高寒黑土區(qū)不同輪作模式對馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)與功能的影響

收稿日期：2024-04-22

基金項目：內(nèi)蒙古自治區(qū)重點(diǎn)研發(fā)和成果轉(zhuǎn)化計劃項目（2￣0￣2￣2￣Y￣F￣D￣Z￣0￣0￣1￣0￣）；河北省科技計劃結(jié)轉(zhuǎn)項目（21326320D）；內(nèi)蒙古自治區(qū)農(nóng)牧廳基層農(nóng)業(yè)推廣體系改革與建設(shè)補(bǔ)充及重大農(nóng)業(yè)技術(shù)協(xié)同推廣資金項目

作者簡介：王籽懿（1996-），女，河北張家口人，碩士研究生，主要研究方向為作物栽培。（E-mail）1754899519@qq.com

通訊作者：黃修梅，（E-mail）huangxm0404@126.com

摘要： 為明確不同輪作模式對馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落的影響，本研究以馬鈴薯-小麥-甜菜-馬鈴薯（A處理）、馬鈴薯-水飛薊-小麥-馬鈴薯（B處理）、小麥-甜菜-小麥-馬鈴薯（C處理），油菜-小麥-甜菜-馬鈴薯（D處理），小麥-油菜-大麥-馬鈴薯（E處理）和油菜-小麥-馬鈴薯-馬鈴薯（CK，對照）6種種植模式為研究對象，采用細(xì)菌16S區(qū)的高通量測序技術(shù)，對比分析當(dāng)?shù)?種種植模式對馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和功能的影響。結(jié)果表明，6種輪作模式的土壤樣本共獲得36 420個擴(kuò)增子序列變異（ASV），劃分為45門、119綱、298目、451科、790屬和357種。不同輪作模式馬鈴薯根際土壤主要優(yōu)勢菌群同為變形菌門、酸桿菌門、擬桿菌門、芽單胞菌門、放線菌門、浮霉菌門、疣微菌門、綠彎菌門、黏球菌門、髕骨菌門，但主要優(yōu)勢菌群的相對豐度在不同輪作模式中存在差異。與CK相比，輪作明顯提高了細(xì)菌中酸桿菌門和芽單胞菌門細(xì)菌的相對豐度，而放線菌門細(xì)菌相對豐度明顯降低，溶桿菌屬細(xì)菌以及與碳、氮相關(guān)的功能菌相對豐度升高。組間群落差異分析（LEfSe）結(jié)果表明，在細(xì)菌群落中共鑒定出38個差異物種。通過基因功能預(yù)測發(fā)現(xiàn)，一級功能中新陳代謝的相對豐度最大（62.04%～62.46%），相對豐度大于1.0%的二級功能代謝通路有19類，其中碳水化合物代謝的相對豐度最高（12.93%～13.29%）。綜上所述，輪作改變了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)，提高了土壤細(xì)菌中的優(yōu)勢功能菌，其中以小麥-甜菜-小麥-馬鈴薯輪作模式效果最好，更適宜高寒黑土區(qū)馬鈴薯產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞： 高寒黑土區(qū)；輪作模式；馬鈴薯；根際土壤；細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)；細(xì)菌群落功能

中圖分類號： S154.3;S532"" 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A"" 文章編號： 1000-4440（2025）02-0286-10

Effects of different crop rotation modes on the structure and function of bacterial communities in potato rhizosphere soil in high-altitude black soil areas

WANG Ziyi¹， HAN Wei²， JIN Hongbiao³， HUANG Xiumei¹， LI Ming¹

（1.Inner Mongolia Agricultural University， Hohhot 010019， China;2.Xuechuan Agricultural Group Co.， Ltd.， Zhangjiakou 075000， China;3.Hulunbuir Institute of Agriculture and Animal Husbandry， Hulunbuir 021000， China）

