前茬作物土壤遺留效應(yīng)對野生大豆(Glycine soja)和栽培大豆(Glycine max)生長的影響

晏益民，肖路，劉艷杰

(1.中國科學院 東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所，吉林 長春 130102；2.中國科學院大學，北京 100049)

0 引 言

大豆(Glycinemax)原產(chǎn)于中國，廣泛栽培于世界各地。目前，我國對大豆的需求量逐年增加，但是國內(nèi)大豆產(chǎn)量與需求之間缺口日益增大[1]。如何提高國內(nèi)大豆產(chǎn)量，增加自給率，成為保障我國糧食安全的核心問題。東北地區(qū)大豆種植面積占全國大豆種植面積的41.4%，是我國大豆種植的三大主產(chǎn)區(qū)之一[2-3]。受市場需求和耕地面積的影響，東北地區(qū)普遍存在大豆重茬現(xiàn)象，大豆重茬種植導致大豆減產(chǎn)幅度為6.2%～35.4%[4]。因為大豆是對重茬種植不耐受的典型作物，故重茬障礙成為制約東北地區(qū)大豆產(chǎn)量的關(guān)鍵問題之一[5]。

大豆重茬種植會改變土壤結(jié)構(gòu)與理化性質(zhì)，如重茬三年后，土壤>5 mm機械穩(wěn)定性團聚體數(shù)量、pH值、有機質(zhì)、有機碳及土壤肥力等均出現(xiàn)下降現(xiàn)象[6-7]。并且大豆重茬會提高病蟲害(如大豆胞囊線蟲病、根腐病、根潛蠅病等)的發(fā)生頻率[8]。此外，李業(yè)成等[9]研究指出，大豆根系分泌物會抑制大豆種子的萌發(fā)和初生根生長。并且重茬會增加根系分泌物的種類和數(shù)量，由此加重對大豆萌發(fā)和生長的抑制作用。大豆重茬種植過程中，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化是導致大豆減產(chǎn)的生物因素之一[10]。大豆和禾本科谷物(如玉米)輪作是解決大豆重茬減產(chǎn)的主要途徑[11]，因禾本科作物創(chuàng)造的土壤環(huán)境有利于大豆的生長[12-13]。這種前茬作物改變土壤理化性質(zhì)和生物群落結(jié)構(gòu)，進而影響后茬作物生長的過程也被稱為前茬作物的土壤遺留效應(yīng)(Soil legacy effect)[14]。盡管，已有大量研究探討禾本科作為前茬作物如何影響土壤結(jié)構(gòu)和土壤微生物群落特征，進而影響大豆的生長和產(chǎn)量[4,15-17]。但是，對于如何提高大豆對重茬的耐受能力，降低重茬引發(fā)的大豆病蟲害減產(chǎn)方面的研究仍顯不足。

野生近緣種是天然的基因庫，對拓寬作物狹窄的遺傳基礎(chǔ)、提高作物抗逆育種具有重要價值[18]。野生大豆(Glycinesoja)是大豆的野生近緣種，能夠提供多種耐重茬基因[19]，從而減少大豆重茬種植造成的產(chǎn)量損失。如Eom等[20]指出包括野生大豆在內(nèi)的野生豆科物種能夠通過改變根際微生物群落而比栽培物種具有更高的抗病性。Tian等[21]也在研究中發(fā)現(xiàn)，重茬大豆致病菌(如：Spizellomyces)相對豐度要遠高于野生大豆，并且野生大豆善于招募有益菌株(如：Orbiliaceae)用來抵御土壤線蟲對根的傷害。此外，不同前茬作物會改變土壤理化結(jié)構(gòu)和微生物組成，對作物產(chǎn)量和品質(zhì)具有不同影響。因此，探討大豆和野生大豆對前茬作物土壤遺留效應(yīng)的響應(yīng)，將為大豆培育耐重茬品種提供參考。本研究利用溫室控制實驗，通過大豆和野生大豆的盆栽種植，研究玉米和大豆前茬作物土壤遺留效應(yīng)對大豆和野生大豆生長的影響，探索大豆和野生大豆在耐重茬方面的生態(tài)學機制。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本試驗野生大豆種子采集于中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所(長春)園區(qū)(43°59′49″N，125°24′3″E)；栽培大豆種子由該所大豆分子設(shè)計育種重點實驗室提供，分別是東生7號，東生9號和合豐55號。試驗中所使用的土壤取自園區(qū)內(nèi)連續(xù)種植大豆和玉米2年以上的實驗田，其土壤類型為黑土[21](pH為6.2，有效磷為80.9 mg·kg-1，有效氮為111.2 mg·kg-1，有效鉀為76.7 mg·kg-1，有機質(zhì)為51 g·kg-1)，分別從上述大豆和玉米實驗田取表層土壤(0～20 cm)備用。試驗中用到的圓形塑料花盆高14 cm，頂部直徑為15 cm，容積為2.5 L。

