玉米一大豆輪作對蘇打鹽堿作物根際土壤微生物群落結構和功能的影響

中圖分類號：S344.1;S513.04 文獻標志碼：A 文章編號：1002-1302（2025）14-0264-07

土壤微生物在土壤生態系統運行過程中發揮著重要作用，影響著土壤生態循環的結構、功能及過程，是土壤生態系統的操控者，它們通過參與有機質的分解、腐殖質合成、養分循環、土傳病原菌的傳播與控制等物質循環和能量流動來維持土壤生產力，促進或抑制植物的生長發育[1-3]。根際土壤直接提供養分供給植物，根際微生物是受植物影響最大的土壤微生物群體，可稱為植物的第二基因組，與植物生命息息相關[4]。根際微生物能夠在根際環境中直接與植物形成共生、寄生和腐生關系，參與植物生長過程中所需營養物質的分解和合成，促進植物生長，分泌有益或有害物質，達到生防或致病效果，并產生植物－土壤-微生物互作效應。有研究發現，土壤微生物的群落結構特征受到環境[5]、土壤理化特性[6、土壤背景組成[7]和植物發育階段等多種因素的影響[8]。黑龍江省西部半干旱蘇打鹽堿地區的農業種植結構相對單一，玉米、大豆連作區域面積較大，玉米、大豆輪作種植面積相對較少。在連作種植制度下，作物根系分泌物的積累會直接影響微生物的群落結構及功能，連作相較于輪作可改變真菌組成，其中大豆連作可直接增加根際病原菌數量[9-10]。因此，探究黑龍江省西部蘇打鹽堿地大豆、玉米連作及輪作種植制度背景下根際土壤微生物群落結構特征及土壤微生物的功能，可為王壤微生物區系分布研究、功能微生物的挖掘及定植、土壤的生物改良、土壤可持續有效利用等研究提供參考。

1材料與方法

1.1 試驗地概況

采樣地位于市中心東北部紅旗泡育種基地（地理坐標為 125^°03^′～125^°14^′E，46^°32～46^°41^′N） ，屬中溫帶大陸性季風氣候區，年平均氣溫 有效積溫 2800^°C ，年平均降水量 440mm ，蒸發量1733.1mm ，土壤類型為碳酸鹽黑鈣土。

1.2 試驗方法

1.2.1試驗設計樣本采集地為連續5年開展玉米連作種植（YY）、大豆連作種植（DD）、玉米一大豆輪作種植（當季大豆）（DY）的試驗區，地上作物參照常規田間管理措施，試驗區面積為 667m² 。于2023年作物開花期（8月15日）進行土壤樣品的采集，按“S”形選擇3個取樣點，對土壤樣品進行采集、混合、除雜后裝無菌袋，于 4‰ 低溫保存。采集的一部分根際土壤用于細菌16SrRNA V3～V4 真菌ITSrRNAITS1～ITS2Illumina高通量測序，另一部分于 0～20cm 深度采集的土壤用于室內土壤理化性質的分析。

1.2.2試驗方法作物根際土壤樣品的采集采用抖落法，挖取作物根部水平 5cm 半徑范圍、深度20cm 的土壤，去掉根際周邊多余的土壤，僅保留根部附著的土壤，將其抖落到準備好的無菌 2mL 離心管中，置于4 C 冰盒中并郵寄到生工生物工程（上海）股份有限公司進行擴增子測序。土壤理化指標[堿解氮（AN）含量、有效磷（AP）含量、速效鉀（AK）含量、有機質（SOC）含量、pH值、電導率（EC）]的測定均參照鮑士旦的方法[]。

土壤樣品DNA 的提取使用 E.Z.N.A °ledast Mag -BindSoilDNAKit（OMEGA公司），細菌16SrRNAV3～V4 區域的PCR擴增使用特異性引物 F（5^′-CC TACGGGGNGGCWGCAG- 3^′ ）和R（ 5^′ -GACTAHVGGGTATCTAATCC-3'），真菌ITSrRNAITS1 ～ ITS2區域的擴增使用引物F（ 5^′ -CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3'和R（ 5^′ -GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3^′ ）。

