而影響土壤化感自毒作用還有待于深入探討。

4 結論

在煙-稻復種連作條件下，利用冬季培肥養(yǎng)地措施，可不同程度減輕連作對煙草生長帶來的影響。冬季利用煙后稻的稻草回田最利于改善烤煙根際土壤微生物多樣性，改善煙草連作障礙，提高煙葉品質(zhì)，冬種紫云英回田次之，冬閑最差。稻草回田主要以促進土壤中利用胺類物質(zhì)為碳源的微生物生長來調(diào)節(jié)或減輕連作對煙草生長的影響。

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Effect of different soil management methods on functional diversity of microbial fl ora in rhizospheric soil for continuous tobacco cropping

YOU Chuihuai1, ZENG Wenlong2, CHEN Dongmei1, HUANG Jinwen1, TANG Lina3
1 College of Crop Science, Fujian Agriculture and Forestry University, Fuzhou 350002, China;2 Longyan Tobacco Company, Longyan 353000，F(xiàn)ujian, China;3 Fujian Research Institute of Tobacco Agriculture Sciences , Fuzhou 350003, China

Rhizospheric soil samples from tobacco-rice grow consecutively for 8 years were used to investigate the effect of different soil management methods on tobacco rhizosphere micro ecology. These methods include fallow, straw return to fi eld and winter vetch breeding.Results showed that monoculture soil treated with traditional fallow had the largest autotoxic allelopathic potential while soil treated with straw return to fi eld had the smallest. BIOLOG analysis showed that traditional fallow in winter was conducive to growth of microbial fl ora feeding on carbohydrate and phenolic acid as carbon sources. Rice straw return to fi eld was favorable to growth of microbial fl ora using amines as carbon source, and winter vetch breeding was good for growth of microbial fl ora feeding on carbohydrate, fatty acids,and phenolic acids as carbon sources. Diversity indices of microbes utilization of carbon sources suggested that microbial diversity, such as SIMPSON, SHANNON, EVENNESS, BRILLOUIN, McIntosh indices, in rhizospheric soil of fl ue-cured tobacco were robust under the treatment of rice straw return to fi eld. As for improving growth of microbial fl ora in continuous cropping soil, rice straw return to fi eld treatment was favorable to maintain rhizospheric soil nutrient equilibrium and to ameliorate the stability of soil micro-ecological system.Vetch breeding return to fi eld showed medium effect, and traditional fallow had the lowest effect.

tobacco; consecutive cropping problem；microbial fl ora; functional diversity; BIOLOG; soil enzyme

:YOU Chuihuai, ZENG Wenlong, CHEN Dongmei, et al. Effect of different soil management methods on the functional diversities of microbial fl ora in rhizospheric soil for continuous tobacco cropping [J]. Acta Tabacaria Sinica, 2015, 21 (2)

尤垂淮，曾文龍，陳冬梅，等. 不同養(yǎng)地方式對連作烤煙根際土壤微生物功能多樣性的影響[J]. 中國煙草學報，2015，21（2）

福建省煙草公司“福建煙區(qū)以煙為主耕作制度研究”項目(閩煙合同[2006]18號)

尤垂淮，博士研究生，從事煙草生理生態(tài)和優(yōu)質(zhì)烤煙栽培技術研究, Email: youchuihuai@126.com

唐莉娜(1966—)，博士，研究員，從事植煙土壤與營養(yǎng)施肥研究，Email：linatang@21cn.com

2014-08-04