間作栽培對連作馬鈴薯根際土壤微生物群落的影響

馬　琨, 楊桂麗, 馬　玲, 汪春明, 魏?；? 代曉華, 何文壽

寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 銀川　750021

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間作栽培對連作馬鈴薯根際土壤微生物群落的影響

馬琨*, 楊桂麗, 馬玲, 汪春明, 魏?；? 代曉華, 何文壽

寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院, 銀川750021

摘要:連作嚴(yán)重影響了作物的產(chǎn)量和品質(zhì)，而土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能對土壤生態(tài)系統(tǒng)和植物健康至關(guān)重要。以連作10a土壤為基質(zhì)，單作馬鈴薯為對照，采用磷脂脂肪酸(Phospholipid fatty acids)、BIOLOGA技術(shù)和真菌形態(tài)學(xué)鑒定方法，研究了玉米、蠶豆與馬鈴薯間作模式下土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、功能和叢植菌根(Arbuscular Mycorrhizal)真菌對土壤環(huán)境變化的響應(yīng)。結(jié)果表明：間作調(diào)控下，馬鈴薯根際土壤微生物主要類群結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著改變；玉米間作馬鈴薯，土壤微生物群落總生物量降低，但群落功能多樣性提高，促進(jìn)了以羧酸類、多聚化合物、芳香類化合物、氨基酸類化合物為碳源的微生物類群代謝活性增強(qiáng)；蠶豆間作增加了土壤微生物總生物量，僅促進(jìn)了以碳水化合物為碳源的微生物類群代謝活性。間作改變了作物根際土壤AM真菌的種、屬數(shù)，AM真菌多樣性降低，優(yōu)勢種由明球囊霉、地球囊霉轉(zhuǎn)變?yōu)橛衩组g作體系里的福摩薩球囊霉、球泡球囊霉；蠶豆間作體系里福摩薩球囊霉和疣狀無梗囊霉是優(yōu)勢種。間作栽培下AM真菌優(yōu)勢種群的變化可能受植物間的共生關(guān)系、微生物結(jié)構(gòu)與功能等因素的制約。間作條件下，玉米顯著影響了馬鈴薯根際土壤微生物群落功能多樣性，而蠶豆則顯著改變了微生物群落結(jié)構(gòu)多樣性；玉米、蠶豆對馬鈴薯根際土壤微生物群落功能與結(jié)構(gòu)變化的影響不同步；間作調(diào)控后持續(xù)的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能觀察才有助于解釋土壤微生物結(jié)構(gòu)變化引起的功能響應(yīng)。