2 結果與分析

2.1土壤樣本的基本性質

由表1可知，在不同種植制度下，土壤電導率無顯著差異，而堿解氮（AN）、有效磷（AP）、速效鉀（AK）、有機質（SOC）含量存在顯著差異，其中AN含量表現為DY處理 gt;DD 處理 gt;YY 處理，AP含量表現為DD處理 處理 gt;YY 處理，AK含量表現為DY處理 gt; DD處理 gt;YY 處理，SOC含量表現為DY處理最高，且與DD、YY處理差異顯著。

表1不同種植制度下土壤理化性質

注：同列數據后標有不同小寫字母表示差異顯著（ ?^Plt;0.05 。

2.2土壤樣本微生物的覆蓋度

由表2可知，在大豆連作、玉米連作、玉米一大豆輪作種植方式下，土壤樣本的細菌序列覆蓋度為99.23% ，其中真菌序列覆蓋度達到 100.00% ，說明測序深度合理，測出的序列基本或完全覆蓋土壤細菌、真菌物種。

2.3樣本中土壤細菌的多樣性及相對豐度

由圖1可知，玉米一大豆輪作處理的Shannon值最大，Simpson值最小，說明玉米一大豆輪作處理的土壤細菌群落多樣性顯著高于大豆連作、玉米連作（ Plt;0.05 ），玉米連作的土壤細菌多樣性最低。

表2土壤樣本微生物的cDNA文庫覆蓋度

由圖2可知，在大豆連作處理下，細菌的數量最多，與玉米一大豆輪作處理的細菌相對豐度差異不顯著，與玉米連作土壤的細菌數量差異顯著（ Plt;0.05 ）。

圖2不同種植制度下土壤細菌的豐度指數

對不同種植制度下土壤細菌16SrRNAV3～V4Illumina的高通量測序結果及操作分類單元（OTU）聚類分析結果進行分析可知，在門分類水平下，大豆連作、玉米連作，玉米一大豆輪作土壤中細菌相對豐度由高到低排序為變形菌門（Proteobacteria，29. 35% ～29. 82% ）、酸桿菌門（Acidobacteria，25.32%～28.75% ）、擬桿菌門（Bacteroidetes，7.52%～9.28% ）、疣微菌門（Verrucomicrobiota，3.29%～5.06% ）、放線菌（Actinobacteriota，3. 93% ～6.05% ）、芽單胞菌門（Gemmatimonadota， 3.57% ～3.81% ）、綠彎菌門（Chloroflexi， 1.70%～3.00% ）、浮霉菌門（Planctomycetes， 2.67%～3.07% ）、厚壁菌門（Firmicutes， 1.14%～1.27% ）、硝化螺旋菌門（Nitrospirae，1. 15%～1 ： 77% ）、裝甲菌門（Amatimonadetes， 0. 67%～1. 24% ）、未分類菌門（unclassified， 9.63%～10.1% ）等菌門（圖3）。3種種植制度下的優勢菌門為變形菌門、酸桿菌門、擬桿菌門，其中變形菌門在大豆連作、玉米連作及玉米一大豆輪作處理間的相對豐度無顯著差異，酸桿菌門在玉米一大豆輪作處理下的相對豐度高于大豆連作、玉米連作。屬分類水平的分析結果顯示，在大豆連作、玉米連作，玉米一大豆輪作土壤中，細菌 Gp6（11.28%～12.8% ） .Gp4（6.46%～8.83% ）及鞘脂單胞菌屬（Sphingomonas， 5.00%～5.68% ）為優勢菌群， Gp6，Gp4 為酸桿菌的2個亞群，鞘脂單胞菌屬隸屬于 ∝ -變形菌綱（圖4）。

