2023, Vol. 44
2. 甘肃农业大学资源与环境学院, 兰州 730070
2. College of Resources and Environmental Sciences, Gansu Agricultural University, Lanzhou 730070, China
党参(Codonopsis pilosula)为桔梗科党参属多年生草本植物, 是一种常用的补益类中药.有研究表明党参中含有多种生物活性成分, 如多糖、炔苷和生物碱等, 具有提高人体免疫力、健脾益肾、补中益气、抗氧化、抗衰老和抗肿瘤等作用[1, 2].党参在我国种植广泛, 主要分布于西北、华北和东北等地区[3]. 1964年甘肃引入党参进行种植, 主要在甘肃省定西市渭源县、临洮县和陇南市的文县、宕昌县等地区种植, 其中定西市渭源县为甘肃省党参的主产区之一, 白条党参总产量约占全国的80%以上[4, 5].有研究表明, 产自甘肃省定西地区的白条党参多糖含量高达8.2%以上, 其浸出物含量高达70%以上, 其中炔苷含量较其他产区高出60%以上, 近年来党参已成为该地区的标志性产业[6, 7].
连作障碍(continuous cropping obstacle)是指在同一土地上连续多年种植同一类作物或近缘作物时导致作物生长受阻、品质变差和产量下降的现象.有研究表明土壤理化性质恶化、自毒物质累积和土壤菌群失调等是引起连作障碍的主要原因[8, 9].如西洋参在长期连作过程中, 土壤pH值显著下降, 土壤盐分含量显著上升, 进而导致土壤中细菌和真菌群落结构特征发生变化, 从而引起连作障碍的发生[10].此外, 作物连作能够导致土壤中的植物致病菌逐年累积, 土传病害情况加重, 导致作物产量和品质下降[11, 12].如半夏连作以后, 土壤理化性质发生变化, 土壤中有益微生物种类和丰度降低, 有害微生物的种类和丰度显著增加[13].而藿香和丹参多年连作后其根系退化, 腐烂褐变, 植株发黄枯萎甚至死亡[14, 15].
近年来, 党参市场需求量增大, 价格涨幅较大.受土地资源的限制和种植年限的不断延长, 在种植户盲目追求经济效益的同时, 忽略了党参合理栽培的重要性, 党参连作情况在党参产区十分常见, 而连续多年在同一地块上种植党参所导致的土壤理化性质恶化、党参长势弱和减产情况未得到足够的重视[16, 17].据统计连作3 a以上的党参地, 再种植党参后减产量达到65%以上, 给当地的党参种植户造成了严重的经济损失.连作障碍问题已成为制约党参种植产业可持续发展的重要因素[18, 19].
本研究选取不同连作年限的党参种植地, 通过对根际土壤的理化性质、微生物活性和微生物群落特征进行分析, 探究了党参连作障碍发生的机制, 以期为缓解党参连作障碍提供一定的理论依据.
1 材料与方法 1.1 试验地概况本试验地位于甘肃省定西市渭源县新寨镇(N35°17′57″, E104°12′58″), 海拔2 320.9 m, 属于中温带半干旱区气候, 年降雨量少, 日照充足, 温差较大, 年平均气温4℃左右, 年平均日照时数2 426 h, 年平均降雨量470 mm, 且多集中在7~9月.试验地地表土质为黄绵土.于2022年3月中旬采集供试党参种植田初始土样, 测定土壤理化性质, 结果如表 1所示.
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表 1 土壤理化性质1) Table 1 Soil physical and chemical properties |
1.2 试验设计和采样方法
本试验选取休耕5 a再种植党参的地块(CK)和连作1 a、2 a、3 a、4 a的党参地块作为试验样地.所选样地的地形特征一致, 党参种植密度和田间施肥量均一致.党参品种均为“渭党2号”, 选用一年生种苗, 于2022年4月中旬移栽种植, 行距20 cm, 株距10 cm, 移栽前沟施基肥：尿素(N 46%)150 kg·hm-2、磷酸二铵(N 18%、P2O5 46%)300 kg·hm-2、氮磷钾复合肥(N 15%、P2O5 15%、K2O 15%)375 kg·hm-2.6月中旬追施尿素(N 46%)15 kg·hm-2. 7月中旬叶面喷施壮根灵(稀释比1:80)0.5 L·hm-2. 10月下旬采收.
