甘藍、菜豆和玉米不同輪作組合對淡褐土細菌群落和作物產(chǎn)量的影響

王天樂，王曉娟，劉恩科，史向遠

（1.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西 太谷 030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)山西有機旱作農(nóng)業(yè)研究院，太原 030031；3.省部共建有機旱作農(nóng)業(yè)國家重點實驗室（籌），太原 030031；4.有機旱作農(nóng)業(yè)山西省重點實驗室，太原 030031）

土壤是作物生長繁育的基地，土壤中有著種類繁多、數(shù)量巨大的微生物類群，作為土壤生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分之一，這些微生物聯(lián)系著作物與土壤，在適應(yīng)土壤環(huán)境的同時影響著作物生長，形成土壤?作物?微生物影響機制，因此，土壤微生物與農(nóng)業(yè)可持續(xù)發(fā)展關(guān)系緊密。細菌在土壤微生物中所占比例最大，是土壤微生物的重要組成部分，是土壤中最活躍的因素，具有數(shù)量多、分布廣等優(yōu)勢。土壤細菌的群落結(jié)構(gòu)和多樣性會因作物種植模式不同產(chǎn)生變化，因此在研究輪作和連作兩種重要的作物種植模式時，常用土壤細菌群落的變化來具體說明種植模式不同而產(chǎn)生的差異。

連作障礙多發(fā)生于旱地，作物經(jīng)濟效益好且需求量大，導(dǎo)致種植面積大、復(fù)種指數(shù)高，連作障礙問題日漸突出。結(jié)球甘藍和菜豆因具有較強的生態(tài)適應(yīng)性，而成為我國種植面積較大的蔬菜作物，同時也成為十字花科和豆科作物中的連作障礙高發(fā)物種。土壤連作障礙是作物與土壤兩個系統(tǒng)之間多種因素相互作用的結(jié)果，所產(chǎn)生的障礙主要表現(xiàn)為土壤病蟲害嚴(yán)重、作物生長受限、產(chǎn)量下降等。有研究表明，連作障礙是作物與特異微生物共同作用的結(jié)果，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)變化、有害微生物含量增加是產(chǎn)生連作障礙的主要原因。有研究發(fā)現(xiàn)，相較短期連作，長期連作可提高細菌群落多樣性指數(shù)與OTU數(shù)量，這與陳雪麗等研究黑土大豆種植和劉素慧等研究大蒜種植得出的結(jié)論不同，說明連作年限和種植作物不同對結(jié)果存在較大影響。

輪作是目前國際公認(rèn)的防治作物連作障礙應(yīng)用最廣泛、最經(jīng)濟有效的措施。相對連作處理，輪作會提高細菌群落多樣性指數(shù)，顯著改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)。旱地多采用禾谷類或豆類作物參與輪作種植，以增加土壤有機質(zhì)含量、改良土壤團粒結(jié)構(gòu)，緩解連作障礙。玉米是我國重要的糧食作物之一，具有強耐旱性、耐寒性、耐貧瘠性以及極好的環(huán)境適應(yīng)性，也是畜牧業(yè)和養(yǎng)殖業(yè)的重要飼料來源。糯玉米除具有普通玉米抗逆性強的優(yōu)點外，還具有較高的營養(yǎng)價值，因此常被用于輪作研究。已有研究表明菜豆與綠葉菜短期輪作可獲得高效生產(chǎn)。豆科與禾本科作物適當(dāng)配合輪作可增加土壤有機質(zhì)，有利于后作葉菜類作物的種植。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)自然條件與試驗地概況

試驗在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)旱地農(nóng)業(yè)研究中心陽曲縣凌井店河村基地進行，該地海拔1 248.5 m，年平均降水量450 mm，降雨多集中于夏季，其他三季雨水較少，且蒸發(fā)量大，為典型的半干旱區(qū)，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫6~7 ℃，晝夜溫差大，≥10 ℃的活動積溫約2 600 ℃，年日照時數(shù)2 662 h，無霜期約120 d。該地地勢平坦，土壤為黃土質(zhì)淡褐土，0~20 cm 土層土壤基本理化性質(zhì)為：有機質(zhì)14.41 g·kg，全氮1.19 g·kg，全磷0.7 g·kg，全鉀20.7 g·kg，pH 7.72。該區(qū)域農(nóng)田種植主要依靠自然降水，主要種植玉米、結(jié)球甘藍、菜豆等作物，一年一種，普遍連作。