關(guān)鍵詞：間作；AM真菌；磷脂脂肪酸；BIOLOG；微生物群落；結(jié)構(gòu)與功能

馬鈴薯是寧夏南部山區(qū)的主栽作物。近年來，隨著栽培面積持續(xù)擴(kuò)大，輪作倒茬困難，由此帶來的連作障礙問題日漸突出，緩解或消除馬鈴薯連作障礙迫在眉睫。已有研究表明，大豆、黃瓜、草莓等作物連作后會(huì)對土壤微生物產(chǎn)生抑制作用，使土壤微生物總數(shù)、細(xì)菌數(shù)量減少，真菌數(shù)量增加[1- 3]。隨地黃種植年限的增加，細(xì)菌種類及數(shù)量不斷減少，特別是芽孢桿菌和放線菌等種類的改變，致使土壤微生物群落多樣性水平呈下降趨勢[4]。Zhou[5]等認(rèn)為，連作或間作對根際微生物群落組成的影響不同，這種影響可以一直存在于之后的第2個(gè)或第3個(gè)生長季節(jié)。間作是兩種或兩種以上作物同時(shí)生長在同一土地上的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)活動(dòng)；由于間作作物的物候和生長周期性差異、播種或收獲時(shí)間的不同，能產(chǎn)生生態(tài)位補(bǔ)償效應(yīng)；導(dǎo)致不同的作物養(yǎng)分需求，通過較早成熟作物殘落物的礦化、增加土壤養(yǎng)分的有效性、增強(qiáng)對作物病蟲、草害的抗性[6]。不同間作物種能通過競爭互補(bǔ)和互利，在時(shí)間、空間和利用形態(tài)上合理分配資源而減少競爭；直接或間接通過影響種間生物或非生物的環(huán)境，提升可利用資源的有效性[7]。尤其是在低投入的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，禾谷類與豆類作物間作通常被認(rèn)為可以補(bǔ)充土壤氮源[8]；在蘿卜-玉米、蠶豆-玉米、鷹嘴豆-玉米和大豆-玉米間作體系中作物產(chǎn)量和土壤磷的利用效率，明顯有超過單作栽培的優(yōu)勢[9]；所以間作栽培下作物對資源的高效利用在很大程度上提高了產(chǎn)量[10]；可見，間作是有限土地上使作物產(chǎn)量最大化的一種完善策略。因此，能否采用間作調(diào)控方式來緩解馬鈴薯連作栽培障礙，穩(wěn)定寧南山區(qū)馬鈴薯的生產(chǎn)可能是一種有益的探索。

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，在物質(zhì)循環(huán)過程中扮演著重要的角色，對保持土壤健康至關(guān)重要[11]。AM真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi)作為土壤微生物群落的重要組分，它能與地球上90%的植物建立良好的共生關(guān)系，可通過與宿主植物形成菌根，影響根系分泌物[12]、影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成,引起多樣性的變化[13]。間作能通過改變植物生理特征和根系分泌物而間接影響根際微生物群落組成，通過增加微生物總量來改善土壤環(huán)境[14]。因此，只有加深對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、功能的了解，才能夠闡明不同作物間作栽培對連作土壤的影響機(jī)制。假設(shè)，間作調(diào)控中較高的植物多樣性有助于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、功能及AM真菌多樣性的提高。所以，以連作10a馬鈴薯土壤為基質(zhì)，從作物種間關(guān)系的角度，研究不同作物與馬鈴薯間作是否能顯著改變連作作物根際土壤環(huán)境，有利于馬鈴薯的健康生長，以期為緩解或解決寧夏南部山區(qū)馬鈴薯連作障礙提供理論依據(jù)。

1材料與方法

1.1研究區(qū)概況

試驗(yàn)地點(diǎn)位于寧夏固原市張易鎮(zhèn)馬場村(10605′37.8″—106°06′16.3″E，35°54′45.3″—35°55′17.0″N)，該區(qū)域海拔2132—2277 m，年均降水量410 mm，年均蒸發(fā)量1370 mm，年均氣溫6 ℃。供試土壤為黑壚土，土壤有機(jī)質(zhì)35.79 g/kg，全氮1.32 g/kg，全磷1.12 g/kg，堿解氮118.07 mg/kg，速效磷94.86 mg/kg，速效鉀735.37 g/kg，pH 8.61(1∶5)。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)布設(shè)于2012年4月，選擇馬鈴薯連作10a田塊，采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，3處理，3重復(fù)，小區(qū)面積9 m×25 m。處理分別為：a 馬鈴薯單作(CK)；b 玉米‖馬鈴薯；c 蠶豆‖馬鈴薯。播前每畝基施農(nóng)家肥37.5t/hm2、磷酸二銨600 kg/hm2。種植2行玉米或2行蠶豆，間種4行馬鈴薯。玉米行株距為50 cm×35 cm，蠶豆行株距15 cm×30 cm，馬鈴薯行距為40 cm×50 cm。供試馬鈴薯、蠶豆、玉米品種分別為莊薯3號、臨蠶6號和長城1124。馬鈴薯盛花期采集靠近玉米或蠶豆行的馬鈴薯根際土壤樣本，用于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能分析；去除表層5cm土壤后，收集土壤樣品，濕篩傾析法分離孢子，用于AM真菌多樣性鑒定。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.1土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能測定

