涂勇^1,2, 杨文钰^1,*, 刘卫国¹, 雍太文¹, 江连强³, 王小春^1
1四川农业大学农学院, 四川温江611130

²西昌学院农业科学学院, 四川西昌615013

³四川省凉山州烟草公司, 四川西昌615000

^* 通讯作者(Corresponding author): 杨文钰, E-mail: wenyu.yang@263.net 第一作者联系方式: E-mail: tuy-019@163.com
收稿日期:2015-03-19 基金:本研究由国家重点基础研究发展计划(973计划)项目(2011CB100402)资助

摘要为克服烟田连作障碍、提高烤烟产量和质量, 以大豆套作烤烟为种植模式, 调查大豆与烤烟不同套作年限下根际土壤三大类群微生物和与氮代谢相关的功能性微生物群落的数量变化及其与烤烟主要土传病害的发生情况之间的相互关系。结果表明, 烤烟-大豆带状套作显著增加作物根际土壤的细菌(B)、放线菌(A)数量、B/F和A/F值, 减少真菌(F)数量; 也提高与土壤氮素代谢相关的氨化细菌、硝酸细菌、亚硝酸细菌、自生固氮菌等功能性微生物数量; 烟豆套作能降低烤烟主要土传病害的发生, 其发生程度与烤烟根际土壤细菌及放线菌数量显著负相关, 而与真菌数量极显著正相关。随着套作年限的延长, 根际土壤的细菌(B)、放线菌(A)、B/F和A/F值以及氨化细菌、硝酸细菌、亚硝酸细菌、自生固氮菌等有益菌群数量大幅度增加, 真菌(F)及反硝化细菌的数量显著减少, 对烟草土传病害的相对防治效果明显提高, 以上效应表现为烤烟-大豆带状套作3年(A3)>烤烟-大豆带状套作2年(A2)>烤烟-大豆带状套作1年(A1)。

关键词:烤烟-大豆带状套作; 不同套作年限; 根际土壤; 微生物数量
Effects of Relay Strip Intercropping Years between Flue-cured Tobacco and Soybean on Rhizospheric Microbes Quantities
TU Yong^1,2, YANG Wen-Yu^1,*, LIU Wei-Guo¹, YONG Tai-Wen¹, JIANG Lian-Qiang³, WANG Xiao-Chun^1
1 College of Agronomy, Sichuan Agricultural University, Wenjiang 611130, China

² School of Agricultural Science of Xichang College, Xichang 615013, China

³Liangshan Tobacco Company of Sichuan Province, Xichang 615000, China


AbstractTo overcome obstacles from continuous tobacco cropping and improve the yield and quality of flue-cured tobacco, we studied the effects of flue-cured tobacco and soybean relay intercropping years on the population changes of three classifiable microorganism and functional microorganisms related to nitrogen metabolism in rhizospheric soil, and their relationship with the occurrence of major soil-borne disease of flue-cured tobacco in this research. Results showed that the flue-cured tobacco-soybean relay strip intercropping markedly increased the population of bacteria (B), actinomycetes (A), B/F, and A/F, while reduced the fungi (F) quantity in rhizospheric soil. Meanwhile, the flue-cured tobacco-soybean relay intercropping enhanced the quantity of functional microorganisms related to nitrogen metabolism, such as ammonifier, nitrobacteria, nitrite bacteria and free-living nitrogen fixing bacteria. In addition, it alleviated the occurrence level of soil-borne disease of flue-cured tobacco, and the severity indexes of soil-borne disease had significantly negative correlation with the quantities of bacteria and actinomycetes respectively, but were positively correlated with the increasing of fungi. With increasing the number of years for relay intercropping, the quantities of bacteria (B), actinomycetes (A), and value of B/F and A/F, ammonifier, nitrobacteria, nitrite bacteria and free-living nitrogen fixing bacteria were raised largely, while the quantities of the fungi (F) and the denitrifying bacteria were significantly declined, and there was a marked improvement in the relative control efficiency to soil-borne disease of flue-cured tobacco. These effects showed a trend of flue-cured tobacco relay strip intercropping with soybean for three years (A3) > that intercropping for two years (A2) > that intercropping for one year (A1).