1.2 試驗材料

供試結(jié)球甘藍（L.L.）品種為“世農(nóng)307”，菜豆（L.）品種為“紅珍珠”，糯玉米（L.）品種為“京科糯2000”。

1.3 試驗設(shè)計

2018—2020 年連續(xù)3 a 定位進行單因素試驗，形成玉米?甘藍?菜豆輪（連）作體系，共10 組處理（表1），每組3 次重復(fù)，隨機區(qū)組排列，每小區(qū)種植面積均為30 m。根據(jù)當(dāng)?shù)卮筇锸┓是闆r施用復(fù)合肥，結(jié)球甘藍施用化肥600 kg·hm，并多施粒狀過磷酸鈣375 kg·hm，總計純氮108 kg·hm、純磷77.58 kg·hm、純鉀89.62 kg·hm；玉米和菜豆施用化肥1 200 kg·hm，總計純氮216 kg·hm、純磷94.32 kg·hm、純鉀179.24 kg·hm。種植密度為甘藍33 333 顆·hm，菜豆64 000 株·hm，玉米60 000 株·hm。2020 年試驗玉米、菜豆于5月13日播種，甘藍于6月10日移栽，期間菜豆多次采收（8 月2 日和13 日），所有作物于9 月11日收獲，試驗田旱作不灌水。

表1 試驗的處理設(shè)置Table 1 Processing settings for the experiment

1.4 測定項目與方法

于2021 年作物播種前使用小型土鉆通過五點取樣法采集各處理小區(qū)內(nèi)表層（0~20 cm）土壤，土壤混合后去除石塊、根等雜質(zhì)，使用2 mm 孔徑土壤篩過篩，裝入封口袋，干冰封存。利用Illumina HiSeq 高通量測序平臺對細菌基因V3~V4 區(qū)測序，用雙末端測序（Paired?End）的方法，構(gòu)建小片段文庫進行測序，通過對Reads 拼接過濾、聚類或去噪，并進行物種注釋及豐度分析，揭示樣品的物種構(gòu)成；測定土壤中細菌群落結(jié)構(gòu)、多樣性，挖掘樣品之間的相似性和差異性。甘藍每小區(qū)隨機取20 顆，測定其球狀體實際質(zhì)量；菜豆每小區(qū)隨機摘取8 株枝上成熟豆角，不同時期3次測量相加后計算其產(chǎn)量；玉米每小區(qū)隨機取20個，去掉雌穗苞葉連同玉米穗軸一同稱質(zhì)量，最后依次換算成所需面積產(chǎn)量。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2003軟件處理數(shù)據(jù)，SPSS 18.0軟件進行統(tǒng)計分析，利用R語言工具繪圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 作物不同輪作組合下土壤細菌16S r RNA 的V3~V4區(qū)原始數(shù)據(jù)分析

通過統(tǒng)計各階段的序列數(shù)、序列長度等參數(shù)對數(shù)據(jù)進行評估。10個處理，3次重復(fù)，共30個樣品，測序共獲得2 398 950 對原始序列（Raw reads），2 386 493條高質(zhì)量序列（Clean reads），2 334 112 條有效序列（Effective reads），每個樣品至少產(chǎn)生232 425 條有效序列，平均產(chǎn)生233 411 條有效序列，平均長度在418~421 bp 之間。稀釋曲線用于驗證測序數(shù)據(jù)量是否足以反映樣品中的物種多樣性，并間接反映樣品中物種的豐富程度。由圖1 可知，在各樣品所含有效序列數(shù)范圍內(nèi)，隨著樣品測序數(shù)目的增加，曲線趨于平緩，表明樣品序列充分，可以進行數(shù)據(jù)分析。

圖1 樣品稀釋曲線Figure 1 Each samples rarefaction curves

2.2 作物不同輪作組合下土壤細菌OTU聚類分析

對所有處理在97%序列相似度下得到的土壤細菌OTU 數(shù)目進行統(tǒng)計，并繪制Venn 圖用以直觀地找出不同處理中的共有特征和特有特征的數(shù)目，從而結(jié)合特征所代表的物種，找出不同環(huán)境中的特有微生物。由圖2a可知，各處理的OTU數(shù)無顯著差異，10組處理共同擁有OTU 數(shù)目為2 299 個，前茬種植同種作物無特有OTU，所測得細菌分別歸屬于36 門、97 綱、199目、318科、588屬、653種。

