4 種輪作模式下長期連作煙田土壤微生態(tài)的響應(yīng)特征

周旭東 韓天華 申云鑫 施竹鳳 賀彪 楊明英 裴衛(wèi)華 何永宏 楊佩文

摘要：為探究烤煙與不同作物輪作對長期連作植煙土壤質(zhì)量調(diào)控的效果，以連作10年以上的植煙田塊為對照（CK），設(shè)置大麥-烤煙（YCDM）、大蒜-烤煙（YCDS）、油菜-烤煙（YCYC）和蠶豆-烤煙（YCCD）共4種不同作物與烤煙輪作，分析不同輪作處理下土壤的理化性質(zhì)、酶活性及微生物群落結(jié)構(gòu)。基于相關(guān)性分析和冗余分析，解析土壤理化性質(zhì)和酶活性與微生物群落結(jié)構(gòu)間的關(guān)系。結(jié)果表明，輪作處理的土壤容重較CK降低26.58%～30.29%，總孔隙度增加21.13%～48.26%；其中烤煙-蠶豆（YCCD）輪作模式下土壤的pH、水解氮（available nitrogen，AN）、有效磷（available phosphorus，AP）和速效鉀（ available potassium，AK）含量較CK顯著提高11.84%、30.57%、6.42%和41.5 1%。輪作處理的土壤過氧化氫酶（catalase，CAT）、蔗糖酶（invertase，INV）、脲酶（urease，URE）和酸性磷酸酶（acid phosphatase，ACP）的活性較CK 分別提高16.81%～42.35%、38.09%～51.48%、7.69%～64.29%和5.82%～76.33%，蠶豆-烤煙（YCCD）輪作模式的提升效果最為顯著。高通量測序結(jié)果表明，輪作處理下細(xì)菌的OTUs數(shù)量顯著高于CK。α多樣性顯示，不同輪作處理間的細(xì)菌群落豐富度和多樣性差異顯著；真菌群落的豐富度差異顯著，而多樣性差異不顯著。β多樣性分析顯示，不同輪作處理之間土壤真菌群落差異較小，細(xì)菌群落差異較大。其中，蠶豆-烤煙（YCCD）輪作處理的細(xì)菌、真菌群落與CK差異較大。在門水平，烤煙-蠶豆（YCCD）輪作使酸桿菌門（Acidobacteria）和放線菌門（Actinobacteria）的相對豐度增加，子囊菌門（Ascomycota）的相對豐度減少。相關(guān)性分析和冗余分析表明，URE、AN、AK和pH是影響土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵因子。綜上所述，烤煙與其他作物合理輪作可提高土壤速效養(yǎng)分含量和土壤酶活性，調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，消減烤煙連作障礙，最終達(dá)到烤煙穩(wěn)產(chǎn)、增產(chǎn)的目的。

關(guān)鍵詞：植煙土壤；輪作；土壤理化性質(zhì)；土壤酶活性；微生物群落

doi：10.13304/j.nykjdb.2022.0743

中圖分類號：S572 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1008‐0864（2024）03‐0174‐14

煙草（Nicotiana tabacum L.）是我國重要的經(jīng)濟(jì)作物之一[1]。據(jù)統(tǒng)計，云南是全國種植烤煙面積最大的省份，也是全球最大的優(yōu)質(zhì)烤煙產(chǎn)區(qū)，云南煙葉占全國總量的45%左右[2]。隨著云南省農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和種植制度變革，烤煙種植業(yè)發(fā)展迅猛，隨之而來的烤煙連作現(xiàn)象也日益突出。同一作物或其近緣種長期連續(xù)種植會造成土壤養(yǎng)分異常積累或過度消耗，病原微生物迅速繁衍，土壤微生物種群結(jié)構(gòu)失衡，導(dǎo)致作物產(chǎn)量、品質(zhì)降低及病蟲害頻發(fā)，嚴(yán)重影響烤煙產(chǎn)業(yè)的持續(xù)健康發(fā)展[3]。因此，如何合理有效地緩解云南烤煙連作障礙、均衡土壤地力水平以及改善土壤微生態(tài)環(huán)境，成為目前亟待解決的重要問題。

