新疆不同連作年限棉田土壤健康評(píng)價(jià)

摘要： 【目的】從土壤性質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)評(píng)價(jià)新疆地區(qū)連作棉花土壤的健康狀況，為該區(qū)棉花連作生態(tài)防治和土壤健康管理提供科學(xué)依據(jù)。【方法】采集了新疆喀什地區(qū)伽師縣連作年限在 5、7、12、20、25、30 年的棉田土壤樣品，分析土壤理化性質(zhì)、胞外酶活性、微生物群落組成和真菌病原體豐度，運(yùn)用主成分分析法構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集，以土壤健康指數(shù)面積法（SHI-area） 評(píng)估土壤健康狀況，并探討植物病原體與土壤健康之間的關(guān)聯(lián)性?！窘Y(jié)果】隨著連作年限的增加，棉田土壤電導(dǎo)率和鹽度呈升高趨勢(shì)，微量元素鐵和錳以及與碳、氮和磷循環(huán)相關(guān)的β-葡萄糖苷酶、纖維二糖水解酶、亮氨酸氨基肽酶和堿性磷酸酶活性隨著連作年限的增加而增加。土壤微生物多樣性受連作年限的顯著影響，其中在連作7 年的棉田土壤微生物α 多樣性較低。經(jīng)主成分分析篩選，得到全氮、β-葡萄糖苷酶、有效錳、鹽度和真菌α 多樣性（Simpson 指數(shù)） 5 個(gè)指標(biāo)為土壤健康評(píng)價(jià)的最小數(shù)據(jù)集。基于該數(shù)據(jù)集計(jì)算得到的土壤健康指數(shù)，隨連作年限的增加呈先下降（SHIY7=0.07） 再逐漸恢復(fù)的趨勢(shì)，在20 年恢復(fù)到最高點(diǎn)（SHIY20=0.53），但沒有超過連作5 年時(shí)的水平（SHIY5=0.58）。植物真菌病原體豐度與最小數(shù)據(jù)集計(jì)算的土壤健康指數(shù)之間呈顯著負(fù)相關(guān)（y=?0.0727x+0.561，R2=0.46，P=0.002）。相關(guān)分析表明，全氮含量是影響植物病原體豐度的極顯著因素（R=?0.912，Plt;0.001），真菌優(yōu)勢(shì)屬Pseudogymnoascus、Gymnoascus 和Canariomyces 豐度與土壤健康指數(shù)呈顯著負(fù)相關(guān)性（Rlt;?0.612，Plt;0.01）?！窘Y(jié)論】土壤健康指數(shù)在連作初期不斷下降，之后雖然有所恢復(fù)，但仍未達(dá)到連作5 年的水平。土壤全氮、鹽度、有效錳、β-葡萄糖苷酶和真菌多樣性是評(píng)價(jià)土壤健康狀況的關(guān)鍵指標(biāo)。植物病原體數(shù)量受全氮的抑制而降低，全氮含量隨著連作年限的增加，是土壤健康指數(shù)恢復(fù)性提升的最顯著影響因子。電導(dǎo)率和鹽度的不斷提升也是需要關(guān)注并檢測的一個(gè)指標(biāo)。

關(guān)鍵詞： 棉花連作；土壤養(yǎng)分；胞外酶活性；微生物群落；土壤健康指數(shù)

棉花作為重要的經(jīng)濟(jì)作物，在全球范圍內(nèi)廣泛種植。得益于其優(yōu)越的光熱和適宜的土壤條件，新疆地區(qū)近年來一直是我國棉花的主產(chǎn)區(qū)，2021 年棉花種植面積達(dá)2 5 0 6 . 1 萬h m 2，產(chǎn)量約占全國的90%[1?2]。然而，隨著集約化管理和長期連作種植面積的不斷擴(kuò)大，部分地區(qū)出現(xiàn)了土壤肥力下降、土壤環(huán)境惡化的現(xiàn)象，導(dǎo)致棉花出現(xiàn)病害問題，造成其產(chǎn)量和品質(zhì)的下降，嚴(yán)重影響了棉花產(chǎn)業(yè)的長期可持續(xù)性發(fā)展[3?5]。因此，研究長期連作對(duì)土壤微生物群落組成和土壤健康狀況的影響，對(duì)棉田的可持續(xù)管理具有重要意義。