利用PLFAs(Phospholipid fatty acids)分析來研究土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成[15- 16]。稱取相當(dāng)于10 g烘干土的新鮮土樣，加入磷酸緩沖液30 mL，甲醇∶氯仿(2∶1)105 mL混合液振蕩2 h后，分別加入氯仿36 mL和無菌水36 mL，避光浸提18—24 h。有機(jī)相過濾、濃縮，利用固相萃取技術(shù)，通過SPE固相萃取小柱(Bond Elute，500 mg/3 mL)進(jìn)行脂肪酸分離，氮吹儀濃縮后，加氫氧化鉀∶甲醇(1∶1)1 mL，37 ℃加熱15 min進(jìn)行甲基化。加內(nèi)標(biāo)液(十九碳酸甲酯)0.5 mL，用GC-MS分析。定量標(biāo)準(zhǔn)品為：Supelco 37 Component FAME Mix(FAME 37，47885-U)。采用Agilent 6890N型氣相色譜儀，進(jìn)樣口為300 ℃、He流量為1 mL/min、色譜柱為Agilent HP- 5MS，30 m×250 μm×0.25 μm，升溫程序?yàn)?5 ℃(2 min)—300 ℃(4 min)，6 ℃/min的色譜條件下平行分析磷脂脂肪酸混合物標(biāo)樣和待檢樣本。

土壤微生物群落功能多樣性采用BIOLOG-ECO板來測定[16]。稱取相當(dāng)于10g干土的新鮮土樣，加入無菌生理鹽水，振蕩30 min后于4 ℃下靜止10 min，然后吸取1 mL原液于99 mL無菌生理鹽水中，搖勻后吸取125 μL樣品接種于ECO板。28 ℃培養(yǎng)，590 nm連續(xù)讀數(shù)7d。

1.3.2AM真菌孢子形態(tài)結(jié)構(gòu)的鑒定

AM真菌鑒定根據(jù)孢子形態(tài)特征進(jìn)行[17]。參照張美慶[18]等的方法，統(tǒng)計(jì)AM真菌的相對多度、分離頻度。相對多度(RA)：指采樣點(diǎn)某屬或種的孢子數(shù)/該采樣點(diǎn)AM真菌總孢子數(shù)×100%；分離頻度(F)：菌根真菌某種或?qū)俚某霈F(xiàn)次數(shù)/土樣數(shù)。出現(xiàn)頻率>20%的種為優(yōu)勢種，10%<出現(xiàn)頻率>20%為常見種，出現(xiàn)頻率<10%為稀有種。

1.3.3數(shù)據(jù)處理與分析

利用EXCEL進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，DPS v 7.05進(jìn)行方差分析(LSD法)。

2結(jié)果與分析

2.1間作栽培對連作土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

圖1　間作栽培對馬鈴薯根際土壤PLFA類型的影響 　Fig.1　Relative kinds of phospholipids fatty acids (PLFAs) in potato rhizosphere under different cropping manner

