種植年限對頭花蓼土壤微生物群落的影響

楊 玲,魏升華,杜富強,嚴福林,朱勛翠,安江勇

(1.貴州中醫藥大學藥學院,貴陽 550025;2.興黔科技發展有限公司,貴陽 550025)

【研究意義】頭花蓼(PolygonumcapitatumBuch.-Ham. ex D. Don)來源于蓼科植物頭花蓼干燥全草或地上部分[1],收載于2019年版《貴州省中藥材、民族藥材質量標準》[2],是貴州十大苗藥之一,為貴州省中藥材領域15個重點支持的道地特色中藥材品種之一。近年來,以頭花蓼為原料的多個中成藥(如熱淋清顆粒、寧泌泰膠囊和四季草顆粒等單、復方成藥)市場銷量較好,頭花蓼藥材原料需求逐年上升,種植面積隨之擴大。自2017年以來,貴州各地推廣種植頭花蓼約1333 hm2,藥材銷售收入約1.4億元。然而,連作障礙是當前限制頭花蓼產業發展的重要問題,連續種植3年的地塊所產的藥材質量及產量均有所下降;連續種植4年的地塊植株長勢較差,基本絕收。為滿足其市場需求,貴州頭花蓼種植區域自2000年以來已多次遷移。因此,研究頭花蓼連作障礙,探明頭花蓼發生連作障礙的原因,對頭花蓼產業的可持續發展具有重要意義?！厩叭搜芯窟M展】目前頭花蓼的連作障礙主要依靠遷移種植地的方式解決,治標不治本。對頭花蓼連作障礙機制的研究較少,前人對頭花蓼連作后土壤的理化性質和合理施肥等方面的研究已有文獻報道。劉燕等[3]檢測種植頭花蓼不同年限土壤的pH和有機質等理化性質發現,隨連作年限增加土壤營養狀況呈不同程度降低且出現酸化。何佳芳等[4]通過合理施肥以緩解頭花蓼的連作障礙問題,研究顯示,施用不同肥料可以促進莖的生長與植株分蘗,改善土壤微生物群落結構,增加了頭花蓼的產量與質量。劉勇等[5-7]的研究結果表明,頭花蓼植株及各部位浸提液、根際土壤浸提液、好氧與厭氧腐解液對其種子萌發及幼苗生長均有較強的化感自毒作用,并存在低促高抑現象,其中腐解液組均出現種子(胚)根芽傾倒、腐爛等癥狀。土壤作為植物吸收與代謝的中間樞紐,其中所含養分、微量元素等的變化主要由植物與微生物系統間相互作用引起,而土壤中微生物群落組成的變化也與土壤環境息息相關[8-9]。中藥材連作土壤的微生物間存在顯著差異。李茜等[10]發現,隨栽培年限增加,土壤中真菌、細菌及放線菌豐富度均逐年降低;同時,連作會減少土壤中的有益微生物而增加有害微生物,降低土壤微生物群落的多樣性,劉詩蓉等[11-12]發現,連茬次數的增加,使潛在致病細菌(如鐮刀菌屬真菌、果膠桿菌細菌等)豐度逐漸增加,而球囊菌門真菌作為該植物的有益真菌豐度逐漸降低,同時真菌與細菌多樣性均有所降低;結合植物生長生物量與代謝組學得出結論,連作還會導致中藥材的生長發育受到限制,產量降低[13-14]。【本研究切入點】關于頭花蓼連作障礙問題,前人多聚焦于連作土壤理化性質、酶活性,而對連作后土壤微生物群落的相關變化仍不清楚?！緮M解決的關鍵問題】本研究采用Illumina高通量測序技術對頭花蓼連作土壤進行微生物多樣性分析,探明不同種植年限頭花蓼土壤微生物(細菌和真菌)的群落組成及物種多樣性變化規律,以期從土壤微生物的角度分析造成頭花蓼連作障礙的原因。探明不同種植年限頭花蓼土壤的變化趨勢,以期從土壤微生物的角度探究其連作障礙機制,為貴州頭花蓼產業的可持續發展提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 土樣 采自貴陽市烏當區貴州興黔科技發展有限公司威門藥業種繁基地(106.874 44°E,26.793 61°N,海拔1178.87 m),于2021年11月21日對已采收頭花蓼地塊土壤進行采集。