2022年8月中旬于党参根系的旺盛生长期进行采样.采样前, 对采样工具进行高温灭菌.采样时, 每块样地中随机划取3个大小一致的样方(5 m×5 m), 每个样方为一个重复, 每个样方内采用“S”形取样法采集土壤样品20个.采样时先移除土壤表面的植物残体等, 采用抖土法除去与根系结合较松土壤, 保留与根系表面粘附性较强的土壤作为试验用根际土[20].土壤样品装入无菌密封袋, 冰袋保存迅速带回实验室.同一样方内的土壤样品均匀混合作为一个重复, 土壤样品分为3份, 一份于-80℃保存用于高通量测序, 一份于-20℃保存用于测定微生物的活性, 一份避光自然风干后研磨, 过0.25 mm筛用于TN和SOC测定, 过1 mm筛用于pH、EC、TP、AP和AK的测定.
1.3 土壤理化性质的测定土壤理化性质测定参考《土壤农化分析》[21].土壤pH值采用电位法测定(水土比例为2.5:1), 电导率(EC)使用CT-2笔式电导率仪进行测定(水土比例为5:1), 土壤有机碳(SOC)测定采用重铬酸钾氧化-分光光度法, 全氮(TN)测定采用凯氏定氮法, 全磷(TP)测定采用碱熔-钼锑抗比色法, 速效钾(AK)测定采用醋酸铵浸提-火焰光度法, 速效磷(AP)测定采用碳酸氢钠浸提-钼锑抗比色法.
1.4 土壤微生物活性的测定土壤微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)采用氯仿熏蒸浸提法测定, 土壤呼吸(BR)采用静态气室法测定, 微生物生物量碳氮比(MBC/MBN)为微生物生物量碳和微生物生物量氮的比值, 微生物熵(qMB)为土壤微生物生物量碳与土壤有机碳的比值, 土壤呼吸熵(qCO2)为土壤呼吸与土壤微生物生物量碳的比值[22].
1.5 土壤微生物群落的测定准确称取0.3 g土壤, 依照试剂盒(Omega Bio-tek, Norcross, GA, USA)的操作流程提取土壤样品中的微生物总DNA.使用338F/806R(5′-ACTCC TACGGGAGGCAGCAG-3′/5′-GGACTACHVGGGTWT CTAAT-3′)对细菌16S rRNA基因序列的V3-V4区进行PCR扩增, 使用ITS1F/ITS4R(5′-CTTGGTCA TTTAGAGGAAGTAA-3′/5′-TCCTCCGCTTATTGATA TGC-3′)对真菌ITSRNA基因序列进行PCR扩增.PCR反应体系：PCR 2×Master Mix(2×) 15 μL, 正反向引物(0.2 μmol·μL-1)各加1 μL, DNA模板(1 ng·μL-1)加10 μL, H2O加2 μL.PCR反应条件：98℃预变性1 min, 30次循环, 98℃变性10 s, 50℃退火30 s, 72℃延伸30 s, 继续72℃延伸5 min.接着将PCR产物用2%的琼脂糖凝胶电泳进行纯度检测.将PCR产物进行等比例混样, 混匀后使用1×TAE浓度为2%的琼脂糖凝胶电泳纯化, 切割目标条带, 使用试剂盒(Qiagen Gel Extraction Kit, Qiagen, Hilden, Germany)进行回收.使用试剂盒(TruSeqⓇ DNA PCR-Free Sample Preparation Ki)进行文库构建, 构建完成以后使用Qubit定量和文库检测, 使用NovaSeq 6000 PE250进行上机测序, 测序工作由深圳微科盟科技集团有限公司完成.高通量所获得的原始数据, 利用QIIME2 data 2插件进行质控、修剪、去噪、拼接和去除嵌合体, 通过97%的相似性对OTU进行聚类, 每个OTU可代表一个物种, 选取丰富度较高的序列为代表序列, 使用RDP-classifier软件对代表序列进行物种注释, 得到物种信息.