輪作可以在一些方面抑制連作障礙的產(chǎn)生，對作物生長起到一定的積極作用。輪作通過用地養(yǎng)地相互配合的方法，在提供正常設(shè)施農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的同時，利用不同作物對土壤養(yǎng)分吸收利用的差異，使用不同作物進(jìn)行輪換栽培，有利于平衡土壤中的營養(yǎng)元素，促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)健康發(fā)展，以此達(dá)到土地資源轉(zhuǎn)換和保持土壤健康的目的[4]。近年來，輪作的研究重點正在從宏觀的土壤質(zhì)量、作物產(chǎn)量和病蟲害防治向微觀的土壤微生態(tài)和土壤成分互作方面延伸，不同輪作作物的根系與根際土壤微生物的相互作用可能比地上部分的相互作用更為重要。輪作可以提高土壤微生物群落多樣性，而微生物群落多樣性又與作物生長發(fā)育息息相關(guān)[5]。國內(nèi)外學(xué)者一直密切關(guān)注輪作對于作物生長、土壤質(zhì)量以及土壤微生態(tài)等方面的影響。朱維偉等[6]研究發(fā)現(xiàn)，不同作物與黃瓜輪作有利于黃瓜幼苗生物量的積累，同時可以抑制土壤鹽漬化，減緩?fù)寥栏粻I養(yǎng)化，均衡土壤養(yǎng)分，降低黃瓜病害，為黃瓜生長構(gòu)建出相對優(yōu)良的生態(tài)環(huán)境。趙慶雷等[7]發(fā)現(xiàn)，水旱輪作模式可以明顯優(yōu)化花生產(chǎn)量結(jié)構(gòu)，顯著提高根瘤菌數(shù)量，對花生果腐病和蠐螬有較理想的防控效果。徐新雯等[8]研究發(fā)現(xiàn)，烤煙-大蒜輪作可以提高煙田土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的調(diào)節(jié)能力，使煙田的發(fā)病率由往年的50.0%降低到6.5%。陽顯斌等[9]發(fā)現(xiàn)，煙蒜輪作和煙蒜套作能顯著提高根際土壤中細(xì)菌、放線菌、解磷菌和解鉀菌的數(shù)量，維持良好的土壤質(zhì)量狀態(tài)。蘇燕等[10]研究表明，輪作栽培可以提高馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落的豐富度指數(shù)及多樣性指數(shù)。姚小東等[11]研究表明，花生輪作種植可以改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，增加有益細(xì)菌比例，降低有害真菌比例。由此可見，合理的輪作可以有效均衡土壤養(yǎng)分，改善土壤環(huán)境，有助于烤煙良好循環(huán)種植。

盡管對于烤煙合理輪作的研究已有相關(guān)報道，但針對云南區(qū)域內(nèi)烤煙輪作的研究較少。不同區(qū)域的種植環(huán)境因其受到光、溫、水、氣以及人為因素的差異，其土壤微環(huán)境也不同。因此，為了解決烤煙輪作作物選配不合理導(dǎo)致的土壤質(zhì)量退化問題，分別以油菜、大麥、蠶豆、大蒜4種作物與烤煙進(jìn)行輪作，解析烤煙不同輪作模式對土壤理化性狀、酶活性以及微生物多樣性等土壤質(zhì)量主控因子的影響及調(diào)控作用，為烤煙合理輪作提供理論依據(jù)和實踐支持。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地位于云南省麗江市石鼓鎮(zhèn)魯瓦村（26°50′N， 99°54′E），海拔1 859 m。地處金沙江河谷地帶，屬江邊干熱河谷氣候。其季風(fēng)特點明顯，四季分明，春季干旱少雨，夏季炎熱多雨，秋季涼爽干燥，冬季寒冷有雪。年均降水量868.2 mm，主要集中于4—8月；年均氣溫21.4 ℃；年日照時數(shù)2 321～2 554 h；年無霜期191～310 d。試驗地土壤為砂質(zhì)山地黃壤土，pH 6.12、有機質(zhì)43.70 g·kg-1、全氮2.36 g·kg-1、水解氮221.22 mg·kg-1、全磷1.20g·kg-1、有效磷100.41 mg·kg-1、全鉀16.10 g·kg-1、速效鉀267.38 mg·kg-1、電導(dǎo)率115.9 μS·cm-1。供試烤煙品種為‘云煙99。