1.1.2 試劑 DP812 DNA提取試劑盒由天根生化科技(北京)有限公司生產;KOD FX Neo Buffer由北京百靈克生物科技有限責任公司生產。

1.2 方法

1.2.1 土壤樣品采集 以頭花蓼和玉米輪作地塊土壤(CK)為對照,采用5點取樣法,分別采集頭花蓼連續種植2年(T2)、3年(T3)和4年(T4)的植株周圍15 cm的土壤,取樣后去除須根、殘枝,將5點土壤樣品混合均勻后,裝入無菌管低溫保存,每個處理3次重復。新鮮土樣均為黃色壤土,基本理化性質見表1。

表1 供試土壤的理化性質

1.2.2 DNA 提取和高通量測序 稱取0.5 g土壤,使用DNA提取試劑盒提取樣品總DNA,再進行PCR擴增,用1.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR擴增產物。使用細菌通用引物338F(5′-ACTCCTACGGGAGGCAGCA-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT-3′)對細菌16SrRNA V3～V4區進行PCR擴增,通用真菌引物ITS1(5′-TCCGTAGGTGAACCTGCGG-3′)和ITS2(5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′)對真菌ITS片段進行擴增[15]。擴增體系:5 μL KOD FX Neo Buffer,0.2 μL KOD FX Neo,正向引物0.3 μL(0.2 μmol/L),反向引物0.3 μL(2 μmol/L),2 μL dNTP,50 ng模板DNA,ddH2O補至10 μL。反應條件:95 ℃預變性5 min,95 ℃變性30 s,50 ℃退火30 s,72 ℃延伸40 s,共25個循環,72 ℃終延伸7 min。PCR擴增產物用1.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測。委托北京百邁客生物科技有限公司Illumina Novaseq平臺進行測序。

1.3 數據處理與分析

1.3.1 測序數據質量評估 首先使用Trimmomatic對原始數據進行質量過濾,然后使用Cutadapt進行引物序列的識別與去除,其后使用USEARCH對雙端reads進行拼接并去除嵌合體UCHIME最終得到高質量的序列用于后續分析。

1.3.2 OTU聚類分析 使用USEARCH在相似性97%的水平上對序列進行聚類,以測序所有序列數的0.005%作為閾值過濾OTUs。

1.3.3 Alpha指數分析 Alpha多樣性是指一個特定區域或者生態系統內的多樣性,常用的度量菌群豐度的指標有Chao豐富度估計量(Chao1 richness estimator)、Ace豐富度估計量(Ace richness estimator);度量菌群多樣性的指標有香農指數(Shannon wiener diversity index,種群多樣性指數)、辛普森指數(Simpson diversity index,物種均勻度指數)。使用QIIME2(https://qiime2.org/org/)分析軟件進行分析。

1.3.4 Beta多樣性分析 Beta多樣性分析用于分析時間、空間尺度上的物種組成變化。方法:基于binary jaccard、bray curtis和(un)weighted unifrac(限細菌)多種算法呈現物種多樣性矩陣。本研究主要運用主坐標分析(PCoA)與非加權組平均法(UPGMA)進行分析。

1.3.5 物種注釋及分類學分析 以UNITE為參考數據庫使用樸素貝葉斯分類器對特征序列進行分類學注釋,可得到每個特征對應的物種分類信息,進而在各水平(phylum,class,order,family,genus,species)統計各樣品群落組成,利用QIIME軟件生成不同分類水平上的物種豐度表,再繪制樣品各分類學水平下的群落結構圖。本研究僅展示門水平與屬水平下相對豐度變化;采用SPSS 26.0統計軟件對測序數據進行分析處理,組間比較采用t檢驗,以P<0.05 表示差異顯著。

