輪作模式下土壤微生物與線蟲群落的互作研究現(xiàn)狀

范雅琦，王亞南，霍瑞軒，姚 濤，楊珍平，喬月靜，郭來春

（1山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷 030801；2白城市農(nóng)業(yè)科學(xué)院，吉林白城 137000）

0 引言

由于連作等不良種植方式所引起的土壤質(zhì)量下降、水土流失等問題，不但困擾著國內(nèi)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，也是整個國際社會亟待解決的難題。輪作作為種植制度中的一種重要的作物種植方式，在中國悠久的農(nóng)業(yè)歷史文明中，發(fā)揮了巨大的生態(tài)效應(yīng)和經(jīng)濟(jì)效益，逐漸形成了禾谷類輪作、糧食和經(jīng)濟(jì)作物輪作、水旱輪作等多種輪作模式，其應(yīng)用避免了由于常年連作單一作物帶來的土壤化學(xué)性質(zhì)的變化、土壤有效酶活性下降、土傳病害富集以及自毒物質(zhì)積累等弊端[1-2]。大量研究表明，適宜的輪作模式有防治病蟲草害、改善土壤養(yǎng)分狀況[3]的作用，同時輪換種植的不同作物可均衡利用土壤中的多種有效養(yǎng)分，使得土地資源得到充分應(yīng)用[4]，具有多種種植優(yōu)勢。目前，已知的輪作對土壤微生態(tài)影響的機制主要是不同的輪作作物根系分泌物質(zhì)影響了土壤微生物的類群[5]，而土壤微生物類群又與土壤線蟲群落間相互影響，這一系列復(fù)雜機制最終反映于作物的產(chǎn)量或品質(zhì)性狀上。土壤生態(tài)學(xué)作為生態(tài)學(xué)的新興分支學(xué)科，主要研究土壤生物、土壤非生物環(huán)境之間的相互作用關(guān)系，探索能夠解決農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中土壤生態(tài)問題的途徑，對維持生態(tài)平衡具有極其重要的意義[6]，得到國際生態(tài)學(xué)界的廣泛關(guān)注。土壤微生物與土壤線蟲是其中重要的組成部分，因此關(guān)于土壤微生物與線蟲群落所開展的研究也日益增多。土壤微生物的種類與數(shù)量直接決定著土壤肥力，進(jìn)而影響作物生長發(fā)育[7]，而栽培措施的改變會不同程度地引起土壤內(nèi)微生物群落的變化，土壤線蟲在改善土壤質(zhì)量方面同樣有明顯效果，早前多數(shù)學(xué)者關(guān)于土壤線蟲的研究多集中在植物寄生類線蟲所引起的植物病害[8]，同時在土壤線蟲研究較早期階段，國內(nèi)外學(xué)者關(guān)于線蟲群落分布的研究也多集中于自然或半自然生態(tài)系統(tǒng)中[9]，關(guān)于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的土壤線蟲群落研究少有報道，而線蟲作為農(nóng)田土壤中數(shù)量及影響均十分巨大的重要生物，對促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)具有重要作用。本研究以農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)下的土壤微生物與線蟲群落為研究對象，整理分析近年來基于輪作模式下影響農(nóng)田土壤微生物和線蟲群落變化的相關(guān)研究成果及兩者間的相互作用，并針對不同生態(tài)尺度進(jìn)行全面分析，明確其在提高作物產(chǎn)量品質(zhì)方面的積極作用，以指示農(nóng)田土壤的健康質(zhì)量、尋求適宜的輪作方式，起到指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的重要作用。

1 輪作模式對土壤微生物群落的影響

土壤微生物群落結(jié)構(gòu)對不同輪作模式的響應(yīng)不盡相同，科學(xué)合理的輪作模式能夠顯著增加農(nóng)田土壤內(nèi)微生物群落的多樣性。目前國內(nèi)外關(guān)于土壤微生物群落的研究基本分為生物化學(xué)分析法和分子水平的分析法2種，其中包括早年利用較多的平板培養(yǎng)技術(shù)、PLEA法測定土壤微生物結(jié)構(gòu)的多樣性、基于雜交的遺傳多樣性分析，以及新興的高通量測序和宏基因組技術(shù)[10-12]。這些方法均在不同方面存在一些弊端，如采用平板技術(shù)培養(yǎng)下的微生物種類有限，PLEA法只能對屬分類水平上的微生物進(jìn)行分析且無法進(jìn)行定性定量分析，某些基于PCR技術(shù)的分子生物學(xué)方法會存在重現(xiàn)性差的問題。因此在選擇試驗方法時要根據(jù)試驗?zāi)康陌葱柽x擇。