1.2 試驗設(shè)計

選擇冬季空閑且連續(xù)種植烤煙10年以上的田塊，以烤煙連作為對照（CK），設(shè)置4個輪作處理，分別為烤煙-蠶豆輪作（YCCD）、烤煙-大麥輪作（YCDM）、烤煙-大蒜輪作（YCDS）和烤煙-油菜輪作（YCYC），共計5個處理，每個處理3次重復(fù)。每小區(qū)3壟（3 m×7 m），于周圍設(shè)立保護(hù)行。前茬作物油菜、大麥、大蒜和蠶豆均施用腐熟細(xì)碎的有機堆肥3 000 kg·hm-2和草木灰850 kg·hm-2，旋耕后平栽。大麥化肥施用量為N 285 kg·hm-2、P2O5 120 kg·hm-2、K2O5 285 kg·hm-2；油菜化肥施用量為N 150 kg·hm-2、P2O5 75 kg·hm-2、K2O 75 kg·hm-2；大蒜化肥施用量為N 225 kg·hm-2、P2O5 150 kg·hm-2、K2O 300 kg·hm-2；蠶豆化肥施用量為N 75 kg·hm-2、P2O5 75 kg·hm-2、K2O 120 kg·hm-2。其中，氮肥和鉀肥為硝酸鉀肥，磷肥為鈣鎂磷肥。大麥?zhǔn)斋@后將秸稈還田，其余作物收獲后將秸稈全部移出農(nóng)田，進(jìn)行機械滅茬。烤煙施用的有機肥為酒糟有機肥（N+P2O5+K2O=6.2%），化肥為烤煙專用肥（N∶P2O5∶k2O=15∶15∶15，質(zhì)量比）。

2020年種植油菜、大麥、大蒜、蠶豆，收獲后于2021 年4 月15 日移栽煙苗，株行距為50 cm×50 cm，2021年8月15日進(jìn)行采收；試驗中各類作物采用常規(guī)田間管理。

1.3 土壤樣品采集與分析

1.3.1 土壤樣品的采集 每個小區(qū)采用“W”形取樣法隨機取5株煙，每株煙為1個樣點，共計75個取樣點。于2021年8月中旬（收獲期），首先去除煙株根際表面覆蓋物，用環(huán)刀采集壟上近根（0—10 cm）土壤，用于土壤容重、孔隙度的測定。采集土壤樣品時，用75%乙醇對土鉆進(jìn)行滅菌，然后用土鉆采集0—20 cm土層土壤，剔除石塊、草根、秸稈等雜物，采用四分法混合均勻，取1 kg裝入無菌密封袋中帶回實驗室。每個密封袋中的土壤樣品分為兩部分，一部分自然風(fēng)干，用于土壤理化性質(zhì)的測定；另一部分裝入50 mL離心管，超低溫凍干機凍干后保存于-80 ℃超低溫冰箱，用于細(xì)菌、真菌群落的高通量測序。

1.3.2 土壤理化性質(zhì)的測定 土壤容重和孔隙度采用環(huán)刀法測定，土壤pH采用酸度計測定，土壤有機質(zhì)（soil organic matter，SOM）含量采用重鉻酸鉀容量法測定，電導(dǎo)率（electrical conductivity，EC）采用電導(dǎo)率儀測定，全氮（total nitrogen，TN）含量采用凱氏定氮法測定，堿解氮（available nitrogen，AN）含量采用堿解擴(kuò)散法測定，全磷（totalphosphorus，TP）采用H2SO4-HClO4 鉬銻抗比色法測定，速效磷（available phosphorus，AP）含量采用碳酸氫鈉提取法測定；全鉀（total potassium，TK）采用NaOH 熔融- 火焰光度法測定，速效鉀（available potassium，AK）含量采用采用 NH4OAc浸提結(jié)合火焰光度法測定[12]。