2 結果與分析

2.1 連作種植頭花蓼根際土壤細菌的相對豐度與多樣性

2.1.1 土壤細菌DNA高通量測序數據質量評估 從表2可知,Illumina測序共獲得1599 095對序列。高質量序列數為79 571～79 802對,隨頭花蓼種植年限增加呈下降再趨于平穩趨勢;有效序列數為77 876～78 796對,隨頭花蓼種植年限增加呈先降后升再降趨勢;序列平均長度為420.2～424.4 bp,隨頭花蓼種植年限增加呈先降后升再降趨勢。各處理間高質量序列數、有效序列數和序列平均長度差異均不顯著。有效序列占比為97.47%～98.56%,均在97.00%以上,表明在當前測序深度下可以很好地揭示細菌群落的絕大部分物種。

表2 不同處理土壤細菌的高通量序列特征

2.1.2 土壤細菌OTU聚類分析 從圖1直觀看出4個處理間共有或特有的OTU數,4個處理共得到細菌OTU總數為1969,CK、T2、T3和T4的OTU數分別是1905、1925、1876和1877。其中,T2(連續種植2年)的OTU數最大,T4(連續種植4年)的OTU數最小。T3的OTU數下降且之后趨于平穩。表明,隨著頭花蓼種植年限的增加,細菌OTU數呈先增后減再趨于平穩趨勢。4個處理土壤細菌共有OTU數為1772,其特有OTU數分別是12、14、0和0。T2土壤特有細菌OTU數較CK增加16%,而在T3和T4則減少到零。綜合看,細菌OTU總數及其特有OTU數均隨頭花蓼種植年限的增加而減少。

圖1 不同處理土壤細菌的OTU聚類Fig.1 Soil bacteria OTU cluster with different treatments

2.1.3 土壤細菌的Alpha多樣性 Alpha多樣性分析可以有效反映單個樣品物種豐度及物種多樣性。Alpha多樣性分析結果(表3)表明,T2、T3和T4細菌群落種群豐富度指數中ACE指數分別為1620.30、1749.70和1787.22,分別較CK(1720.63)上升-6.19%、1.66%和3.73%;Chao1指數分別為1644.75、1770.32和1818.03,分別較CK(1739.37)上升-5.75%、1.75%和4.33%。辛普森指數分別為1.00、0.99、1.00和1.00,不同處理間幾乎無變化;香農指數分別為8.70、9.07和9.23,分別較CK(9.17)上升-5.43%、-1.03%和0.68%。綜合看,細菌群落物種豐富度與物種多樣性從連作2年開始逐漸增加。

表3 不同處理土壤細菌的Alpha多樣性指數

2.1.4 土壤細菌群落的聚類分析 從圖2看出,細菌群落CK與部分T2分別聚在兩端,T3、T4和部分T2聚為1支,與CK分別聚為2支。表明,CK與T2、T3、T4的細菌群落存在差異,且隨連作年限增加差異逐漸增大。主成分分析與聚類分析的結果相同,即隨連作年限增加,土壤微生物群落組成逐漸發生變化,T3與T4較相似,T2與上述差異相對較大。綜合看,細菌群落結構的相似度隨頭花蓼連作年限增加而逐漸降低。

圖2 細菌的UPGMA聚類和PcoA圖譜Fig.2 The UPGMA cluster and PcoA of bacteria

2.1.5 土壤細菌群落的組成 土壤細菌群落包括32門86綱184目276科440屬471種。從圖3看出,門水平下:前十大菌群依次為變形菌門(Proteobacteria,34.80%～40.80%)、酸桿菌門(Acidobacteria,24.20%～31.70%)、綠灣菌門(Chloroflexi,5.70%～9.40%)、芽單胞菌門(Gemmatimonadetes,3.50%～5.50%)、己科河菌門(Rokubacteria,3.40%～5.10%)、放線菌門(Actinobacteria,1.70%～3.80%)、擬桿菌門(Bacteroidetes,2.80%～4.60%)、匿桿菌門(Latescibacteria,1.80%～3.80%)、硝化螺旋菌門(Nitrospirae,1.70%～2.50%)和浮霉菌門(Planctomycetes,1.50%～2.60%)。其中,變形菌門(Proteobacteria)與酸桿菌門(Acidobacteria)為優勢菌群,總占比>64%以上。CK、T2、T3和T4的變形菌門占比分別為40.80%、40.20%、37.60%和34.80%,隨連作年限增加而顯著降低;酸桿菌門的占比分別24.20%、26.50%、31.70%和29.10%,隨連作年限增加而逐漸增加,T4略微降低。