目前，國內(nèi)外關(guān)于常見輪作方式對土壤微生物群落的影響已有大量相關(guān)研究。禾谷、禾豆類和糧食經(jīng)濟(jì)類作物年間輪作和年內(nèi)換茬輪作是中國常見的輪作模式，如在北方一年一熟地區(qū)，玉米→小麥→大豆三年輪作和在南方一年多熟地區(qū)，油菜-水稻-水稻→小麥-水稻-水稻等輪作模式。孫倩等[13]關(guān)于谷田輪作模式的研究結(jié)果表明，3種不同的輪作模式相較連作均降低了土壤細(xì)菌群落的豐富度指數(shù)，谷子與黑豆輪作能夠提高細(xì)菌群落的多樣性。Li等[14]在對水稻油菜輪作長達(dá)30年的定位試驗得出，“水稻-水稻-油菜”輪作模式較“水稻-水稻-休閑”模式顯著提高了α-變形細(xì)菌、β-變形細(xì)菌和γ-變形細(xì)菌的豐度和細(xì)菌群落的多樣性。真菌多樣性指數(shù)的增加，可以通過農(nóng)田土壤內(nèi)多種真菌的相互作用抑制病原真菌的大量繁衍[15]，以此降低植株發(fā)生真菌病害的可能性，此指標(biāo)可作為篩選適宜輪作模式的根據(jù)之一。劉杭[16]進(jìn)行黑土區(qū)的3種主要種植作物大豆、玉米、小麥的輪作試驗，結(jié)果表明，玉米長期連作降低了真菌群落豐度，不同于作物輪作對細(xì)菌群落豐度普遍的降低作用，大豆連作田的真菌多樣性指數(shù)及其有益菌豐度要高于輪作，由此得出，單純從土壤真菌群落的角度分析，大豆在該地區(qū)的種植較耐連作。此外，固氮菌、氨化細(xì)菌等作為促進(jìn)植物吸收及土壤氮循環(huán)的功能微生物，在不同輪作模式中也表現(xiàn)不同的作用效果。水旱輪作作為在連作水稻種植區(qū)被廣泛提倡的輪作方式，可以通過水旱更替影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，提高土壤肥力，改善連作水稻田的病蟲草害問題。Ren等[17]的結(jié)果表明，水旱輪作可能產(chǎn)生一定的減產(chǎn)效應(yīng)。因此，近年來關(guān)于水旱輪作的研究大多配合有增產(chǎn)作用的田間管理措施進(jìn)行[18-19]，對土壤微生物的影響也不能單從輪作作物方面研究，還需要配合相關(guān)的土壤類型和理化性質(zhì)進(jìn)行探究。

2 輪作模式對土壤線蟲群落的影響

長期連作會引起植物線蟲病害加重，輪作后植物寄生類線蟲失去其作用的寄主植物使得為害程度減輕或被消除，這是防治專性寄生線蟲病害的重要方式之一。李秀花等[20]關(guān)于輪作對燕麥胞囊線蟲種群動態(tài)的研究表明，輪作后的胞囊線蟲衰退率高于90%，可以有效降低燕麥胞囊線蟲蟲口密度，此研究結(jié)果即為輪作在防治植物病害方面表現(xiàn)出積極意義的原因[21-22]。然而，線蟲作為土壤生態(tài)系統(tǒng)中數(shù)量最為龐大的生物之一，僅有占其總數(shù)極小部分的植物寄生性線蟲會引起植物線蟲病害的發(fā)生，相反絕大部分的線蟲如食細(xì)菌、食真菌和雜食性線蟲在調(diào)節(jié)土壤生態(tài)系統(tǒng)中的養(yǎng)分循環(huán)方面表現(xiàn)出十分積極的作用。目前，關(guān)于土壤線蟲群落的研究除對線蟲總數(shù)的確定外，還需要準(zhǔn)確的形態(tài)學(xué)鑒別來劃分其科屬或者采用分子生物學(xué)方法如PCR、分子標(biāo)記等技術(shù)進(jìn)行分類研究[23-24]。因其十分龐大的工作量，在當(dāng)前研究中，關(guān)于完整的線蟲群落結(jié)構(gòu)的研究并不多，主要研究方向還是針對植食性線蟲在特定農(nóng)田或特定栽培作物中所引起病害的相關(guān)研究，而針對線蟲群落對輪作模式不同響應(yīng)機制的研究較少。