1.3.3 土壤酶活性的測定 土壤蔗糖酶（invertase，INV）、酸性磷酸酶（acid phosphatase，ACP）、過氧化氫酶（catalase，CAT）和脲酶（urease，URE）活性采用試劑盒（蘇州瑞思公司生物科技有限公司）微板法測定。

1.3.4 微生物多樣性分析 采用E.Z.N.A.?soilDNA kit 抽提樣品總DNA，1% 瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA 質(zhì)量，NanoDrop 測定DNA 含量和純度。以此DNA 為模板，運用引物338F（5-ACTCCTACGGGAGGCAGCAG-3） 、806R（5-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3）和SSU0817F（5-TTAGCATGGAATAATRRAATA GGA-3）、81196R（5-TCTGGACCTGGTGAGTTT CC-3）分別對細(xì)菌16S rRNA 基因的V3～V4 可變區(qū)、真菌18S rRNA基因的V3～V4高變區(qū)片段進(jìn)行PCR擴(kuò)增引物序列為。PCR程序：95 ℃ 2 min；95 ℃ 30 s，55 ℃ 30 s，72 ℃ 30 s，25個循環(huán)； 72 ℃ 5 min。每個樣本3次重復(fù)，將同一樣本的PCR產(chǎn)物混合后用2% 瓊脂糖凝膠電泳檢測，使用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒（AXYGEN 公司）切膠回收PCR 產(chǎn)物，Tris-HCl 洗脫；2% 瓊脂糖電泳檢測。參照電泳初步定量結(jié)果，將PCR 產(chǎn)物用QuantiFluorTM-ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)（Promega 公司）進(jìn)行定量檢測，按照每個樣本的測序量要求，進(jìn)行相應(yīng)比例的混合，送至上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司于Illumina Miseq PE300、PE250 平臺進(jìn)行測序分析。

1.4 數(shù)據(jù)統(tǒng)計與分析

采用Excel 2016和SPSS 22.0進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，用OriginPro 2021繪圖。采用單因素方差分析評價不同輪作模式間土壤理化性質(zhì)、酶活性以及微生物多樣性的差異（P<0.05）。采用CANOCO4.5軟件（Microcomputer Power，Ithaca，NY，USA）分析環(huán)境因子對微生物群落分布的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式對土壤理化性質(zhì)的影響

2.1.1 不同輪作模式對土壤物理性質(zhì)的影響 不同輪作模式對土壤物理性狀造成的影響如圖1所示。4種輪作模式的土壤容重顯著低于CK，分別為CK的76.91%、83.02%、69.80%和78.60%；除了YCDS模式外，其余3種輪作模式的土壤總孔隙度均顯著高于CK，分別為CK 的148.25%、123.23%和121.10%。與CK相比，4種輪作模式均顯著增加了土壤毛孔隙度，其中，YCYC 模式的增幅最大，為CK的292.83%。YCYC模式下土壤的非毛孔隙度較CK顯著降低。

2.1.2 不同輪作模式對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響 不同輪作模式對土壤化學(xué)性質(zhì)的影響如表1所示。除YCDM 模式外，其余3 種模式下土壤的pH 較CK顯著上升，其中，YCCD模式的pH最高，為CK處理的131.97%。YCDS模式的土壤電導(dǎo)率顯著高于CK處理，為CK的132.37%；YCYC模式的土壤電導(dǎo)率顯著低于CK，為CK 的63.58%；其余輪作模式與CK差異不顯著。YCDM輪作模式土壤的有機質(zhì)含量顯著高于CK，為CK 的116.28%。4 種輪作模式土壤、全氮、全磷和速效鉀含量與CK 處理差異不顯著。YCCD 模式土壤堿解氮含量顯著高于CK；其余3 種輪作模下則顯著低于CK 處理。YCDM、YCYC 和YCCD 模式的土壤有效磷含量顯著高于CK。YCDM、YCDS和YCCD模式的土壤速效鉀含量顯著高于；YCYC模式土壤速效鉀含量則顯著低于CK。