Abstract： To clarify the effects of different rotation patterns on bacterial communities in potato rhizosphere soil， six planting patterns of potato-wheat-sugar beet-potato （A treatment）， potato-milk thistle-wheat-potato （B treatment）， wheat-sugar beet-wheat-potato （C treatment）， oilseed rape-wheat-sugar beet-potato （D treatment）， wheat-oilseed rape-barley-potato （E treatment） and oilseed rape-wheat-potato-potato （CK， control） were studied. The high-throughput sequencing technology of bacterial 16S region was used to compare and analyze the effects of six local planting patterns on the structure and function of bacterial communities in potato rhizosphere soil. The results showed that a total of 36 420 amplicon sequence variations （ASVs） were obtained from the soil samples under the six rotation patterns， which were divided into 45 phyla， 119 classes， 298 orders， 451 families， 790 genera and 357 species. The dominant bacteria in potato rhizosphere soil under different rotation modes were Proteobacteria， Acidobacteria， Bacteroidetes， Gemmatimonadota， Actinobacteria， Planctomycetota， Verrucomicrobiota， Chloroflexi， Myxococcota and Patescibacteria. However， the relative abundance of the dominant bacteria was different under different rotation patterns. Compared with CK， rotation significantly increased the relative abundance of Acidobacteria and Gemmatimonadota， while the relative abundance of Actinobacteria decreased significantly. In addition， the relative abundance of Lysobacter and functional bacteria related to carbon and nitrogen increased. The results of inter-group community difference analysis （LEfSe） showed that 38 differential species in the bacterial community were identified. Through gene function prediction， it was found that the relative abundance of metabolism in primary function was the highest （62.04%-62.46%）. There were 19 categories of secondary functional metabolic pathways with relative abundance greater than 1.0%， among which carbohydrate metabolism had the highest relative abundance （12.93%-13.29%）. In summary， rotation changed the soil bacterial community structure and increased the dominant functional bacteria in soil bacteria. In this study， the rotation mode of wheat-sugar beet-wheat-potato had the best effect， which was more suitable for the sustainable development of potato industry in high-altitude black soil areas.

Key words： high-altitude black soil areas;rotation pattern;potato;rhizosphere soil;bacterial community structure；bacterial community function

土壤微生物被譽(yù)為農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的“傳感器”，參與土壤中復(fù)雜的生物地球化學(xué)過程，推動有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)，維持農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)的功能和健康^[1]。細(xì)菌占土壤微生物總數(shù)的70%～90%^[2]，數(shù)量極其龐大，研究其群落結(jié)構(gòu)和功能變化能夠揭示土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的演變^[3]。

輪作換茬對土壤微生物有較大影響，科學(xué)合理的輪作可以提高作物產(chǎn)量、抑制土傳病害發(fā)生^[4-5]，使微生物群落由真菌型向細(xì)菌型轉(zhuǎn)變，更有利于提高土壤肥力^[6]。不適宜的種植方式則會造成土壤中有益菌群數(shù)量減少、群落結(jié)構(gòu)失衡^[7]。不同前茬作物會產(chǎn)生不同類型的根系分泌物，從而形成群落組成、豐度和多樣性存在顯著差異的細(xì)菌群落^[8]；同時田間管理、土壤類型和地域?qū)ξ⑸锶郝涞慕M成與多樣性也有重要影響^[9-10]。近年來，對農(nóng)田土壤細(xì)菌的研究以土地利用^[11-12]、輪作系統(tǒng)^[13-15]、耕作方式^[7]、秸稈還田^[16]、肥料組合^[17]為主，調(diào)查不同作物茬口對馬鈴薯根際土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和功能的影響比較少見，尤其是在海拔較高的高寒黑土區(qū)。