因此，關(guān)于輪作模式下的土壤線蟲群落研究不能局限于對線蟲病害的改善減輕作用，更應(yīng)關(guān)注其對土壤健康狀況的指示和改良作用。陳立杰等[25]關(guān)于大豆連作與輪作的試驗研究結(jié)果表明，連作使得大豆田中根際胞囊線蟲數(shù)量顯著高于輪作，而輪作田中的土壤線蟲總數(shù)高于連作，說明輪作不僅減輕了大豆田中的線蟲病害，且使得土壤中的有益線蟲種類與數(shù)目增多，有改善土壤質(zhì)量的積極作用。與韓新華等[26]對大豆輪作田線蟲群落的研究結(jié)果一致。關(guān)于黃土高原苜蓿適宜輪作模式的研究中，霍娜等[27]發(fā)現(xiàn)，相比苜蓿連作，其與各種作物輪作在植物寄生線蟲指數(shù)(PPI)、線蟲通路指數(shù)(NCR)等指標(biāo)上均有明顯的改善效果。Zhang等[28]在玉米輪作模式的探究過程中證實，玉米-大豆輪作系統(tǒng)增加了線蟲的豐度，增加了土壤線蟲的代謝，有利于更多樣化的殘渣資源進(jìn)入土壤食物網(wǎng)。以上研究結(jié)果均證明，輪作田在土壤線蟲群落的豐富度及穩(wěn)定程度要明顯優(yōu)于連作田。

3 輪作模式下土壤理化性狀對微生物與線蟲群落的影響

輪作模式對作物生長最直接的影響主要反映于栽培土壤的理化性質(zhì)上。分析國內(nèi)外學(xué)者的研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，輪作對于土壤性狀的改善作用，主要是由于不同作物殘體所含元素的差異導(dǎo)致其殘枝落葉在土壤中分解作用表現(xiàn)不同，以及不同類作物根系分布存在差異導(dǎo)致土壤的孔隙度等物理結(jié)構(gòu)表現(xiàn)不同[29-31]。關(guān)于輪作對土壤物理性狀的影響近些年來關(guān)注的主要指標(biāo)有土壤容重、土壤含水量及土壤孔隙度等[32]，此外還有一些熱力學(xué)、水力學(xué)[33]性質(zhì)?；瘜W(xué)性狀主要涉及土壤的全量指標(biāo)以及速效指標(biāo)[34]。目前，關(guān)于物理性狀對微生物與線蟲群落的研究并不多見，化學(xué)性狀如有機質(zhì)含量、pH等會對線蟲及微生物群落產(chǎn)生一定的影響[35-36]。

輪作對土壤物理結(jié)構(gòu)的改善作用通常是農(nóng)戶選擇適宜大田栽培模式的重要原因。例如利用禾豆作物不同的根系分布特點改變土壤的孔隙度，利用不同作物地上部生物量差異及根系差異影響土壤容重[37-41]。近年來國內(nèi)外關(guān)于輪作模式對土壤物理性狀的研究多配合其他措施，如免耕、秸稈覆蓋及施肥方式[42-45]等其他大田栽培措施，單純的輪作模式對土壤物理性狀改良已無法滿足生產(chǎn)需求，與微生物、線蟲群落相結(jié)合的研究更是鮮少涉及，其中的作用機制并不十分明確。

化學(xué)性質(zhì)決定著土壤肥力[46]，利用不同作物輪作改良栽培土壤化學(xué)性質(zhì)是培肥地力、改良鹽堿地的有利手段[47-49]。輪作下土壤有機碳、全氮含量均有顯著提高，土壤微生物量碳氮、線蟲總多度也有不同程度的增加，且顯著降低了植物寄生線蟲指數(shù)[27]。劉婷等[50]關(guān)于水旱輪作的相關(guān)研究得出小麥季根際線蟲總數(shù)顯著高于水稻季，土壤pH、有機碳含量及微生物量碳氮均明顯下降的結(jié)論。這些變化的出現(xiàn)可能是多方面因素共同決定，也視輪作體系的不同而存在差異，而后作用于土壤微生物與線蟲群落中。蘇蘭茜等[51]研究發(fā)現(xiàn)，食細(xì)菌線蟲豐度與土壤有機質(zhì)和pH呈顯著正相關(guān)，而植食性線蟲豐度與土壤pH、有機質(zhì)、堿解氮含量和食微線蟲豐度呈顯著負(fù)相關(guān)。其與微生物間的取食關(guān)系也會對微生物群落產(chǎn)生作用，因此，可以借助土壤生態(tài)系統(tǒng)對適宜輪作模式的機理等展開研究。