A:1.變形菌門;2.酸桿菌門;3.綠灣菌門;4.芽單胞菌門;5.己科河菌門;6.放線菌門;7.擬桿菌門;8.匿桿菌門;9.硝化螺旋菌門;10.浮霉菌門。B:1.第6子群c型未培養的細菌;2.羅庫菌目o型未培養的細菌;3.芽單胞菌科f型未培養的細菌;4.NB1-j f型未培養的細菌;5.MND1;6.第117子群c型未培養的細菌;7.匿桿菌門p型未培養的細菌;8.硝化螺菌屬;9.黃色桿菌科f型未培養的細菌;10. δ變形菌門c型未培養的細菌。A:1.Proteobacteria;2.Acidobacteria;3.Chloroflexi;4.Gemmatimonadetes;5.Rokubacteria;6.Actinobacteria;7.Bacteroidetes;8.Latescibacteria;9.Nitrospirae;10.Planctomycetes.B.1.uncultured_bacterium_c_Subgroup_6;2.uncultured_bacterium_o_Rokubacteriales;3.uncultured_bacterium_f_Gemmatimonadaceae;4.uncultured_bacterium_o_NB1-j;5.MND1;6.uncultured_bacterium_c_Subgroup_17;7.uncultured_bacterium_p_Latescibacteria;8.Nitrospira;9.uncultured_bacterium_f_Xanthobacteraceae;10.uncultured_bacterium_c_Deltaproteobacteria.

屬水平下:前十大菌群分別為第6子群c型未培養的(uncultured_bacterium_c_Subgroup_6,10.66%～20.42%)、羅庫菌目o型未培養的(uncultured_bacterium_o_Rokubacteriales,2.84%～4.14%)、芽單胞菌科f型未培養的(uncultured_bacterium_f_Gemmatimonadaceae,2.78%～4.38%)、uncultured_bacterium_o_NB1-j(2.62%～3.92%)、MND1(1.10%～4.32%)、第117子群c型未培養的(uncultured_bacterium_c_Subgroup_17,2.42%～3.50%)、匿桿菌門p型未培養的(uncultured_bacterium_p_Latescibacteria,1.72%～3.32%)、硝化螺菌屬(Nitrospira,1.52%～2.46%)、黃色桿菌科f型未培養的細菌(uncultured_bacterium_f_Xanthobacteraceae,0.88%～4.40%)、δ變形菌門c型未培養的(uncultured_bacterium_c_Deltaproteobacteria,1.34%～2.22%)。其中,uncultured_bacterium_c_Subgroup_6的占比最大,CK、T2、T3和T4的占比分別為13.62%、10.66%、20.42%和18.50%,與T2相比,T3相對豐度顯著增加,T4略微降低。除uncultured_f_Gemmatimonadaceae外,其他屬幾乎均在T2(連作第2年)下降后呈再上升并保持穩定趨勢。

2.2 連作種植頭花蓼根際土壤真菌的相對豐度與多樣性

2.2.1 土壤真菌DNA高通量測序數據的質量評估 從表4看出,Illumina測序共獲得1594 194對序列。高質量序列數為73 755～82 168對,隨頭花蓼種植年限增加呈先升后降再升趨勢;有效序列數為72 607～81 067對,隨頭花蓼種植年限增加呈先升后降再升趨勢;序列平均長度為248.8～261.0 bp,隨頭花蓼種植年限增加呈先降后升趨勢。各處理間高質量序列數、有效序列數和序列平均長度差異均不顯著;有效序列占比為97.42%～98.23%,均在97.00%以上。表明,在當前測序深度下可以很好地揭示真菌群落的絕大部分物種。

