馬鈴薯||玉米間作對(duì)土壤細(xì)菌多樣性的影響*

伏云珍, 馬 琨,**,李 倩,李光文, 崔慧珍

馬鈴薯||玉米間作對(duì)土壤細(xì)菌多樣性的影響*

伏云珍1,2, 馬 琨1,2,3**,李 倩3,李光文3, 崔慧珍3

(1. 寧夏大學(xué)西北土地退化與生態(tài)恢復(fù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地 銀川 750021; 2. 寧夏大學(xué)西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 銀川 750021; 3. 寧夏大學(xué)農(nóng)學(xué)院 銀川 750021)

為探明連續(xù)馬鈴薯、玉米單作及間作種植對(duì)土壤細(xì)菌群落組成的影響, 利用IonS5TMXL高通量測(cè)序平臺(tái), 分析了單作玉米(M)、單作馬鈴薯(P)、馬鈴薯||玉米間作(PM)下, 土壤細(xì)菌群落組成以及多樣性間的差異。結(jié)果表明: 與單作相比, 馬鈴薯||玉米間作土壤有機(jī)質(zhì)含量顯著升高(<0.05), 但土壤全氮、堿解氮、全磷、速效鉀、土壤pH等沒有顯著變化。所獲得的56 787個(gè)土壤細(xì)菌可操作分類單元(OTUs)共分為46門、55綱、114目、208科、455屬。土壤變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)和放線菌門(Actinobacteria)細(xì)菌占總相對(duì)豐度的57.68%~65.11%, 為優(yōu)勢(shì)菌門; 間作對(duì)土壤細(xì)菌群落多樣性(香農(nóng)指數(shù)、辛普森指數(shù))、豐富度(ACE指數(shù)和Chao1指數(shù))無(wú)顯著影響, 但改變了基于門、屬水平上的細(xì)菌群落組成。與單作馬鈴薯相比, 間作顯著降低了土壤變形菌門(Proteobacteria)相對(duì)豐度(=0.023), 提高了浮霉菌門(Planctomycetes)的相對(duì)豐度(=0.043)。在屬水平上, 相對(duì)豐度較低的芽單胞菌屬()、屬更易受到種植方式的影響; 間作提高了節(jié)桿菌屬()、芽球菌屬()和芽孢桿菌屬()的相對(duì)豐度。隨細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化, 細(xì)菌群落功能上出現(xiàn)差異, 通過(guò)KEGG功能預(yù)測(cè)共得到7個(gè)一級(jí)功能層, 35個(gè)二級(jí)功能層, 表現(xiàn)出功能上的豐富性, 土壤細(xì)菌群落在代謝、遺傳信息處理和細(xì)胞過(guò)程方面功能活躍。7個(gè)一級(jí)功能層中的代謝功能組在馬鈴薯||玉米間作與馬鈴薯單作間有顯著差異。利用前向選擇, 經(jīng)蒙特卡羅檢驗(yàn)表明, 連續(xù)馬鈴薯、玉米單作及間作栽培5年后的土壤各理化性狀指標(biāo)與土壤細(xì)菌群落組成、多樣性間的相關(guān)性均不顯著。連續(xù)馬鈴薯||玉米間作及單作5年條件下土壤細(xì)菌群落組成的變化是由馬鈴薯||玉米間作作物種間互利和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系而驅(qū)動(dòng)的。

馬鈴薯||玉米間作; 細(xì)菌群落; 多樣性; 功能預(yù)測(cè); 高通量測(cè)序; 種間關(guān)系

馬鈴薯(L.)是寧夏南部山區(qū)主栽作物, 由于種植面積逐步擴(kuò)大導(dǎo)致馬鈴薯輪作倒茬困難, 持續(xù)連作導(dǎo)致作物產(chǎn)量不斷下降[1-2]。有研究認(rèn)為, 較高的作物生產(chǎn)率、產(chǎn)量增長(zhǎng)率和資源利用效率是以多樣性的生物組合為特征的[3]。因此, 改變寧夏南部山區(qū)馬鈴薯重茬種植方式就顯得至關(guān)重要。目前, 已有許多關(guān)于馬鈴薯||玉米(L.)間作緩解馬鈴薯連作障礙的報(bào)道[4-5]; Wu等[6]研究發(fā)現(xiàn), 馬鈴薯||玉米間作的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)主要源于兩者地下根系互利作用。因此, 研究馬鈴薯、玉米單作及間作種植對(duì)土壤微生物群落組成的影響, 對(duì)進(jìn)一步揭示間作栽培調(diào)控馬鈴薯連作障礙的機(jī)制和增產(chǎn)效應(yīng)具有重要意義。

土壤微生物在促進(jìn)土壤物質(zhì)循環(huán), 維持土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性及可持續(xù)性方面發(fā)揮著重要的作用; 而土壤細(xì)菌作為微生物群落的重要組成成分, 其群落多樣性也影響了農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中作物生長(zhǎng)和產(chǎn)量形成[7]。目前, 對(duì)于間作系統(tǒng)下土壤細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)的變化已有較多報(bào)道。如玉米||花生(L.)間作可以改善土壤微生物群落組成和功能多樣性, 使兩種作物根際土壤微生物群落更加相似, 顯著增加了土壤微生物種群和細(xì)菌多樣性[8]。黃瓜(L.)||西芹(L.)間作豐富了土壤細(xì)菌Alpha多樣性, 提高了細(xì)菌多樣性水平[9]。豆類||谷物間作下, 隨豆科作物枯落物的添加, 土壤有機(jī)質(zhì)的分解速率增加, 豆科植物通過(guò)根際啟動(dòng)效應(yīng)對(duì)細(xì)菌產(chǎn)生影響, 從而刺激了參與穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)礦化的土壤細(xì)菌群落[10]。然而, Zhou等[11]發(fā)現(xiàn), 盡管玉米||百合(var.Baker)間作下土壤細(xì)菌相對(duì)豐度在屬水平上存在顯著差異, 但沒有影響根際土壤細(xì)菌的多樣性。間作增加了以羧酸類、多聚化合物、芳香類和氨基酸類為碳源基質(zhì)的細(xì)菌類群[12]。可見, 土壤細(xì)菌群落組成和多樣性應(yīng)該在很大程度上與間作作物的類型、作物地下根系的交互效應(yīng)以及土壤細(xì)菌可利用的碳源類型有關(guān)。受作物種類、根際分泌物、間作作物種間作用影響而形成的不同土壤微環(huán)境差異, 就是影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性的重要因素[13-15]。

作物-土壤-微生物的相互關(guān)系是當(dāng)前農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。土壤微生物群落組成的變化也是引起農(nóng)作物產(chǎn)生連作障礙的原因之一[16]。隨馬鈴薯連作年限的增加, 有益菌數(shù)量減少, 致使馬鈴薯致病的有害菌豐度增加, 影響了馬鈴薯產(chǎn)量和品質(zhì)[4-5,17]。本試驗(yàn)結(jié)合IonS5TMXL高通量測(cè)序方法, 探究馬鈴薯、玉米單作及間作種植模式下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成、多樣性及其功能的差異, 分析間作栽培對(duì)土壤細(xì)菌群落的微生態(tài)效應(yīng), 旨在為消除馬鈴薯連作障礙, 穩(wěn)定寧南山區(qū)馬鈴薯生產(chǎn)力以及馬鈴薯合理種植制度選擇提供理論依據(jù)。