長期連作引起土壤微環(huán)境的變化是導(dǎo)致土壤肥力和健康狀況下降的主要原因[6]。玉蘇甫等[7]發(fā)現(xiàn)，棉花連作15 年后土壤有機(jī)質(zhì)（SOM） 呈增加趨勢(shì)，土壤全氮（TN） 含量達(dá)到最大值，而連作25 年后則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。貢璐等[8]研究指出，連作10～15 年棉花農(nóng)田SOM 及養(yǎng)分顯著提高；而短期連作農(nóng)田SOM、TN 和有效磷（AP） 含量有所增加，而連作15 年后則迅速下降[9]。研究發(fā)現(xiàn)連作棉田中微量元素，如有效鐵（Fe）、有效錳（Mn）、有效銅（Cu） 和有效鋅（Zn） 的含量在連作5 年時(shí)最高，以后隨著連作年限的增加呈下降的趨勢(shì)[10]。對(duì)連作甜瓜農(nóng)田的研究發(fā)現(xiàn)，土壤質(zhì)量指數(shù)與土壤多功能性隨著連作年限的增加均呈現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)[11]。另一方面，土壤作為一個(gè)動(dòng)態(tài)的生態(tài)系統(tǒng)，土壤微生物在維持土壤功能的可持續(xù)性方面發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，也通常被認(rèn)為是表征土壤健康的敏感性指標(biāo)[12]。研究指出，隨著棉田連作年限的增加，土壤中真菌數(shù)量增加，細(xì)菌數(shù)量減少[13]。另外，植物病原體的存在也會(huì)影響土壤健康[14]。盡管針對(duì)棉花連作對(duì)土壤環(huán)境的影響已有大量研究報(bào)道[7?10]，但對(duì)長期不同連作年限土壤養(yǎng)分和微生物群落特征與土壤健康狀況的關(guān)系仍有待深入研究。此外，基于最小數(shù)據(jù)集（minimum data set，MDS）的土壤健康指數(shù)（soil health index，SHI） 是一種簡化而高效的評(píng)估工具，廣泛用于評(píng)估和比較不同農(nóng)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)和土壤退化程度[15?16]，土壤管理措施也應(yīng)根據(jù)對(duì)土壤健康影響較大的關(guān)鍵屬性（即MDS） 進(jìn)行調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)土壤改良[17]。此外，有研究指出，在不同地區(qū)評(píng)估土壤健康或質(zhì)量時(shí)，MDS 存在差異，因此，土壤健康應(yīng)根據(jù)區(qū)域特點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估[18]。

為探究棉花長期連作下土壤性質(zhì)、胞外酶活性和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，并構(gòu)建最小數(shù)據(jù)集評(píng)價(jià)土壤健康狀況，本研究在田間調(diào)研基礎(chǔ)上，采集了新疆伽師縣不同連作年限的棉田土壤樣品，分析了土壤養(yǎng)分狀況、中微量元素含量和碳氮磷循環(huán)的胞外酶活性變化，并通過擴(kuò)增子技術(shù)測定了土壤細(xì)菌和真菌群落組成和結(jié)構(gòu)，同時(shí)使用FUNGuild 數(shù)據(jù)庫解析真菌功能類別，探討植物病原體（plantpathogen） 與土壤健康之間的關(guān)系，以期為區(qū)域農(nóng)田土壤健康和產(chǎn)能提升提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