本研究以高寒黑土區(qū)大興安嶺西麓為研究區(qū)，該區(qū)域具備獨(dú)特的氣象條件，大田種植主要作物有小麥、甜菜、油菜、水飛薊、大麥和馬鈴薯，土壤以黑鈣土和草甸土為主，馬鈴薯作為當(dāng)?shù)貎?yōu)勢作物，通常與另外幾種作物輪作。研究高寒黑土區(qū)不同輪作模式對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響，對于加強(qiáng)黑土地保護(hù)、維持土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，推進(jìn)“糧食安全”戰(zhàn)略實施以及“質(zhì)量興農(nóng)”戰(zhàn)略落實具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市海拉爾區(qū)哈克鎮(zhèn)下轄社區(qū)謝爾塔拉農(nóng)牧場，地理坐標(biāo)49°25′N， 119°57′E，屬寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，無霜期90～100 d，年平均氣溫-2.1 ℃左右，年有效積溫2 100 ℃，晝夜溫差大，年均降雨量300 mm左右，降水集中在7-9月。

1.2 試驗設(shè)計

受無霜期限制，當(dāng)?shù)卮竺娣e種植的作物主要有小麥、甜菜、油菜、水飛薊、大麥和馬鈴薯。大田試驗于2020-2023年進(jìn)行，共設(shè)6個處理，試驗設(shè)計見表1。2023年6個處理的馬鈴薯播種日期均為5月，收獲日期為9月，株距25 cm，行距90 cm，播種量1 hm259 250株，施肥量、耕作措施、田間管理遵從當(dāng)?shù)胤N植習(xí)慣。每個處理重復(fù)3次，隨機(jī)區(qū)組排列，小區(qū)面積為2 m×1 m。

1.3 土壤樣品采集

在2023年9月馬鈴薯收獲時，采集0～20 cm土層的根際土壤，采用五點(diǎn)法將每個小區(qū)對角線的交點(diǎn)作為中心，在對角線上選取等距的4個點(diǎn)進(jìn)行取樣，垂直挖出馬鈴薯后，將馬鈴薯根部攜帶出的土壤抖落、混勻、裝袋后帶回實驗室，保存在-80 ℃冰箱中用于細(xì)菌群落的測定。

1.4 土壤DNA提取和高通量測序

將保存在-80 ℃冰箱中的土壤樣品取出，使用Covaris M220儀器進(jìn)行土壤樣品DNA的提取，利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測提取基因組DNA。采用16S rDNA基因中的V3～V4區(qū)段進(jìn)行測序分析，以341 F（5′-CCTAYGGGRBGCASCAG-3′）和806 R（5′-GGACTACNNGGGTATCTAAT-3′）進(jìn)行PCR擴(kuò)增，擴(kuò)增產(chǎn)物采用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測。采用NovaSeq 6000平臺測序得到2×250 bp的paired-end數(shù)據(jù)，通過拼接得到較長序列，從而進(jìn)行16S分析。

1.5 數(shù)據(jù)處理

使用QIIME2 2021等軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接和去嵌合體等步驟，以100%相似度聚類，使用DADA2質(zhì)量控制后產(chǎn)生的每個去重的序列稱為ASV?；贏SV的豐度及注釋信息，對每個樣本在不同分類水平上序列的比例進(jìn)行統(tǒng)計，使用 Perl 語言Circos軟件繪制不同分類水平物種圈圖。土壤微生物群落豐度圖使用R 語言對組間進(jìn)行T-test分析，再使用ggplot2程序包繪制差異物種箱線圖。采用LEfSe統(tǒng)計分析方法進(jìn)行物種組成和群落結(jié)構(gòu)差異顯著性檢驗。使用R語言Tax4Fun程序包基于最小16S rDNA序列相似度的最近鄰居法對樣本進(jìn)行功能預(yù)測。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同輪作模式對土壤細(xì)菌群落多樣性的影響

2.1.1 土壤細(xì)菌16S rRNA測序 18個土壤樣本的有效序列共計344 749條。經(jīng)過優(yōu)化篩選和相似性分析，基于100%的相似性水平，最終獲得了36 420個擴(kuò)增子序列變異（ASV），劃分為45門（Phylum）、119綱（Class）、298目（Order）、451科（Family）、790屬（Genus）和357種（Species）（表2）。其中，各輪作處理的門、綱、目、科及ASV均高于CK處理。

