谷子不同輪作模式對土壤理化性質及細菌群落的影響

李 丹， 李小霞， 李萬星， 曹晉軍， 靳鯤鵬， 韓文清， 胡丹珠， 劉 鑫， 田 崗， 黃學芳， 劉永忠

(1.山西農業大學谷子研究所，山西長治046000；2.山西農業大學山西有機旱作農業研究院，山西太原030000)

連作是指同一種植物或近緣植物在同一塊地上連續種植兩茬或以上的現象。連作可導致土壤中的某種養分過度消耗或產生自毒作用使得作物生長發育遲緩，病蟲害發生概率增加，農產品產量降低。谷子是不宜重茬的作物之一，近年來谷子種植面積不斷縮減，但是由于其豐富的營養價值和保健作用，較高的經濟效益，農戶種植經濟性較高，導致連作現象頻發[1]。

已有研究結果表明，避免連作障礙的最佳防治途徑是與不同作物輪作[2]。輪作可以合理利用土壤養分，調節土壤酸堿度，改善土壤結構，減輕病蟲害發病率。孫倩等[3]發現，輪作能夠改善土壤酶活性，輪作模式下谷茬土壤中的過氧化氫酶、脲酶、堿性磷酸酶活性提高，土壤細菌群落豐富度指數降低。蔡晨等[4]研究發現，與水稻單作相比，稻蝦長期輪作可使0～20.0 cm和20.1～40.0 cm土層容重降低，非毛管孔隙度、毛管孔隙度、總空隙度提高，同時增強土壤緩沖能力，提高耕層土壤pH。熊湖等[5]研究結果表明，連作可以改變馬鈴薯植株形態特征(株高、莖粗、總葉面積降低，根長增加)，通過輪作使土壤中速效養分轉化速率加快，可以緩解連作脅迫。

本研究擬以特色雜糧谷子為研究對象，探討不同作物與谷子輪作后對土壤的影響，包括物理結構、土壤養分、細菌多樣性，篩選適用于晉東南武鄉地區的最佳谷子輪作模式，以期對谷子特色產業的可持續、綠色發展提供指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況及試驗設計

大田試驗于2017-2020年在山西省長治市武鄉縣上司鎮鋪上村(E112°93′，N36°76′)進行。2018年至2020年谷子生育期內平均降水量為379.7 mm，為典型的雨養農業區。土壤為典型的紅壤土，前茬為谷子，基礎肥力為：有機質含量10.24 g/kg，全氮含量0.089%，速效磷含量29.14 mg/kg，速效鉀含量246.35 mg/kg，堿解氮含量46.96 mg/kg，pH值為8.28。試驗設置3次重復，隨機區組排列，小區面積7.7 m×7.0 m，有機肥為羊糞，施入量為60 000 kg/hm2，不同小區管理方式一致。各處理設置見表1。

表1 試驗設置

供試谷子為長生13，玉米為晉單73，大豆為長豆35號，高粱為晉雜22號，花生為長治縣裕盛豐農業專業合作社提供的黑美人，馬鈴薯為晉薯16號，甘薯為山西省長治市長子縣當地特有品種，玉米(糯)為晉糯10號。

1.2 土壤樣品采集

用于測定土壤性質及土壤團聚體的土壤樣品于谷子成熟期采集：清除地表雜物后用環刀分別采集0～10.0 cm、10.1～20.0 cm的土壤裝入鋁盒內帶回實驗室并置于室內風干，運輸過程中盡量避免碰撞擠壓。用于測定土壤肥力的根際土壤樣品采集：于收獲期采集每種作物的根際土壤，隨機選取5株作物，將作物連根拔起，抖落外側大型土塊，去除石子、根系等雜物，充分混勻后過篩，隨后帶回實驗室自然風干，備用。用于測定細菌多樣性的根際土壤樣品采集：于灌漿期分別采集不同種植模式的根際土壤，方法同上。每個處理樣品分成2份，一份放入凍存管中，液氮保存寄送至上海派森諾生物科技有限公司用于土壤真菌多樣性的檢測，一份放入-80 ℃備用。

1.3 測定指標與方法

1.3.1 土壤容重及土壤水穩性團聚體測定 于谷子收獲期采用環刀法在田間測定土壤容重。

土壤水穩性團聚體采用濕篩法[6-8]測定：將處理好的土壤置于團聚體分析儀套篩上部篩網上，套篩孔徑依次為2.00 mm、1.00 mm、0.50 mm和0.25 mm，桶中加入蒸餾水使水沒過土樣，浸泡10 min后開始振蕩(振蕩10 min，上下移動30次，振幅3.00 cm)。振蕩結束后將套篩取出，將每個篩子上面的土壤沖洗到鋁盒內，靜置15 min后用塑料滴管去除上清液，烘箱烘干，稱量，得到粒徑<0.250 mm、0.251～0.500 mm、0.501～1.000 mm、1.001～2.000 mm、>2.000 mm的水穩性團聚體質量。

