土壤肥力狀況對植煙土壤微生物區(qū)系的影響

敖金成，徐天養(yǎng)，王加春，郭智勇，蒙 剛，沈燕金*

（1.云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 植物保護(hù)學(xué)院，云南 昆明 650201；2.云南省煙草公司 文山州公司，云南 文山 663000）

健康優(yōu)質(zhì)的耕地資源對現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。研究表明，微生物在維持土壤質(zhì)量及推動土壤的健康發(fā)展方面具有十分重要的作用［1-2］。土壤微生物區(qū)系失衡會影響作物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，誘發(fā)作物病害，甚至導(dǎo)致連作障礙的發(fā)生［3］。有相關(guān)研究［4-5］指出，微生物數(shù)量與土壤大多數(shù)養(yǎng)分含量（除有效磷和全鉀之外）之間存在著一定的正相關(guān)關(guān)系，養(yǎng)分含量高的土壤中微生物數(shù)量也多；但關(guān)于土壤養(yǎng)分水平與土壤微生物區(qū)系的相關(guān)性，以及有關(guān)功能菌數(shù)量、群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等方面的研究鮮見報道。近年來，土壤微生物種群、數(shù)量及分布已經(jīng)作為評價土壤生態(tài)環(huán)境質(zhì)量的重要指標(biāo)，并且越來越受到重視［6-7］。當(dāng)前，植煙土壤質(zhì)量退化、植煙區(qū)域由適宜區(qū)向次適宜區(qū)轉(zhuǎn)移的趨勢加快，煙葉品質(zhì)下降等問題已成為煙草行業(yè)普遍關(guān)注的焦點。云南是烤煙的主要種植區(qū)，土地資源的可持續(xù)利用是煙草產(chǎn)業(yè)得以持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。鑒于此，該研究分別以云南省曲靖市、昆明市、文山州這3個代表性的典型煙區(qū)的較高、中等、較低肥力土壤微生物區(qū)系為研究對象，探索了不同生態(tài)區(qū)植煙土壤的微生物區(qū)系以及群落穩(wěn)定性特征，以期為退化土壤的改良以及快速提升肥力提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集及處理

于2020年7月的烤煙成熟期在云南省曲靖市、昆明市、文山州這3個具有代表性的核心植煙區(qū)進(jìn)行取樣，共計45個樣品。根據(jù)均勻性和代表性原則，首先剝?nèi)ケ硗?，然后將煙株挖起，抖落部分根圍土，充分混勻后按四分法取混合樣。每類養(yǎng)分水平土壤取5個重復(fù)樣；取樣時，根據(jù)田間烤煙長勢初步確定土壤的肥力水平；一部分樣品用于檢測理化性質(zhì)，帶回實驗室自然晾干，過40目篩保存?zhèn)溆茫涣硪徊糠謽悠酚糜跈z測微生物區(qū)系及土壤脂肪酸（FAs），該部分樣品用自封袋密封后立即置于車載冰箱中，帶回實驗室后迅速放置于冰柜以保存?zhèn)溆谩?/p>

1.2 檢測項目及方法

1.2.1 土壤常規(guī)養(yǎng)分檢測及肥力判斷 土壤常規(guī)養(yǎng)分的測定參照文獻(xiàn)［8］進(jìn)行。檢測結(jié)果如表1所示。土壤肥力的綜合判斷參照相關(guān)文獻(xiàn)［9-10］進(jìn)行；應(yīng)用主成分分析方法計算出各項肥力指標(biāo)的權(quán)重，再利用模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)計算土壤肥力綜合指標(biāo)值（Integrated Fertility Index， IFI）［11-12］，以此來評價土壤肥力。計算公式如下：

其中，p為指標(biāo)個數(shù)，Ni和Wi分別為第i種肥力指標(biāo)的隸屬度和相應(yīng)的權(quán)重。將土壤綜合肥力指標(biāo)值（IFI）劃分為5個等級，即：高（IFI≥0.8）、較高（0.6≤IFI<0.8）、中（0.4≤IFI<0.6）、較低（0.2≤ IFI<0.4）和低（IFI<0.2）。從表1可看出，田間判斷烤煙長勢與土壤IFI值均與其對應(yīng)的等級相符，確定將3個植煙區(qū)土壤肥力水平分為較高水平、中等水平和較低水平，并以此為依據(jù)進(jìn)行土壤微生物區(qū)系特征研究。

表1 3種試驗土壤的基本理化性質(zhì)