1 研究地區(qū)概況與研究方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于寧夏固原市隆德縣沙塘鎮(zhèn)和平村(106°0′37″E, 35°35′11″N), 海拔1 883 m, 年均降水量410 mm, 年均蒸發(fā)量1 370 mm, 年均氣溫6 ℃。供試土壤類型為黑壚土, 成土母質(zhì)為黃土。試驗(yàn)前土壤全氮1.65 g·kg-1、全磷1.35 g·kg-1、有機(jī)質(zhì)33.28 g·kg-1、堿解氮70.00 mg·kg-1、速效磷49.24 mg·kg-1、速效鉀 380.00 mg·kg-1、pH 8.37(水土比5∶1)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)開始于2014年4月, 前茬作物為馬鈴薯。采用單因素隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì), 3個(gè)處理, 4次重復(fù), 小區(qū)面積4 m×4 m=16 m2, 每小區(qū)種植4帶。試驗(yàn)處理分別為: 單作玉米(M), 品種為‘長(zhǎng)城706’, 采用平覆膜種植,幅寬1.0 m, 寬行行距0.6 m, 窄行行距0.4 m, 株距0.35 m; 單作馬鈴薯(P), 品種為‘青薯9號(hào)’, 平種, 現(xiàn)蕾期起壟, 馬鈴薯幅寬1.0 m, 行距0.5 m, 株距0.4 m; 馬鈴薯||玉米間作(PM), 種植方式同單作一致, 馬鈴薯與玉米的行比為3∶2, 間作下玉米和馬鈴薯的行距均為0.5 m, 馬鈴薯玉米間距為0.25 m。馬鈴薯、玉米均于當(dāng)年4月中旬同期播種, 10月上旬同期收獲。播種前各小區(qū)一次性基施磷酸二銨325 kg×hm–2,尿素98.44 kg×hm–2,全生育期不追肥。

1.3 土壤樣品采集與處理

連續(xù)定位栽培5年后, 2018年10月在馬鈴薯、玉米收獲期利用五點(diǎn)采樣法, 采集各小區(qū)作物行間0~20 cm土層土壤樣本。馬鈴薯||玉米間作在兩種作物行間取土, 每小區(qū)采集2個(gè)土壤樣本, 共采集24個(gè)土樣, 各樣本獨(dú)立。低溫儲(chǔ)存帶回實(shí)驗(yàn)室, 過(guò)1 mm篩, 一部分儲(chǔ)存在-80℃冰箱用于微生物多樣性分析, 另一部分樣品用于土壤理化、生物學(xué)性狀分析。

1.4 研究方法

1.4.1 土壤基本理化性質(zhì)及生物學(xué)特性

土壤全氮、全磷、有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效鉀分別采用半微量凱氏法、硫酸-高氯酸消煮-鉬銻抗比色法、重鉻酸鉀容量法、堿解擴(kuò)散法、Olsen法和NH4OAc浸提-火焰光度法測(cè)定, pH測(cè)定的水土比為5∶1, 土壤呼吸強(qiáng)度、微生物生物量碳分別采用室內(nèi)密閉培養(yǎng)法、氯仿熏蒸-K2SO4提取法測(cè)定[18]。

1.4.2 土壤DNA的提取和PCR擴(kuò)增

土壤細(xì)菌DNA的提取采用 Fast DNA SPIN kit 試劑盒(MP Biomedicals, 美國(guó)), 按照說(shuō)明書的提取步驟進(jìn)行。微量紫外分光光度計(jì)(Nanodrop, ND-1000, 德國(guó))測(cè)定土壤總DNA濃度和純度。采用細(xì)菌特異引物(338F/806R)對(duì)土壤細(xì)菌16S rRNA基因的V3?V4區(qū)段進(jìn)行擴(kuò)增, 正向引物為338F(5′-ACTCCTACGG GAGGCAGCA-3′), 反向引物為806R(5′-GGACTA CHVGGGTWTCTAAT-3′)。擴(kuò)增參數(shù): 98 ℃預(yù)變性2 min; 98 ℃變性15 s, 55 ℃退火30 s, 72 ℃延伸30 s, 最后72 ℃延伸5 min, 30個(gè)循環(huán)。擴(kuò)增體系為25 μL, 5×反應(yīng)緩沖液5 μL, 5×GC緩沖液5 μL, 2.5 mmol×L-1, dNTP 2 μL, 10 μmol×L-1前引物1 μL, 10 μmol×L-1后引物1 μL, DNA模板2 μL, ddH2O 8.75 μL, Q5 DNA聚合酶0.25 μL。采用IonS5TMXL測(cè)序平臺(tái)對(duì)PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行單端測(cè)序, 委托北京諾禾致源生物信息科技有限公司完成。

1.5 數(shù)據(jù)分析與計(jì)算

1.5.1 數(shù)據(jù)處理

基于IonS5TMXL測(cè)序平臺(tái)進(jìn)行單端測(cè)序, 對(duì)下機(jī)原始數(shù)據(jù)(RawData)經(jīng)過(guò)剪切過(guò)濾、去除嵌合體[19],進(jìn)行質(zhì)量控制[20]后得到用于后續(xù)分析的有效數(shù)據(jù)(CleanData)。利用Uparse軟件[21]對(duì)各樣品的有效數(shù)據(jù)按97%相似度水平進(jìn)行操作分類單元(Operational Taxonomic Units, OTUs)聚類分析。根據(jù)OTUs劃分和分類地位鑒定結(jié)果, 使用QIIME軟件獲得各樣本在門、綱、目、科、屬、種不同分類水平的組成和豐度分布表。為比較不同樣本的多樣性, 首先對(duì)OTUs豐度矩陣中的全體樣本在90%的最低測(cè)序深度水平, 統(tǒng)一進(jìn)行隨機(jī)重抽樣, 從而校正測(cè)序深度引起的多樣性差異。隨后, 使用QIIME軟件分別對(duì)每個(gè)樣本進(jìn)行多樣性(Shannon和Simpson)和豐富度(ACE和Chao1)指數(shù)的計(jì)算。使用R軟件對(duì)Unweighted的UniFrac距離矩陣進(jìn)行NMDS分析, 通過(guò)二維排序圖描述群落樣本的結(jié)構(gòu)分布。調(diào)用Metastats的統(tǒng)計(jì)學(xué)算法, 對(duì)門和屬水平的各分類單元在樣本(組)之間的序列量差異進(jìn)行比較檢驗(yàn)[22]。土壤細(xì)菌功能的預(yù)測(cè)是基于KEGG數(shù)據(jù)庫(kù)(Kyoto encyclopedia of genes and genomes), 采用PICRUSt軟件對(duì)基因序列進(jìn)行功能預(yù)測(cè), 根據(jù)功能基因豐度進(jìn)行熱圖繪制。原始序列數(shù)據(jù)已上傳至NCBI序列讀取檔案(SRA)中, 編號(hào)為PRJNA616158。

1.5.2 土地當(dāng)量比和種間競(jìng)爭(zhēng)力的計(jì)算[23]

LER=(im/sm)+(ip/sp) (1)