研究區(qū)位于新疆維吾爾自治區(qū)喀什地區(qū)伽師縣（39°29′32″N，76°44′12″E），該地區(qū)屬于溫帶大陸性干旱氣候，土壤類型為灰漠土和灌淤土，土壤質(zhì)地為粘壤土。該地區(qū)年平均降雨量64.6 mm，年均蒸發(fā)量2051.5 mm，年平均氣溫11.7℃。全年日照時(shí)數(shù)2923.7 h，無霜期平均在233 天左右。2023 年7 月開始田間調(diào)研與采樣，根據(jù)田間調(diào)研結(jié)果，選擇連作年限為5 年（Y5）、7 年（Y7）、12 年（Y12）、20 年（Y20）、25 年（Y25） 和30 年（Y30） 棉田，棉花前茬作物主要為小麥或者玉米，各地塊按照當(dāng)?shù)剞r(nóng)業(yè)技術(shù)規(guī)范進(jìn)行施肥和灌溉。在棉花成熟期，采集田間土壤樣品，具體點(diǎn)位如圖1 所示。

1.2 土壤樣品采集與分析

在每個(gè)連作年限采樣點(diǎn)選擇3 塊樣地，樣地之間距離在30 m 以上。在每個(gè)樣地設(shè)置3 個(gè)1 m×1 m 的樣方，各樣方按“S”形采集表層土壤樣品，隨后將3 個(gè)樣方的樣品均勻混合。將采集的0—20 cm表層土壤新鮮樣品用干冰處理運(yùn)送到實(shí)驗(yàn)室，挑去可見的動(dòng)植物殘?bào)w、石礫等雜質(zhì)后將其分成3 部分：一部分過2 mm 篩后儲(chǔ)存在4℃ 冰箱，用于胞外酶活性等指標(biāo)的測定；另一部分過2 mm 篩后儲(chǔ)存在?80℃ 超低溫冰箱，用于土壤微生物DNA 的提取和高通量測序；剩余部分土樣自然風(fēng)干后過0.15 mm篩，用于土壤有機(jī)碳（SOC）、全氮（TN）、有效磷（AP）及中微量元素等性質(zhì)的測定。

土壤電導(dǎo)率（EC） 和鹽度（salinity） 采用一體檢測儀（TR-8D，北京順科達(dá)） 在樣地采樣時(shí)測定。SOC和TN 含量使用元素分析儀（EA3000，意大利米蘭）測定。AP 采用0.5 mol/L 的NaHCO3 提取—分光光度計(jì)測定[ 1 9 ]。土壤pH 值采用電位法，土水比為1∶2.5 （w/v）[20]。土壤交換性鈣（Ca） 和鎂（Mg） 采用1 mol/L 乙酸銨浸提—原子吸收分光光度法測定[21]。土壤有效態(tài)Fe、Mn、Cu 和Zn 采用DTPA 浸提—原子吸收分光光度法測定。

胞外酶活性采用熒光微板法[22]測定，包括與碳循環(huán)相關(guān)的β-葡萄糖苷酶（BG） 和纖維二糖水解酶（CB），與氮循環(huán)相關(guān)的亮氨酸氨基肽酶（LAP） 和N-乙酰葡萄糖苷酶（NAG），與磷循環(huán)相關(guān)的堿性磷酸酶（ALP），以及與木質(zhì)素氧化相關(guān)的多酚氧化酶（PPO） 和過氧化物酶（PER）。使用96 微孔酶標(biāo)板，在多功能酶標(biāo)儀（Synergy H1M，BioTek，美國） 激發(fā)波長365 nm、發(fā)射波長450 nm 的條件下測定。

1.3 土壤DNA 提取、測序和處理

稱取0.5 g 土壤，用試劑盒Soil DNA ExtractionCZ Kit （FINDROP，中國廣州） 提取土壤微生物DNA，將純化后的DNA 進(jìn)行擴(kuò)增。細(xì)菌的引物是520F 和802R，真菌的引物是ITS1F 和ITS2R。PCR 反應(yīng)條件如下：98℃ 預(yù)變性30 s，98℃ 變性30 s，50℃ 退火30 s，72℃ 延伸30 s，27 個(gè)循環(huán)；72℃ 保溫5 min，在4℃ 下保存[23]。基因文庫的構(gòu)建和上機(jī)測序由上海派森諾生物科技股份有限公司完成。測序完成后，分別使用SILVA v138 和UNITEv8.0 數(shù)據(jù)庫對(duì)細(xì)菌和真菌的ASVs 進(jìn)行生物學(xué)注釋分類。使用FUNGuild v1.0 數(shù)據(jù)庫根據(jù)營養(yǎng)方式對(duì)真菌群落的功能群進(jìn)行分類[24]，其中具有“Pathotroph”營養(yǎng)方式和“Plant Pathogen”群落的ASVs 被認(rèn)定為潛在的植物病原體。