1.2.2 土壤微生物區(qū)系的測定 土壤細(xì)菌、真菌、放線菌、固氮菌、解磷菌和鉀細(xì)菌均采用稀釋平板培養(yǎng)法測定菌落數(shù)（cfu/g），具體方法參照文獻(xiàn)［13］。

1.2.3 土壤脂肪酸（FAs）的提取與含量檢測 采用EL法對土壤樣品中的微生物FAs進(jìn)行提取，具體方法參照文獻(xiàn)［14］，然后采用Schutter和Dick的方法［15］進(jìn)行數(shù)據(jù)修正。

1.3 數(shù)據(jù)分析

應(yīng)用主成分分析方法和模糊數(shù)學(xué)中的隸屬函數(shù)確定土壤肥力水平，采用Excel 2007和SPSS 16進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計和聚類分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤肥力水平對植煙土壤微生物區(qū)系的影響

2.1.1 土壤肥力水平與微生物區(qū)系的相關(guān)性 隨著土壤肥力的降低，文山、昆明、曲靖這3個生態(tài)區(qū)植煙土壤的細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量整體呈線性下降（圖1 a，b，c），線性方程的決定系數(shù)R2分別為0.7197、0.6770和0.6760，表現(xiàn)出較好的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系，說明高肥力水平土壤的細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量較多，低肥力土壤的微生物數(shù)量較少，與前人的研究結(jié)果［16］一致。另外3個典型煙區(qū)不同肥力水平土壤的微生物數(shù)量存在差異，均以昆明煙區(qū)最多，文山煙區(qū)次之，曲靖煙區(qū)最少。

2.1.2 不同肥力水平植煙土壤微生物區(qū)系統(tǒng)計性分析 從表2可以看出，云南3個典型煙區(qū)不同肥力水平土壤的真菌、細(xì)菌、放線菌數(shù)量差異較大，尤其以較高肥力土壤差異最大。從真菌、細(xì)菌、放線菌數(shù)量占總菌數(shù)的比例看，較高、中等、較低肥力土壤真菌占總菌數(shù)的16.7%～21.0%，細(xì)菌占總菌數(shù)的77.8%～80.9%，放線菌數(shù)量僅占總菌數(shù)的0.6%～4.1%，反映了不同養(yǎng)分水平土壤主要微生物類群數(shù)量特征基本一致。而從真菌細(xì)菌比值（F/B）看，土壤肥力水平越高，其土壤微生物結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定，此研究結(jié)果與前人的研究結(jié)論［17］一致。

圖1 3種土壤微生物區(qū)系與肥力水平的相關(guān)性分析

表2 不同肥力植煙土壤的真菌、細(xì)菌、放線菌特征

2.2 土壤肥力水平與幾種主要功能菌數(shù)量的關(guān)系

從圖2可以看出，隨著土壤肥力的降低，云南3個典型煙區(qū)植煙土壤的固氮菌、解磷菌和解鉀菌數(shù)量呈減少趨勢，線性決定方程的R2分別為0.6129、0.8065和0.6136，表現(xiàn)出較好的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系?？傮w看，較高肥力和中等肥力土壤的固氮菌、解磷菌、解鉀菌數(shù)量除個別煙區(qū)外，差別較小，但較低肥力土壤的固氮菌、解磷菌、解鉀菌數(shù)量則明顯較少。固氮、解磷、解鉀菌是植物根系重要的促生細(xì)菌［18］，是植物所需氮源、磷源、鉀源的主要提供者［19］。研究結(jié)果表明，較高肥力和中等肥力土壤的固氮、解磷、解鉀菌數(shù)量明顯較低肥力土壤高，反映出中高肥力水平土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分供應(yīng)能力強(qiáng)，而低肥力土壤的供應(yīng)能力弱。

圖2 不同肥力水平對植煙土壤功能菌數(shù)量的影響

2.3 土壤肥力水平與土壤FAs含量相關(guān)性分析

由圖3可以看出，土壤FAs含量與土壤肥力呈明顯的線性負(fù)相關(guān)關(guān)系（r=0.900，P＜0.01），線性方程的決定系數(shù)R2=0.8102；較高肥力和中等肥力土壤總FAs含量均明顯大于較低肥力土壤。與較高肥力土壤相比，文山煙區(qū)中等和較低肥力土壤FAs含量分別降低了6.4%和68.8%，昆明煙區(qū)土壤FAs含量分別降低了42.9%和199.6%，曲靖煙區(qū)土壤FAs含量分別降低了9.3%和75.5%。如果僅從肥力水平看，與較高肥力水平相比，中等和較低肥力水平土壤FAs含量分別降低了17.7%和105.6%。