圖2 各樣品特征韋恩圖Figure 2 Venn diagram of characteristics of each sample

前茬種植作物為甘藍時三者共有2 324 個OTU數(shù)（圖2b）；CCC 處理特有OTU 數(shù) 為2，分別是OTU1372 Firmicutes 門Bacilli 綱Lactobacillales 目Lactobacillaceae 科屬種（厚壁菌門芽孢桿菌綱乳桿菌目乳桿菌科乳桿菌屬棒狀乳桿菌種）和OTU1893 Firmicutes 門Bacilli綱Bacillales 目Paenibacillaceae 科屬uncultured_bacterium 種（厚壁菌門芽孢桿菌綱芽孢桿菌目類芽孢桿菌科類芽孢桿菌屬下未定名種）；BMC處理特有OTU數(shù)為1，是OTU2307 Proteobacteria門Gammaproteobacteria 綱Betaproteobacteriales 目Burkholderiaceae科屬uncultured_bacterium 種（變形菌門γ?變形菌綱β?變形菌目伯克氏菌科屬下未定名種）；兩兩共有OTU數(shù)為9。前茬種植作物為菜豆時三者共有2 315 個OTU 數(shù)（圖2c）；BBB和BMB 處理無特有OTU，CMB 處理特有OTU 數(shù)為1，是OTU2133 Actinobacteria 門Actinobacteria 綱Frankiales 目Sporichthyaceae 科屬_SCGC_AAA278?O22 種（放線菌門放線菌綱弗蘭克氏菌目魚孢菌科hgcl分支屬放線菌SCGC_AAA278?O22 種）；兩兩共有OTU 數(shù)為20。前茬種植作物為玉米時四者共有2 314個OTU數(shù)（圖2d）；除BBM處理無特有OTU 外，其他處理均有1 個特有OTU，CCM 處理是OTU2307 伯克氏菌科屬下未定名種，CBM處理是OTU2133魚孢菌科hgcl分支屬放線菌SCGC_AAA278?O22種，BCM處理是OTU1893類芽孢桿菌科類芽孢桿菌屬下未定名種；其余為兩兩共有或三者共有。

2.3 作物不同輪作組合下土壤細菌群落Alpha多樣性分析

由表2 可知，不同處理土壤細菌多樣性指數(shù)覆蓋率均在99.8%以上。Ace 指數(shù)與Chao1 指數(shù)變化相同，前茬種植同種作物的處理豐富度指數(shù)無顯著差異，說明在本試驗條件下細菌群落豐富度與輪作末期種植的作物有關(guān)聯(lián)。CCC 處理豐富度指數(shù)顯著高于BCM 處理，CCC、BCM 處理與其余處理以及其余處理之間均無顯著差異；除BMC 和BCM 兩處理豐富度指數(shù)值低于BBB 處理外，其余處理豐富度指數(shù)值均高于BBB 處理。Shannon 指數(shù)值顯示，前茬種植作物分別為甘藍和菜豆的處理間均無顯著差異；前茬種植作物為玉米的處理間存在顯著差異，CCM 處理與BBM處理顯著高于CBM 處理；CMC、BMC、CCC、BMB、CCM與BBM 處理均顯著高于CBM 處理，BMC、CCC、BMB處理較CBM 處理提高3.6%，CMB、BBB、BCM 處理高于CBM 處理但差異不顯著，CMB 處理較CBM 處理提高2.1%。各處理Simpson 指數(shù)均在0.997 左右趨近于1，說明細菌群落普遍優(yōu)勢度較高、多樣性較低，指數(shù)值變化規(guī)律與Shannon指數(shù)相似。

表2 各處理下土壤細菌Alpha多樣性指數(shù)Table 2 Bacterial alpha diversity index of soil under different treatments

上述結(jié)果說明，不同連作、輪作組合對土壤細菌群落多樣性所造成的影響不同，相對連作處理，CBM處理細菌群落多樣性指數(shù)和BCM 處理細菌群落豐富度指數(shù)顯著下降，其余處理影響不顯著。