土壤中提取的PLFA可作為主要微生物類群的指示標(biāo)志，特征脂肪酸的改變就可以表征某一類群的微生物群落變化[19]。根際土壤微生物群落的總磷脂脂肪酸含量在17.79—21.79 μg/g (圖1)，其中，尤其以16:1ω5c(AMF)、i16:0(細(xì)菌)和18:2ω6t(腐生真菌)，18:1ω9t(革蘭氏陰性菌)，18:1ω9c(革蘭氏陽性菌)4種脂肪酸含量較高。處理中18:1ω9c(革蘭氏陽性菌)生物量占有絕對優(yōu)勢，間作蠶豆后，馬鈴薯根際土壤微生物的18:1ω9c含量比對照升高了10.93%，而間作玉米則降低了37.53%；16:1ω5c(AMF)和i16:0(細(xì)菌)微生物生物量次于18:1ω9c表征的土壤微生物類群；這兩種主要的PLFA均表現(xiàn)出與18:1ω9c相似的變化規(guī)律，蠶豆間作的增加幅度在6.73%—25.46%，而玉米間作這兩種脂肪酸含量下降幅度為8.95%—24.79%。盡管玉米間作馬鈴薯主要微生物群落組成中脂肪酸的種類沒有明顯改變，但主要的PLFA類型均較對照有所降低，說明玉米與馬鈴薯間作調(diào)控改變了根際微生物與環(huán)境的關(guān)系，在一定程度上削弱了馬鈴薯根際土壤微生物群落構(gòu)成中主要微生物的生物量。而蠶豆間作馬鈴薯提高了主要微生物種群的生物量，該間作體系可能對改善連作馬鈴薯根際微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤健康狀況有更好的促進(jìn)作用。推測認(rèn)為，這可能與蠶豆根瘤菌的固氮及其與馬鈴薯根系的交互作用有關(guān)。

盡管PLFA分析提供的群落結(jié)構(gòu)組成只是一種表型結(jié)果，但它描述的是類似于生態(tài)功能群的概念，可以指示主要群落組成及生理變化[20]。試驗(yàn)結(jié)果顯示，間作調(diào)控后馬鈴薯根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)相較于對照發(fā)生了顯著變化(表1)。玉米間作組成中主要微生物種群的PLFA整體低于對照和蠶豆間作處理，其中革蘭氏陰性菌、陽性菌、假單孢菌、AM真菌分別比對照下降了35.13%、28.01%、24.79%、8.95%。但，群落真菌組成，卻比對照增加了21.11%。蠶豆間作表現(xiàn)出截然相反的趨勢，主要微生物類群生物量均顯著增加；和對照相比，革蘭氏陽性菌、陰性菌、AM真菌、真菌生物量比例分別增加了11.73%、6.13%、25.46%和 6.73%。盡管玉米間作以PLFA表征的微生物群落生物量下降，但土壤微生物主要功能群的組成卻表現(xiàn)出與馬鈴蠶豆間作相似的趨勢，即細(xì)菌所占比例均下降，真菌所占比例上升；相關(guān)研究也認(rèn)為植物群落結(jié)構(gòu)是與土壤微生物群落高度相關(guān)，植物群落結(jié)構(gòu)可以通過影響植物枯落物的質(zhì)量、數(shù)量及分泌物，最終導(dǎo)致微生物群落的改變[21]。間作栽培下，隨不同作物種間關(guān)系的改變，玉米、蠶豆可能會(huì)通過競爭互補(bǔ)和互利作用影響馬鈴薯根系分泌物的數(shù)量、類型和土壤養(yǎng)分的有效性，間接影響了馬鈴薯根際土壤碳源組成及碳循環(huán)，而導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變。