1.3.2 土壤養分測定 土壤養分、酶活性的測定采用常規測定方法[9-11]。

1.3.3 土壤細菌多樣性測定 根據DNeasy PowerSoil Kit(QIAGEN)試劑盒說明書對土壤總DNA進行提取，利用NanoDrop2000對提取的DNA質量濃度和純度進行檢測；對細菌16S區進行擴增。對構建好的文庫進行檢驗、測序。對測序結果進行操作單位聚類與分析、Alpha多樣性分析、Beta多樣性分析及不同分類水平的群落結構分析。

1.4 數據計算與統計分析

采用Excel2000軟件進行數據整理與分析，用IBM SPSS20.0軟件進行單因素方差分析和主成分分析。

計算各粒級團聚體含量、各粒級團聚體比例、平均質量直徑(MWD)，公式[12-14]如下：

各粒級團聚體含量=各級團聚體質量/土樣樣品干質量×100%

(1)

各粒級團聚體比例=某級團聚體質量/團聚體總質量×100%

(2)

(3)

式中，MWD為平均質量直徑；wi為第i級團聚體的質量占土壤樣品干質量的質量百分數；Ri為第i級團聚體平均直徑。本研究中各級團聚體平均直徑分別為2.00 mm、1.50 mm、0.75 mm、0.38 mm、0.25 mm。

2 結果與分析

2.1 谷子不同輪作模式對土壤容重和水穩性團聚體的影響

2.1.1 土壤容重 圖1顯示，不同處理下土壤容重由大到小為：SSSi、SZGm>SZZm>SZSt、SZLb>SZSb>SZAh，SSSi處理下土壤容重為1.25 g/cm3，其他6個處理的土壤平均容重為1.19 g/cm3，較SSSi處理下的土壤容重降低了4.8%。其中SZAh、SZSb、SZZm、SZSt、SZLb處理下土壤容重較SSSi處理下的土壤容重降低了2.4%～8.8%，SZAh處理下土壤容重最低。

SSSi、SZGm、SZZm、SZSt、SZLb、SZSb、SZAh見表1。不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P<0.05)。圖1 不同處理下的土壤容重Fig.1 Soil bulk density under different treatments

2.1.2 土壤水穩性團聚體的粒徑分布 圖2顯示，0～10.0 cm和10.1～20.0 cm土層中各粒級團聚體占比變化趨勢一致：占比隨團聚體粒徑減小而降低。在0～10.0 cm土層，各處理下粒徑>2.000 mm土壤水穩性團聚體占比為42.98%～53.26%，在SZSb處理下的占比最低，在SZSt處理下的占比最高；粒徑為1.001～2.000 mm的土壤水穩性團聚體占比26.72%～32.72%，在SZSt處理下的占比最低，在SZSb處理下的占比最高；粒徑為0.501～1.000 mm的土壤水穩性團聚體占比9.90%～16.09%，在SZAh處理下的占比最低，在SZSb處理下的占比最高；粒徑為0.251～0.500 mm的土壤水穩性團聚體占比6.16%～7.86%，在SSSi處理下的占比最低，在SZZm處理下的占比最高；粒徑為0.100～0.250 mm的土壤水穩性團聚體占比0.22%～4.67%，在SSSi處理下的占比最低，在SZZm處理下的占比最高。在10.1～20.0 cm土層，各處理中粒徑>2.000 mm的土壤水穩性團聚體占比為41.78%～52.55%，在SZSb處理下的占比最低，在SZLb處理下的占比最高；SZSb處理中粒徑為1.001～2.000 mm、0.501～1.000 mm、0.251～0.500 mm的土壤水穩性團聚體占比均最高，分別為32.94%、15.17%、8.13%；粒徑為1.001～2.000 mm的土壤水穩性團聚體在SZSt處理中占比最低，為26.61%；粒徑為0.501～1.000 mm的土壤水穩性團聚體在SZLb處理中占比最低，為11.45%；粒徑為0.251～0.500 mm、0.100～0.250 mm的土壤水穩性團聚體在SSSi處理中占比最低，為6.70%、0.17%；粒徑為0.100～0.250 mm的土壤水穩性團聚體在SZGm處理中占比最高，為5.51%。