表4 不同處理土壤真菌的高通量序列特征

2.2.2 土壤真菌OTU聚類分析 由圖4可知,4個處理共得到真菌OTU總數為4769,其中,CK、T2、T3和T4的OTU數分別是1172、1288、1084和1225,T2的OTU數最大,T3的OTU數最小;T4的OTU數較T3高。表明,隨頭花蓼種植年限增加,土壤真菌OTU數呈先增后減再增趨勢。4個處理土壤真菌共有OTU數為614,其特有OTU數分別是81、58、38和42。隨年限增加,各處理土壤特有真菌OTU序列較CK分別減少28%、53%和48%。綜合看,真菌OTU總數及其特有OTU數均隨頭花蓼種植年限增加而減少。

圖4 不同處理土壤真菌的OTU聚類Fig.4 OTU cluster of fungi in soil with different treatments

2.2.3 土壤真菌的Alpha多樣性 從表5看出,T2、T3和T4的真菌群落種群豐富度指數中ACE指數依次為635.00、568.60和612.89,分別較CK(887.38)下降39.74%、56.06%和44.79%;Chao1指數分別為647.00、575.18和614.05,與CK相比,分別較CK(715.61)下降10.61%、24.42%和16.54%。普森指數分別為0.95、0.92和0.96,分別較CK(0.96)上升-0.42%、-3.41%和0.26%;香農指數分別為6.67、6.20和6.54,與CK相比,分別較CK(6.52)上升2.32%、5.10%和0.37%。綜合看,真菌群落物種豐富度與物種多樣性隨頭花蓼種植年限增加呈先降后增趨勢,但總體呈降低趨勢。

表5 不同處理土壤真菌的Alpha多樣性指數

2.2.4 土壤真菌的群落聚類 從圖5看出,真菌群落CK與T3、T4分別聚為一支,T2分別分布于2分支,部分T2與T3、T4交織,表明,T2處于CK與其余處理的過渡段,隨連作年限增加而逐漸發生變化。主成分分析與聚類分析結果相同,隨連作年限增加,土壤微生物群落組成逐漸發生變化,T3與T4較相似,T2與其余處理差異相對較大。綜合看,真菌群落結構的相似度隨頭花蓼連作年限增加而逐漸降低。

圖5 不同處理土壤真菌的UPGMA聚類和PcoA圖譜Fig.5 The UPGMA cluster diagram and PcoA diagram of fungi with different treatments

2.2.5 土壤真菌的群落組成 從圖6看出,土壤真菌群落包括12門33綱81目170科351屬429種。門水平下,前十大菌群分別為子囊菌門(Ascomycota,42.90%～50.50%)、擔子菌門(Basidiomycota,18.90%～29.90%)、被孢霉門(Mortierellomycota,2.00%～14.00%)、球囊菌門(Glomeromycota,0.40%～7.40%)、壺菌門(Chytridiomycota,0.80%～6.10%)、羅茲菌門(Rozellomycota,0.80%～3.60%)、梳霉門(Kickxellomycota,0.00%～0.20%)、油壺菌門(Olpidiomycota,0.00%～0.10%)、蛙糞霉門(Basidiobolomycota,0.00%～0.20%)和捕蟲霉門(Zoopagomycota,0.00%～0.10%)。其中,子囊菌門與擔子菌門為優勢菌群,總占比在61%以上。CK、T2、T3和T4的子囊菌門占比分別為50.50%、42.90%、46.30%和46.00%,擔子菌門分別為26.90%、18.90%、29.80%和29.90%,二者相對豐度在T2后開始下降,再小幅度上升后趨于平穩;被孢霉門和壺菌門呈先增后減趨勢,T4時占比已經極小。