2.1.2 土壤細(xì)菌群落α多樣性 不同輪作土壤細(xì)菌群落α多樣性指數(shù)分析結(jié)果如圖1所示，CK土壤細(xì)菌群落的Ace指數(shù)（圖1a）和Chao1指數(shù)（圖1b）與B處理存在顯著差異（P＜0.050），與C、D、E處理之間存在極顯著差異（P＜0.010），同時與A處理存在極顯著差異（P＜0.001）。Shannon指數(shù)（圖1c）中CK與C、D處理呈極顯著差異（P＜0.010），與B處理存在顯著差異（P＜0.050），與A處理存在極顯著差異（P＜0.001）。Simpson指數(shù)（圖1d）CK與A處理差異顯著（P＜0.050），與其余處理差異不顯著。

2.2 不同輪作模式土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征

2.2.1 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)組成 不同輪作模式下，土壤細(xì)菌群落在門級別的組成以及主要優(yōu)勢菌門（相對豐度大于1%）保持相似（圖2）。如圖2a所示，共檢測出45個細(xì)菌門，其中優(yōu)勢菌門分別為變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteriota）、擬桿菌門（Bacteroidota）、芽單胞菌門（Gemmatimonadota）、放線菌門（Actinobacteriota）、浮霉菌門（Planctomycetota）、疣微菌門（Verrucomicrobiota）、綠彎菌門（Chloroflexi）、黏球菌門（Myxococcota）、髕骨菌門（Patescibacteria），總相對豐度為98.02%～98.74%，未被分類細(xì)菌占1.26%～1.98%。其中，B處理和CK優(yōu)勢菌門增加了厚壁菌門（Firmicutes）。與CK相比，輪作提高了酸桿菌門、芽單胞菌門、浮霉菌門、疣微菌門、綠彎菌門和黏球菌門細(xì)菌的相對豐度，放線菌門細(xì)菌相對豐度明顯降低。

土壤細(xì)菌屬水平上群落組成及主要優(yōu)勢菌屬（相對豐度＞1%）相似。如圖2b所示，共檢測出790個細(xì)菌屬，排名前5的優(yōu)勢菌屬分別為鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）、RB41、WD2101_soil_group、纖維菌屬（Vicinamibacteraceae）、念珠菌屬（Candidatus_Udaeobacter），其中Vicinamibacteraceae僅在輪作處理中達(dá)到優(yōu)勢菌屬。與CK相比，輪作提高了RB41、WD2101_soil_group和Vicinamibacteraceae屬細(xì)菌的相對豐度，降低了鞘氨醇單胞菌屬細(xì)菌的相對豐度。

2.2.2 土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)差異 對不同輪作處理的土壤微生物群落進(jìn)行PCoA分析，結(jié)果（圖3）發(fā)現(xiàn)，PC1和PC2對土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的解釋度分別為 6.41%和6.20%，5個輪作處理和CK聚集在一起，并沿 PC2軸與CK明顯分離。非參數(shù)檢驗方法（Anosim）分析揭示了不同處理之間土壤細(xì)菌群落組成存在顯著差異（Adonis R²=0.299，P=0.001）。綜上可知，輪作對土壤細(xì)菌群落β多樣性有明顯影響。

2.2.3 土壤細(xì)菌群落組成差異 線性判別分析（LDA）代表了一種用于探索和闡釋高維生物的標(biāo)識，以效應(yīng)量大小4.0為閾值，如圖4所示，在細(xì)菌群落中鑒定了38個差異物種，其中B處理有6個生物標(biāo)志物，C處理有9個生物標(biāo)志物，D處理有5個生物標(biāo)志物、E處理有3個生物標(biāo)志物，CK有15個生物標(biāo)志物，而在A處理中沒有發(fā)現(xiàn)細(xì)菌的差異物種。