1.6 数据处理与分析采用Excel 2016软件进行数据的整理, 采用SPSS Statistics 21.0对不同处理间的差异进行单因素方差分析(ANOVA, LSD, P＜0.05).土壤微生物高通量测序数据使用QIIME软件分析不同分类水平的物种丰度, 使用Origin 2021软件绘制微生物丰度图; 使用R 4.1.3软件的Vegan包进行NMDS分析(非度量多维尺度分析).R 4.1.3的Psych包用以计算样品OTU之间的相关系数, 基于RMT(随机矩阵理论)构建微生物互作网络的临界值, 利用Gephi 0.9.3软件进行数据可视化分析.使用R 4.1.3的ggcor包进行Mental检验探讨微生物群落和环境因子之间的相关性.采用Canoco5软件对丰度较高的15个微生物门和土壤理化因素的相关性进行RDA分析.
2 结果与分析 2.1 连作对党参根际土壤理化性质的影响由表 2可知, 随着党参连作年限的增加, 土壤pH值呈现降低的趋势, EC、TN、TP和SOC则随着连作年限的延长而增加, 而土壤中AK和AP的含量未呈现出明显的变化趋势.较CK处理, 连作3 a和4 a的土壤EC分别增加了54.2%和84.7%, 连作1 a、2 a、3 a和4 a的党参根际土壤中TN含量分别增加了31.3%、68.8%、52.1%和56.3%, TP含量分别增加了11.8%、52.9%、66.7%和78.4%, SOC含量分别增加了11.1%、80.5%、74.9%和78.2%.连作4 a的土壤中AK含量最高, 而连作2 a时土壤中AP含量最高.
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表 2 不同连作年限党参根际土壤的理化性质 Table 2 Physicochemical properties of rhizosphere soil of Codonopsis pilosula with different continuous cropping years |
2.2 连作对党参根际土壤微生物活性的影响
由图 1可知, 随着连作年限的增加, MBC、MBN和BR均呈现先增高后降低的趋势, MBC/MBN随着连作年限的延长显著升高, 而qMB和qCO2随着连作年限的延长显著降低.较CK处理, 连作2 a的土壤中MBC和MBN含量显著增加(增幅为81.4%和32.8%).连作2 a、3 a和4 a的土壤MBC/MBN显著高于CK.较CK处理, 连作2 a的党参根际土壤BR提高了59.6%.而土壤qMB以CK处理最大, qCO2则以连作1 a时最高.
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MBN：微生物生物量氮, MBC：微生物生物量碳, MBC/MBN：微生物生物量碳氮比, BR：土壤呼吸, qCO2：土壤呼吸熵, qMB：土壤微生物熵; 不同小写字母表示不同连作年限微生物活性之间的显著性差异(P < 0.05) 图 1 不同连作年限党参根际土壤微生物活性 Fig. 1 Soil microbial activities in rhizosphere of Codonopsis pilosula with different continuous cropping years |
由表 3可知, 土壤中细菌的OTU数量随着连作年限的延长呈现降低的趋势, 较CK处理, 连作1 a、2 a、3 a和4 a的细菌OTU数量分别减少了23.83%、19.90%、36.11%和41.24%.土壤细菌群落Ace、Chao1和Shannon指数随着连作年限的延长而降低, 而Simpson指数则随着连作年限的延长而升高.土壤中真菌的OTU数量随着连作年限的延长而增加, 较CK处理, 连作3 a和4 a的真菌OTU数量分别增加了10.81%和17.08%.土壤真菌群落的Ace、Chao1和Shannon指数随着连作年限的延长而升高, 而Simpson指数则随着连作年限的延长而降低.
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表 3 不同连作年限党参根际土壤微生物群落的α多样性 Table 3 The α diversity of rhizosphere soil microbial community of Codonopsis pilosula with different continuous cropping years |
2.4 连作对党参根际土壤微生物丰度和群落结构的影响
由图 2(a)所示, 不同连作年限党参根际土壤的优势细菌门(相对丰度>1%)均为变形菌门(Proteobacteria, 28%~38%)、放线菌门(Actinobacteria, 10%~19%)、酸杆菌门(Acidobacteria, 1%~12%)、拟杆菌门(Bacteroidetes, 5%~13%)、厚壁菌门(Firmicutes, 15%~27%)、芽单胞菌门(Gemmatimonadetes, 1%~8%)和绿弯菌门(Chloroflexi, 2%~5%).随着连作年限的增加, 土壤中放线菌门和厚壁菌门的丰度呈现出降低的趋势, 拟杆菌门、酸杆菌门、芽单胞菌门和绿弯菌门的丰度呈现出增加的趋势.