2.4 作物不同輪作組合下土壤細菌群落門水平組成結(jié)構(gòu)分析

不同處理土壤細菌門水平的群落組成如圖3 所示。相對豐度大的10 個細菌門分別為變形菌門Proteobacteria（25.0%~31.1%）、酸桿菌門Acidobacteria（18.5%~23.8%）、擬 桿 菌 門Bacteroidetes（10.1%~13.7%）、厚壁菌門Firmicutes（9.0%~16.8%）、綠彎菌門Chloroflexi（6.3%~9.1%）、放線菌門Actinobacteria（5.4%~7.1%）、芽單胞菌門Gemmatimonadetes（3.7%~4.9%）、疣微菌門Verrucomicrobia（2.7%~3.6%）、硝化螺菌門Nitrospirae（1.8%~2.4%）、浮霉菌門Planctomycetes（1.3%~1.4%），其在10個處理土壤樣品中的相對豐度比例之和均占土壤細菌總數(shù)的95%以上，其他相對豐度低的細菌門合并為Others。總體上看，變形菌門、酸桿菌門、擬桿菌門和厚壁菌門4 種細菌類群是各處理土壤中的主要菌群，其相對豐度之和占細菌總數(shù)的70%以上。連作和輪作處理對細菌門類的組成無差異，但在群落相對豐度上存在差距。

圖3 不同處理土壤在細菌門水平的群落組成Figure 3 Community composition of bacteria at phylum level inthe different treatment soils

將不同處理土壤細菌優(yōu)勢門類排名前6 的細菌進行分析，比較不同處理土壤細菌群落組成差異，結(jié)果如表3所示。前茬種植作物相同時，CMC 處理綠彎菌門相對豐度顯著高于CCC 處理；CMB 處理放線菌門相對豐度顯著低于BBB 處理；BCM 處理變形菌門相對豐度顯著低于CCM、CBM 和BBM 處理，CBM 處理放線菌門相對豐度顯著低于CCM、BBM 和BCM 處理，其余處理間菌門豐度均無顯著差異。

表3 門水平上排名前6的細菌相對豐度差異Table 3 Comparation of relative abundance of Top 6 bacteria on phylum level

變形菌門相對豐度在各處理間差異較小，除BCM 處理顯著低于BMC、BMB、BBB、CCM、CBM 與BBM 處理外，其余處理兩兩間均無顯著差異；CMC、BMC 處理略高于CCC 處理。CCC 處理略低于BBB 處理，相對連作處理，CMB、BCM 輪作處理降低變形菌門相對豐度，其余輪作處理（除CMC 處理）均能夠小幅度提高菌門相對豐度。

酸桿菌門CBM 處理相對豐度顯著低于CMC、BMC、CCC、CMB、BMB 與BBB 處理，BCM 處理顯著低于CMC、BMC、CCC 與BBB 處理，CCM 處理顯著低于CMC 處理，其余處理兩兩間均無顯著差異；CMC 處理略高于CCC 處理，CMB、BMB 處理略低于BBB 處理。相對連作處理，CBM、BCM 輪作處理能夠顯著降低酸桿菌門相對豐度，其余輪作處理（除CMC、BMC 處理）降低菌門相對豐度的效果不顯著。

擬桿菌門CMC 處理顯著低于BMC、BBB、CCM、CBM、BBM 與BCM 處理，CMB、BMB 處理顯著低于CCM、CBM、BBM、BCM 處理，CCC、BBB 處理顯著低于CCM、CBM 處理，其余處理兩兩間均無顯著差異；CMB、BMB 處理略低于BBB 處理。連作CCC 處理略低于BBB 處理，相對連作處理，CCM、CBM 輪作處理顯著提高擬桿菌門相對豐度，BMC、BBM、BCM 處理能夠小幅度提高菌門相對豐度，CMC、CMB、BMB 處理能夠小幅度降低菌門相對豐度。

厚壁菌門CMB、BMB處理顯著低于CBM處理，其余處理兩兩間均無顯著差異，CMC、BMC 處理略高于CCC 處理，CMB、BMB 處理略低于BBB 處理。連作CCC處理略低于BBB處理，相對連作處理，CMB、BMB輪作處理降低厚壁菌門相對豐度，其余輪作處理均能夠小幅度提高菌門相對豐度。