1.4 指標(biāo)篩選和評(píng)價(jià)方法

對(duì)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析，提取出特征值≥1 且方差貢獻(xiàn)率gt;10% 的主成分[11]。選取高因子載荷指標(biāo)，即因子絕對(duì)載荷值為該主成分中最大因子絕對(duì)載荷值90% 以上的指標(biāo)。當(dāng)一個(gè)主成分中僅有一個(gè)高因子載荷指標(biāo)時(shí)，該指標(biāo)進(jìn)入最小數(shù)據(jù)集（MDS）。當(dāng)一個(gè)主成分高因子載荷指標(biāo)有多個(gè)時(shí)，若指標(biāo)間皮爾遜相關(guān)系數(shù)較低，各高因子載荷指標(biāo)均被選入MDS；若指標(biāo)相關(guān)系數(shù)≥0.60，選擇具有最高絕對(duì)載荷值的指標(biāo)[25?26]。在主成分分析過程中，通過方差最大化旋轉(zhuǎn)（varimax rotation） 來增強(qiáng)不相關(guān)成分的解釋性[27]。

基于篩選得到MDS，利用土壤健康指數(shù)面積法（SHI-area），計(jì)算不同連作年限下MDS 指標(biāo)形成的雷達(dá)圖的面積來評(píng)估不同連作年限下的SHI[28]。土壤健康指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)化公式如下：

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

使用幾何平均值指數(shù)（geometric mean，GMeanindex） 對(duì)胞外酶活性進(jìn)行評(píng)估，該指數(shù)可用于評(píng)估土壤微生物功能多樣性[30]。具體公式如下：

使用單因素方差分析（one-way ANOVA） 比較不同連作年限棉田土壤指標(biāo)間的差異，并采用Duncan檢驗(yàn)。采用QIIME2 軟件計(jì)算土壤中細(xì)菌和真菌的α 多樣性，包括Shannon 和Simpson 指數(shù)。微生物β 多樣性采用基于Bray-Curtis 相似性矩陣的PCoA分析，并用PERMANOVA 檢驗(yàn)顯著性。使用基于最小二乘法的線性回歸分析（ordinary least squares，OLS） 解析SHI 和植物病原體之間的關(guān)系。土壤環(huán)境因子與微生物之間的關(guān)系采用皮爾遜（Pearson） 相關(guān)性分析。所有統(tǒng)計(jì)分析和可視化作圖均使用R （version4.3.1） 進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 連作棉田土壤理化性質(zhì)、中微量元素及胞外酶活性

連作年限對(duì)棉田土壤理化性質(zhì)影響顯著。由圖2可知，隨著連作年限的增加，土壤電導(dǎo)率和鹽度呈升高的趨勢(shì)，Y30 達(dá)到最高值，分別為550 μs/cm 和302 mg/L，較Y5 分別顯著提高346% 和348%，表明長期連作導(dǎo)致土壤中鹽分積累，特別是干旱地區(qū)灌溉水中的鹽分無法有效淋洗。而SOC、TN 和AP 含量隨著連作年限呈先升后降的趨勢(shì)，最高值出現(xiàn)在Y20，分別為16.19 g/kg、0.79 g/kg 和17.81 mg/kg；SOC 和TN 最低值出現(xiàn)在Y7，相較于Y5 分別顯著降低21.72% 和13.21%。隨著連作年限的增加，Mg 含量在Y7 顯著提高，相較于Y5 顯著增加48.43%；微量元素Fe 和Mn 在Y7 最低，分別為7.80 和4.61 mg/kg，Cu 和Zn 在Y5 最低，分別為1.05 和0.54 mg/kg。這說明連作年限的增加影響了土壤有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)過程，同時(shí)改變了中微量元素的生物有效性。