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(a)门水平, (b)属水平 图 2 不同连作年限党参根际土壤细菌群落的相对丰度变化 Fig. 2 Relative abundance of rhizosphere soil bacteria in Codonopsis pilosula witn different continuous cropping years |
由图 2(b)可知, 不同连作年限的党参根际土壤主要的优势细菌属(相对丰度>1%)为罗尔斯菌属(Ralstonia, 2%~10%)、假单胞菌属(Pseudomonas, 1%~10%)、芽孢杆菌属(Bacillus, 4%~7%)、假黄色单胞菌属(Pseudoxanthomonas, 1%~5%)、凯斯特杆菌属(Kaistobacter, 2%~3%)、链霉菌属(Streptomyces, 6%~7%)和梭菌属(Clostridium, 1%~6%).其中链霉菌属、罗尔斯菌属、假黄色单胞菌属、芽孢杆菌属、硝化螺旋菌属(Nitrospira)和节杆菌属(Arthrobacter)的丰度随着连作年限的增加呈现出降低的趋势, 而假单胞菌属、Balneimonas属和梭菌属的丰度则呈现增加的趋势.
由图 3(a)可知, 不同连作年限的党参根际土壤真菌群落的优势菌门(相对丰度>1%)均为子囊菌门(Ascomycota, 61%~85%)和担子菌门(Basidiomycota, 1%~14%), 其中连作2 a的土壤中子囊菌门的丰度较高(85%), 连作1 a的土壤中担子菌门的丰度较高(14%).此外, 担子菌门的丰度随着连作年限的延长而降低, 而被孢霉门(Mortierellomycota)和半知菌亚门(Deuteromycotina)的丰度则随着连作年限的延长呈现增加的趋势.
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(a)门水平, (b)属水平 图 3 不同连作年限党参根际土壤真菌群落的相对丰度变化 Fig. 3 Relative abundance of rhizosphere soil fungi in Codonopsis pilosula with different continuous cropping years |
由图 3(b)可知, 不同连作年限党参根际土壤共有的优势菌属(相对丰度>1%)为Discosia属(3%~22%)、Microascus属(1%~4%).与CK对比, 不同连作年限的党参根际土壤中其他优势菌属的种类逐年增多.此外, Discosia属和Helgardia属的丰度随着连作年限的延长而降低.而茎点霉属(Phoma)和镰刀菌属(Fusarium)的丰度则随着连作年限的延长而增加.
NMDS分析表明(图 4), 细菌群落的stress为0.044, 真菌群落的stress为0.062, 不同微生物群落的stress均小于0.1, 表明分析结果合理且具有统计学意义.由图 4(a)可知, 连作1 a、2 a和3 a位于同一象限, 细菌群落结构组成相似度较高.CK和连作4 a分别位于不同象限, 其组间差异较大.由图 4(b)可知, 连作1 a和CK位于同一象限, 真菌群落结构组成相似度高.连作2 a、3 a和4 a分别位于不同象限, 其组间差异较大.
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图 4 不同连作年限党参根际土壤微生物群落的NMDS分析 Fig. 4 NMDS analysis of rhizosphere soil microbial community of Codonopsis pilosula with different continuous cropping years |
基于不同连作年限的微生物序列数据, 采用RMD网络分析微生物之间潜在的互作关系, 选取OTU(相对丰度>0.5%)构建微生物分子生态网络.网络分析的相关参数如表 4所示.与CK对比, 随着连作年限的增加, 构成细菌群落分子生态网络的节点数和边数减少, 说明连作导致土壤细菌群落的稳定性下降.此外, 随着连作年限的增加, 细菌群落之间的正相关系数降低, 负相关系数增高.CK、连作1 a、2 a和3 a的党参根际土壤细菌群落之间的关系均以协同作用为主, 而连作4 a的土壤中细菌群落之间的关系则以拮抗作用为主.由图 5可知, 不同连作年限细菌分子生态网络的节点主要由变形菌门(Proteobacteria)、厚壁菌门(Firmicutes)、放线菌门(Actinobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)、泉古菌门(Crenarchaeota)、绿弯菌门(Chloroflexi)和硝化螺旋菌门(Nitrospirae)等构成.其中变形菌门、厚壁菌门、放线菌门和拟杆菌门占总类群的90%以上.而疣微菌门(Verrucomicrobia)、装甲菌门(Armatimonadetes)是构成CK和连作2 a的细菌分子生态网络的特有类群, 酸杆菌门(Acidobacteria)是构成CK和连作4 a的细菌分子生态网络的特有类群.