A:門水平下;1.子囊菌門;2.擔子菌門;3.被孢霉門;4.球囊菌門;5.壺菌門;6.羅茲菌門;7.梳霉門;8.油壺菌門;9.蛙糞霉門;10.捕蟲霉門。B:屬水平下;1.被孢霉屬;2.古根菌屬;3.鐮孢屬;4.曲霉屬;5.枝孢屬;6.紅菇屬;7.Tetracladium;8.淡紫紫孢菌屬;9.鏈格孢屬;10.多孢囊霉屬。A:Phylum level;1.Ascomycota;2.Basidiomycota;3.Mortierellomycota;4.Glomeromycota;5.Chytridiomycota;6.Rozellomycota;7.Kickxellomycota;8.Olpidiomycota;9.Basidiobolomycota;10.Zoopagomycota.B:Genus level;1.Mortierella;2.Archaeorhizomyces;3.Fusarium;4.Aspergillus;5.Cladosporium;6.Russula;7.Tetracladium;8.Purpureocillium;9.Alternaria;10.Diversispora.

屬水平下,前十大菌群分別為被孢霉屬(Mortierella,2.66%～14.30%)、古根菌屬(Archaeorhizomyces,2.48%～3.88%)、鐮孢屬(Fusarium,2.46%～3.62%)、曲霉屬(Aspergillus,2.04%～2.70%)、枝孢屬(Cladosporium,1.60%～2.94%)、紅菇屬(Russula,1.30%～2.36%)、四枝孢屬(Tetracladium,0.82%～2.26%)、淡紫紫孢菌屬(Purpureocillium,0.16%～3.72%)、鏈格孢屬(Alternaria,0.76%～1.00%)和多孢囊霉屬(Diversispora,0.00%～1.70%)。其中,CK、T2、T3和T4的被孢霉屬占比最大,分別為5.96%、14.30%、9.50%和2.66%,在T2后相對豐度急劇升高,后隨連作年限增加而逐漸降低。在T3和T4均出現多孢囊霉屬(Diversispora),且無顯著變化。除被孢菌屬外,其余屬真菌相對豐度均隨連作年限增加而減少或上下小幅度波動。

3 討 論

土壤微生物是土壤生態系統的重要組成部分,其多樣性和群落組成主要受植物物種與環境因子的變化影響。細菌和真菌是土壤中最主要的微生物,是土壤微生物多樣性的重要指標。華菊玲等[16]研究表明,連續種植可使土壤微生物的區系平衡遭到破壞。大量研究表明,土壤微生物與土壤生態系統相互作用、相互影響,特別是在連作情況下,其根際土壤微生物種群發生改變。肖春萍等[17]和殷繼忠等[18]分別對人參和大豆土壤微生物進行研究的結果顯示,細菌群落相對豐度均隨連作年限增加而降低,而真菌群落相對豐度增加。但在短期連作過程中,不同藥用植物的連作障礙程度及表現各不相同。張敏等[13]研究甘草連作土壤微生物群落變化規律發現,隨著種植年限增加,土壤細菌群落相對豐度增加,而真菌群落相對豐度降低,二者多樣性均呈下降趨勢,本研究結果與之相似。

本研究表明,連作頭花蓼地塊土壤細菌群落相對豐度排前三位的菌群分別為變形菌門、酸桿菌門與綠彎菌門。其中,變形菌門和酸桿菌門相對豐度遠高于綠彎菌門,故列為其細菌群落的優勢菌群。前人對廣藿香[19]、甘薯[20-21]及烤煙[22-23]等不同植物根際土壤微生物群落結構及多樣性研究發現,變形菌門、放線菌門、酸桿菌門和綠彎菌門為主要菌群,本研究結果與之相似。崔紀超等[21]認為,變形菌門是自然界最普遍的菌門,包含多種代謝種類的細菌,大多數營兼性或者專性厭氧及異養生活。在本研究中變形菌門隨連作年限的增加呈小幅度降低,可能是引起土壤板結的原因之一;而酸桿菌門細菌為嗜酸性菌,與土壤pH變化有緊密聯系[24],其相對豐度隨連作年限增加而增加,可能是土壤酸化的原因之一。屬水平下uncultured_bacterium_c_Subgroup_6相對豐度占比最大,且遠高于其他屬菌群,為優勢菌群,與連作第2年相比,第3年相對豐度顯著性增加,第4年略微降低。除uncultured_f_Gemmatimonadaceae外,其他屬幾乎均在連作第2年下降而后再上升并保持穩定。uncultured_bacterium_o_Rokubacteriales、uncultured_bacterium_f_Gemmatimonadaceae等菌群與Wang等[25]研究結果一致,其認為uncultured_d_bacterum_o_Rokobacteriales、uncultured_g_bacterum_f_Gemmatimonadaceae與uncultured_c_bacterum_c_Subgroup_6是造成不同樹種間細菌群落差異的主要原因,可能也是造成頭花蓼不同連作年限間細菌群落差異的主要因素。