SSSi、SZGm、SZZm、SZSt、SZLb、SZSb、SZAh見表1。圖2 不同處理土壤團聚體粒級分布Fig.2 Particle size distribution of soil aggregates under different treatments

2.1.3 土壤水穩性團聚體組成及穩定性 可用平均質量直徑(MWD)反映土壤水穩性團聚體穩定性，MWD越大，代表土壤團聚體的團聚度越高，該土壤越穩定[15-16]。表2顯示，同一處理10.1～20.0 cm土層的MWD均大于0～10.0 cm土層。0～10.0 cm土層中，MWD由大到小為：SZGm>SZZm>SSSi、SZSb>SZAh>SZLb、SZSt；10.1～20.0 cm土層中，MWD由大到小為：SZGm>SZZm>SZSb>SSSi>SZAh、SZSt>SZLb。在0～10.0 cm、10.1～20.0 cm分層土壤中，SZGm處理下的MWD值最大，且與其他處理差異顯著，說明SZGm處理下土壤穩定性最優，SZSt、SZLb處理下土壤穩定性差，猜測塊莖、塊根類作物可降低土壤團聚體穩定性。

2.2 谷子不同輪作模式對土壤基礎肥力的影響

2.2.1 土壤養分 表3顯示，不同處理下土壤全氮含量、堿解氮含量、速效磷含量、速效鉀含量、有機質含量、pH與初始土樣相比均發生改變。土壤全氮、有機質含量均提高，增幅達30.3%～59.6%、96.4%～139.0%，SSSi處理下全氮、有機質含量最高，SZGm處理下全氮含量最低，SZAh、SZLb處理下有機質含量最低；不同處理下土壤均為堿性狀態，SSSi、SZZm處理下土壤pH與初始土壤相比呈降低趨勢；SZGm、SZLb、SZZm、SSSi處理下堿解氮含量升高，SZAh、SZSt處理下降低，SZZm處理下堿解氮含量最高，SZAh處理下堿解氮含量最低；SZGm、SSSi、SZSb、SZAh處理下速效磷含量升高，增幅為0.9%～56.5%，SZLb、SZSt、SZZm處理下速效磷含量降低，降幅為13.9%～26.2%；SSSi處理下的速效鉀含量變化不明顯，其他處理下的速效鉀含量均明顯降低，降幅為16.9%～26.8%，SZLb處理下的速效鉀含量最低。

表2 不同處理土壤水穩性團聚體組成特征

表3 不同處理土壤養分含量

2.2.2 土壤酶活性 不同種植模式會影響土壤酶活性。過氧化氫酶可催化土壤中的過氧化氫分解為水和氧氣，是一種與土壤呼吸作用相關的酶；同時可以分解土壤中的有害自由基，與自凈能力有關。表4顯示，不同處理下過氧化氫酶活性從大到小為：SZZm>SZGm>SZAh>SZSb>SSSi>SZLb>SZSt，說明SZZm處理下土壤呼吸強度高，自凈能力強，SZSt處理下最差。堿性磷酸酶在磷轉化方面發揮著重要作用，可以加速有機磷的脫磷速度，該酶主要由土壤細菌分泌，可將土壤中的有機磷水解為可供植物利用的無機磷[17]，不同處理下堿性磷酸酶活性由大到小為：SZSb>SZGm>SZLb、SZZm>SZSt>SSSi、SZAh。

脲酶可以分解土壤中的含氮化合物，是速效氮的主要來源，脲酶活性是評價土壤酶活性和肥力的重要指標，不同處理下土壤中脲酶活性大小順序依次為：SZZm>SSSi>SZAh>SZLb>SZGm>SZSb>SZSt，SZZm處理下脲酶活性最高，比脲酶活性最低的SZSt處理高31.0%，其他5個處理間差異不顯著。

纖維素酶可由土壤真菌、細菌和放線菌分泌產生，能夠降解秸稈中的纖維素，將養分釋放到土壤中[18]。不同處理下土壤中纖維素酶活性由大到小為：SZSt>SZLb>SZAh>SSSi>SZZm>SZGm>SZSb，SZSt處理下纖維素酶活性最大，比酶活性最低的SZSb處理高47.8%。

轉化酶又稱蔗糖酶，能夠促進蔗糖生成葡萄糖和果糖，可以促進土壤熟化，增加土壤中的速效養分[19]。不同處理下土壤中蔗糖酶活性由大到小為：SZLb>SZZm、SZAh>SZSb>SSSi>SZSt、SZGm，SZLb處理下蔗糖酶活性最高，比活性最低的SZGm、SZSt處理高35.3%。