1.2 試驗設(shè)計與方法

本試驗開展時間為2020年11月至2021年2月，地點為中國科學院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所4號溫室(43°59′49″N,125°24′3″E)。采用三因素完全交互設(shè)計，因素一是不同大豆品種：如圖1所示包括A野生大豆，B栽培大豆東生7號，C栽培大豆東生9號，D栽培大豆合豐55號；因素二為種植不同前茬作物(大豆和玉米)的土壤；因素三是土壤是否經(jīng)過輻射滅菌處理。首先將取自長期進行大豆和玉米種植試驗田的土壤一分為二，其中一部分保存于4 ℃冰箱中備用，另一部分進行為期4天、劑量為25 kGy的γ射線滅菌處理，滅菌地點為長春市中核同輻北方基地。滅菌后，所有花盆中基質(zhì)按照2份原土：1份砂子：1份蛭石的比例進行混合。每個處理設(shè)置8個重復(fù)，共計128盆(圖1)。

注：圖中A代表野生大豆，B代表東生7號，C代表東生9號，D代表合豐55號。輻射符號表示土壤被輻射滅菌。

2020年11月15日，分別挑選大小一致且無蟲食的野生大豆、東生7號、東生9號和合豐55號栽培大豆種子各64粒。然后，對野生大豆種子進行98%濃硫酸處理10分鐘，以打破種子的物理休眠促使其萌發(fā)[22]。然后，將栽培大豆和野生大豆種子用75%酒精進行殺菌處理并用無菌水洗滌3次，置于草炭土基質(zhì)的育苗盤進行萌發(fā)。待萌發(fā)生長兩周后，選取長勢一致且健康的單株幼苗分別移栽到裝好混合基質(zhì)的128個花盆中。為了降低土壤養(yǎng)分對實驗結(jié)果的影響，每個花盆中添加5 g奧綠緩釋肥(Osmocote?Exact Standard; 15% N+9.0% P2O5+12% K2O+2.0% MgO+0.02% B+0.05% Cu+0.45% Fe+0.09% chelated by EDTA+0.06% Mn+0.02% Mo+0.015% Zn,Everris International B.V.,Geldermalsen,The Netherlands)。所有試驗花盆被隨機放置在溫室中，在移栽幼苗5周后重新隨機放置，以最大限度地減少位置效應(yīng)對試驗結(jié)果的影響。試驗過程中，為保證土壤水分不限制植物生長，每天澆水100ml并使用HydraGO便攜式土壤三參數(shù)測定儀(Stevens Water Monitoring Systems，Inc.)對土壤濕度進行測定，以保證土壤水分充足。由于試驗階段為冬季，日照時間不足，利用人工光源對植株進行早晚補光，提供每天15 h光照和9 h黑暗的光周期環(huán)境。在移栽幼苗后第9周，收獲植株的地上部分和地下部分的生物量，由于1盆野生大豆試驗過程中途死亡，最終收獲127盆植株。所有植株按地上和地下部分收獲，65 ℃烘干72小時，稱重。

1.3 測定方法和指標

1.3.1 測定方法。實驗分別測定野生大豆和栽培大豆(東生7號、東生9號和合豐55號)的地上生物量、地下生物量、掃描葉片表面積、掃描葉片干重、掃描根長、掃描根干重。地上和地下生物量以及掃描葉片重和掃描根干重采用電子天平稱量。葉面積采用Canon Lide 220掃描儀掃描，并在ImageJ進行葉面積分析。根長首先采用Epson Expression 12000 XL掃描儀掃描，再用WinRhizo軟件進行根長分析。