胞外酶參與土壤中幾乎所有的化學(xué)反應(yīng)，且對(duì)土壤環(huán)境變化敏感[31]。針對(duì)GMean 分析可知，連作5 年時(shí)，GMean 達(dá)到峰值44.95 （圖2），表明這一連作年限下各土壤酶活性相對(duì)較高。而Y7 的GMean值最低，較Y5 減少69.00%，同時(shí)與碳氮磷循環(huán)相關(guān)的5 個(gè)土壤胞外酶活性除NAG 外也最低。之后隨連作年限增加土壤GMean 呈升高趨勢(shì)，表明在Y7之后，各酶活性逐漸恢復(fù)或提高。這種趨勢(shì)說明，在更長的連作過程中，土壤?微生物特定的互作關(guān)系可能促進(jìn)了土壤養(yǎng)分循環(huán)過程的變化，進(jìn)而土壤酶活性可能趨于穩(wěn)定或改善。

2.2 連作棉田土壤微生物多樣性

不同連作年限土壤微生物細(xì)菌和真菌多樣性存在顯著差異（圖3）。微生物α 多樣性分析結(jié)果表明，不同連作年限下棉田土壤細(xì)菌群落的Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)在Y7 顯著降低（Plt;0.05），其中相對(duì)于Y5 分別降低了32.38% 和6.42%；真菌α 多樣性在Y7 時(shí)均顯著降低（Plt;0.05），相對(duì)于Y5 分別降低了28.01% 和7.83%。微生物β 多樣性的分析表明，連作年限顯著影響了土壤細(xì)菌（Adonis R2=0.86，P=0.001） 和真菌（Adonis R2=0.70，P=0.001） 的群落結(jié)構(gòu)。因此，棉花長期連作導(dǎo)致的土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化，可能導(dǎo)致土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的改變。

2.3 不同連作年限棉田土壤健康指數(shù)變化

主成分分析結(jié)果顯示，5 個(gè)主成分的特征值gt;1 且方差貢獻(xiàn)率值大于10%，累計(jì)貢獻(xiàn)率為93% （表1）。PC1 中的高因子載荷指標(biāo)為PPO、Mg、S 和Mn，PC2 中的高因子載荷指標(biāo)為SOC、TN、AP 和Ca，PC3 中的高因子載荷指標(biāo)為BG、NAG 和ALP，PC4中有真菌Simpson 指數(shù)和真菌Shannon 指數(shù)，電導(dǎo)率和鹽度為PC5 中的初選指標(biāo)。

Pearson 相關(guān)性分析表明（圖4），PC1、PC2、PC3、PC4 和PC5 中的高因子載荷指標(biāo)之間均顯示較高的相關(guān)性，因此分別選擇具有較高因子載荷的Mn、TN、BG、真菌Simpson 指數(shù)和鹽度進(jìn)入MDS。最終，MDS 指標(biāo)為Mn、TN、BG、鹽度和真菌Simpson 指數(shù)。

基于構(gòu)建的MDS，不同連作年限棉田SHI 存在顯著差異（圖5A），隨連作年限增加SHI 呈先下降后逐漸恢復(fù)的趨勢(shì)，其中在連作7 年土壤健康指數(shù)最低（SHIY7 =0.07），在 20 年恢復(fù)到最高點(diǎn) （SHIY20=0.53），但未恢復(fù)到 連作5 年的水平（SHIY5=0.58）。通過分析MDS 指標(biāo)對(duì)SHI 的貢獻(xiàn)（圖5B） 可知，連作5 年時(shí)BG 貢獻(xiàn)最大?；貧w分析結(jié)果表明，SHITDS 和SHIMDS 之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖5C），線性函數(shù)回歸方程為：y=1.25x?0.884 （R2=0.81，Plt;0.001）。因此， 通過最小數(shù)據(jù)集可代替全數(shù)據(jù)集評(píng)價(jià)土壤健康。