表1　間作栽培對根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

2.2間作栽培對微生物群落代謝功能多樣性的影響

微生物對不同碳源的利用能力可以反映代謝功能類群的差異[13]。由圖2可見，在培養(yǎng)0—24 h，平均顏色變化率(AWCD)沒有明顯差別；72 h后，微生物群落生理代謝剖面出現(xiàn)差異；與其它處理相比，玉米間作馬鈴薯AWCD總體要高出12.9%—33.1%。144 h時(shí)，相比馬鈴薯單作，AWCD值提高了8.81%，蠶豆間作馬鈴薯AWCD下降了1.52%，蠶豆間作與對照間基本沒有差異。這表明玉米間作一定程度上提高了微生物群落的功能多樣性；隨群落微生物結(jié)構(gòu)的變化，蠶豆間作引起土壤微生物功能多樣性差異表現(xiàn)不明顯。但，間作調(diào)控后土壤微生物優(yōu)先利用的碳源類型和利用程度有顯著差別(圖3)。受玉米根系的影響，羧酸類、多聚化合物、芳香類、氨基酸類化合物成為馬鈴薯根際微生物主要利用的碳源；和對照相比，土壤碳源的利用強(qiáng)度分別提高了34.43%、8.95%、21.56%、12.29%。而蠶豆間作，除了碳水化合物的利用強(qiáng)度提高了20.89%以外，芳香化合物和氨基酸類化合物的利用強(qiáng)度卻明顯降低，僅相當(dāng)于對照的44.94%和63.86%；也僅為玉米間作處理的36.97%、56.87%?？梢姡衩?、蠶豆與馬鈴薯根系間的相互作用會(huì)形成不同的種間關(guān)系；蠶豆間作馬鈴薯，在根系的交互作用影響下，有利于以碳水化合物為碳源的微生物種群增長；玉米間作馬鈴薯，有利于以羧酸類、多聚化合物、芳香類化合物、氨基酸類為碳源的微生物類群功能顯著增加，相應(yīng)導(dǎo)致了根際土壤微生物結(jié)構(gòu)的不同變化。

圖2　不同間作種植模式下AWCD的變化Fig.2　Change of average well color development(AWCD)in different intercropping manner

圖3　不同間作種植模式下微生物碳源利用能力的變化Fig.3　Difference of soil microbial community in carbon utilization ion in different intercropping manner

2.3間作栽培調(diào)控對AM真菌多樣性的影響

土壤中分離鑒定出AM真菌，共4屬43種(表2)。其中，球囊霉屬(Glomus)34種，占AMF總數(shù)的79.07%；無梗球囊霉屬(Acaulospra)7種，占總數(shù)的16.28%；盾巨孢球囊霉屬(Scutellospora)、內(nèi)養(yǎng)球囊霉屬(Endospora)各1種，均占總數(shù)的2.33%。各處理均以球囊霉屬的AM真菌占優(yōu)勢，是優(yōu)勢屬。盾巨孢囊霉屬的AM真菌僅出現(xiàn)在馬鈴薯間作蠶豆處理，內(nèi)養(yǎng)霉囊屬AM真菌僅出現(xiàn)在對照處理。對照處理共鑒定出AM真菌總數(shù)為29種，其中球囊霉屬24種、無梗囊霉屬4種；但玉米間作中球囊霉屬僅為17種，無梗囊霉屬5種；蠶豆間作為20種，無梗囊霉屬2種。兩種調(diào)控模式下球囊霉屬真菌減少了7種和4種。玉米間作下球囊霉屬相對多度相較對照提高了6.90%；蠶豆間作降低了24.68%；無梗囊霉屬相對多度均表現(xiàn)為顯著增加(表3)。此外，AM真菌優(yōu)勢種由單作時(shí)的明球囊霉、地球囊霉轉(zhuǎn)變?yōu)轳R鈴薯玉米間作體系里的福摩薩球囊霉、球泡球囊霉；福摩薩球囊霉和疣狀無梗囊霉是蠶豆間作體系里的優(yōu)勢種。由于不同間作栽培下作物種間的相互影響，AM真菌優(yōu)勢種有一個(gè)明顯的轉(zhuǎn)變過程，AM真菌多樣性顯著降低。