在真菌門水平下,子囊菌門和擔子菌門為優勢菌群,與崔紀超等[21,26]對真菌群落研究結果一致,二者相對豐度在連作第2年后開始逐漸上升,但低于對照組。連作后變化與Gao等[26]研究甘薯連作中子囊菌門相對豐度變化相反,該研究表明連作會降低其相對豐度,可能會影響有機質的降解而降低土壤肥力。被孢霉門、壺菌門呈現先增加后降低趨勢,連作第4年時占比已經極小。屬水平上,與對照相比,被孢霉屬、枝孢屬在連作第3年開始相對豐度持續下降,而被孢霉屬為腐生真菌,被認為可以增加土壤養分有效性、提高酶活性以及緩解土壤酸化[27];古根菌屬、鐮刀菌屬、紅菇屬相對豐度在連作第2年增加,其中鐮刀菌屬真菌可以侵染多種植物而引起根腐病、莖腐病、腐敗病等多種腐爛病,同時會產生毒素使植株萎蔫甚至死亡[28],與前人研究頭花蓼枯萎病[29]與莖枯病[30]的結果一致。

連作破壞微生物的正常生長繁殖環境,同時根系分泌物的積累導致土壤碳氮循環失衡、土壤酸化及理化性質惡化[31]。相關研究表明,在連續種植情況下,植物生長過程中分泌的化感自毒物質會影響植株的生長與發育[32-33],同時根系分泌物也會使根際微生物群落重構,導致土壤理化性質發生改變,三者相互關聯、相互影響[34]。在連續種植單一物種條件下,其根系分泌物隨著植物的生長發育等生命活動被釋放到根際土壤中并逐漸累積,根際土壤理化性質也逐漸發生改變,進而使根際土壤微生物群落結構被改變,三者協同互作導致原有的植物-土壤-微生物平衡系統被打破,增強了根際病原菌的侵染能力,還加劇了植物化感自毒物質的釋放和土壤理化性質的劣變。如此惡性循環的變化使得土壤環境無法再適應作物的連續種植,便產生了較為嚴重的連作障礙現象。劉勇等[5-7]對頭花蓼植株及土壤浸提液的研究也驗證頭花蓼有較強的化感自毒作用,結合前期研究基礎與基地種植情況,連作頭花蓼采收后未去除植株殘留莖基會極大地影響頭花蓼種子萌發,并發生倒苗腐爛的現象,表明殘留莖基與連作土壤中的根系分泌物極大可能影響了土壤微生物群落結構與土壤理化性質,導致頭花蓼連作障礙的發生,進而影響頭花蓼種苗的后續生長與含量積累。后期進一步研究連作頭花蓼與其土壤理化性質、根系分泌物之間的關系,可為解決頭花蓼連作障礙問題提供理論基礎。

4 結 論

頭花蓼連作加大了其根際土壤微生物群落結構組成的差異,隨著連續種植年限增加,變形菌門細菌、被孢霉屬真菌等的相對豐度逐漸降低,而酸桿菌門細菌、鐮刀菌屬真菌等的相對豐度逐漸增加,可能是頭花蓼連作障礙發生的原因之一。