式中: LER為土地當(dāng)量比,im和ip分別代表間作總面積上玉米和馬鈴薯的產(chǎn)量(kg×hm–2),sm和sp分別表示單作模式下玉米和馬鈴薯的產(chǎn)量。當(dāng)LER>1時(shí), 表現(xiàn)出間作優(yōu)勢(shì), 當(dāng)LER<1時(shí), 為間作劣勢(shì)。

mp=im/(sm×m)-ip/(sp×p) (2)

式中:mp表示玉米相對(duì)于馬鈴薯的種間競(jìng)爭(zhēng)能力,m和p分別為間作下玉米和馬鈴薯所占面積比例。若mp>0, 表示玉米的種間競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)于馬鈴薯; 反之, 當(dāng)mp<0則說(shuō)明馬鈴薯的競(jìng)爭(zhēng)能力強(qiáng)于玉米。

1.5.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

采用Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理, DPS 7.05軟件進(jìn)行單因素方差分析的Duncan多重比較(0.05), Canoco 5.0軟件進(jìn)行細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)、多樣性與土壤理化性狀指標(biāo)間的冗余(RDA)分析, 蒙特卡羅(999個(gè)隨機(jī)無(wú)限排列)檢驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 馬鈴薯||玉米間作作物產(chǎn)量以及土地當(dāng)量關(guān)系

由表1可見, 除2017年間作玉米、2018年間作馬鈴薯產(chǎn)量外, 連續(xù)馬鈴薯||玉米間作下各年度的間作玉米產(chǎn)量均高于單作玉米、間作馬鈴薯產(chǎn)量均低于單作馬鈴薯。馬鈴薯||玉米間作下的土地當(dāng)量比整體大于1, 說(shuō)明馬鈴薯||玉米間作相對(duì)于單作具有產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì)。

2014—2016年, 玉米相對(duì)于馬鈴薯的種間競(jìng)爭(zhēng)力大于0, 說(shuō)明間作初期玉米對(duì)資源的競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)于馬鈴薯, 其種間競(jìng)爭(zhēng)力大于其互利作用; 但隨栽培時(shí)間的延長(zhǎng)(2017—2018年), 馬鈴薯的競(jìng)爭(zhēng)力強(qiáng)于玉米, 但競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)較弱?？梢? 隨栽培時(shí)間的延長(zhǎng), 馬鈴薯||玉米間作種間關(guān)系會(huì)發(fā)生變化, 作物種間競(jìng)爭(zhēng)力逐步減弱, 說(shuō)明馬鈴薯||玉米間作下種間促進(jìn)作用逐步增強(qiáng), 種間互惠的促進(jìn)作用逐漸占主導(dǎo)地位。

表1 連續(xù)馬鈴薯||玉米間作對(duì)作物產(chǎn)量及土地當(dāng)量比的影響(2014—2018年)

2.2 馬鈴薯||玉米間作對(duì)土壤理化及生物學(xué)性狀的影響

由表2可見, 連續(xù)馬鈴薯、玉米單作及間作5年后, 土壤主要理化性狀指標(biāo)較試驗(yàn)前均顯著下降(<0.05)。馬鈴薯單作下土壤速效磷含量比單作玉米高18.25%(<0.05), 與馬鈴薯||玉米間作處理無(wú)顯著差異。間作土壤有機(jī)質(zhì)含量比單作馬鈴薯、玉米高4.63%~4.80%(<0.05); 其余土壤理化及生物學(xué)性狀指標(biāo)在各處理間均沒有顯著差異?？梢? 連續(xù)單作及間作栽培均引起了土壤養(yǎng)分的持續(xù)消耗, 但間作栽培有利于減緩?fù)寥烙袡C(jī)質(zhì)的持續(xù)耗竭。

2.3 馬鈴薯||玉米間作對(duì)土壤細(xì)菌Alpha多樣性及群落組成的影響

由表3可見, 馬鈴薯和玉米在單作和間作條件下的土壤細(xì)菌測(cè)序覆蓋度均大于98%, 說(shuō)明本試驗(yàn)測(cè)序深度已基本覆蓋到樣品中所有物種, 測(cè)序結(jié)果能較全面反映土壤細(xì)菌群落的種類和結(jié)構(gòu)。盡管各處理下土壤細(xì)菌群落豐富度指數(shù)由高到低排序?yàn)閱巫黢R鈴薯>馬鈴薯||玉米間作>單作玉米, 單作馬鈴薯的Chao1、ACE豐富度指數(shù)較馬鈴薯||玉米間作、單作玉米分別增加了9.01~10.26%、3.43~4.94%, 但各處理間均無(wú)顯著差異。土壤細(xì)菌群落的多樣性(Shannon、Simpson)指數(shù)、物種數(shù)在不同處理間也無(wú)顯著差異。

高通量測(cè)序結(jié)果表明, 不同處理共鑒定出56 787個(gè)OTUs。單作玉米土壤細(xì)菌有45門、53綱、107目、193科、392屬, 單作馬鈴薯土壤細(xì)菌有41門、52綱、107目、191科、409屬, 馬鈴薯||玉米間作土壤細(xì)菌有45門、53綱、110目、202科、420屬。馬鈴薯、玉米單作及間作下的土壤細(xì)菌共有45個(gè)門組成, 相對(duì)豐度大于1%的變形菌門(Proteobacteria)、酸桿菌門(Acidobacteria)、放線菌門(Actinobacteria)、擬桿菌門(Bacteroidetes)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes)、綠彎菌門(Chloroflexi)、奇古菌門(Thaumarchaeota)、硝化螺旋菌門(Nitrospirae)、疣微菌門(Verrucomicrobia)、厚壁菌門(Firmicutes)占總豐度的93.91%~94.42%, 門水平上將相對(duì)豐度小于1%的細(xì)菌歸類為Others(圖1a)。不同處理下, 土壤變形菌門、酸桿菌門、放線菌門細(xì)菌是單作及間作下的優(yōu)勢(shì)菌門。變形菌門的相對(duì)豐度最高, 為27.79%~32.42%; 酸桿菌門的相對(duì)豐度次之, 為18.97%~20.39%; 放線菌門的相對(duì)豐度最低, 為10.92%~12.13%。這3個(gè)優(yōu)勢(shì)菌門占土壤細(xì)菌群落總相對(duì)豐度的61.06%。

表2 馬鈴薯和玉米單作及間作5年后土壤基礎(chǔ)理化及生物學(xué)性狀

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差, 同行不同小寫字母表示差異顯著(<0.05)。Data are means ± standard deviation. Different lowercase letters in the same row mean significant differences (<0.05).

表3 馬鈴薯、玉米單作及間作栽培對(duì)土壤細(xì)菌群落Alpha多樣性的影響

表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差, 同行不同小寫字母表示差異顯著(<0.05)。Data are means ± standard deviation. Different lowercase letters in the same row mean significant differences (<0.05).