表2　間作栽培調(diào)控對連作馬鈴薯土壤AM真菌分布的影響

表3　間作栽培對AM真菌相對多度和出現(xiàn)頻率的影響

3討論與結(jié)論

3.1討論

3.1.1間作栽培對根際土壤微生物結(jié)構(gòu)與功能多樣性的影響

間作土壤微生物的活性及微生物群落結(jié)構(gòu)與功能顯著受土地管理活動(dòng)、作物種類和作物生理活性的影響，間作優(yōu)勢就是由于作物間的交互作用和作物根際微生物活性變動(dòng)引起得[22]。Wang[23]等報(bào)道，酸性土壤上小麥間作蕓薹屬植物對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)有多種影響，間作改變了小麥根際微生物群落結(jié)構(gòu)。隨植物群落多樣性的增加，土壤細(xì)菌和放線菌的豐富度減少,真菌豐富度增加[24]。試驗(yàn)中細(xì)菌群落隨栽培措施的改變有較大的變動(dòng)，優(yōu)勢類群均為細(xì)菌群落；其中尤以蠶豆間作處理根際細(xì)菌微生物量最高，且表現(xiàn)為革蘭氏陽性菌明顯高于革蘭氏陰性菌。Artursson V和Jansson J K[25]分析認(rèn)為，根系分泌物的某種成分能促進(jìn)土壤中革蘭氏陽性細(xì)菌、AM真菌的積累，相應(yīng)增加了微生物的總生物量；另一方面，豆科植物的固氮，導(dǎo)致根際土壤養(yǎng)分的提升，可能也是豆科與馬鈴薯間作時(shí)促進(jìn)土壤PLFA表征的總生物量增加的原因[26]。

Li[27]等，采用PLFA的方法也證實(shí)了間作可以影響玉米和豆科根際微生物群落結(jié)構(gòu)。試驗(yàn)中玉米間作馬鈴薯土壤微生物群落PLFA降低，而馬鈴薯間作蠶豆下PLFA生物量上升，說明禾本科和茄科作物的交互效應(yīng)可能會(huì)降低微生物群落生物量，豆科與茄科作物的組合有利于提高土壤微生物群落生物量，不同種類植物根系之間會(huì)產(chǎn)生不同的根際效應(yīng)。Zhou[5]等認(rèn)為，根系分泌物的組成能夠強(qiáng)烈受植物發(fā)育階段的影響，根系分泌物釋放進(jìn)入根際后，可能增強(qiáng)土壤生物活性并且改變微生物群落結(jié)構(gòu)；由于物種在生化組成上的不同，植物枯落物和根際沉積(小分子的代謝物、氨基酸、分泌酶、粘液、細(xì)胞裂解物)、植物根系間的共生關(guān)系也應(yīng)該是引起微生物群落結(jié)構(gòu)變化的因素。因此，認(rèn)為，土壤中真菌、細(xì)菌群落的組成和多樣性很大程度上依賴于可利用的碳源。馬鈴薯‖蠶豆間作，由于豆科生物固氮菌刺激了生物固氮過程增加了植物養(yǎng)分的供給，改善了根際養(yǎng)分的移動(dòng)性和有效性，導(dǎo)致植物根際分泌物的增加，使其根際效應(yīng)比馬鈴薯‖玉米間作更明顯；馬鈴薯、蠶豆種間效應(yīng)直接導(dǎo)致了馬鈴薯較強(qiáng)的作物生理變化而影響其根系分泌物的種類、數(shù)量和質(zhì)量，結(jié)果較多的有機(jī)物質(zhì)輸入進(jìn)入土壤，導(dǎo)致土壤有機(jī)碳庫快速的恢復(fù)，這些就提供了更多樣化的有機(jī)化合物及碳源，刺激形成更多樣化的微生物群落，最終，導(dǎo)致馬鈴薯‖蠶豆根際微生物群落組成及微生物生物量比玉米‖馬鈴薯系統(tǒng)有更大的變化。此外，試驗(yàn)結(jié)果也顯示細(xì)菌群落隨栽培措施的改變有較大的變動(dòng)，說明在連作和間作系統(tǒng)中土壤微生物群落是不同的。