1.3.2 計算指標。

總生物量(g)=地上生物量+地下生物量

根質(zhì)量分數(shù)(%)=地下生物量/總生物量×100%

比葉面積(cm2·g-1)=掃描葉片表面積/掃描葉片干重

比根長(m·g-1)=掃描根長/掃描根干重

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用R統(tǒng)計軟件nlme包中的線性混合模型(LME)和卡方檢驗(LRT)，分析前茬作物土壤處理、土壤滅菌處理及其相互作用對大豆和野生大豆生長的影響，并比較其差異顯著性。模型中栽培大豆和野生大豆的總生物量、比葉面積、比根長和根質(zhì)量分數(shù)為因變量；固定因子為品種(栽培大豆與野生大豆)、不同前茬作物土壤(大豆栽培土與玉米栽培土)和土壤滅菌處理(是與否)；考慮到野生大豆和栽培大豆品種個體的非獨立性，在所有模型中都將栽培大豆品種和野生大豆的編碼(即東生7號、東生9號、合豐55號和野生大豆)作為隨機因子。為了滿足殘差正態(tài)性和方差齊性的假設(shè)，對模型中響應(yīng)變量的數(shù)據(jù)進行了對數(shù)轉(zhuǎn)化。以上統(tǒng)計均在R4.0.4[23]中完成，P<0.05為差異顯著。

2 結(jié)果與分析

土壤滅菌處理對栽培大豆和野生大豆的總生物量、根質(zhì)量分數(shù)、比葉面積和比根長均具有顯著的影響(表1)。如圖2所示，與滅菌土相比，未滅菌土顯著降低了栽培大豆和野生大豆總生物量和比根長，而增加了比葉面積和根質(zhì)量分數(shù)(P<0.05)。如表1所示，前茬作物對總生物量、根質(zhì)量分數(shù)和比根長具有顯著的影響。與玉米栽培土相比，大豆栽培土顯著降低了栽培大豆和野生大豆總生物量(圖2)，而使根質(zhì)量分數(shù)和比根長顯著增加(圖2)，即重茬促使了生物量向根系的分配。整體而言，栽培大豆生物量顯著高于野生大豆，而比葉面積則顯著低于野生大豆。

滅菌處理與品種對生物量的影響存在顯著的交互作用(表1)。相比較于非滅菌，滅菌對栽培大豆總生物量增加高達40.5%，而野生大豆總生物量增加僅為1.6%(圖2)。這一結(jié)果說明，前茬作物通過土壤微生物對栽培大豆和野生大豆的生長產(chǎn)生抑制作用，并對栽培大豆生長的影響比野生大豆更明顯。此外，不同前茬作物土壤(大豆栽培土vs.玉米栽培土)與品種(栽培大豆vs.野生大豆)對比葉面積影響的存在顯著交互作用(P<0.05)(表1)，相比較于前茬作物為大豆時，玉米栽培土會使野生大豆的比葉面積減小27.3%，而栽培大豆比葉面積僅增加4.5%(圖2)。這說明野生大豆會及時調(diào)整葉片形態(tài)以應(yīng)對不同前茬作物處理下的土壤環(huán)境變化。

表1 不同前茬作物土壤和土壤滅菌處理及其相互作用對栽培大豆和野生大豆的總生物量、根質(zhì)量分數(shù)、比葉面積、比根長的影響線性模型分析結(jié)果(LMEs)