2.4樣本中土壤的真菌多樣性及相對豐度

由圖5可知，玉米連作處理下的真菌Shannon指數最大，Simpson指數最小，說明玉米連作處理下的真菌群落多樣性最高；該處理的真菌Shannon指數、Simpson指數與大豆連作、玉米一大豆輪作處理的Shannon、Simpson指數間差異顯著（ Plt;0.05） ；玉米一大豆輪作處理的群落多樣性最低。

由圖6可知，基于Chao、Ace指數的玉米連作土壤中真菌的相對豐度最高，與玉米一大豆輪作處理間的差異不顯著，與大豆連作處理土壤的真菌相對豐度差異顯著（ Plt;0.05 ），說明大豆連作處理的土壤真菌相對豐度較低。

對不同種植制度下土壤真菌的ITSrRNAITS1～ITS2Illumina高通量測序結果及OTU聚類分析結果進行分析發現，在大豆連作、玉米連作、玉米一大豆輪作處理下，門分類水平的真菌相對豐度由高到低排序為子囊菌門（Ascomycota， 18.97%～84.67% ）、擔子菌門（Basidiomycota， 2.74%～70.31% ）、被孢霉菌門（Mortierellomycota .4.16%～16.88% ）、球囊菌門（Glomeromycota， 0.55%～1.44% ）、羅茲菌門（Rozellomycota，O. 12%～0 ： 96% ）、壺菌門（Chytridiomycota，0 .12%～0.96% ）、芽枝霉菌門（Basidiobolomycota， 0.003%～0.01% ）未分類真菌門（unclassified-fungi， 3.43%～6.42% ）（圖7）。3種種植制度下的優勢菌門為子囊菌門、擔子菌門、被孢霉菌門，其中子囊菌門、擔子菌門、被孢霉菌門在不同種植制度之間相對豐度的變化較大。在玉米連作處理下，子囊菌門的相對豐度最高，達84.67% ；在玉米一大豆輪作處理下，擔子菌門相對豐度最高，達 70.31% ；在大豆連作處理下，被孢霉菌門相對豐度最高，達 16.88% 。在3種種植制度下，優勢菌群的相對豐度差異顯著。在屬分類水平下，不同種植制度間的優勢菌群差異較大，其中玉米一大豆輪作處理的根際土壤優勢菌群為糞銹傘科（Bolbitiacea，51. 65% ）、伏革菌科（Corticiaceae，17.04% ）、毛殼科（Chaetomiaceae， 3.03% ），大豆連作處理的根際土壤優勢菌群為未分類－膠瑚菌目（unclassified_Tremellodendropsidales，46. 85% ）、未分類-被孢霉目（unclassified_Mortierellales，15.35% ）、毛球殼科（Asiosphaeriaceae， 10.16% ），玉米連作處理的根際土壤優勢菌群為羊蚊霉科（Amniculicolaceae，30. 03% ）、盤菌科（Pezizaceae，17.78% ）叢赤殼科（Nectriaceae， 11.30% ）（圖8）。

Shannon、Simpson為微生物多樣性指數；Shannon數值越大，說明群落多樣性越高，Simpson數值越大，說明群落多樣性越低，反之越高

圖6不同種植制度下土壤真菌的豐度指數

2.5土壤樣本細菌功能的預測分析

基于直系同源基因簇（clustersoforthologousgroups，COG）數據庫，利用PICRUSt2開展細菌功能預測分析。由圖9可知，在不同種植制度下，所有根際土壤的細菌功能基因可歸為23個功能亞類，相對豐度由高到低排序如下：僅常規功能預測（ 11.69% ～11.82% ），氨基酸運輸和代謝（ 9.43%～9.63% ），翻譯、核糖體結構與生物發生 （7.29%～7.59% ），細胞壁、膜及包膜生物發生 （6.94%～7.15% ），未知功能 （6.77%～7.17% ），碳水化合物運輸和代謝（5.46%～5.68% ），轉錄 （5.65%～5.79% ），復制、重組和修復 （4.5%～4.59% ），無機離子的運輸和代謝 （4.43%～4.60% ）等。