在微生物碳源利用多樣性上，玉米間作馬鈴薯表現(xiàn)出較高的AWCD值，微生物群落對多種碳源類型均表現(xiàn)較強(qiáng)的利用能力。Thevathasan 和 Gordon[28]認(rèn)為，較高的植物多樣性將增加土壤碳源的多樣性，并且能夠形成更復(fù)雜的土壤空間狀態(tài)特征。分析認(rèn)為，馬鈴薯間作玉米、蠶豆由于物種根系分布深度和生長季節(jié)性差異特征，會(huì)產(chǎn)生了不同的根際和空間效應(yīng)，改變了馬鈴薯與玉米、蠶豆根系間的物質(zhì)循環(huán)；此外，馬鈴薯與玉米、蠶豆根系間不可避免的接觸必然會(huì)改變根際微生態(tài)環(huán)境，相應(yīng)影響了植物新陳代謝，造成植物根際分泌物數(shù)量和質(zhì)量的變化。因此，馬鈴薯‖玉米可能更有利于根系產(chǎn)生大量、高質(zhì)量的根系分泌物，促進(jìn)了馬鈴薯‖玉米根際微生物對碳的同化，提升了微生物群落的功能多樣性。而蠶豆間作馬鈴薯，僅表現(xiàn)為顯著提升了以碳水化合物為碳源的微生物群落代謝多樣性。另外，試驗(yàn)中微生物群落代謝功能多樣性主要利用可培養(yǎng)的微生物群落功能多樣性來評價(jià)，這就有可能限制了在土壤中不能培養(yǎng)但占優(yōu)勢地位的微生物群落的功能表現(xiàn)[29]，是否就是造成了不同物種間作下，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化與功能變化不一致的原因。因此，持續(xù)的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能觀察才能更好的解釋土壤微生物結(jié)構(gòu)改變引起的功能響應(yīng)。

3.1.2間作栽培對馬鈴薯根際AM真菌多樣性的影響

植物根系和AM真菌之間的聯(lián)系，被證實(shí)是陸地超過80%植物的一種成功進(jìn)化策略，這種共生關(guān)系為真菌提供了碳水化合物，而使宿主植物獲得了礦質(zhì)營養(yǎng)[30]。農(nóng)田管理會(huì)影響土著AM真菌對養(yǎng)分的利用效率及作物產(chǎn)量的貢獻(xiàn)，在傳統(tǒng)生產(chǎn)體系中農(nóng)業(yè)管理活動(dòng)也會(huì)影響土壤系統(tǒng)及AM真菌群落組成和豐富度[30-31]。AM真菌形態(tài)學(xué)鑒定揭示了單作和間作系統(tǒng)AM真菌組成有明顯的差異，盡管相對多度和頻率上有差別，但AM真菌在兩個(gè)間作系統(tǒng)有共同的優(yōu)勢種福摩薩球囊霉(G.formosanum)。已有研究顯示，AM真菌分類群的分布變化是由于養(yǎng)分的有效性、土壤類型、土壤擾動(dòng)和有毒的化合物影響了主要分類群的生境而產(chǎn)生的結(jié)果[32]。AM真菌也能夠提高土壤中磷溶細(xì)菌、菌根促生菌和土壤團(tuán)聚體促生菌等有益微生物的活性，并能提高豆科植物根瘤菌的固氮能力和活性[33]；這也就有助于解釋馬鈴薯豆科間作下，碳源類型由對照處理的芳香化合物、氨基酸類化合物轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓衔锏默F(xiàn)象，應(yīng)該是由于AM真菌優(yōu)勢種群變化，影響了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生的結(jié)果。此外，土壤pH、宿主植物類型在一定條件下也可通過影響AM真菌，使間作體系里的土著AM真菌優(yōu)勢種改變，影響群落微生物功能，從而改變土壤的健康狀態(tài)[34]。

3.2結(jié)論

間作栽培顯著改變了根際土壤微生物主要功能群的結(jié)構(gòu)；玉米、馬鈴薯間作促進(jìn)了以羧酸類、多聚化合物、芳香類化合物、氨基酸類化合物為碳源的微生物類群代謝活性，改變了微生物群落的功能多樣性。玉米、蠶豆與馬鈴薯的不同種間關(guān)系，導(dǎo)致馬鈴薯根際土壤微生物群落功能變化和結(jié)構(gòu)變化不完全同步。間作降低了作物根際土壤AM真菌的總種屬數(shù)，優(yōu)勢種發(fā)生改變，福摩薩球囊霉(G.formosanum)是間作系統(tǒng)中的共有優(yōu)勢種。間作栽培下，AM真菌多樣性的變化與土壤根際微生物群落結(jié)構(gòu)功能變化密切相關(guān)。