2.3 不同輪作模式對土壤細(xì)菌群落的功能預(yù)測

對不同輪作模式土壤細(xì)菌群落進(jìn)行功能預(yù)測（圖5），發(fā)現(xiàn)輪作處理共得到6類KEGG一級功能代謝通路。由圖5a可見，一級功能代謝通路由高到低依次為：新陳代謝（62.04%～62.46%）、環(huán)境信息處理（17.46%～17.82%）、遺傳信息處理（11.78%～12.03%）、細(xì)胞過程（4.59%～5.09%）、人類疾?。?.13%～2.18%）、有機(jī)系統(tǒng)（1.15%～1.22%）。如圖5b所示，在42類KEGG二級功能代謝通路中相對豐度大于1.0%的通路包含19類，其中碳水化合物代謝的相對豐度最高（12.93%～13.29%），相對豐度大于5.0%的二級功能代謝通路包含氨基酸代謝、碳水化合物代謝、能量代謝、膜傳輸、輔助因子和維生素代謝、核苷酸代謝。

3 討論

3.1 不同輪作模式對土壤細(xì)菌群落多樣性的影響

土壤微生物群落對農(nóng)業(yè)系統(tǒng)生物多樣性具有重要作用^[18-19]。微生物群落的Alpha多樣性可通過多個指數(shù)反映，Ace指數(shù)和Chao1指數(shù)主要體現(xiàn)微生物群落的豐度，Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)可同時體現(xiàn)微生物群落的豐度和均勻度^[20]。前人研究結(jié)果表明，土壤微生物多樣性對土壤健康至關(guān)重要^[21-22]，微生物多樣性越高，生態(tài)環(huán)境越穩(wěn)定。Yao等^[23]研究發(fā)現(xiàn)，與連作相比，大棚黃瓜輪作土壤中微生物的多樣性更高。本研究中輪作處理的土壤細(xì)菌豐度較CK更高，可能是因為輪作種植模式下麥類、水飛薊和甜菜等的秸稈還田增加了土壤中有機(jī)質(zhì)的含量，改善了土壤的理化性質(zhì)，進(jìn)而維持或提高了土壤中微生物的多樣性^{[14，17]}。輪作處理的土壤細(xì)菌群落更加復(fù)雜多樣，可能是因為當(dāng)?shù)貍鹘y(tǒng)的輪作模式與免耕相結(jié)合，減少了人為因素對土壤的機(jī)械破碎和擾動，減緩了土壤的氧化速率，土壤中有機(jī)質(zhì)氧化分解放緩^[12-14]，導(dǎo)致土壤中細(xì)菌群落相對單一。雖然近些年在國家的倡導(dǎo)下，“減肥增效”方案進(jìn)一步落實，當(dāng)?shù)赝寥拉h(huán)境得到改善，土壤微生物的繁殖加快^[15]，但是連作方式下種植馬鈴薯的耕作整地比輪作方式下更頻繁，土壤結(jié)構(gòu)可能變得不穩(wěn)定，失去原本穩(wěn)定的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤環(huán)境發(fā)生變化，水分和氣體的滲透性能下降，根系生長受到限制，土壤質(zhì)地變得堅硬，養(yǎng)分的供應(yīng)和保持能力也受到影響，土壤環(huán)境的變化，使得某些細(xì)菌群落的生存條件受到不利影響，從而降低了土壤細(xì)菌的多樣性^[14，16]。