變形菌門相對(duì)豐度在馬鈴薯單作中最高, 單作玉米、馬鈴薯||玉米間作下其相對(duì)豐度較單作馬鈴薯分別降低9.62%和14.56%。Metastats檢驗(yàn)表明, 單作馬鈴薯和馬鈴薯||玉米間作之間的土壤變形菌門、浮霉菌門(Planctomycetes)細(xì)菌的相對(duì)豐度有顯著差異(=0.023、=0.043), 間作顯著降低了變形菌門的相對(duì)豐度, 提高了浮霉菌門的相對(duì)豐度。相對(duì)豐度較高的其他前10個(gè)門細(xì)菌在兩者間無(wú)顯著差異。

相對(duì)豐度較高的前20屬細(xì)菌中, 各細(xì)菌類群的平均相對(duì)豐度均小于5.0%, 將未能在97%相似度上分類的歸類為Unidentified。由圖1b可見, 鞘氨醇單胞菌屬()、寡養(yǎng)單胞菌屬()、未鑒定的酸桿菌門屬(UnidentifiedAcidobacteria)是優(yōu)勢(shì)菌屬。單作玉米、單作馬鈴薯及馬鈴薯||玉米間作下鞘氨醇單胞菌屬的相對(duì)豐度分別為2.95%、3.60%、2.67%, 寡養(yǎng)單胞菌屬的相對(duì)豐度為1.91%、4.46%、2.97%, 未鑒定的酸桿菌門屬相對(duì)豐度為3.53%、3.51%、3.43%; 與單作馬鈴薯相比, 單作玉米、馬鈴薯||玉米間作下的鞘氨醇單胞菌屬和寡養(yǎng)單胞菌屬的相對(duì)豐度分別降低18.06%、25.83%和57.17%、33.41%。Metastats檢驗(yàn)表明, 優(yōu)勢(shì)菌屬中的寡養(yǎng)單胞菌屬相對(duì)豐度在單作玉米和單作馬鈴薯間有極顯著差異(=0.004)。相對(duì)豐度較低的芽單胞菌屬()和屬在單作玉米和馬鈴薯玉米間作(=0.006、=0.030)、單作馬鈴薯和馬鈴薯||玉米間作(=0.001、=0.037)之間的相對(duì)豐度達(dá)顯著或極顯著差異; 較單作而言, 芽單胞菌屬和屬的豐度在間作下均顯著提高。前20屬中相對(duì)豐度較低的、假節(jié)桿菌屬(r)、節(jié)桿菌屬()、紅色桿菌屬()、芽球菌屬()、芽孢桿菌屬()、屬的相對(duì)豐度均表現(xiàn)為單作玉米、馬鈴薯||玉米間作高于單作馬鈴薯, 但三者間均無(wú)顯著差異。

圖1 馬鈴薯||玉米間作對(duì)土壤細(xì)菌相對(duì)豐度的影響(a:門水平; b: 屬水平)

M: 單作玉米; P: 單作馬鈴薯; PM: 馬鈴薯||玉米間作。M: maize monoculture; P: potato monoculture; PM: potato||maize intercropping.

然而, 除相對(duì)豐度較高的前20屬外, 在單作馬鈴薯與馬鈴薯||玉米間作下, 相對(duì)豐度更低的、鞘脂菌屬()等8屬土壤細(xì)菌間存在顯著(<0.05)或極顯著差異(<0.01); 單作玉米與馬鈴薯||玉米間作下, 有6屬細(xì)菌相對(duì)豐度間存在顯著差異; 單作玉米、單作馬鈴薯間有鞘脂菌屬、地桿菌屬()等17屬細(xì)菌相對(duì)豐度存在顯著或極顯著差異?？梢? 馬鈴薯、玉米單作及間作模式的差別, 引起了對(duì)應(yīng)土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成在門、屬水平上的變化, 相對(duì)豐度較低或極低的土壤細(xì)菌類群更容易受到栽培方式的影響, 對(duì)栽培方式的變化更敏感。

2.4 馬鈴薯||玉米間作對(duì)土壤細(xì)菌Beta多樣性及功能的影響

馬鈴薯、玉米單作及間作下的24個(gè)土壤樣本NMDS分析展示, 不同處理土壤樣本主要聚集在圖的左側(cè)(圖2)。盡管不同處理內(nèi)各自樣本的組內(nèi)差異略大, 但單作馬鈴薯與單作玉米、單作馬鈴薯與馬鈴薯||玉米間作下各處理在空間位置上有明顯分離, 說(shuō)明單作馬鈴薯與單作玉米、馬鈴薯單作與馬鈴薯||玉米間作下土壤基于門水平上細(xì)菌群落組成有差別。相似性分析(ANOSIM)表明, 基于門水平的兩個(gè)單作種植方式間土壤細(xì)菌群落組成有極顯著性差異(Stress=0.145,=0.006)。玉米單作和馬鈴薯||玉米間作下土壤樣本的空間距離較近, 兩者間的土壤細(xì)菌群落組成相似性較單作馬鈴薯處理更接近。

圖2 基于門水平的馬鈴薯、玉米單作及間作下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的NMDS分析

M: 單作玉米; P: 單作馬鈴薯; PM: 馬鈴薯||玉米間作。M: maize monoculture; P: potato monoculture; PM: potato||maize intercropping.

利用KEGG代謝途徑預(yù)測(cè)差異分析發(fā)現(xiàn)(圖3a), 馬鈴薯、玉米單作及間作下土壤細(xì)菌群落的一級(jí)功能層中主要包含7類生物代謝功能, 其中代謝(metabolism)、遺傳信息處理(genetic information processing)和細(xì)胞過(guò)程(cellular processes)為其主要組成, 占比分別為45.38%~45.59%、22.60%~22.62%和19.61%~19.84%; 有機(jī)系統(tǒng)(organismal system)所占比例最小, 僅為1.12%~1.13%。土壤微生物群落一級(jí)功能層在代謝途徑上的差異分析表明, 單作玉米與馬鈴薯||玉米間作下土壤細(xì)菌群落的生物代謝功能組中有機(jī)系統(tǒng)間存在顯著差異(=0.046), 單作馬鈴薯及馬鈴薯||玉米間作下生物代謝功能組中代謝存在顯著差異(=0.046)。二級(jí)功能層分析發(fā)現(xiàn)(圖3b), 共有35個(gè)子功能組; 碳水化合物代謝(carbohydrate metabolism)、氨基酸代謝(amino acid metabolism)、膜運(yùn)輸(membrane transport)、翻譯(translation)、復(fù)制和修復(fù)(replication and repair)子功能組所占比例分別為10.39%~10.42%、10.10%~10.20%、8.86%~9.06%、8.85%~8.86%和7.59%~7.65%, 在所有子功能組中所占比例較高。除有機(jī)系統(tǒng)(organismal systems)下的二級(jí)功能層老化(aging)和有機(jī)系統(tǒng)(organismal systems)下的免疫系統(tǒng)(immune system)在單作馬鈴薯、馬鈴薯||玉米間作栽培下有顯著差異外(=0.049、=0.012), 其他子功能組間均無(wú)差異。

圖3 馬鈴薯||玉米間作下預(yù)測(cè)的細(xì)菌功能分組一級(jí)(a)、二級(jí)(b)功能層熱圖

M: 單作玉米; P: 單作馬鈴薯; PM: 馬鈴薯||玉米間作。M: maize monoculture; P: potato monoculture; PM: potato||maize intercropping.