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Effects of intercropping on soil microbial communities after long-term potato monoculture

MA Kun*, YANG Guili, MA Ling, WANG Chunming, WEI Changhui, DAI Xiaohua, HE Wenshou

SchoolofAgriculture,NingxiaUniversity,Yinchuan750021,China

Abstract：Soil microorganisms are one of the main components of the soil ecosystem and play an important role in agro-ecosystem function and sustainable agricultural development. Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) are important components of soil microbial communities because of their symbiotic relationships with many crop species. The increase in potato production area in the south mountain region of Ningxia, China, made crop rotation difficult and long-term potato monoculture led to significant yield reductions due to pests and devastating diseases. Plant complementarity may decrease interspecific competition through resource partitioning, and facilitation may improve the availability of resources. AMF seem to play an important role in these interactions, so intercropping potatoes with a different crop species and AMF may moderate yield reductions in a long-term potato monoculture system. The objective of this study was to investigate soil microbial community composition and the changes in AMF diversity due to the transition from continuous potato monoculture to an intercropping system. We studied two different intercropping systems, maize-potato and faba bean-potato, in a field where a potato monoculture system had been applied continuously for 10 a. The composition and the functional diversity of soil microbial communities were accessed by measuring the phospholipid fatty acids contents (PLFA) and by community level physiological profiles (CLPPs) using the Eco-plate technique. Then we identified AMF by morphological characteristics and calculated their relative abundance. The results showed that soil microbial community structures changed with the transition from continuous potato monoculture to the intercropping system. In the maize-potato intercropping system, PLFA levels decreased, whereas the metabolic activity of microbial functional groups, as well as the carbon utilization of carboxylic acid, polymer compounds, aromatic compounds, and amino acids, increased. In the faba bean-potato intercropping system, only carbohydrate utilization by microorganisms increased. The total PLFA content was lower in the maize-potato intercropping system than in the faba bean-potato system. The biomasses of gram-negative bacteria, gram-positive bacteria, Pseudomonas, and AMF were lower by 35.1%, 28.0%, 24.8%, and 9.0%, respectively, in the maize-potato intercropping system than in the continuous monoculture system. Conversely, the fungal biomass was higher by 21.1% in the maize-potato intercropping system than in the continuous monoculture system. However, there was a reverse tendency in the faba bean-potato intercropping system. AMF species richness decreased in the continuous monoculture system compared to the faba bean-potato intercropping system, while the dominant species in the latter was Ganoderma formosanum. The change in AMF dominant species might be restricted by some integrated factors, including the symbiotic relationship with different crops and the diversity of soil microorganism structure and function. These results suggest that the performance of soil microbial communities is not always consistent with changes in the structure of soil microbial functional groups in intercropping systems. The maize-potato intercropping system may enhance the diversity of soil microbial functional groups, whereas in the faba bean-potato intercropping system, the diversity of soil microbial functional groups is higher. We may conclude that different microbial species have different rhizosphere effects on potato cultivation.

Key Words:intercropping; arbuscular mycorrhizal fungi (AMF); phospholipid fatty acids (PLFAs); BIOLOG; soil microbial communities; structure and function

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(31160104)；國家“十二五”科技支撐計(jì)劃課題(2011BAD29B07)

收稿日期:2014- 12- 07; 網(wǎng)絡(luò)出版日期:2015- 09- 28

*通訊作者

Corresponding author.E-mail: makun0411@163.com

DOI:10.5846/stxb201412072425

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