綠彎菌門CBM 處理顯著低于CMC、BMC、CCC、BMB 與BBB 處理，BCM 處理顯著低于CMC、BMC、CCC 處理，CMB、BMB、BBB、CCM、BBM 處理顯著低于CMC、BMC 處理，CCC 處理顯著低于CMC 處理，其余處理兩兩間均無顯著差異，CMC、BMC 處理略高于CCC 處理。連作CCC 處理略高于BBB 處理，相對連作處理，CMC、BMC 輪作處理提高綠彎菌門相對豐度，CBM 處理顯著降低菌門相對豐度，其余輪作處理（除BMB處理）均能夠小幅度降低菌門相對豐度。

放線菌門相對豐度在各處理間差異較小，CMB、CBM 處理顯著低于其余處理，連作CCC 處理略高于BBB 處理，相對連作處理，CMB、CBM 輪作處理顯著降低放線菌門相對豐度，CCM 處理小幅度降低菌門相對豐度，其余輪作處理（除BMB 處理）均能夠小幅度提高菌門相對豐度。

2.5 作物不同輪作組合下土壤細菌屬水平分布

由圖4可以看出，在屬水平上10個處理明顯分為兩大類，CBM處理輪作組合單列為一支，其余9個組合細菌群落結(jié)構(gòu)較為接近，為另一支，說明CBM 處理土壤細菌群落結(jié)構(gòu)顯著不同于其余處理，其對土壤細菌群落屬水平組成結(jié)構(gòu)的影響大于其他組合。區(qū)別于其他輪作組合，CBM 輪作處理乳酸桿菌屬（）、魏斯氏菌屬（）、未培養(yǎng)腸桿菌屬類群（uncultured_bacterium_f_Enterobacteriaceae）、艾克曼菌屬（）、大腸桿菌志賀菌（?）、氣單胞菌屬（）和副擬桿菌屬（）數(shù)值較大，超半數(shù)細菌屬相對豐度較低。

圖4 不同處理土壤在細菌屬水平的相對豐度聚類熱圖Figure 4 Abundance cluster heatmap of bacteria at genus level in the different treatment soils

除CBM 處理外，其余9 個組合又可分為3 組，CMC、BBB 和CCM 處理為第一組，BMC、BBM 和BCM處理為第二組，CCC、CMB 和BMB 處理為第三組。相對于第三組，第一組和第二組細菌群落結(jié)構(gòu)差異較小，各組內(nèi)3 種處理細菌屬群落結(jié)構(gòu)分別具有一定的相似性，同時也說明3 組間土壤細菌屬群落組成相似性較低。

結(jié)果表明，取土樣前最后種植作物、同種作物不同輪作順序、同種作物輪作年限對土壤細菌屬群落結(jié)構(gòu)和各物種相對豐度均有影響，其中CBM 輪作處理顯著不同于其他9種處理。

2.6 不同輪作組合對產(chǎn)量的影響

在前茬種植作物相同時，分析不同處理對作物產(chǎn)量的影響，結(jié)果如表4所示，前茬種植作物相同的3個處理間均無顯著差異。前茬種植作物為甘藍時，CMC處理產(chǎn)量最高，相對CCC、BMC 處理分別增產(chǎn)0.76%、8.30%；前茬種植作物為菜豆時，BMB 處理產(chǎn)量最高；前茬種植作物為玉米時，BBM 處理產(chǎn)量最高，其次為BCM處理，CBM處理產(chǎn)量最低。

表4 不同處理對作物產(chǎn)量的影響Table 4 Effects of different treatments on crop yield

2.7 不同組合的主成分分析

為明確不同處理對土壤細菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的差異，基于OTU 水平繪制主成分分析圖。如圖5 所示，解釋度最大的兩個變量命名為PC1 和PC2，兩者加和為82.63%，可在此累計方差解釋度上解釋土壤細菌屬群落結(jié)構(gòu)的變化。圖中CMB、CBM處理和其余8個處理距離較遠，表明CMB、CBM 處理與其余處理間群落結(jié)構(gòu)差異較大，且CMB 和CBM 處理因受不同環(huán)境因素影響也存在顯著區(qū)別。

圖5 不同處理下土壤細菌群落結(jié)構(gòu)PCA分析Figure 5 PCA analysis of soil bacterial community structure under different treatments

3 討論

輪作對土壤細菌群落種類組成無差異，但在群落相對豐度上存在差異。高通量測序結(jié)果表明，作物輪作、連作處理中共鑒定出細菌36門、97綱、199目、318科、588 屬、653 種，同時還發(fā)現(xiàn)許多未被分類的細菌（unclassified bacteria）。