2.5 馬鈴薯||玉米間作下土壤細(xì)菌群落組成、多樣性與土壤理化生物學(xué)性狀間的冗余分析

為揭示土壤細(xì)菌群落與土壤理化生物學(xué)性狀指標(biāo)間的相互關(guān)系, 利用RDA分析結(jié)果可知, 第一、二排序軸僅分別能夠在累積變量26.68%(圖4a)、41.43%(圖4b)上揭示不同種植方式下土壤基本理化、生物學(xué)性狀指標(biāo)對(duì)土壤細(xì)菌門水平分類學(xué)組成及其多樣性差異的影響。利用前向選擇, 經(jīng)蒙特卡羅檢驗(yàn)表明, 連續(xù)馬鈴薯、玉米單作及間作栽培5年后的土壤各理化、生物學(xué)性狀指標(biāo)與土壤細(xì)菌群落組成、多樣性間的相關(guān)性均不顯著?？梢? 本試驗(yàn)條件下, 土壤主要理化、生物學(xué)指標(biāo)間的差異并不是驅(qū)動(dòng)土壤細(xì)菌群落變化的主要因素。

3 討論

3.1 馬鈴薯||玉米間作對(duì)土壤細(xì)菌群落多樣性的影響

通常認(rèn)為, 植物多樣性的增加會(huì)促進(jìn)土壤微生物多樣性的提升[24]。但本研究中, 馬鈴薯、玉米單作及間作沒有影響土壤細(xì)菌群落多樣性、豐富度; 土壤理化及生物學(xué)性狀指標(biāo)與土壤細(xì)菌群落多樣性及組成間也無(wú)顯著關(guān)系。這與相關(guān)研究認(rèn)為間作能提高細(xì)菌群落多樣性的結(jié)果不一致[4-5,8]。相關(guān)研究認(rèn)為, 間作對(duì)土壤細(xì)菌群落多樣性的影響與種植方式轉(zhuǎn)變引起土壤養(yǎng)分有效性的變化有關(guān)[25]。如, 玉米||大豆(L.)間作地下互作增加了作物對(duì)氮、磷養(yǎng)分的吸收, 土壤pH、速效磷、有機(jī)質(zhì)、全氮、酶活性的變化是影響細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和提高多樣性的重要因素[26]。桑樹(L.)||紫花苜蓿(L.)間作顯著提高了苜蓿根際有效氮、磷、鉀、全碳含量, 改變了土壤變形菌門、擬桿菌門、放線菌門及芽單胞菌門的相對(duì)豐度, 提高了土壤細(xì)菌豐富度和多樣性; 土壤環(huán)境因子對(duì)細(xì)菌群落變異的貢獻(xiàn)率高達(dá)56.5%, 種植方式僅為26.7%[15]。但Zhang等[27]在玉米||蠶豆(L.)間作根際土壤細(xì)菌多樣性的研究中發(fā)現(xiàn), 間作明顯改變了細(xì)菌群落組成, 但不會(huì)對(duì)多樣性產(chǎn)生影響。本研究中, 不同種植方式間土壤環(huán)境因子并沒有顯著差異。因此, 微生物與環(huán)境的相互適應(yīng)過(guò)程中, 相對(duì)穩(wěn)定的土壤環(huán)境因子有利于保持細(xì)菌群落多樣性、豐富度的穩(wěn)定; 而種植方式變化所導(dǎo)致的作物地下種間互利與競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系的變化應(yīng)該是驅(qū)動(dòng)土壤細(xì)菌群落組成發(fā)生改變的主要原因?？梢? 間作種植對(duì)土壤細(xì)菌多樣性及其組成的影響受作物種類、土壤環(huán)境因子以及作物間的相互作用等因素共同制約。

圖4 馬鈴薯||玉米間作下基于門水平上土壤細(xì)菌的相對(duì)豐度(a)和多樣性及豐富度(b)與土壤環(huán)境因子間的RDA分析

M: 單作玉米; P: 單作馬鈴薯; PM: 馬鈴薯||玉米間作。OM: 有機(jī)質(zhì); TP: 全磷; AP: 速效磷; TN: 全氮; AN: 堿解氮; AK: 速效鉀; RI: 呼吸強(qiáng)度; SMBC: 微生物生物量碳; C/N: 碳氮比; Pro: 變形菌門; Aci: 酸桿菌門; Act: 放線菌門; Bac: 擬桿菌門; Gem: 芽單胞菌門; Chl: 綠彎菌門; Tha: 奇古菌門; Nit: 硝化螺旋菌門; Ver: 疣微菌門; Fir: 厚壁菌門。M: maize monoculture; P: potato monoculture; PM: potato||maize intercropping. OM: organic matter; TP: total phosphorus; AP: available phosphorus; TN: total nitrogen; AN: available nitrogen; AK: available potassium; RI: respiration intensity; SMBC: soil microbial biomass carbon; C/N: carbon to nitrogen ratio; Pro: Proteobacteria; Aci: Acidobacteria; Act: Actinobacteria; Bac: Bacteroidetes; Gem: Gemmatimonadetes; Chl: Chloroflexi; Tha: Thaumarchaeota; Nit: Nitrospirae; Ver: Verrucomicrobia; Fir: Firmicutes.

3.2 馬鈴薯||玉米間作對(duì)土壤細(xì)菌群落組成、功能的影響

土壤細(xì)菌是土壤變化的敏感指標(biāo)[28]。土壤細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌群與作物種類、土壤養(yǎng)分條件密切相關(guān)[15]。本研究中, 基于門、屬水平的細(xì)菌分類結(jié)果表明, 土壤變形菌門、酸桿菌門和放線菌門是優(yōu)勢(shì)菌門, 這與黃瓜間作西芹土壤細(xì)菌優(yōu)勢(shì)菌門的結(jié)果基本一致[9]。本研究中, 較單作馬鈴薯處理, 馬鈴薯||玉米間作下土壤放線菌門和酸桿菌門豐度增加。分析認(rèn)為, 由于酸桿菌門細(xì)菌能降解土壤中的植物凋落物、放線菌門細(xì)菌在分解纖維素和幾丁質(zhì)等方面起關(guān)鍵作用[29]。因此, 本試驗(yàn)條件下馬鈴薯||玉米間作中較高的土壤有機(jī)質(zhì)和植物枯落物就能為放線菌門、酸桿菌門細(xì)菌提供豐富的土壤碳源, 有利于該類群微生物的繁殖, 進(jìn)而提高其豐度, 這同Tkacz等[30]發(fā)現(xiàn)在有機(jī)質(zhì)含量豐富的土壤中有更多放線菌門細(xì)菌的研究結(jié)果一致。此外, 間作地下根系交互作用保證了各作物之間土壤養(yǎng)分、根際分泌物和可溶性物質(zhì)等的交換[31]。試驗(yàn)中, 持續(xù)馬鈴薯||玉米間作, 作物種間競(jìng)爭(zhēng)作用減弱、互惠逐步增強(qiáng), 可能意味著作物地下根際間物質(zhì)的頻繁交換, 受根際分泌物及碳源類型等的變化而導(dǎo)致土壤細(xì)菌群落組成發(fā)生改變。