蛋白酶可將土壤中蛋白質和含氮化合物分解為植物可以直接吸收利用的氨基酸或活性氮[20]。不同處理下土壤中蛋白酶活性由大到小為：SZLb>SZSt>SZZm>SSSi>SZGm>SZSb>SZAh，SZLb處理下蛋白酶活性最高，且與其他處理差異顯著，比酶活性最低的SZAh處理高174.2%。

表4 不同處理土壤酶活性

2.3 谷子不同輪作模式對細菌群落結構的影響

2.3.1 土壤細菌組成 圖3顯示，不同處理的土壤具有相似的細菌組成，但是比例上存在一定差異。其中相對豐度大于1.00%的有6個門類，分別是Proteobacteria、Actinobacteria、Chloroflexi、Acidobacteria、Bacteroidetes和Gemmatimonadetes，6個門的豐度占總豐度的94.50%～96.70%。其中，Proteobacteria、Actinobacteria為優勢菌門，在各處理中占比達64.20%～74.10%。與SSSi處理相比，SZLb、SZSt處理中Proteobacteria的相對豐度加，分別增加了2.30%、1.60%，其他處理中Proteobacteria的相對豐度降低，降低了3.60%～17.20%。與SSSi處理相比，SZSt、SZSb、SZAh、SZGm處理中Actinobacteria的相對豐度增加了3.98%～30.70%，SZLb、SZZm處理中Actinobacteria的相對豐度降低了7.50%、6.30%。另外，Nitrospirae、Verrucomicrobia、Patescibacteria、Rokubacteria是另外4個主要的門(至少在一個處理中的相對豐度大于0.50%)。

SSSi、SZGm、SZZm、SZSt、SZLb、SZSb、SZAh見表1。圖3 不同處理土壤細菌門水平的相對豐度Fig.3 Relative abundance of soil bacteria at phyla level in different treatments

不同處理土壤細菌屬水平群落結構分析結果(圖4、圖5)表明，7種輪作模式聚類圖沒有明顯分支，說明土壤微生物結構相似，但是比例上存在差異。相對豐度大于1.00%或至少在1個處理中的相對豐度大于1.00%的優勢屬有27個，7個處理共有的優勢屬有9種，分別為Subgroup_6占比4.5%～8.1%，BIrii41占比約1.9%～3.9%，KD4-96占比1.8%～3.4%，Sphingomonas占比1.8%～3.4%，MND1占比1.3%～3.6%，Blastococcus占比1.5%～2.4%，RB41占比1.0%～2.2%，Nocardioides占比1.0%～2.1%，Haliangium占比1.0%～1.3%。TRA3-20、IMCC26256為SZGm處理特有的屬，Acidibacter、CCD24為SZZm處理特有的屬，Micromonospora為SZAh處理特有的屬，剩余13屬為2個或多個處理的共有屬。聚類分析結果(圖5)表明，SZLb、SZSb處理與SSSi處理距離最遠，說明這2個處理對于細菌群落的影響大于其他處理，SZAh處理與SSSi處理距離最近，說明這2個處理的細菌組成最相似。

SSSi、SZGm、SZZm、SZSt、SZLb、SZSb、SZAh見表1。圖4 不同處理土壤細菌屬水平相對豐度的比較(前20)Fig.4 Comparison of relative abundance of soil bacteria at genus level in different treatments (top 20)

SSSi、SZGm、SZZm、SZSt、SZLb、SZSb、SZAh見表1。圖5 不同輪作模式聚類分析Fig.5 Hierarchical clustering analysis of different crop rotation patterns

2.3.2 土壤細菌多樣性 各處理的Chao1指數(豐富度)間沒有顯著差異，與SSSi處理相比，其他6個處理的Chao1指數均有所提高；與SSSi處理相比，其他6個處理的香濃指數均降低；各處理的辛普森指數間沒有顯著差異(表5)。綜合3個指數可推斷，與連作相比，輪作會改變土壤微生物群落結構：物種種類(豐富度)增多，而物種多樣性降低，更利于無優勢種群的生存。