2.4 植物病原體與土壤健康及環(huán)境因子之間的關(guān)系

真菌病原體豐度與SHITDS 和SHIMDS 之間均呈現(xiàn)極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，即隨著真菌病原體豐度的增加，SHITDS 和SHIMDS 均呈顯著下降趨勢(shì)（Plt;0.01，圖6A、B）。這說明植物?土壤之間存在復(fù)雜的相互作用，其中病原菌的積累會(huì)導(dǎo)致的土壤生態(tài)功能下降，進(jìn)一步影響土壤健康。通過分析環(huán)境因子與微生物之間的相關(guān)性（圖6C），結(jié)果顯示土壤TN 和BG 活性與植物病原體相對(duì)豐度呈極顯著負(fù)相關(guān)（TN：r=?0.912，Plt;0.001；BG 酶：r=?0.740，Plt;0.001）。在真菌優(yōu)勢(shì)屬中，Pseudogymnoascus、Gymnoascus 和Canariomyces 豐度與SHIMDS 呈顯著負(fù)相關(guān)（rlt;?0.612，Plt;0.01）。因此，植物病原體的增加可能會(huì)通過多種途徑影響土壤的理化性質(zhì)和微生物活性，進(jìn)而影響土壤健康和功能的發(fā)揮。

3 討論

3.1 棉花不同連作年限對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

土壤有機(jī)碳和養(yǎng)分含量是衡量土壤健康的重要指標(biāo)，連作農(nóng)田土壤性質(zhì)的改變受連作時(shí)間的影響[32]。本研究中，棉花連作對(duì)土壤SOC、TN、AP 及中微量元素含量影響顯著，其含量隨著連作年限增加呈先升后降的趨勢(shì)（圖2），這種連作年限影響資源有效性的變化可能與微生物群落的改變有關(guān)[33]。細(xì)菌Simpson 指數(shù)在0.911～0.998，真菌Simpson 指數(shù)在0.820～0.966，在連作7 年時(shí)土壤微生物多樣性顯著降低（圖3）。微生物作為土壤養(yǎng)分循環(huán)的驅(qū)動(dòng)者，其多樣性的增加/降低會(huì)影響群落結(jié)構(gòu)和功能，進(jìn)而影響土壤物理性質(zhì)、有機(jī)碳以及氮磷養(yǎng)分狀況[34]。在本研究中，土壤電導(dǎo)率和鹽度隨著連作年限的增加呈升高的趨勢(shì)，新疆地區(qū)較高的土壤鹽漬化程度與土壤母質(zhì)、地形、高地下水位以及地下水高鹽度密切相關(guān)，且長期灌溉導(dǎo)致次生鹽漬化發(fā)生[35]。Ca2+是土壤中最豐富的陽離子之一，其有效性可能與土壤微生物（如Flavobacteriaceae 和 Betaproteobacteria）密切相關(guān)[36]，本研究中連作7 年時(shí)土壤交換性Ca2+含量最低，同時(shí)土壤微生物多樣性顯著降低（圖3）。與短期連作相比，長期連作（gt;10 年） 時(shí)土壤有效態(tài)Fe和Mn 顯著增加，這與韓麗梅等[37]研究連作大豆的結(jié)果相似，可能與長期連作農(nóng)田土壤具有較高水平的SOC 含量，可以通過絡(luò)合和螯合作用直接與游離態(tài)金屬元素結(jié)合固定有關(guān)[38]。