4 輪作模式對土壤團(tuán)聚體中微生物和線蟲群落的影響

土壤團(tuán)聚體是構(gòu)成土壤結(jié)構(gòu)的基本單元，其數(shù)量、大小與分布情況使得土壤中的固、液、氣三相達(dá)到相互協(xié)調(diào)，決定著土壤肥沃情況[52-53]。目前國內(nèi)外關(guān)于團(tuán)聚體的研究多圍繞其組成、穩(wěn)定性、有機碳分布或某些元素含量等[54-57]開展，此外，也不乏關(guān)于土壤團(tuán)聚體中的線蟲與微生物的研究，土壤團(tuán)聚體與土壤微生物和線蟲群落密切相關(guān)[58-59]，彼此之間相互促進(jìn)又相互依賴。但針對輪作模式下引起團(tuán)聚體中線蟲與微生物群落的變化目前還少有研究。

土壤團(tuán)聚體的組成即土壤中各粒級團(tuán)聚體所占的比例，是調(diào)節(jié)土壤孔隙狀況、增強土壤保水保肥能力的關(guān)鍵[60]。其中通常將直徑＞0.25 mm的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)稱為大團(tuán)聚體，將＜0.25 mm的團(tuán)粒結(jié)構(gòu)稱為微團(tuán)聚體。王浩田等[61]在關(guān)于稻-煙輪作的研究中指出，隨著植煙年限的增加土壤中大團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)逐漸被破壞；劉勇軍[62]關(guān)于稻煙輪作的研究指出，植煙區(qū)土壤主要還是由大團(tuán)聚體為主。在大團(tuán)聚體中，微生物與線蟲的群落豐度、生物量、多樣性均較高[63-65]，有利于維持團(tuán)聚體內(nèi)各生物的穩(wěn)定生存狀態(tài)。因此可以通過探索能顯著影響大團(tuán)聚體形成的相關(guān)輪作方式來達(dá)到應(yīng)用此優(yōu)勢的效果。土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定狀態(tài)除了與大團(tuán)聚體有關(guān)外，也與微團(tuán)聚體間存在密切聯(lián)系。陳曉東等[66]關(guān)于鹽堿地土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性的研究結(jié)果表明，有機物料施用可以增加土壤微團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。李明等[67]關(guān)于氮肥施加對團(tuán)聚體微生物的研究結(jié)果顯示，在合理的氮肥施加量下，大團(tuán)聚體中土壤微生物群落表現(xiàn)要優(yōu)于微團(tuán)聚體，但對比其他施加量下微團(tuán)聚體中微生物群落表現(xiàn)同樣有所提升。因此，在進(jìn)行輪作模式探究時，要綜合考慮大團(tuán)聚體和微團(tuán)聚體中微生物和線蟲群落的反應(yīng)。

5 不同空間尺度下線蟲微生物的互作

微生物與線蟲在土壤生態(tài)系統(tǒng)食物網(wǎng)中占據(jù)著十分重要的地位[68]，在土壤中起著改善農(nóng)田土壤質(zhì)量狀況、促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)以及分解有機質(zhì)礦物質(zhì)的作用。利用微生物菌劑對植物寄生類線蟲開展生物防治是線蟲微生物互作的一大重要應(yīng)用[69]。此外，在大田生產(chǎn)中某些措施也存在著兩者間的互作效應(yīng)，如秸稈還田引起土壤的養(yǎng)分狀況發(fā)生變化，增加了土壤中微生物的數(shù)量，進(jìn)而導(dǎo)致食細(xì)菌類線蟲數(shù)量的明顯增加[70]，降低了植物寄生類線蟲的數(shù)量。單獨針對微生物與線蟲兩者的研究已較成熟，而兩者間的互作研究是近年來新興起的一個研究方向。結(jié)合輪作模式進(jìn)行線蟲微生物互作的相關(guān)研究，同時也可針對不同的空間尺度下的群落分布開展更加有針對性的分析。

參考褚海燕等[71]關(guān)于土壤微生物生物地理學(xué)研究綜述，可將土壤線蟲與微生物群落分布大體分為宏觀與微觀2個方面，其中宏觀層面主要針對不同生態(tài)系統(tǒng)下的兩者互作研究，或不同海拔下的互作。農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中作物輪作條件下的互作效應(yīng)，主要建立于兩者在農(nóng)田土壤食物網(wǎng)中的關(guān)系[72-73]，如不同輪作模式下，通過食物網(wǎng)間的營養(yǎng)級聯(lián)效應(yīng)[74]來達(dá)到土壤線蟲與微生物的相互作用關(guān)系，陳云峰等[75]將土壤食物網(wǎng)同線蟲區(qū)系分析結(jié)合，可對其進(jìn)行準(zhǔn)確的定性分析，從而達(dá)到調(diào)控土壤線蟲群落的目的。微生物作為土壤食物網(wǎng)中數(shù)量龐大、作用廣泛的重要部分，與線蟲間的取食關(guān)系對調(diào)節(jié)土壤食物網(wǎng)的結(jié)構(gòu)功能，調(diào)控土壤的各項指標(biāo)起到了重大作用，這也是針對兩者互作效應(yīng)探究的意義所在。