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表 4 不同连作年限党参根际土壤微生物群落的分子生态网络参数 Table 4 Molecular ecological network parameters of rhizosphere soil microbial communities of Codonopsis pilosula with different continuous cropping years |
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每个圆圈表示一个OTU, 相同颜色的圆隶属同一个门; 圆圈之间的连线表示相连的两个OTU之间的Spearman系数, 粉色连线表示正相关, 蓝色连线表示负相关; 线条的粗细与r值相关, 连线越多, 表示该节点与其他节点的相关性越高, 其中心性越强, 节点就越大 图 5 不同连作年限党参根际土壤微生物群落的分子生态网络分析 Fig. 5 Molecular ecological network analysis of soil microbial communities in the rhizosphere of Codonopsis pilosula with different continuous cropping years |
不同连作年限党参根际土壤真菌群落分子生态网络的节点数和边数没有明显的变化趋势, 土壤中真菌群落之间的互作关系主要以协同作用为主.连作1 a和3 a的真菌群落的协同作用较为显著, 分别为84.34%和76.47%.由图 5可知, 真菌分子生态网络的节点主要由子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)构成, 其中被孢霉门(Mortierellomycota)为构成连作2 a和4 a的真菌分子生态网络的特有类群.
2.6 微生物群落结构与土壤环境因素的相关性分析Mental检验结果表明, 土壤理化因素对不同连作年限党参根际土壤中细菌群落结构的影响具有显著的差异性.由图 6(a)可知MBN、BR和MBC对连作1 a的党参根际土壤中细菌群落结构的影响较为显著, 相关系数分别为0.31(P=0.005)、0.35(P=0.004)和0.28(P=0.014).连作2 a的党参根际土壤中细菌的群落结构主要受土壤AP、MBN和BR的影响, 相关性系数分别为0.29(P=0.023)、0.30(P=0.023)和0.29(P=0.025), 而连作3 a和4 a的党参根际土壤中细菌群落结构则主要受土壤pH值的影响, 相关性系数分别为0.42(P=0.013)和0.37(P=0.018).由图 6(b)可知, 土壤理化因素对连作1 a、3 a和4 a的党参根际土壤中真菌群落结构均具有一定的影响, 而CK和连作2 a的党参根际土壤中真菌群落结构受土壤环境因素的影响不显著, 其中土壤pH值对连作1 a的党参根际土壤真菌群落结构的影响较为显著, 相关性系数为0.26(P=0.007).连作3 a的党参根际土壤中真菌群落结构主要受土壤MBN、MBC和BR的影响, 相关性系数分别为0.40(P=0.005)、0.31(P=0.019)和0.33(P=0.021).而连作4 a的党参根际土壤中真菌群落结构主要受土壤AK、EC、MBN、MBC和BR的影响, 相关性系数分别为0.29(P=0.023)、0.29(P=0.021)、0.30(P=0.017)、0.28(P=0.028)和0.25(P=0.027).
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(a)细菌, (b)真菌; 1. TN; 2. SOC; 3. TP; 4. AP; 5. AK; 6. pH; 7. EC; 8. MBN; 9. MBC; 10. BR; 11. qCO2; 12. qMB; 13. MBC/MBN; 线宽与Mental's r统计量相对应; 线条颜色与Mental's P相对应; 环境因素两两比较, 颜色梯度表示Pearson's r相关系数 图 6 不同连作年限党参根际土壤微生物和环境因子的Mental分析 Fig. 6 Mental analysis of rhizosphere soil microorganism and environmental factors of Codonopsis pilosula with different continuous cropping years |
由RDA分析结果可见(图 7), 土壤环境因子对细菌群落结构影响的解释率为81.14%, 细菌门水平与土壤环境因子RDA分析的轴变量解释率分别71.35%和9.79%.由图 7(a)可知土壤qCO2(P=0.001 8)、TP(P=0.002)、AK(P=0.002)、MBC(P=0.003 6)、EC(P=0.007 4)和MBC/MBN(P=0.01)为影响不同连作年限党参根际土壤中细菌群落结构和多样性的主要因素, 其中土壤qCO2与硝化螺旋菌门(Nitrospirae)和厚壁菌门(Firmicutes)呈显著的正相关关系, 与绿弯菌门(Chloroflexi)、酸杆菌门(Acidobacteria)和芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)呈显著的负相关关系.土壤TP、AK、MBC、MBC/MBN和EC与绿弯菌门、酸杆菌门、拟杆菌门和芽单胞菌门呈显著的正相关关系, 而与硝化螺旋菌门、厚壁菌门和放线菌门(Actinobacteria)呈显著的负相关关系.