在屬分類水平上, 隸屬于變形菌門的鞘氨醇單胞菌屬、寡養(yǎng)單胞菌屬是優(yōu)勢(shì)屬; 而Metastats檢驗(yàn)表明, 馬鈴薯||玉米間作僅顯著提高了非優(yōu)勢(shì)屬屬和芽單胞菌屬的豐度, 優(yōu)勢(shì)屬的相對(duì)豐度無(wú)明顯差異。由于屬和芽單胞菌屬分別隸屬于酸桿菌門和芽單胞菌門, 具有固氮、分解有機(jī)質(zhì)功能, 且多存在于有機(jī)質(zhì)含量較高的土壤中[32-33], 這與試驗(yàn)中馬鈴薯||玉米間作條件下具有較高的土壤有機(jī)質(zhì)是對(duì)應(yīng)的。此外, 試驗(yàn)中相對(duì)豐度較低的節(jié)桿菌屬、芽孢桿菌屬等有益菌也表現(xiàn)為馬鈴薯||玉米間作高于單作馬鈴薯, 這與李倩[23]利用T-RFLP技術(shù)對(duì)馬鈴薯||玉米間作栽培下土壤細(xì)菌群落分析結(jié)果一致。這說(shuō)明受馬鈴薯||玉米間作作物種間關(guān)系影響, 土壤中相對(duì)豐度較低的細(xì)菌菌屬比優(yōu)勢(shì)菌屬對(duì)種間關(guān)系導(dǎo)致的土壤環(huán)境因子的微小變化更敏感, 也更容易發(fā)生改變。雖然鞘氨醇單胞菌屬、寡養(yǎng)單胞菌屬細(xì)菌受間作影響相對(duì)豐度也出現(xiàn)了波動(dòng), 但因其豐度較高, 微小變化并不會(huì)打破其在群落結(jié)構(gòu)組成中的優(yōu)勢(shì)地位而破壞平衡狀態(tài)。有研究指出, 玉米||馬鈴薯間作兩者根系互作會(huì)改變根際土壤氨基酸、糖類和有機(jī)酸等碳源組成, 使土壤細(xì)菌對(duì)某些碳源的利用能力產(chǎn)生抑制作用[34]?？梢? 在間作模式下, 間作作物通過(guò)種間關(guān)系的互利與競(jìng)爭(zhēng), 逐漸改變土壤細(xì)菌碳源基質(zhì), 引起土壤環(huán)境因子的微小變化, 而導(dǎo)致細(xì)菌類群發(fā)生改變, 具體原因還需要通過(guò)探究馬鈴薯||玉米間作后根系分泌物的成分及土壤細(xì)菌對(duì)碳源的利用方式來(lái)揭示。

試驗(yàn)中, 屬水平上相對(duì)豐度極低的細(xì)菌類群是各種植方式下差異顯著性較明顯的物種; 而門水平上相對(duì)豐度較高的細(xì)菌類群有顯著性差異的物種類群較少。這說(shuō)明土壤細(xì)菌群落組成中低豐度物種對(duì)馬鈴薯||玉米間作地下種間相互關(guān)系較敏感; 相對(duì)豐度較高的物種對(duì)二者間作地下種間關(guān)系變化的適應(yīng)性較強(qiáng), 能夠維持較好的群落穩(wěn)定性。馬鈴薯||玉米間作作物地下種間相互作用對(duì)土壤細(xì)菌群落的影響應(yīng)該是一個(gè)選擇性的適應(yīng)過(guò)程。有研究發(fā)現(xiàn), 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)變化與種植年限有關(guān), 隨種植年限的增加, 土壤細(xì)菌結(jié)構(gòu)會(huì)恢復(fù)到最初未種植之前的狀態(tài)[35]。由于本試驗(yàn)只進(jìn)行了5年, 連續(xù)種植年限較短, 馬鈴薯||玉米間作與單作種植對(duì)土壤細(xì)菌群落多樣性、組成的影響差異, 并沒有因細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成的微小變化而打破其初始群落的平衡狀態(tài); 隨時(shí)間的延長(zhǎng)及其共生關(guān)系的穩(wěn)定建立, 細(xì)菌群落間的差異才可能完全表現(xiàn)出來(lái)。

微生物群落結(jié)構(gòu)的變化能引起其功能改變[36]。本試驗(yàn)中, 利用KEGG代謝途徑對(duì)不同栽培下土壤細(xì)菌功能進(jìn)行預(yù)測(cè), 在一級(jí)功能層中, 代謝、遺傳信息處理和細(xì)胞過(guò)程3類生物代謝功能所占比例較高, 一級(jí)功能層的有機(jī)系統(tǒng)、代謝功能在單作與間作之間存在差異性, 這與林耀奔等[37]對(duì)土壤細(xì)菌功能的預(yù)測(cè)結(jié)果相似。分析認(rèn)為, 由于功能基因中代謝功能的主要作用是通過(guò)分解氨基酸、碳水化合物等獲取營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)保證細(xì)菌的存活, 當(dāng)馬鈴薯||玉米間作栽培后, 兩者根系交互在一起, 隨植物枯落物和根際沉積物中的復(fù)雜化合物增加, 土壤細(xì)菌需要復(fù)雜的酶系來(lái)降解這些大分子, 相應(yīng)促使細(xì)菌代謝功能得以加強(qiáng), 從而導(dǎo)致細(xì)菌群落功能出現(xiàn)差異。

4 結(jié)論

相對(duì)馬鈴薯、玉米單作而言, 馬鈴薯||玉米間作種植提高了土地當(dāng)量比, 存在明顯的產(chǎn)量?jī)?yōu)勢(shì), 隨栽培時(shí)間的延長(zhǎng), 作物種間互惠作用逐漸占主導(dǎo)地位。馬鈴薯||玉米間作種植改變了土壤細(xì)菌群落組成, 但未對(duì)土壤中細(xì)菌群落多樣性和豐富度產(chǎn)生顯著影響。土壤中相對(duì)豐度較低的芽單胞菌屬、屬對(duì)種植方式的改變較為敏感; 間作提高了節(jié)桿菌屬、芽球菌屬和芽孢桿菌屬等有益菌的相對(duì)豐度。土壤細(xì)菌主要涉及代謝、遺傳信息處理和細(xì)胞過(guò)程等7個(gè)一級(jí)功能層, 碳水化合物代謝、氨基酸代謝、膜運(yùn)輸、翻譯、復(fù)制和修復(fù)等35個(gè)二級(jí)功能層, 表現(xiàn)出功能上的豐富性。馬鈴薯||玉米間作下作物種間相互作用的變化是驅(qū)動(dòng)土壤細(xì)菌群落組成發(fā)生變化的主要原因。本研究結(jié)果對(duì)消除寧南山區(qū)馬鈴薯連作障礙具有一定的理論指導(dǎo)意義。

[1] 沈?qū)氃? 劉星, 王蒂, 等. 甘肅省中部沿黃灌區(qū)連作對(duì)馬鈴薯植株生理生態(tài)特性的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2013, 21(6): 689–699 SHEN B Y, LIU X, WANG D, et al. Effects of continuous cropping on potato eco-physiological characteristics in the Yellow River irrigation area of the central Gansu Province[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2013, 21(6): 689–699

[2] 劉星, 張書樂, 劉國(guó)鋒, 等. 連作對(duì)甘肅中部沿黃灌區(qū)馬鈴薯干物質(zhì)積累和分配的影響[J]. 作物學(xué)報(bào), 2014, 40(7): 1274–1285 LIU X, ZHANG S L, LIU G F, et al. Effects of continuous cropping on dry matter accumulation and distribution of potato plants in the Yellow River irrigation areas of Middle Gansu Province[J]. Acta Agronomica Sinica, 2014, 40(7): 1274–1285