2.2 不同輪作模式對土壤酶活性的影響

不同輪作模式對土壤酶活性的影響如圖2所示。YCDM、YCYC和YCCD模式土壤過氧化氫酶活性顯著增加，其中YCDM 模式最高，為CK 的203.31%；YCDM、YCDS和YCCD模式土壤蔗糖酶活性顯著增加，其中YCCD 模式最高，為CK 的258.86%；YCDS和YCCD模式土壤脲酶活性顯著增加，分別為CK的175.89%和165.25%，其他2種輪作模式土壤脲酶活性雖有升高，但與CK差異不顯著；YCYC和YCCD模式土壤酸性磷酸酶活性顯著上升，其中YCCD 模式最高，為CK 處理的433.66%。

2.3 不同輪作模式對土壤微生物OTUs 數(shù)量的影響

不同輪作模式土壤特有及共有細(xì)菌、真菌的OTUs數(shù)量如圖3所示。不同輪作模式下細(xì)菌共有OTUs數(shù)量為2 482個，YCCD模式特有的OTUs數(shù)量為224個；YCYC模式為77個；YCDM模式為103個；YCDS模式為185個；CK處理為49個。不同輪作模式下真菌共有OTUs數(shù)量為282個，YCCD模式特有的OTUs 數(shù)量為88 個；YCYC 模式為139個；YCDM 模式為69個；YCDS 模式為97 個；CK處理為134個。土壤細(xì)菌數(shù)量明顯大于真菌數(shù)量。在YCCD模式下，土壤特有細(xì)菌數(shù)量較CK顯著增多，而特有真菌數(shù)量明顯減少，表明YCCD模式能夠增加土壤細(xì)菌群落數(shù)量，降低真菌群落數(shù)量。

2.4 不同輪作模式對土壤微生物α 多樣性的影響

不同輪作模式土壤微生物α多樣性如表2所示。對于土壤細(xì)菌群落，YCDS模式下細(xì)菌的物種數(shù)目、Ace指數(shù)和Chao指數(shù)較CK顯著增加，而多樣性指數(shù)無顯著變化，表明YCDS模式可以增加土壤細(xì)菌豐富度，而對細(xì)菌多樣性則無明顯影響；YCCD模式下細(xì)菌的物種數(shù)目、Ace指數(shù)、Chao指數(shù)和Shannon 指數(shù)均較CK 相顯著增加，而Simpson指數(shù)顯著降低，表明YCCD模式不僅能夠增加土壤細(xì)菌豐富度，還能夠增加土壤細(xì)菌多樣性。對于土壤真菌群落，YCDM 和YCDS 模式下真菌的物種數(shù)目、Ace指數(shù)和Chao指數(shù)較CK顯著降低，而多樣性指數(shù)無明顯變化，表明YCDM 和YCDS模式可以顯著降低土壤真菌豐富度，而對真菌多樣性則無明顯影響。

2.5 不同輪作模式對土壤微生物β 多樣性的影響

由圖4A可知，第1坐標(biāo)軸和第2坐標(biāo)軸解釋了細(xì)菌總方差的34.22%；由圖4B可知，第1坐標(biāo)軸和第2坐標(biāo)軸解釋了真菌總方差的34.26%，表明不同輪作模式下的細(xì)菌、真菌群落結(jié)構(gòu)存在差異。不同輪作模式細(xì)菌群落之間距離較遠(yuǎn)，且與CK距離較遠(yuǎn)，而真菌群落距離較近；細(xì)菌群落的r 值為0.582 1，真菌群落的r 值為0.471 5。由此表明，不同輪作模式間細(xì)菌群落組成的差異性更為顯著。