從微觀層面又可以將線蟲與微生物群落的分布細(xì)分到根際、不同土層或土壤團(tuán)聚體中。根際土壤被劃定為植物根系周圍1～2 mm處的一小部分區(qū)域[76]，該區(qū)域?qū)ψ魑锏厣喜康纳L發(fā)育尤為重要，近年來，國內(nèi)外針對根際土壤的相關(guān)文獻(xiàn)較多[77-79]。蘇燕等[80]關(guān)于水旱輪作模式下馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落的研究結(jié)果顯示，線蟲與微生物在土壤根際處的互作關(guān)系主要是由于植物根際分泌物的產(chǎn)生，影響了根際土壤微生物的群落組成，進(jìn)一步引起土壤線蟲群落的變化。黃闊[81]的研究結(jié)果表明，根結(jié)線蟲的發(fā)生與根際土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的多樣性存在顯著的負(fù)相關(guān)性。除根際土壤外，非根際土壤同樣對作物生長發(fā)育有著積極意義。顏秀娟等[82]對輪作大豆田線蟲群落的土層分布特征進(jìn)行調(diào)查得出，在0～50 cm土層中，以20～30 cm土層的線蟲數(shù)量最多，其中以食細(xì)菌線蟲和植物寄生類線蟲為主，而食真菌線蟲與雜食類線蟲集中分布于0～20 cm的表層土壤中，此調(diào)查結(jié)果基本適用于多數(shù)狀態(tài)下的農(nóng)田土壤中。微生物群落的土層分布由土壤食物網(wǎng)中與不同營養(yǎng)類群線蟲的取食關(guān)系所決定。土壤團(tuán)聚體是線蟲與微生物互作作用的一個重要場所，蔣瑀霽等[83]的研究表明長期施用有機肥下土壤大團(tuán)聚體中線蟲和微生物群落結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，且食細(xì)菌線蟲與細(xì)菌存在著顯著正相關(guān)關(guān)系。早年間已有大量研究證實，團(tuán)聚體的大小與其中線蟲與微生物群落豐度和穩(wěn)定程度呈正相關(guān)，但此類研究大多針對兩者中的一個，關(guān)于其互作關(guān)系的研究并不多見。將輪作模式同團(tuán)聚體中的線蟲微生物互作相結(jié)合進(jìn)行研究是一個值得關(guān)注的方向，以兩者的互作效應(yīng)為研究對象來探索最適宜作物生長的輪作模式。此外，在不同空間尺度下，針對兩者間相互作用研究的側(cè)重點不甚相同，如何有針對性地選擇合適的空間尺度所需要探究的方面還有很多。

6 總結(jié)與展望

目前，國內(nèi)外關(guān)于輪作模式的研究多側(cè)重于對連作障礙的消除和減輕作用、對土壤理化性狀的改良效應(yīng)等，而針對輪作方式對土壤生物性狀如線蟲、微生物的互作效應(yīng)的研究不多。土壤線蟲與微生物作為土壤中分布較為廣泛的生物，其在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的調(diào)節(jié)、指示作用近年來得到了充分的認(rèn)識。土壤線蟲與微生物群落結(jié)構(gòu)的變化與其生活環(huán)境特別是土壤環(huán)境密切相關(guān)。

關(guān)于輪作模式下的微生物群落研究已較成熟。之前土壤線蟲較多地作為引起植物病害的病因被植保專家進(jìn)行了大量有針對性的研究，隨著線蟲在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中的作用逐漸被人們認(rèn)識，其作為土壤生態(tài)健康的指示生物應(yīng)受到更多的關(guān)注。

土壤線蟲在土壤生態(tài)系統(tǒng)中表現(xiàn)出的作用多與土壤內(nèi)微生物的活動有關(guān)，同樣微生物群落也受到土壤線蟲的影響，作為土壤生物網(wǎng)中最龐大的生物群落，針對兩者的互作研究將為土壤生物網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)效應(yīng)，土壤食物網(wǎng)功能構(gòu)建起到重要作用。