圖3 不同肥力水平的土壤FAs含量特征

2.4 不同煙區(qū)不同肥力的土壤微生物聚類分析

將不同產(chǎn)區(qū)不同肥力水平土壤的細(xì)菌、真菌、放線菌、總菌數(shù)、3種功能菌數(shù)量及土壤脂肪酸含量參數(shù)進(jìn)行聚類（圖4）。結(jié)果表明，可將不同生態(tài)區(qū)不同肥力土壤微生物特征聚為4類，昆明較高肥力土壤單獨聚為第Ⅰ類；文山較高肥力和昆明中等肥力聚為第Ⅱ類；曲靖較高肥力和文山中等肥力聚為第Ⅲ類；文山、曲靖、昆明較低肥力和曲靖中等肥力聚為第Ⅳ類。研究結(jié)果表明，產(chǎn)區(qū)間土壤微生物特性存在明顯差異，土壤中等偏上水平以昆明產(chǎn)區(qū)的土壤微生物量最大，文山產(chǎn)區(qū)與昆明產(chǎn)區(qū)較為接近，而曲靖產(chǎn)區(qū)的土壤微生物數(shù)量相對偏少。

圖4 不同煙區(qū)不同肥力的土壤微生物特征聚類分析

3 結(jié)果與討論

微生物量、酶活性及群落結(jié)構(gòu)特征對土壤養(yǎng)分盈虧等環(huán)境脅迫的耐受力具有明顯種群特征［20-21］。馬書琴等［22］研究認(rèn)為土壤的理化性質(zhì)與微生物群落結(jié)構(gòu)的分布具有明顯的相關(guān)性。本試驗中，不同生態(tài)區(qū)植煙土壤的養(yǎng)分水平與真菌、細(xì)菌、放線菌等的數(shù)量均呈明顯的線性負(fù)相關(guān)，微生物數(shù)量均隨土壤養(yǎng)分水平的降低而減少，與章家恩等［4］研究認(rèn)為土壤微生物數(shù)量隨土壤養(yǎng)分含量的升高而增加的結(jié)論一致，因為養(yǎng)分高的土壤有利于微生物的繁殖［23-25］，充足的土壤有機(jī)質(zhì)能夠滿足固氮、解磷、解鉀等有益微生物代謝及生長需求［18］。試驗中，土壤固氮、解磷、解鉀菌數(shù)量也表現(xiàn)出隨土壤肥力的降低呈線性降低的趨勢。從3種肥力土壤微生物類群看，細(xì)菌占土壤總菌數(shù)的比例為77.8%～80.9%，是幾種肥力土壤主要的微生物類群，屬于“細(xì)菌型”土壤。

Vries等［26］研究認(rèn)為，F(xiàn)/B值越高，土壤微生物結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定；FAs來源較多且復(fù)雜，包括活體微生物膜FAs以外的其他FAs［14］。因而FAs組成差異可以反映微生物群落結(jié)構(gòu)的差異［27］。本試驗中，土壤肥力水平越高，其F/B值和FAs含量越高，且呈現(xiàn)明顯的線性正相關(guān)；說明云南這3個典型生態(tài)植煙區(qū)較高肥力土壤微生物量更多，微生物群落結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好；低肥力土壤因為微生物數(shù)量少，因而群落結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。

楊超等［4］研究認(rèn)為，在不同生態(tài)環(huán)境下，烤煙根際及非根際土壤中各類微生物數(shù)量及多樣性指數(shù)各不相同，即土壤微生物區(qū)系表現(xiàn)出區(qū)域特征。由于土壤微生物數(shù)量及多樣性受多種因素的影響，如土地利用方式［28-29］、輪作模式［30-31］、施肥［32］、生態(tài)因子［33］等因素；因而，土壤微生物區(qū)域特征是人為因素和自然因素長期共同作用的結(jié)果。聚類分析表明，云南3個典型生態(tài)產(chǎn)區(qū)間土壤微生物特性存在明顯差異，昆明煙區(qū)中等偏上水平的土壤微生物量最大，文山煙區(qū)與昆明煙區(qū)較為接近，而曲靖煙區(qū)的土壤微生物相對偏少，這可能也是不同產(chǎn)區(qū)的煙葉品質(zhì)、風(fēng)格特征存在差異的原因之一。

綜上所述，植煙土壤的肥力水平越高，其土壤細(xì)菌、真菌、放線菌，以及固氮菌、解磷菌、解鉀菌3種功能菌數(shù)量越多，群落結(jié)構(gòu)越穩(wěn)定。