[3] BRACKEN M E S. Monocultures versus polycultures[M]// JORGENSEN S E. Encyclopedia of Ecology. Amsterdam: Elsevier Press, 2008: 2446–2449

[4] 王娜, 陸姍姍, 馬琨, 等. 寧夏南部山區(qū)馬鈴薯不同間作模式對(duì)根際土壤細(xì)菌多樣性的影響[J]. 干旱區(qū)資源與環(huán)境, 2016, 30(12): 193–198 WANG N, LU S S, MA K, et al. The genetic diversity of rhizosphere soil bacteria under different intercropping patterns for potato in southern mountainous area of Ningxia[J]. Journal of Arid Land Resources and Environment, 2016, 30(12): 193–198

[5] 汪春明, 馬琨, 代曉華, 等. 間作栽培對(duì)連作馬鈴薯根際土壤微生物區(qū)系的影響[J]. 生態(tài)與農(nóng)村環(huán)境學(xué)報(bào), 2013, 29(6): 711–716 WANG C M, MA K, DAI X H, et al. Effect of intercropping on soil microflora in rhizosphere soil of potato under continuous cropping[J]. Journal of Ecology and Rural Environment, 2013, 29(6): 711–716

[6] WU K X, FULLEN M A, AN T X, et al. Above- and below-ground interspecific interaction in intercropped maize and potato: A field study using the ‘target’ technique[J]. Field Crops Research2012, 139: 63–70

[7] YANG Y, DOU Y X, AN S S. Testing association between soil bacterial diversity and soil carbon storage on the Loess Plateau[J]. Science of the Total Environment, 2018, 626: 48–58

[8] LI Q S, WU L K, CHEN J, et al. Biochemical and microbial properties of rhizospheres under maize/peanut intercropping[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2016, 15(1): 101–110

[9] 秦立金, 徐峰, 劉永勝, 等. 黃瓜與西芹間作土壤細(xì)菌多樣性及其對(duì)黃瓜枯萎病發(fā)生的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2018, 26(8): 1180–1189 QIN L J, XU F, LIU Y S, et al. Analysis of soil bacterial diversity under cucumber-celery intercropping and its influence on cucumberwilt[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2018, 26(8): 1180–1189

[10] DUCHENE O, VIAN J F, CELETTE F. Intercropping with legume for agroecological cropping systems: Complementarity and facilitation processes and the importance of soil microorganisms. A review[J]. Agriculture, Ecosystems & Environment, 2017, 240: 148–161

[11] ZHOU L J, WANG Y J, XIE Z K, et al. Effects of lily/maize intercropping on rhizosphere microbial community and yield ofvar.[J]. Journal of Basic Microbiology, 2018, 58(10): 892–901

[12] 馬琨, 楊桂麗, 馬玲, 等. 間作栽培對(duì)連作馬鈴薯根際土壤微生物群落的影響[J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2016, 36(10): 2987–2995MA K, YANG G L, MA L, et al. Effects of intercropping on soil microbial communities after long-term potato monoculture[J]. Acta Ecologica Sinica, 2016, 36(10): 2987–2995

[13] MARSCHNER P, YANG C H, LIEBEREI R, et al. Soil and plant specific effects on bacterial community composition in the rhizosphere[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2001, 33(11): 1437–1445

[14] BAUDOIN E, BENIZRI E, GUCKERT A. Impact of artificial root exudates on the bacterial community structure in bulk soil and maize rhizosphere[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2003, 35(9): 1183–1192

[15] ZHANG M M, WANG N, HU Y B, et al. Changes in soil physicochemical properties and soil bacterial community in mulberry (L.)/alfalfa (L.) intercropping system[J]. Microbiologyopen, 2018, 7(2): e00555

[16] LIU W X, WANG Q L, WANG B Z, et al. Changes in the abundance and structure of bacterial communities under long-term fertilization treatments in a peanut monocropping system[J]. Plant and Soil, 2015, 395(1): 415–427

[17] ATKINSON D, THORNTON M K, MILLER J S. Development ofon stems, stolons and tubers of potatoes I. effect of inoculum source[J]. American Journal of Potato Research, 2010, 87(4): 374–381

[18] 鮑士旦. 土壤農(nóng)化分析[M]. 第3版. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)出版社, 2000: 1–329 BAO S D. Soil and Agricultural Chemistry Analysis[M]. 3rd edition. Beijing: China Agriculture Press, 2000: 1–329

[19] MAGO? T, SALZBERG S L. FLASH: Fast length adjustment of short reads to improve genome assemblies[J]. Bioinformatics, 2011, 27(21): 2957–2963

[20] HASS B J, GEVERS D, EARL A M, et al. Chimeric 16S rRNA sequence formation and detection in Sanger and 454-pyrosequenced PCR amplicons[J]. Genome Research, 2011, 21(3): 494–504

[21] EDGAR R C. UPARSE: Highly accurate OTU sequences from microbial amplicon reads[J]. Nature Methods, 2013, 10(10): 996–998

[22] WHITE J R, NAGARAJAN N, POP M. Statistical methods for detecting differentially abundant features in clinical metagenomic samples[J]. PLoS Computational Biology, 2009, 5(4): e1000352

[23] 李倩. 馬鈴薯玉米間作的種間作用效應(yīng)研究[D]. 銀川: 寧夏大學(xué), 2019 LI Q. Study on the interspecific effect of potato intercropping with maize[D]. Yinchuan: Ningxia University, 2019

[24] SPEHN E M, JOSHI J, SCHMID B, et al. Plant diversity effects on soil heterotrophic activity in experimental grassland ecosystems[J]. Plant and Soil, 2000, 224(2): 217–230

[25] 付學(xué)鵬, 吳鳳芝, 吳瑕, 等. 間套作改善作物礦質(zhì)營(yíng)養(yǎng)的機(jī)理研究進(jìn)展[J]. 植物營(yíng)養(yǎng)與肥料學(xué)報(bào), 2016, 22(2): 525–535 FU X P, WU F Z, WU X, et al. Advances in the mechanism of improving crop mineral nutrients in intercropping and relay intercropping systems[J]. Plant Nutrition and Fertilizer Science, 2016, 22(2): 525–535

[26] FU Z D, ZHOU L, CHEN P, et al. Effects of maize-soybean relay intercropping on crop nutrient uptake and soil bacterial community[J]. Journal of Integrative Agriculture, 2019, 18(9): 2006–2018

[27] ZHANG N N, SUN Y M, LI L, et al. Effects of intercropping and Rhizobium inoculation on yield and rhizosphere bacterial community of faba bean (L.)[J]. Biology and Fertility of Soils, 2010, 46(6): 625–639

[28] 雍太文, 楊文鈺, 向達(dá)兵, 等. 小麥/玉米/大豆和小麥/玉米/甘薯套作對(duì)根際土壤細(xì)菌群落多樣性及植株氮素吸收的影響[J]. 作物學(xué)報(bào), 2012, 38(2): 333–343YONG T W, YANG W Y, XIANG D B, et al. Effect of wheat/maize/soybean and wheat/maize/sweet potato relay strip intercropping on bacterial community diversity of rhizosphere soil and nitrogen uptake of crops[J]. Acta Agronomica Sinica, 2012, 38(2): 333–343