3.2 不同輪作模式對農(nóng)田土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響

土壤微生物群落數(shù)量巨大^[24]，是土壤的活性組分，對土壤環(huán)境的變化敏感^[25]，受作物類型、栽培模式、耕作措施等因素的影響^[26]。土壤中微生物物種越均勻、多樣性指數(shù)越高，抑制病原菌的能力就越強(qiáng)^[27]。生態(tài)平衡的維護(hù)是多方面的，其中土壤細(xì)菌群落的多樣性及其結(jié)構(gòu)的相對穩(wěn)定對維護(hù)生態(tài)平衡作用較大^[28]；細(xì)菌作為土壤中微生物生命活動最主要的參與者，其穩(wěn)定性與土壤肥力成正比，在維護(hù)土壤生態(tài)平衡中至關(guān)重要^[29-30]。杜洋洋等^[30]和肖新等^[31]在研究中發(fā)現(xiàn)，不同作物輪作處理土壤中細(xì)菌數(shù)量高于連作處理；馬學(xué)蘭等^[32]研究發(fā)現(xiàn)，不同的生態(tài)系統(tǒng)中細(xì)菌的種類組成和相對豐度存在差異。本研究6個處理雖然位于同一地塊中，但種植的作物的不同，使根系微環(huán)境產(chǎn)生變化，形成了多樣的微生物群落，說明即使在相同土壤環(huán)境中，不同作物也具有不同的根系微環(huán)境和微生物群落結(jié)構(gòu)。本研究結(jié)果表明，不同前茬作物土壤細(xì)菌群落在門水平上組成相似，但相對豐度各異，排名前10的細(xì)菌門分別是：變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteriota）、擬桿菌門（Bacteroidota）、芽單胞菌門（Gemmatimonadota）、放線菌門（Actinobacteriota）、浮霉菌門（Planctomycetota）、疣微菌門（Verrucomicrobiota）、綠彎菌門（Chloroflexi）、黏球菌門（Myxococcota）、髕骨菌門（Patescibacteria），總相對豐度為98.02%～98.74%，未被分類的細(xì)菌占1.26%～1.98%。由此可見，不同的前茬作物可以形成不同的土壤生態(tài)環(huán)境，從而影響一部分微生物的生長和繁殖，經(jīng)過不斷更替，適應(yīng)新環(huán)境的微生物被保留下來，雖然細(xì)菌的群落結(jié)構(gòu)發(fā)生了小范圍的改變，但總體來看其組成依然較為相近，細(xì)菌豐度卻表現(xiàn)出各自獨(dú)特的物種特征。

變形菌門、放線菌門等是華北平原、東北黑土地和黃土高原土壤環(huán)境中最常見的細(xì)菌類群，其中變形菌門作為嗜營養(yǎng)型細(xì)菌，其生命活動可以促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，改善土壤結(jié)構(gòu)；而酸桿菌門細(xì)菌作為嗜酸菌，在特定土壤環(huán)境中發(fā)揮重要作用^[33]。Shen等^[34]研究指出，芽單胞菌門在土壤中的相對豐度增加會使其生物防治作用增強(qiáng)，從而降低香蕉枯萎病的發(fā)生率。本研究結(jié)果與前人相似，在不同處理中變形菌門、酸桿菌門、擬桿菌門、芽單胞菌門和放線菌門占比較高。與CK相比，5種輪作模式均提高了酸桿菌門、芽單胞菌門、浮霉菌門、疣微菌門、綠彎菌門和黏球菌門細(xì)菌的相對豐度；降低了放線菌門細(xì)菌的相對豐度。Liu等^[35]研究發(fā)現(xiàn)，馬鈴薯連作會導(dǎo)致酸桿菌門和硝化螺旋菌屬細(xì)菌相對豐度下降。納小凡等^[36]研究結(jié)果表明，與輪作相比，枸杞連作會增加根際土壤中變形菌門細(xì)菌相對豐度。盡管土壤中硝化刺菌門（Nitrospinae）細(xì)菌相對豐度較低，但其在參與氮循環(huán)、調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、調(diào)節(jié)有機(jī)質(zhì)分解以及維持土壤生態(tài)系統(tǒng)功能等方面有重要作用。