圖2 不同處理對栽培大豆與野生大豆性狀指標的影響

3 討論

重茬嚴重制約大豆生物量的積累。許艷麗等[24]研究指出重茬導致大豆干物質(zhì)積累總量下降，且隨重茬年限加長而下降幅度增大。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有以下幾個方面：一方面是大豆重茬使土壤pH、含水量、有機質(zhì)等顯著下降，進而影響了大豆的生長[25-27]；另一方面是遺留在土壤的自身代謝分泌物會對大豆產(chǎn)生自毒作用。Guenzi等[28]研究指出植物根系分泌和植物殘茬分解產(chǎn)生的毒素是導致作物重茬障礙的重要因子；再一方面，大豆重茬加劇土壤中土傳病菌的積累和大豆根腐病、大豆胞囊線蟲及根潛蠅等病害的發(fā)生[4]，進而抑制了大豆生物量的積累。這與本研究中滅菌土中大豆生物量顯著高于非滅菌土的結(jié)果是一致的。農(nóng)業(yè)上常用輪作的方式來降低重茬對大豆生長的影響。陳乃實等[29]研究指出相較于大豆重茬而言，玉米-大豆輪作能夠顯著促進大豆根際土壤中微生物多樣性，土壤酶活性增加，可有效抑制大豆種植過程中病蟲草害，優(yōu)化土壤環(huán)境，實現(xiàn)農(nóng)田土壤的可持續(xù)利用。土壤滅菌處理能夠殺滅絕大部分的真核生物和原核生物[29]，從而抑制因重茬而導致土傳病害的發(fā)生[30]。土壤病原微生物會增加根質(zhì)量分數(shù)，使生物量傾向于地下分配，降低植株光合作用下干物質(zhì)量積累速率。本研究中栽培大豆和野生大豆總生物量對滅菌處理的響應(yīng)不同，這可能是因為野生大豆能夠招募更多的有益微生物來抵御病原菌[21,31]，進而對不同土壤微生物群落具有更強的適應(yīng)能力。

此外，重茬也增加了栽培大豆生物量向根系的分配。本研究結(jié)果顯示重茬顯著增加了栽培大豆和野生大豆的根質(zhì)量分數(shù)和比根長。王晶英等[32]在研究連作年限分別為3年、4年和6年后也發(fā)現(xiàn)重茬增加了大豆根冠比。其可能原因是大豆重茬加重了病蟲害，磷、鉀等元素大量缺失，水分脅迫加重以及內(nèi)源激素比例發(fā)生了變化[32]。在逆境條件下，栽培大豆需要向地下分配更多的生物量用于吸收養(yǎng)分。此外，本研究發(fā)現(xiàn)重茬使栽培大豆和野生大豆比葉面均增加，野生大豆比葉面積增大幅度遠大于栽培大豆，這說明野生大豆在面對大豆重茬所造成的脅迫時，會及時調(diào)整葉片形態(tài)抵御逆境，其葉片功能性狀具有更強的可塑性[30]。

重茬是影響大豆生產(chǎn)的主要障礙，會導致大豆生長遲緩、病蟲害加劇和產(chǎn)量及品質(zhì)下降等問題。田藝心等[33]對于解決我國大豆重茬問題提出一系列措施：調(diào)節(jié)土壤環(huán)境，采用間、套作的耕作方式，種子外加包衣，防治病蟲害，加強田間管理等。然而，大豆重茬種植過程中的自毒作用和土傳病害等問題并沒有得到根本上的解決。長期處于自然環(huán)境下的野生大豆，保持著更高水平的遺傳多樣性，對于土壤病害有著更強的耐受性[34]。利用野生大豆的多種抗性性狀都有可能提升栽培大豆對重茬的耐受能力[35]，減少重茬引發(fā)的病蟲害所造成的產(chǎn)量損失。如開發(fā)野生大豆中大豆胞囊線蟲、蚜蟲、大豆?jié)撊~蠅和大豆根腐病的抗性基因[36-37]，以提高栽培大豆重茬過程中的抗病能力。本研究發(fā)現(xiàn)在重茬脅迫下，野生大豆比栽培大豆具有更強的土壤病原微生物耐受能力和根系與葉片可塑性，有望為今后培育大豆耐重茬新品種提供參考。

4 結(jié)論

大豆重茬所帶來的土壤遺留效應(yīng)會抑制栽培大豆和野生大豆的生長，這其中土壤病原微生物的存在能夠顯著抑制栽培大豆和野生大豆的生長和發(fā)育。而換茬(玉米)和土壤滅菌都能夠顯著促進栽培大豆生長。這也是利用輪作可以解決大豆重茬種植問題的理論基礎(chǔ)。同時野生大豆在應(yīng)對大豆重茬脅迫是能夠通過改變?nèi)~片形態(tài)，實現(xiàn)更強的適應(yīng)性；而且對土壤病原微生物也表現(xiàn)出更強的耐受能力。通過尋找栽培大豆與野生大豆對環(huán)境脅迫的差異性表達，進而利用傳統(tǒng)和分子育種技術(shù)，將野生大豆優(yōu)良耐重茬的基因整合到栽培大豆中，對東北地區(qū)大豆培育耐重茬品種具有重要意義。