綜合所得結(jié)果提出合理推測，厚壁菌門乳桿菌屬棒狀乳桿菌種、厚壁菌門類芽孢桿菌屬下未定名種、變形菌門屬下未定名種和放線菌門分支屬放線菌SCGC_AAA278?O22種等4個種會對土壤產(chǎn)生不利影響，進而阻礙作物生長。放線菌門分支屬放線菌SCGC_AAA278 ?O22 種存在于CMB 和CBM 處理中，且這兩個處理與其他處理相比作物產(chǎn)量最低，此菌種的產(chǎn)生可能是導(dǎo)致輪作產(chǎn)量低于連作的原因。

基于Illumina HiSeq 測序平臺，利用雙末端測序（Paired?End）的方法，在各處理的覆蓋率指數(shù)均在99.8%以上的條件下，對不同輪作處理的土壤細菌16S rRNA 序列V3~V4 區(qū)進行高通量測序，以揭示樣品物種組成的變化。馬瑞瑞通過研究蕓豆短期連作、輪作對土壤微生物的影響表明，不同連作年限對土壤微生物的影響不完全相同。吳冬琴通過研究甘藍2、10、15 a不同連作年限對根際土壤微生物的影響進一步表明，土壤中細菌數(shù)量呈現(xiàn)先降低再升高再

降低的周期性變化趨勢。倪苗等的研究表明豇豆連作與豇豆葉菜輪作處理對土壤細菌多樣性的影響較小，輪作能夠提高土壤細菌群落豐度。吳宏亮等的研究表明，不同作物輪作與西瓜連作之間的土壤微生物群落多樣性指數(shù)變化不同，輪作多樣性指數(shù)既有上升也有下降。連作使百合、黃瓜、辣椒、大豆等作物土壤細菌群落多樣性指數(shù)與豐富度增加。通過對比前人的研究發(fā)現(xiàn)，不同作物輪作、不同連作年限對土壤細菌數(shù)量、多樣性的影響機制不同。因無關(guān)于3 a 內(nèi)甘藍連作、菜豆連作以及甘藍、菜豆、玉米不同輪作組合對土壤細菌多樣性方面的影響研究，因此無法形成精準(zhǔn)的對比分析。

本研究結(jié)果表明，各處理間土壤細菌OTUs 無顯著差異；細菌豐富度指數(shù)在BCM 處理中數(shù)值最低，顯著低于CCC處理；細菌Shannon指數(shù)在CBM 處理中數(shù)值最低，顯著低于CMC、BMC、CCC、BMB、CCM 和BBM 處理。綜合而言，相對連作處理，輪作CBM 處理細菌群落多樣性顯著下降，BCM 處理細菌群落豐富度顯著下降，其余輪作處理影響不顯著，可能是因為CBM、BCM 輪作處理中放線菌門hgcl 分支屬放線菌SCGC_AAA278?O22 種的存在導(dǎo)致土壤有益細菌群落大量減少，其原因還需進一步進行分析。

在門水平上，各處理細菌優(yōu)勢門均為變形菌門、酸桿菌門、擬桿菌門、厚壁菌門、綠彎菌門。土壤細菌優(yōu)勢菌門組成與王進闖研究的大豆連作、陳丹梅等研究的作物輪作、徐新雯等研究的煙蒜輪作較為相似。

前茬種植玉米相對于種植甘藍、菜豆有利于提高擬桿菌門、厚壁菌門相對豐度，降低酸桿菌門、綠彎菌門相對豐度。相對于連作處理，前茬種植玉米時能夠在一定程度上提高變形菌門、擬桿菌門、厚壁菌門相對豐度，降低酸桿菌門、綠彎菌門、放線菌門相對豐度；CBM 處理顯著降低酸桿菌門、綠彎菌門、放線菌門相對豐度，顯著提高擬桿菌門相對豐度；BCM 處理顯著降低酸桿菌門相對豐度，CCM 處理顯著提高擬桿菌門相對豐度，CMC 處理顯著提高綠彎菌門相對豐度，CMB處理顯著降低放線菌門相對豐度。