鞘氨醇單胞菌屬（Sphingomonas）細(xì)菌是一種新型微生物資源，具有較強(qiáng)的降解土壤中芳香族污染物的能力^[37]。溶桿菌（Lysobacter）是一類生防細(xì)菌，能夠抑制多種植物病原真菌、革蘭氏陽性細(xì)菌以及線蟲^[38]。鞘脂菌屬（Sphingobium）細(xì)菌具有降解多種多環(huán)芳烴（PAHs）和分解木質(zhì)素的能力。本研究結(jié)果表明，輪作較連作提高了馬鈴薯根際土壤中溶桿菌的相對豐度，降低了鞘氨醇單胞菌屬和芽單胞菌屬細(xì)菌的相對豐度。同時，輪作處理下與碳、氮相關(guān)的功能細(xì)菌鞘脂菌屬細(xì)菌和砂單胞菌（Arenimonas）的相對豐度均有提高。綜上所述，與碳、氮相關(guān)的功能菌對馬鈴薯產(chǎn)量的提高起重要作用，其中馬鈴薯-水飛薊-小麥-馬鈴薯、小麥-甜菜-小麥-馬鈴薯、小麥-油菜-大麥-馬鈴薯3種輪作模式更有利于維持土壤生態(tài)系統(tǒng)功能。

3.3 不同輪作模式對農(nóng)田土壤細(xì)菌群落功能的影響

細(xì)菌通過分解復(fù)雜的有機(jī)物質(zhì)，將其轉(zhuǎn)化為可被吸收的養(yǎng)分形態(tài)，參與土壤有機(jī)質(zhì)分解與礦化過程^[39]，對土壤健康和農(nóng)田生產(chǎn)具有積極影響。生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能夠通過利用土壤細(xì)菌功能代謝通路維系，其中新陳代謝、環(huán)境信息處理和遺傳信息處理受人為影響較小^[40-41]。本研究發(fā)現(xiàn)，在不同的輪作模式土壤中細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和功能代謝通路均會發(fā)生改變，這直接反映了不同輪作模式土壤中細(xì)菌的種類組成、相對豐度及多樣性的變化^[42]。本研究結(jié)果表明，各處理一級功能代謝通路中新陳代謝通路最高，環(huán)境信息處理和遺傳信息處理次之，這與張拓等^[40]的研究結(jié)果一致。二級功能代謝通路中，與氨基酸、碳水化合物和能量代謝相關(guān)的細(xì)菌類群是參與新陳代謝活動最頻繁的，參與膜運(yùn)輸?shù)木贺?fù)責(zé)環(huán)境信息處理。這與Xia等^[41]研究結(jié)果基本一致，說明土壤中細(xì)菌的豐富度與氮、磷的轉(zhuǎn)化和遷移存在正相關(guān)關(guān)系^{[40，43]}，具體而言，細(xì)菌在土壤生態(tài)系統(tǒng)中參與了氮和磷的循環(huán)過程，例如氮固定、脫氨作用、礦物質(zhì)磷的溶解等。因此，通過增加土壤細(xì)菌的豐富度，可以促進(jìn)氮和磷的有效轉(zhuǎn)化和遷移，從而對土壤營養(yǎng)循環(huán)和生態(tài)系統(tǒng)功能的維持具有積極影響。

4 結(jié)論

本研究采用高通量測序技術(shù)研究了高寒黑土區(qū)不同輪作模式下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)特征。結(jié)果表明，與連作（CK）相比，輪作處理提高了土壤中細(xì)菌的豐富度指數(shù)，酸桿菌門細(xì)菌的相對豐度明顯升高，而放線菌門細(xì)菌相對豐度明顯降低；土壤細(xì)菌中生防菌溶桿菌相對豐度升高，與碳、氮相關(guān)的功能菌鞘脂菌屬和砂單胞菌屬細(xì)菌相對豐度升高，其中小麥-甜菜-小麥-馬鈴薯輪作模式最高。功能預(yù)測發(fā)現(xiàn)，不同輪作處理土壤中細(xì)菌具有一級功能代謝通路6類，二級功能代謝通路（相對豐度＞1.0%）19類。在高寒黑土區(qū)不同輪作模式均可增加土壤細(xì)菌的種類數(shù)量、細(xì)菌總數(shù)目，增強(qiáng)土壤細(xì)菌相對豐度和代謝功能。本研究的6種輪作模式中小麥-甜菜-小麥-馬鈴薯輪作模式可以更好地維持土壤的肥沃度和馬鈴薯生產(chǎn)的可持續(xù)性。

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（責(zé)任編輯：黃克玲）