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红色箭头表示环境因子, 蓝色箭头表示微生物 图 7 不同连作年限党参根际土壤微生物和环境因子的RDA分析 Fig. 7 RDA analysis of rhizosphere soil microorganisms and environmental factors of Codonopsis pilosula with different continuous cropping years |
土壤环境因子对土壤中真菌群落结构和多样性影响的解释率为83.98%, 真菌门水平与土壤环境因子之间的RDA分析的轴变量解释率分别为75.30%和8.68%.由图 7(b)可知土壤TN(P=0.002)、AK(P=0.006)、qCO2(P=0.026)和AP(P=0.094)是影响不同连作年限的党参根际土壤真菌群落结构和多样性的主要因素.其中土壤TN和AK与被孢霉门(Mortierellomycota)呈显著的正相关关系, 而与子囊菌门(Ascomycota)、担子菌门(Basidiomycota)、球囊菌门(Glomeromycota)呈显著的负相关关系, 土壤qCO2与担子菌门、子囊菌门和球囊菌门呈显著的正相关关系, 与被孢霉门呈显著的负相关关系.土壤AP与球囊菌门呈显著的正相关关系, 而与被孢霉门、子囊菌门和担子菌门呈显著的负相关关系.
3 讨论 3.1 党参连作对土壤理化性质的影响有研究表明随着连作年限的增加, 长期大量施用肥料和农药能够导致土壤中盐分不断累积, 土壤pH值显著降低, 土壤酸化现象加剧[23, 24].此外, 在连作过程中, 作物对养分的选择性吸收, 会导致土壤中某些养分亏缺, 而其他养分则大量累积, 造成土壤养分失衡, 影响植物的生长, 进而导致连作障碍的发生[25, 26].本研究结果表明连作条件下, 在长期施肥过程中党参根际土壤的pH值随着连作年限的延长而降低.土壤盐分含量则随着连作年限的延长而增加, 其中以连作3 a和4 a时土壤中盐分累积情况最为显著.此外, 研究区降雨量少, 土壤蒸发量大, 土壤中盐分累积情况日益加剧, 连作障碍现象随之加重, 因此土壤盐渍化和土壤pH值降低可能是引起该地区党参连作障碍发生的重要因素之一.Chen等[27]研究发现草莓连作过程中, 土壤中AP和SOC含量显著降低.而本研究中随着连作年限的增加, 土壤中TN、TP和SOC的含量均呈现出增加的趋势.这主要与种植的作物类型和施肥措施的差异有关[28, 29], 党参种植过程中, 主要施用氮肥和磷肥, 而外源氮、磷的输入使得根系分泌物增加, 促进了根际土壤中SOC的累积[30].本文中较CK处理, 连作2 a的党参根际土壤TN和SOC含量显著增加.而土壤中AK和AP的含量则没有明显的变化趋势, 这主要与土壤中该养分的初始含量有关[31, 32].
3.2 党参连作对土壤微生物活性的影响MBC是土壤SOC的重要组成部分, 参与土壤中养分的转化, 可以促进植物对土壤养分的吸收和利用[33].MBN则是土壤中氮素转化和循环的重要媒介[34].而MBC/MBN值则会影响土壤中的有效氮, 从而影响植物的生长.BR、qCO2和qMB是评价土壤微生物活性和土壤肥力特征的重要指标[35, 36].Sun等[37]研究发现香蕉连作时, 土壤MBC和MBN含量随着连作年限的延长而增高.而在本研究中, 土壤MBC和MBN则呈现先增加后降低的趋势, MBC/MBN呈现增加的趋势.研究发现MBC和MBN的含量与土壤中SOC和TN的含量密切相关.Mao等[38]研究发现MBN和土壤TN的含量呈正相关, MBN的增加有利于微生物对土壤氮素的固定和保留.Yu等[39]研究发现SOC含量增高, 能够增加微生物的代谢活性, 从而促进土壤中碳的转化, 使得土壤MBC含量提高, 而MBC/MBN也随之增高.因此连作2 a的党参根际土壤MBC和MBN的含量较高.本研究中, 土壤BR随连作年限的延长呈现先增加后降低趋势, 而qMB和qCO2则呈现降低的趋势.结果表明党参连作时会导致土壤中微生物的活性降低, 影响土壤养分的循环和再利用.