胞外酶活性能夠反映土壤生物活性和生化反應(yīng)的強(qiáng)度，對(duì)土壤健康狀況具有重要影響[39]。本研究發(fā)現(xiàn)，BG、CBH 以及ALP 活性隨著連作年限的增加呈先降后升的趨勢(shì)，其中在連作7 年時(shí)胞外酶活性達(dá)到最低值，與土壤有機(jī)質(zhì)含量水平相一致（圖2），這是由于參與纖維素水解的BG 和CBH 活性變化與土壤環(huán)境中碳源可用性密切相關(guān)[40]。同時(shí)，連作20 和25 年時(shí)LAP 和NAG 分別達(dá)到最高值[LAPY20=202.99 μmol/（g·h）]，NAGY25=2.26 μmol/（g·h）]，此時(shí)土壤健康指數(shù)顯著提高（SHIY20=0.528，SHIY25=0.416），而真菌病原體含量顯著降低（從Y12 的2.62% 顯著降至Y20 的0.11%）。真菌病原體的減少可能反映了土壤生態(tài)系統(tǒng)的改善，這在土壤健康指數(shù)的提高上有所體現(xiàn)（圖6B）。與此同時(shí)，植物微生物活性增強(qiáng)，特別是對(duì)氮素的需求，促進(jìn)了LAP 和NAG 活性的提升。由此，催化蛋白質(zhì)或多肽水解的LAP 和催化幾丁質(zhì)水解的NAG 活性增加，進(jìn)一步促進(jìn)了氮的循環(huán)[41]。另一方面，較高的土壤氮素水平也表明棉花連作20 和25 年時(shí)土壤氮素循環(huán)較為活躍，有利于氮的持續(xù)供應(yīng)。此外，本研究中GMean 值在連作7 年時(shí)最低（13.93，圖2），顯著低于Y5 （44.95） 和Y12（32.70），這與連作年限增加導(dǎo)致病原菌積累（植物病原體豐度增至4.22%） 及土壤退化（SOC 降至9.45 g/kg，TN 降至0.42 g/kg） 抑制了微生物活性及碳氮磷養(yǎng)分循環(huán)過程有關(guān)。同時(shí)，GMean 值與土壤健康指數(shù)均表現(xiàn)為連作7 年時(shí)最低，這一發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)了連作種植對(duì)土壤健康可能產(chǎn)生的負(fù)面影響，GMean 值可作為一個(gè)有價(jià)值的補(bǔ)充指標(biāo)，為土壤健康評(píng)估提供更全面的信息。當(dāng)連作＞10 年后，隨著連作年限的增加土壤微環(huán)境改善，微生物群落多樣性恢復(fù)，因此酶活性進(jìn)一步得到提升，該研究結(jié)果與劉姣姣等[42]相一致。

3.2 棉花不同連作年限對(duì)土壤健康的影響

土壤健康是可持續(xù)農(nóng)業(yè)的關(guān)鍵，良好的土壤健康狀況有助于維持作物生長、養(yǎng)分循環(huán)和其他生態(tài)系統(tǒng)功能的發(fā)揮[43]。由于土壤健康的響應(yīng)具有區(qū)域特異性，篩選的關(guān)鍵指標(biāo)多取決于區(qū)域氣候特性和土壤屬性等環(huán)境因素[18]。在本研究中TN、BG、Mn、鹽度和真菌多樣性被識(shí)別為評(píng)估新疆地區(qū)棉花連作土壤健康狀況的MDS。TN 作為土壤質(zhì)量的重要指標(biāo)[44]，有研究指出土壤中TN 的增加與團(tuán)聚體形成、孔隙度、根系發(fā)育和根際微生物活性有關(guān)[45]。土壤β-葡萄糖苷酶（BG） 是微生物降解纖維素的關(guān)鍵酶，它能夠分解植物細(xì)胞壁中的纖維素，從而為微生物提供碳源，BG 的活性通常被用作衡量微生物碳獲取能力的重要指標(biāo)[46]，在本研究中BG 在Y5 中的貢獻(xiàn)最為顯著（圖5B）。微量元素Mn 是生物體內(nèi)酶、維生素和激素的重要組分，缺乏Mn 影響生物體的正常生長發(fā)育[47]。偏堿性地區(qū)土壤有效Mn 含量一般較低[48]，有效Mn 含量低于7 mg/kg 時(shí)被認(rèn)為土壤缺Mn[49]。本研究中所有樣點(diǎn)有效Mn 含量均處于缺乏狀態(tài)（圖2），因此本研究中Mn 是表征土壤健康的重要指標(biāo)。土壤鹽度是衡量干旱區(qū)耕地質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)[50]。真菌在生態(tài)系統(tǒng)中扮演著重要角色，在分解有機(jī)物，促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收，提高作物生產(chǎn)力等方面發(fā)揮著重要作用[51]。在本研究中，真菌多樣性在Y7 （ShannonY7=3.78） 相較于Y5 顯著降低了28.01%，在Y12 顯著升高（ShannonY12=5.51），這種現(xiàn)象表明，真菌多樣性受連作年限影響顯著，進(jìn)一步證實(shí)了其對(duì)管理措施的敏感性，因此可用作評(píng)估土壤健康的關(guān)鍵指標(biāo)[52]。