2.6 不同輪作模式對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

2.6.1 不同輪作模式對土壤細(xì)菌門、屬水平群落結(jié)構(gòu)的影響 由圖5A可知，在細(xì)菌門水平上，5個處理的優(yōu)勢菌門均為變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteria）、放線菌門（Actinobacteria）和綠彎菌門（Chloroflexi）。其中，變形菌門在YCDM、YCDS、YCYC和YCCD模式的相對豐度分別為31.61%、33.95%、32.72% 和28.41%，均高于CK（27.37%）；酸桿菌門和放線菌門的相對豐度分別為17.93%～20.55% 和15.66%～25.77%；綠彎菌門在不同輪作模式處理間無明顯變化。4種輪作模式增加了土壤中變形菌門的相對豐度，降低了放線菌門的相對豐度，其中YCDS模式下土壤變形菌門相對豐度的增幅明顯高于其余3 種輪作模式。

在屬水平下（圖5B），5個處理的優(yōu)勢菌屬均為Vicinamibacterales、嗜食單胞菌（Sphingomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）和Gaiellales，其相對豐度分別為4.98%～6.55%、2.52%～3.21%、1.58%～2.93% 和1.73%～3.24%。與CK 相比，YCCD 模式使Vicinamibacterales、嗜食單胞菌（Sphingomonas）、芽孢桿菌屬（Bacillus）和Gaiellales 的相對豐度分別提高了0.1、0.2、1.5和0.2個百分點。

2.6.2 不同輪作模式對土壤真菌門、屬水平群落結(jié)構(gòu)的影響 由圖6A可知，在門水平，不同輪作模式下均表現(xiàn)為子囊菌門（Ascomycota）、被孢霉門（Mortierellomycota）、擔(dān)子菌門（Basidiomycota）、unclassified_k__Fungi、油壺菌門（Olpidiomycota）和羅茲菌門/隱菌門（Rozellomycota）的相對豐度較高，其中，子囊菌門和被孢霉門相對豐度累計超過70%。與CK相比，子囊菌門在4種輪作模式下的相對豐度均有所降低，為32.10%～62.08%，其中，YCDS模式最低；被孢霉門在4種輪作模式下的相對豐度均有所增加，為13.38%～32.86%，其中，YCDS模式最高。

在屬水平，排名前10的菌屬依次為：被孢霉菌屬（Mortierella）、unclassified_k__Fungi、鐮刀霉屬（Fusarium）、芽枝霉屬（Cladosporium）、赤霉菌屬（Gibberella）、Saitozyma、油壺菌屬（Olpidium）、錐蓋傘屬（Conocybe）、向基孢霉屬（Basipetospora）和尾柄孢殼屬（Cercophora）。YCCD 模式中芽枝霉屬和錐蓋傘屬相對豐度分別為11.13% 和9.36%，與CK差異較大。

2.7 理化性質(zhì)對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響

2.7.1 理化性質(zhì)與土壤微生物優(yōu)勢菌門間的相關(guān)性分析 理化性質(zhì)與土壤細(xì)菌優(yōu)勢菌門間的相關(guān)性分析（圖7A）表明，變形菌門的相對豐度與AK顯著負(fù)相關(guān)；放線菌門的相對豐度與AN和AK顯著正相關(guān)；擬桿菌門的相對豐度與AK顯著負(fù)相關(guān)；酸桿菌門的相對豐度與AN和ACP顯著正相關(guān)。理化性質(zhì)與土壤真菌優(yōu)勢菌門間的相關(guān)性分析（圖7B）表明，子囊菌門的相對豐度與pH顯著正相關(guān)，與TN 和TP 呈顯著負(fù)相關(guān)；unclassified_k__Fungi的相對豐度與AN顯著負(fù)相關(guān)。

2.7.2 土壤微生物優(yōu)勢菌門與理化性質(zhì)的冗余分析 土壤微生物優(yōu)勢菌門與理化性質(zhì)的冗余分析如圖8所示。對于細(xì)菌，第1軸（RDA1）解釋率為46.07%，第2軸（RDA2）的解釋率為35.42%，累積總解釋率為83.76%；對于真菌，第1軸（RDA1）解釋率為35.42%，第2軸（RDA2）解釋率為31.57%，累積總解釋率為66.99%，說明分析結(jié)果可靠。進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，AN和AK是影響土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子；AN、URE、pH、AK和TP是影響土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的主要環(huán)境因子。