[29] LI X, SUN M L, ZHANG H H, et al. Use of mulberry-soybean intercropping in salt-alkali soil impacts the diversity of the soil bacterial community[J]. Microbial Biotechnology, 2016, 9(3): 293–304

[30] TKACZ A, CHEEMA J, CHANDRA G, et al. Stability and succession of the rhizosphere microbiota depends upon plant type and soil composition[J]. The ISME Journal, 2015, 9(11): 2349–2359

[31] LI Q S, CHEN J, WU L K, et al. Belowground Interactions impact the soil bacterial community, soil fertility, and crop yield in maize/peanut intercropping systems[J]. International Journal of Molecular Sciences, 2018, 19(2): 622–634

[32] 丁傳雨, 鄭遠(yuǎn), 任學(xué)敏, 等. 能源植物修復(fù)土壤鎘污染過(guò)程中細(xì)菌群落分析[J]. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 2016, 36(8): 3009–3016 DING C Y, ZHENG Y, REN X M, et al. Changes in bacterial community composition during the remediation of Cd-contaminated soils of bioenergy crops[J]. Acta Scientiae Circumstantiae, 2016, 36(8): 3009–3016

[33] 杜思瑤, 于淼, 劉芳華, 等. 設(shè)施種植模式對(duì)土壤細(xì)菌多樣性及群落結(jié)構(gòu)的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào), 2017, 25(11): 1615–1625 DU S Y, YU M, LIU F H, et al. Effect of facility management regimes on soil bacterial diversity and community structure[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2017, 25(11): 1615–1625

[34] 覃瀟敏, 鄭毅, 湯利, 等. 玉米與馬鈴薯間作對(duì)根際微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響[J]. 作物學(xué)報(bào), 2015, 41(6): 919–928QIN X M, ZHENG Y, TANG L, et al. Effects of maize and potato intercropping on rhizosphere microbial community structure and diversity[J]. Acta Agronomica Sinica, 2015, 41(6): 919–928

[35] 趙天心, 毛新偉, 程敏, 等. 毛竹種植對(duì)土壤細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)及多樣性的影響[J]. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2017, 28(11): 3740–3750 ZHAO T X, MAO X W, CHENG M, et al. Effects of phyllostachys edulis cultivation on soil bacterial and fungal community structure and diversity[J]. Chinese Journal of Applied Ecology, 2017, 28(11): 3740–3750

[36] PRESTON-MAFHAM J, BODDY L, RANDERSON P F. Analysis of microbial community functional diversity using sole-carbon-source utilisation profiles — a critique[J]. FEMS Microbiology Ecology, 2002, 42(1): 1–14

[37] 林耀奔, 葉艷妹, 劉書暢, 等. 不同農(nóng)地整治措施對(duì)土壤細(xì)菌多樣性的影響[J]. 長(zhǎng)江流域資源與環(huán)境, 2019, 28(11): 2632–2640 LIN Y B, YE Y M, LIU S C, et al. Analysis of soil microbial diversity affected by different agricultural land consolidation practices[J]. Resources and Environment in the Yangtze Basin, 2019, 28(11): 2632–2640

Effects of potato intercropped with maize on soil bacterial diversity*

FU Yunzhen1,2, MA Kun1,2,3**, LI Qian3, LI Guangwen3, CUI Huizhen3

(1. National Key Laboratory Breeding Base of Northwest Land Degradation and Ecological Restoration, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 2. Key Laboratory for Restoration and Reconstruction of Degraded Ecosystem in Northwestern China of Ministry of Education, Ningxia University, Yinchuan 750021, China; 3. College of Agriculture, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)

One of the reasons for the replanting problem in continuous potato cropping is the change in the soil microbial community structure. Many studies have shown that reasonable intercropping can alleviate replant disease, and the relationships of crop-soil-microorganisms are a hot topic in current agricultural ecosystem research. Therefore, the objective of this study was to examine the difference in the soil bacterial community composition after continuous potato and maize monoculture and intercropping. The IonS5TMXL high-throughput sequencing platform was used to analyze the soil bacterial community composition and diversity under maize monoculture (M), potato monoculture (P), and potato intercropped with maize (PM). The results revealed that soil organic matter significantly increased in the treatment of potato intercropped with maize (<0.05), when compared with the monocultures. However, there were no significant changes in the soiltotalnitrogen, available nitrogen, total phosphorus, available potassium, and pH among different treatments. Moreover, the total 56 787 Operational Taxonomic Units (OTUs) of bacteria were classified as 46 phyla, 55 classes, 114 orders, 208 families, and 455 genera. Proteobacteria, Acidobacteria, and Actinobacteria were the dominant phyla and accounted for 57.68%–65.11% of the total relative abundance of bacteria. The diversity index (Shannon-Wiener and Simpson) and the richness index (ACE and Chao1) of soil bacterial communities did not change; however, the relative abundance of the soil bacterial communities changed at the phylum and genus levels. Compared to the potato monoculture, the relative abundance of Proteobacteria decreased significantly after potato was intercropped with maize (=0.023), while the relative abundance of Planctomycetes increased (=0.043). Furthermore,and, with lower relative abundance, were found to be more easily influenced by the planting patterns. Moreover, intercropping increased the relative abundance of,, and. With the change in the bacterial community, the soil bacterial functions were separately classified into 7 and 35 functional categories at hierarchy level 1 and 2, respectively, using the KEGG function prediction, which implied abundant soil bacteria functions. From this, we garnered that soil bacteria were active in metabolic processes, genetic information processing, and cellular processes. Furthermore, the metabolic functional groups in the 7 primary functional layers had significant differences between potato intercropped with maize and potato monoculture (=0.046). Additionally, forward selection of the soil environmental factors was used, and the result of the Monte Carlo test showed that there was no significant correlation between soil physicochemical and biological properties and the soil bacterial community composition and diversity after the five-year experiment. In conclusion, the relationship between the interspecific mutualism and competition in potato intercropped with maize was the driving factor of the change in the soil bacterial community.

Potato intercropped with maize; Bacterial community; Diversity; Function prediction; High-throughput sequencing; Interspecific relationship

, E-mail: makun0411@nxu.edu.cn

Mar. 31, 2020;

S154.37

馬琨, 主要從事農(nóng)田生態(tài)學(xué)和土壤微生物生態(tài)學(xué)研究。E-mail: makun0411@nxu.edu.cn

伏云珍, 主要從事農(nóng)業(yè)生態(tài)學(xué)研究。E-mail: 2398525469@qq.com

2020-03-31

2020-06-03

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31660132), and the Key Research and DevelopmentPlan of Ningxia Hui Autonomous Region (2018BBF03002, 2019BBF03011).

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31660132)和寧夏回族自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018BBF03002, 2019BBF03011)資助

10.13930/j.cnki.cjea.200240

伏云珍, 馬琨, 李倩, 李光文, 崔慧珍. 馬鈴薯||玉米間作對(duì)土壤細(xì)菌多樣性的影響[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(11): 1715-1725

FU Y Z, MA K, LI Q, LI G W, CUI H Z. Effects of potato intercropped with maize on soil bacterial diversity[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(11): 1715-1725

Jun. 3, 2020