CCM 處理擬桿菌門相對豐度顯著高于CCC 處理，CMC 處理綠彎菌門相對豐度顯著高于CCC 處理，說明在3 a內(nèi)甘藍連作和甘藍與玉米輪作對土壤菌門影響差異較大。BMC、CBM、BCM 與CMB 處理土壤優(yōu)勢菌門存在差別，說明甘藍、菜豆、玉米3 種作物不同輪作組合對土壤優(yōu)勢菌門組成存在影響，且前茬種植作物為菜豆時影響較大。丁俊男等研究玉米?大豆不同輪作模式對土壤的影響，結(jié)果表明前茬種植豆科有利于改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，提高微生物群落多樣性，玉米?大豆?大豆輪作模式最優(yōu)。

南麗麗等研究苜蓿后茬輪作4 種不同作物對土壤細菌門水平產(chǎn)生的影響發(fā)現(xiàn)，除酸桿菌門相對豐富呈增加趨勢，其余優(yōu)勢菌門相對豐度均有下降。有研究表明酸桿菌門適宜生活在酸性環(huán)境中，而種植玉米會降低土壤酸度，提高土壤pH，這可能與本試驗中CCM、CBM、BBM、BCM 處理酸桿菌門相對豐度下降而其余處理無明顯變化有關(guān)。CBM、BCM 處理相對豐度顯著低于CCC、BBB 連作處理，說明甘藍、菜豆、玉米3 種作物輪作且前茬種植作物為玉米時能夠較大程度提高土壤pH。酸桿菌可降解植物殘體，在貧瘠土壤中相對豐度更高，屬于寡營養(yǎng)型細菌，可用來判斷土壤環(huán)境瘠薄程度，這極大可能與CMB、BMB處理酸桿菌門相對豐度低于CCC、BBB連作處理存在相互關(guān)聯(lián)。

變形菌門和酸桿菌門是衡量土壤營養(yǎng)狀況的指標(biāo)，通常土壤中酸桿菌門細菌與變形菌門細菌數(shù)量相當(dāng)，在陸地土壤微生物群落中分布最廣、含量最豐富。變形菌門在土壤細菌群落中相對豐度最高，是輪作處理較為常見且重要的細菌門，具有固氮作用和環(huán)境適應(yīng)能力強、抗病能力強等優(yōu)點，環(huán)境變化對其影響較小，屬于富營養(yǎng)菌。變形菌門主要研究α?變形菌綱、β?變形菌綱和γ?變形菌綱，在種植豆科作物中有效固氮菌主要是α?變形菌和γ?變形菌[37]。

土壤酸桿菌門相對豐度下降使得其他細菌門競爭壓力減小，有助于提高其他細菌門相對豐度如擬桿菌門，擬桿菌門與變形菌門都是富營養(yǎng)型細菌，在營養(yǎng)狀態(tài)好的土壤中含量較高。整體比較，前茬作物種植玉米有助于改善土壤營養(yǎng)狀況。

有研究表明，厚壁菌門隨土壤pH 由4 升高到8，其相對豐度呈明顯增加趨勢。CBM 處理厚壁菌門相對豐度顯著高于CMB、BMB 處理，這與適宜生活在酸性環(huán)境中的酸桿菌門相對豐度變化相反，說明CBM 處理土壤pH 最高，這可能是造成CBM 處理土壤細菌屬顯著區(qū)別于其他處理的原因。玉米適宜生活在土壤pH 為5.8~7.5 的環(huán)境中，糯玉米抗酸能力強耐鹽堿能力差。

綠彎菌門作為自養(yǎng)型有益細菌，具有較強的生態(tài)恢復(fù)能力和生存優(yōu)勢，可降解受污染沉積物中的多環(huán)芳烴，驅(qū)動生物地球化學(xué)循環(huán)。本研究輪作組合中CMC 處理綠彎菌門相對豐度最高，CBM 處理最低。放線菌門適宜生長在中性偏堿的土壤環(huán)境中。有研究表明苜蓿輪作降低了土壤pH，從而降低放線菌門相對豐度。CMB、CBM 處理放線菌門相對豐度顯著低于其他處理，結(jié)合厚壁菌門相對豐度的變化，說明CBM 處理可能導(dǎo)致土壤pH 升高，CMB 處理可能導(dǎo)致土壤偏酸性。

在屬水平上，CBM 處理顯著區(qū)別于其余9 個處理，CMC、BMC 處理物種組成和豐度與CCC 處理更為接近，CMB、BMB 處理物種組成和豐度與BBB 處理更為接近。主成分分析顯示，CBM 處理土壤細菌群落結(jié)構(gòu)顯著區(qū)別于其他處理，CMB 處理次之，其余8 個處理差異較小。以上說明除CBM 處理土壤細菌群落變化較大外，前茬種植同種作物時，輪作處理細菌屬較為相似，并與連作處理差異較大。