表5 不同處理土壤細菌多樣性指數

2.4 土壤養分與細菌優勢屬的相關性分析

表6顯示，蛋白酶活性是影響土壤細菌群落最主要的因子。過氧化氫酶活性與Devosia呈顯著負相關(P<0.05)；堿性磷酸酶活性與Gitt-GS-136呈顯著正相關(P<0.05)；纖維素酶活性與Altererythrobacter呈顯著正相關(P<0.05)；轉化酶活性與Haliangium呈顯著正相關(P<0.05)；蛋白酶活性與Blastococcus呈極顯著負相關(P<0.01)，與Lysobacter呈極顯著正相關(P<0.01)；堿解氮含量與MND1、Nitrospira、TRA3-20、CCD24呈顯著正相關(P<0.05)，與Actinoplanes呈顯著負相關(P<0.05)；速效磷、速效鉀含量與Sphingomonas呈顯著正相關(P<0.05)。

2.5 谷子不同輪作模式對土壤物理、肥力指標影響的綜合分析

2.5.1 土壤相關指標選取與主成分分析結果 選取具有代表性的土壤相關因子，包括：物理結構(土壤容重、10.1～20.0 cm的MWD)、土壤養分(全氮、堿解氮、速效磷、速效鉀、有機質)含量及土壤酶(過氧化氫酶、堿性磷酸酶、脲酶、纖維素酶、轉化酶、蛋白酶)活性，共13個指標作為主成分分析的評價指標。為使選取因子在數量級和量綱上達到一致，需對原始數據進行標準化處理，然后對土壤物理、養分指標進行相關性分析。

谷子土壤相關指標主成分分析結果(表7)表明，從13個因子中提取出5個主成分且5個主成分累積貢獻率高達98.076%，即5個主成分可包含原有信息的98.076%，符合分析要求，所以這5個主成分可以代表谷子土壤相關指標進行分析。

表6 土壤肥力指標與優勢屬之間的相關性分析

2.5.2 不同處理谷子土壤物理、肥力綜合排名 綜合分析土壤理化性質等相關指標，得分最高的為SZZm處理(表8)，其次為SSSi處理，得分最低的為SZSt處理。認為谷子-玉米-玉米(糯)-谷子輪作模式可以使土壤環境保持最優。

3 討論

土壤肥力對農作物生長發育至關重要[21-26]，合理輪作可以提高土壤養分含量，改善土壤結構[271]。本研究結果表明，合理的輪作可降低土壤容重，增強土壤團聚體穩定性(塊根、塊莖類作物除外)；谷子連作降低了土壤pH，使土壤趨于酸化，這與牛倩云等[28]、徐寧等[29]的研究結果一致；谷子連作模式下，土壤中速效磷、速效鉀、有機質含量均居于首位，袁洪超等[30]在當歸連作研究中得到類似結論。這可能與不同種植模式作物對養分的需求不同有關。

表7 主成分特征值與貢獻率

表8 不同輪作模式因子得分與綜合排名

土壤酶是作物根系和微生物產生的一類蛋白質代謝產物，參與土壤的各種生化反應。有研究認為，合理輪作有利于提高土壤酶活性[31-32]。本研究中，馬鈴薯輪作模式的過氧化氫酶、脲酶活性最低；谷子連作模式、花生輪作模式堿性磷酸酶活性最低；高粱輪作模式纖維素酶活性最低。總體來講，合理的輪作有利于提高土壤酶活性，不合理的輪作會降低土壤酶活性。本試驗中7種輪作模式的土壤酶活性沒有明顯規律，可能與試驗地常年施用有機肥以及試驗周期較短(4年)、連作障礙不明顯有關。

谷子連作模式的土壤細菌豐富度指數最低，但是其多樣性指數最高，推測與土壤酸化有關，該條件下更利于優勢菌的生存。聚類分析結果表明，不同輪作模式細菌群落結構組成基本相同，但在比例上有所差異，推測土壤細菌對于環境變化較不敏感，前人在番茄上得到類似結論[33]。

4 結論

為了篩選出適宜晉東南地區谷子最佳的輪作作物，使土壤保持健康生態環境,本研究通過主成分分析法可知，不同作物與谷子輪作的綜合得分順序為SZZm>SSSi>SZSb>SZGm>SZLb>SZAh>SZSt。其中，輪作玉米(糯)得分最高，其次依次為谷子連作、輪作高粱、輪作大豆，且四者得分均為正值，說明輪作玉米(糯)、高粱、大豆以及連作谷子可使谷子土壤保持較健康的水平。輪作馬鈴薯、花生、甘薯三者得分為負值，說明這3種輪作方式降低了土壤質量。由此可知，不同輪作模式會影響土壤的質量，且長時間連作會產生連作障礙，玉米(糯)是較為適宜晉東南武鄉地區避免谷子連作障礙的理想作物。