2.6土壤樣本真菌功能的預測分析

利用FUNGuild對不同種植制度下根際土壤的真菌群落功能進行分類分析預測，共發現7種營養類型，包括病理-腐生-共生過渡型（pathotroph-saprotroph-symbiotroph）、腐生營養型（saprotroph）腐生-共生過渡型（saprotroph-symbiotroph）病理-腐生過渡型（pathotroph－saprotroph）、共生營養型（symbiotroph）、病理營養型（pathotroph）、病理－共生過渡型（pathotroph－symbiotroph）、未定義（unassigned）（圖10）。本研究結果顯示，在不同種植制度下，土壤真菌的主要功能類群為病理-腐生-共生過渡型、腐生營養型、腐生-共生過渡型

3討論與結論

3.1不同種植制度下微生物群落結構多樣性的變化

微生物群落結構和多樣性的分析能夠較為準確地反映微生物區系的分布及菌群豐度，從而指導微生物群落功能的定向調控。研究發現，在長期相似的農業管理操作下，利用不同類型的土壤可能具有某些共同的環境特征，如土壤pH值、濕度、有機質含量、養分狀況等，從而降低了環境異質性[]本研究結果顯示，玉米一大豆輪作的細菌多樣性相比大豆連作、玉米連作有所增加，玉米一大豆輪作與玉米連作的細菌相對豐度顯著高于大豆連作，這個結論與前人的研究結果[12有一致，也有不同。玉米連作處理的真菌多樣性顯著高于大豆連作與玉米一大豆輪作，玉米連作與玉米一大豆輪作處理的真菌豐富度差異不顯著，但顯著高于大豆連作。玉米一大豆輪作處理的土壤細菌多樣性呈現增加趨勢，土壤真菌的多樣性呈現降低趨勢，不同種植制度間的微生物相對豐度的變化也較大。

圖10真菌營養類型預測的相對豐度

3.2不同種植制度下微生物群落組成及相對豐度的變化

通過對不同種植制度下土壤微生物群落結構和組成的高通量測序，發現在門分類水平下共檢測出細菌門14個，真菌門7個。不同種植制度間具有特定的微生物群落，從門水平分類可見，細菌的群落組成結構基本一致，優勢菌群都為變形菌門，酸桿菌門、擬桿菌門的相對豐度差異不顯著，其次為放線菌門、疣微菌門、芽單胞菌門、綠彎菌門、浮霉菌門、厚壁菌門。該結果與以往的研究結果[12-14]相似，區別是本研究中耕地土壤中疣微菌門的相對豐度僅次于放線菌門，該菌門在灘涂土壤中為優勢菌門[15]，這可能與本研究中土壤樣品的采集地為蘇打鹽堿區相關。在大豆連作、玉米連作條件下，玉米一大豆輪作處理的變形菌門相對豐度最大，變形菌門喜好營養豐富的土壤環境，生長速度快，并能夠抑制疾病的發生[]；在玉米連作處理下，玉米一大豆輪作處理的酸桿菌門相對豐度達 28% 以上。有研究發現，酸桿菌豐度受到土壤 pH 值的調節，具有降解植物病殘體多聚物及參與鐵循環、光合、反硝化能力[17]，對穩定生態系統發揮著重要作用[18-19]。本研究結果顯示，酸桿菌門隸屬于酸桿菌亞群 _Gp6，Gp4 的豐度含量與前人研究得出的東北黑土農田中酸桿菌主要為Gp1（30. 07% ）、Gp6（29.47% ）和 6p4（20.12% ）的結果一致。但是，本研究土壤中菌群的相對豐度較低[17]。真菌界中子囊菌門、擔子菌門、被孢霉菌門為優勢菌門，在玉米連作處理下，子囊菌門的相對豐度顯著高于大豆連作、玉米一大豆輪作，這與前人的研究結果[12]一致。子囊菌為腐生菌，可引起動植物殘體的霉爛、分解，子囊菌門的增加可能增加了作物患病的風險[20]。在大豆連作背景下，玉米一大豆輪作處理的擔子菌門的相對豐度顯著增加高于玉米連作（ Plt;0.05） 。擔子菌可降解木質素，在土壤質量較好的環境中數量較多，說明在大豆連作背景下，玉米一大豆輪作處理可能會增加土壤有益真菌的數量。在不同種植制度間，屬水平的真菌相對豐度差異較大，玉來一大豆輪作處理下擔子菌門中的糞銹傘科為優勢菌群；在玉米連作處理下，隸屬于子囊菌門的羊蚊霉科為優勢菌群；在大豆連作處理下，隸屬于擔子菌門的未分類－膠瑚菌為優勢菌群。有研究發現，作物的不同種植過程也是土壤中微生物的動態演替過程，通常出現土壤中的微生物數量降低、細菌數量減少、真菌數量增加的現象[21]，從本研究結果可見，種植制度對作物根際真菌相對豐度的影響較大。