前茬種植作物為甘藍時，3 個處理產(chǎn)量表現(xiàn)為CMC 處理＞CCC 處理＞BMC 處理，這與種植后期BMC處理小區(qū)蟲害嚴(yán)重、測產(chǎn)誤差較大有關(guān)。前人研究表明，玉米?菜豆?馬鈴薯?甘藍輪作組合的甘藍產(chǎn)量最高，菜豆加入甘藍輪作組合有利于提高產(chǎn)量，甘藍連作導(dǎo)致產(chǎn)量下降，因此常規(guī)產(chǎn)量大小應(yīng)為BMC處理＞CMC處理＞CCC處理。

前茬種植作物為菜豆時，產(chǎn)量高低為BMB 處理＞CMB 處理＞BBB 處理，輪作處理產(chǎn)量均高于連作，這與丁素榮等研究得到玉米大豆輪作相對大豆連作增產(chǎn)的結(jié)果相同。與傳統(tǒng)糧豆輪作會增加產(chǎn)量相同，CMB 處理放線菌門相對豐度變化較大且顯著低于BMB、BBB 處理，這可能是第一年種植甘藍導(dǎo)致土壤酸度增加引起，這也是CMB 處理產(chǎn)量低于BMB 處理的原因。

前茬種植作物為玉米時，產(chǎn)量高低為BBM 處理＞BCM 處理＞CCM 處理＞CBM 處理，這與前人研究大豆玉米輪作產(chǎn)量顯著高于玉米連作產(chǎn)量，且大豆?玉米產(chǎn)量高于大豆?大豆?玉米的結(jié)果不同。BBM 處理產(chǎn)量最高，這與每茬菜豆種植前均施適量肥料避免第二茬菜豆吸收第一茬菜豆殘余養(yǎng)分導(dǎo)致土壤養(yǎng)分降低相關(guān)；CBM 處理產(chǎn)量最低，與土壤細菌大部分屬缺失且7種屬含量較高有關(guān)，也可能與CBM處理使土壤pH 提高較多，超過玉米適宜生長范圍，進而影響土壤營養(yǎng)狀況相關(guān)，這在6 種土壤細菌門相對豐度變化上有所體現(xiàn)，CBM 處理酸桿菌門、放線菌門相對豐度最低，其次為綠彎菌門、擬桿菌門、厚壁菌門相對豐度最高。酸桿菌門適宜生活在酸性環(huán)境，放線菌門適宜生活在中性偏堿環(huán)境，厚壁菌門在一定范圍內(nèi)隨土壤pH 增大而增加。前人研究表明，土壤pH 是造成細菌群落結(jié)構(gòu)變化的最大影響因子。

4 結(jié)論

（1）10 組處理共有OTUs 為2 299，分別歸屬于36門、97 綱、199 目、318 科、588 屬、653 種，不同處理間土壤細菌OTUs無較大差異。

（2）BCM 處理細菌豐富度指數(shù)值最低，顯著區(qū)別于CCC 處理；前茬種植玉米可降低細菌多樣性指數(shù)值，其中CBM處理多樣性指數(shù)最低。

（3）各處理優(yōu)勢菌門主要為變形菌門、酸桿菌門、擬桿菌門、厚壁菌門、綠彎菌門、放線菌門，CBM 處理土壤細菌相對豐度和群落結(jié)構(gòu)對比連作變化最大，顯著降低酸桿菌門、綠彎菌門、放線菌門相對豐度，顯著提高擬桿菌門相對豐度；在屬水平上CBM 處理與其余9種處理細菌群落差異最大。

（4）前茬種植作物相同時，各處理產(chǎn)量無顯著差異。

（5）10 組處理間對比無特有OTU，前茬種植作物相同的處理間對比存在特有OTU。

（6）菜豆?菜豆?玉米對作物產(chǎn)量和土壤富營養(yǎng)優(yōu)勢細菌綜合影響最好，因此推薦該輪作組合。但本試驗只針對輪作第3 年作物進行了分析，還需進一步從土壤及作物其他角度進行比較，以明確輪作帶來的效果和效果所能持續(xù)的年限。