3.3 党参连作对土壤微生物群落结构的影响土壤微生物群落在促进作物生长和维持土壤健康方面起着重要的作用[40].有研究表明, 土壤中细菌群落的丰度和多样性越高, 土壤生态系统越稳定[41, 42].Liu等[43]研究发现, 随着作物连作年限的增加, 土壤中的优势微生物由细菌转变为真菌, 而真菌能在代谢过程中产生毒素, 会影响作物生长.本研究结果发现, 随着连作年限延长, 党参根际土壤中细菌的丰度和多样性降低, 真菌的丰度和多样性增加.不同连作年限的党参根际土壤的优势细菌门主要为变形菌门、放线菌门和酸杆菌门, 优势真菌门主要为子囊菌门、担子菌门, 球囊菌门.本文中, 随着党参连作年限延长, 土壤中的有益菌(如芽孢杆菌属、链霉菌属和硝化螺旋菌属等)逐年减少.有害菌(如假单胞菌属、镰刀菌属和茎点霉属等)逐年增加.微生物分子生态网络分析结果表明, 连作导致细菌之间的协同作用降低, 拮抗作用增强, 从而导致群落的稳定性下降.而真菌之间的互作关系以协同作用为主, 真菌群落结构的稳定性较高.因此土壤中细菌的丰度和多样性降低, 真菌的丰度和多样性增加, 导致微生物群落的稳定性降低可能是引起党参连作障碍的重要原因之一.
3.4 环境因子对土壤微生物群落特征的影响有研究发现作物连作导致土壤理化性质恶化, 土壤pH值下降加速了病原微生物在土壤中的定植, 而作物对单一养分的反复吸收导致了土壤养分失衡, 进而改变了土壤中微生物的群落结构特征[44, 45].Tan等[46]通过对比连作和非连作土壤的理化性质和微生物群落发现, 非连作的土壤中SOC、TP和TN含量显著高于连作土壤, 且土壤SOC、TP和TN是影响微生物多样性的主要因素.Xu等[47]研究发现三七连作时, 随着土壤pH的降低, 土壤中真菌的相对丰度逐渐升高, 而细菌的相对丰度降低, 这是由于土壤pH降低时, 更有利于真菌的生存.本研究中, 影响不同连作年限微生物群落特征的土壤环境因素有所差异.RDA分析结果表明, 土壤TP、AK、MBC/MBN、qCO2、EC和MBC是影响细菌群落的主要环境因子, 而土壤TN, AK、AP和qCO2是影响真菌群落的主要环境因素.因此合理施肥, 调节土壤养分比例, 增强土壤微生物的代谢活性, 平衡土壤中细菌与真菌群落的比例, 从而增强土壤微生物群落的稳定性, 是缓解作物连作障碍的有效手段[48, 49].
4 结论(1) 党参连作导致了根际土壤pH值下降, 土壤盐分积累, 土壤TN、TP和SOC含量显著增加.随着连作年限的延长, 土壤MBC/MBN呈现出增加的趋势, 而qMB和qCO2呈现降低的趋势.
(2) 随着党参连作年限的延长, 根际土壤中细菌的α多样性减少, 而真菌的α多样性增加, 镰刀菌属、曲霉菌属和茎点霉属等潜在的植物致病菌成为根际土壤中的优势菌.此外, 党参连作导致土壤中细菌和真菌群落之间互作关系发生改变, 导致土壤微生物群落的稳定性降低.
(3) 不同连作年限党参根际土壤中细菌群落结构易受土壤TP、AK、MBC/MBN、qCO2、EC和MBC的影响, 而真菌群落结构易受土壤TN、AK、AP和qCO2的影响.
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