3.3不同種植制度下微生物功能的變化

用PICRUSt2、COG數據庫進行對比，可預測不同種植制度下細菌的功能，細菌功能在一定程度上可反映土壤肥力的大小。通過歸類分析不同種植制度可知，細菌功能主要集中在氨基酸的運輸和代謝，翻譯、核糖體結構與生物發生，細胞壁、膜及包膜生物發生，碳水化合物運輸和代謝，轉錄，復制、重組和修復，無機離子的運輸和代謝等。研究發現，在大豆連作、玉米連作、玉米一大豆輪作處理下，各功能細菌群的相對豐度無顯著差異。通過FUNGuild對不同種植制度下根際土壤營養型真菌群落功能進行分類分析發現，玉米一大豆輪作處理下的病理-腐生-共生過渡型營養型真菌功能發生顯著變化，數量占比最高，這與前人對烤煙根際土壤真菌功能預測結果（病理-腐生-共生過渡型占比最大）的結果[22]一致。同時，本研究發現，在玉米一大豆輪作處理下，腐生營養型、腐生-共生過渡型營養型真菌數量顯著減少。從研究結果可見，在不同種植制度下，真菌的主要功能類群為病理-腐生-共生過渡型、腐生營養型、腐生-共生過渡型。腐生菌具有分解有機質的功能，可促進植物更好地吸收土壤養分，從而促進植物生長[22]

本研究發現，在不同耕作制度下，玉米一大豆輪作處理地土壤細菌多樣性呈現增加趨勢，與玉米連作處理的相對豐度差異顯著；玉米連作處理的土壤真菌多樣性呈現增加趨勢，與大豆連作處理的真菌相對豐度差異顯著。從門水平分類結果可知，細菌界群落組成結構基本一致，優勢菌群都為變形菌門、酸桿菌門、擬桿菌門，不同種植制度間菌群相對豐度的差異不大，在真菌界中，子囊菌門、擔子菌門、被孢霉菌門為優勢菌門。在玉米連作處理下，子囊菌門的相對豐度增加明顯。細菌功能主要集中在氨基酸的運輸和代謝、翻譯、核糖體結構與生物發生、細胞壁、膜及包膜生物發生、碳水化合物運輸和代謝、無機離子的運輸和代謝方面。在不同種植制度間，各功能的細菌群相對豐度無明顯差異。真菌的主要功能類群為病理-腐生-共生過渡型、腐生營養型、腐生-共生過渡型。在玉米一大豆輪作處理下，病理-腐生-共生過渡型營養型真菌的數量占比最高。

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