依據(jù)本研究指標(biāo)計(jì)算的連作土壤健康指數(shù)，隨著連作年限的增加呈先降后升的趨勢(shì)，其中在連作7年時(shí)顯著降低，隨后呈現(xiàn)恢復(fù)趨勢(shì)（圖5A）。其中SHI 的下降可歸因于植物病原體的積累[ 1 4 ， 5 3 ]，這種積累會(huì)導(dǎo)致疾病壓力增加和連作土壤健康狀況的下降。土傳病原體已成為影響全球農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的一個(gè)關(guān)鍵因素，病原體的存在可能會(huì)影響土壤微生物群落組成，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡以及土壤酶活性和微生物功能的降低[54]。有研究指出，連作時(shí)作用于該作物的特定病蟲害會(huì)在土壤中累積，這種積累會(huì)導(dǎo)致植物病害程度的增加，降低作物產(chǎn)量和品質(zhì)[11]。另一方面，研究發(fā)現(xiàn)連作7 年時(shí)細(xì)菌和真菌α 多樣性（Shannon 指數(shù)和Simpson 指數(shù)） 顯著降低（圖3），說明微生物群落平衡受到嚴(yán)重破壞，更易遭受病原菌的侵害。其中隸屬于Pseudeurotiaceae 科的真菌優(yōu)勢(shì)屬Pseudogymnoascus 與SHI 呈顯著負(fù)相關(guān)，高鹽土壤中顯著富集的Pseudogymnoascus 可能包含一些病原體，進(jìn)而感染植物或土壤微生物影響土壤健康[55]。而隨著連作時(shí)間的增加，生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)能力增加，土壤健康狀況得到改善，這也與有益土壤微生物的積累和土壤養(yǎng)分含量的增加有關(guān)[56]，在本研究中，土壤全氮含量在連作20 年時(shí)顯著增加至0.79 g/kg（相較于連作7 年的0.42 g/kg）。且基于MDS 發(fā)現(xiàn)TN 與植物病原體之間存在顯著負(fù)相關(guān)（r=?0.912，Plt;0.001，圖6C），表明土壤中較高的氮素有效性可以降低植物病原體豐度，增強(qiáng)土壤健康。本研究結(jié)果為進(jìn)一步土壤健康管理和養(yǎng)分高效利用提供了重要的科學(xué)依據(jù)。

4 結(jié)論

隨著連作年限的增加，棉田土壤胞外酶活性和微生物多樣性呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，低谷出現(xiàn)在連作7 年地塊，土壤健康指數(shù)也最低，表明連作7 年時(shí)土壤微生物對(duì)環(huán)境壓力的適應(yīng)性較弱，土壤養(yǎng)分礦化和循環(huán)受到了一定程度的抑制。隨著連作時(shí)間繼續(xù)增加，土壤養(yǎng)分含量增加，土壤生態(tài)系統(tǒng)功能變好，土壤健康狀況得到恢復(fù)。此外，連作導(dǎo)致的植物病原體豐度增加會(huì)降低土壤健康指數(shù)，通過增加棉田土壤氮素有效性不僅能夠提升植物抗病能力，還能夠通過抑制植物病原體提升土壤健康狀況。因此，維持土壤健康需要綜合的管理措施，配合養(yǎng)分和微生物群落調(diào)控，以促進(jìn)土壤健康和棉花生產(chǎn)的可持續(xù)發(fā)展。