3 討論

3.1 不同輪作模式對土壤理化性質(zhì)和酶活性的影響

作物長期連作會引起土壤質(zhì)量退化、土傳病害增加等問題[13]。合理的輪作制度不僅能夠提高土壤肥力，增加土壤有機質(zhì)和均衡土壤酸堿度，還能減少土傳病害的發(fā)生，為烤煙高質(zhì)量生產(chǎn)提供有力保障[14]。本研究發(fā)現(xiàn)，輪作后的土壤容重較連作土壤明顯降低，而土壤總孔隙度則明顯升高，這可能是由于長期的連作，不重視養(yǎng)地，使得土壤耕層變淺、土壤板結(jié)，最終導(dǎo)致土壤容重增加、土壤總孔隙度下降，而不同的輪作作物因其根系生長發(fā)育特性不同，促使土壤物理性狀發(fā)生變化?？梢?，輪作能夠改善土壤松緊度，增加其通透性。

輪作還能提升土壤酸堿度，4種輪作模式下土壤pH較長期連作土壤明顯升高，這可能是因為前茬作物種植時，施用了較多的鈣鎂磷肥、草木灰等堿性肥料，使土壤pH增加，而連作土壤長期施用煙草專用化肥（N∶P2O5∶K2O=15∶15∶15），氮素投入量過多，導(dǎo)致土壤酸化[15‐16]。輪作后土壤的有機質(zhì)、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均較連作土壤有不同程度的升高，YCCD處理的效果最明顯，其次是YCDM處理。這是由于豆科植物具有固氮作用，可以優(yōu)化土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)，有效改善土壤質(zhì)量；在YCDM處理中，大麥稈還田是一項增加土壤有機質(zhì)、改良土壤結(jié)構(gòu)的重要舉措，顯著提高了土壤有機質(zhì)含量，這與前人研究結(jié)果一致[17‐18]。

本研究中，YCDM、YCDS 和YCYC 模式土壤堿解氮含量較CK顯著降低；YCDS和YCCD模式土壤有效磷含量較CK顯著降低；YCCD模式土壤速效鉀含量較CK顯著降低，與前人研究結(jié)果一致[19‐20]。這可能是由于在土壤養(yǎng)分含量相對一致的情況下，不同輪作作物的生長特性及需肥量不同，導(dǎo)致不同處理間土壤養(yǎng)分含量出現(xiàn)差異；也可能是由于輪作提升了烤煙根系根長，提高了土壤養(yǎng)分與根系的接觸面積，增加了作物對土壤養(yǎng)分的攝入量，而不同輪作模式對烤煙根系發(fā)育的促進(jìn)作用不同，從而導(dǎo)致處理間土壤養(yǎng)分含量不同[21]。

土壤中過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶的活性在一定程度上代表了土壤氧化還原反應(yīng)和碳、氮、磷的代謝強弱[22]。研究表明，不同作物輪作能夠增強土壤酶活性，而長期連作使得土壤酶活性受到抑制[23]。本研究表明，烤煙與不同作物輪作均提高了土壤中過氧化氫酶、蔗糖酶、脲酶和酸性磷酸酶活性，其中YCCD模式對土壤酶活性的提升效果最好。這可能是由于豆科植物與根瘤菌的共生關(guān)系有效地調(diào)節(jié)和改善了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，增強了微生物活性，從而促進(jìn)了酶活性的提高[24‐25]。

3.2 不同輪作模式對土壤微生物群落的影響

土壤微生物在土壤質(zhì)量改善和促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán)等方面起重要作用[14]。輪作作物因其對水分、養(yǎng)分的吸收利用存在差異，能夠改變土壤微環(huán)境，進(jìn)而直接或間接影響土壤微生物群落多樣性[16]。本研究發(fā)現(xiàn)，CK土壤細(xì)菌的OTUs數(shù)量和種類均較少，而土壤真菌的OTUs數(shù)量和種類則高于YCDM、YCDS和YCCD 輪作模式；烤煙輪作改變了土壤微生物群落豐富度，特別是增加了細(xì)菌群落豐富度。與CK相比，YCDS模式中變形菌門的相對豐度顯著提高，YCDS模式中放線菌門的相對豐度有所提高；4種輪作模式降低了子囊菌門的相對豐度，增加了擔(dān)子菌門的相對豐度，其中YCDS處理中子囊菌門相對豐度顯著低于CK，被孢霉門相對豐度顯著高于CK。這是由于烤煙在連作條件下根系分泌出的有毒、有害物質(zhì)積累，使根系受到傷害，影響了根際微生物的種群結(jié)構(gòu)，使得土壤細(xì)菌種群數(shù)量降低、真菌種群數(shù)量上升，進(jìn)而破壞了根際微生物平衡，促使土壤從細(xì)菌型土壤轉(zhuǎn)變?yōu)椴唤】档恼婢屯寥繹26]。合理的輪作可以打破這一變化，提高土壤細(xì)菌群落的多樣性，隨著輪作年份的增加，輪作土壤中根際細(xì)菌群落含量高于連作土壤的趨勢越來越明顯[27]。

烤煙連作降低了土壤細(xì)菌群落的Ace指數(shù)、Chao指數(shù)和Shannon指數(shù)，而增加了真菌群落多樣性的Ace 指數(shù)、Chao 指數(shù)和Shannon 指數(shù)。本研究發(fā)現(xiàn)，YCDS模式下細(xì)菌的物種數(shù)量、Ace指數(shù)和Chao指數(shù)均顯著高于CK，而多樣性指數(shù)則無顯著性差異，表明YCDS模式有利于增加土壤細(xì)菌豐富度，而對細(xì)菌多樣性無明顯影響。YCCD模式下細(xì)菌的物種數(shù)目、Ace指數(shù)、Chao指數(shù)和Shannon 指數(shù)均顯著高于CK，而Simpson 指數(shù)顯著低于CK，表明YCCD模式不僅能夠增加土壤細(xì)菌豐富度，還能夠增加土壤細(xì)菌多樣性。這是由于蠶豆為豆科植物，可以調(diào)節(jié)土壤C/N，增加土壤碳源和氮源，進(jìn)而影響土壤微生物活性，改變土壤微生物種群和結(jié)構(gòu)，使得土壤中細(xì)菌Shannon指數(shù)升高[28]。YCDM和YCDS模式下真菌的物種數(shù)目、Ace 指數(shù)和Chao 指數(shù)均顯著低于CK，而多樣性指數(shù)無明顯變化，表明YCDM 和YCDS模式可以顯著降低土壤真菌群落豐富度，而對真菌多樣性無明顯影響。這可能是因為大麥稈還田能夠增加土壤中有機質(zhì)含量，改良土壤結(jié)構(gòu)，使土壤疏松、孔隙度增加、容量減輕，促進(jìn)微生物活力和作物根系發(fā)育，降低病原菌數(shù)量[29]；也可能是因為大蒜的根際分泌物——大蒜素能夠殺死土傳病害病原菌，而這些病原菌大多數(shù)為真菌，故大蒜輪作土壤中真菌群落數(shù)量減少[30]。因此，不同輪作模式下土壤細(xì)菌β 多樣性總體上大于真菌。相關(guān)性分析和冗余分析顯示，土壤中脲酶活性、堿解氮、速效鉀含量和pH是影響土壤微生物群落數(shù)量的關(guān)鍵因子，且與子囊菌門、放線菌門和酸桿菌門相對豐度呈顯著正相關(guān)，表明土壤輪作后能夠明顯改變土壤養(yǎng)分含量及酶活性，進(jìn)而提高土壤中有益菌群的數(shù)量，改善土壤質(zhì)量，促進(jìn)烤煙健康生長。

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（責(zé)任編輯：張冬玲）