Keyword:Flue-cured tobacco relay strip intercropping with soybean; Different intercropping years; Rhizospheric soil; Microbes quantities
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四川省凉山州是我国重要的烤烟生产基地, 其特殊的地理环境及光热条件使产出的烟叶具有“ 清甜香” 风格, 深受卷烟生产商的喜爱。近年来, 烤烟已成为凉山州烟农增加收入的主要途径, 其种植规模逐年扩大。但伴随而来的问题是: 烟田连作障碍日趋明显, 土壤养分非均衡性变化, 土壤微生物群落结构失衡, 烟草病毒病、黑胫病、青枯病、根结线虫病等加重, 已成为制约该地区烟草产业可持续发展的重要障碍因素^{[1, 2, 3, 4]}。大量研究表明, 烟田套作其他作物, 如小麦^{[5, 6, 7, 8]}、玉米^{[9, 10]}、甘薯^{[11, 12, 13]}、大豆^[14]、大蒜^[15]、白菜^[16]、草木樨^[13]等, 可以改善烟草的生长环境, 减轻病虫害和提高烟草产量及品质。刘会忠等^[8]研究表明, 烤烟与小麦套作极显著降低烤烟马铃薯Y病毒的发病率和病情指数。唐世凯等^[17]试验证实, 烤烟与甘薯套种能有效提高烤烟对病害的抗性, 其中烟草炭疽病、烟草赤星病、烟草蛙眼病的相对防效最高分别达到70.59%、51.85%和50.00%, 烟草普通花叶病、烟草复合型病毒病、烟草蚀纹病和烟草脉斑病的相对防效分别为79.03%、93.75%和22.58%。付利波等^[16]研究表明, 烤烟套种白菜能改善烟叶化学成分的协调性, 提高烟叶的评吸质量, 使烟草产值比单作烟草提高33.20%。微生物是反映土壤环境质量的主要指标之一, 其数量、种类和多样性对土壤表现出的生物活性有着重要的影响^[18]。郑华等^[19]认为烤烟根际微生物对土壤有机质的分解、无机质的转化、氮的固定以及提供植物营养、保持土壤肥力具有重要作用。由于受研究手段等的限制, 迄今烟草与其他作物套作后对土壤微生态环境影响的相关研究较少, 通过套作控制烤烟病害尤其是土传病害的相关作用机理、套作后烤烟根际土壤微生物的种类及数量变化及其与烤烟土传病害发生情况之间的关系更是未见报道。本试验旨在调查烤烟-大豆不同套作年限下根际土壤微生物种类及其数量变化情况, 探索其与烤烟土传病害发生和土壤氮素转化之间的关系, 了解烟田连作障碍的原由, 为控制烟草土传病害、提高作物产量及品质提供技术支持。
1 材料与方法1.1 试验材料试验于2011— 2013年在西昌市琅环乡烟田进行。供试土壤为红壤土, 土壤质地疏松, 通透性好, 肥力基本一致; 供试大豆品种为铁丰29, 烟草为云烟85; 烟草分别在试验当年的4月底到5月初进行移栽, 7月中下旬始收, 9月上中旬收获完毕。其中, 2013年于5月5日移栽烟草, 7月14日采收脚叶, 9月9日收获完毕。
1.2 试验设计采用单因素随机区组设计, 设5个处理, 即A1: 烤烟-大豆带状套作1年(2011— 2012年单作烤烟, 2013年套作大豆); A2: 烤烟-大豆带状套作2年(2011年单作烤烟, 2012— 2013年套作大豆); A3: 烤烟-大豆带状套作3年(2011— 2013年带状套作大豆); A4: 烤烟单作; A5: 大豆单作。小区面积为30 m², 重复3次, 共15个小区。烟叶垄幅宽60 cm, 垄高40 cm, 垄长5 m, 行距110 cm, 株距55 cm。大豆在单作和套作的播种密度相同, 均为22万株 hm^-2, 于2013年7月14日(烤烟脚叶采收)播种, 在烤烟垄上按行距15 cm, 穴距20 cm播种5行大豆, 每穴播种3粒, 最后定植2株(图1)。
图1
Fig. 1

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	图1 烟草与大豆套作种植和取样示意图(单位: cm)Fig. 1 Diagram of planting and sampling in relay intercropping between tobacco and soybean (Unit: cm)

1.3 土壤样品采集分别在2013年7月30日(下部烟叶采收期)、8月22日(中部烟叶采收期)和9月9日(上部烟叶采收期)采集烤烟土样; 在8月29日(盛花期, R2)、9月15日(盛荚期, R4)、10月5日(满粒期, R6)采集大豆土样。各区样品按五点取样法采集(图1), 每点调查4株, 每处理共取20株, 重复3次。将植株根系从土壤中挖出(大豆整体挖取, 烤烟土样取土层2~ 10 cm处的须根系), 抖掉与根系松散结合的根围土壤, 用无菌镊子刮取粘附在根系上的一薄层(< 10 mm)土壤作为根际土壤, 将取得的土样在灭菌后的研钵中整碎混合均匀并按四分法保留10~20 g, 每个处理取2份, 一份用无菌牛皮纸袋装好带回实验室后迅速过2 mm土筛, 除去杂物并将其保存在4℃冰箱内用于土壤微生物数量的测定; 另一份自然风干, 用于土壤含水量、pH值及养分含量等的测定。
1.4 土壤微生物的分离与计数1.4.1 样品制备 在超净工作台上, 称取根际土5.0 g迅速倒入装有45 mL无菌水的250 mL三角瓶中, 置气浴恒温摇床4℃, 150~200转 min^-1下振荡30 min即得1× 10^-1悬液, 采用梯度稀释法依次得到1× 10^-2~1× 10^-8系列浓度, 细菌取1× 10^-5~1× 10^-7, 真菌1× 10^-1~1× 10^-3, 放线菌取1× 10^-3~1× 10^-5, 各处理重复3次, 进行土壤微生物数量分析。
1.4.2 土壤微生物的培养与计数 采用牛肉膏蛋白胨琼脂培养基培养细菌; 马丁培养基+孟加拉红+硫酸链霉素培养真菌; 改良高氏1号培养基培养放线菌。参考林先贵等^[20]的平板计数法计数。
1.4.3 与土壤氮素代谢相关的功能性微生物纯培养与计数 参考林先贵等^[20]采用的MPN计数法测定氨化细菌、亚硝酸细菌、硝酸细菌、反硝化细菌和自生固氮菌。
1.5 烤烟主要土传病害调查在烤烟土壤样品采集的各时期按GB/T23222-2008调查各处理的烟株黑胫病、根黑腐病、青枯病及根结线虫病等土传病害, 并以株为单位, 计算其发病株率、病情指数, 以烤烟单作区为对照, 计算相对防治效果。
1.6 数据分析用Microsoft Excel 2003和SPSS.V.17.0软件处理和分析数据。

2 结果与分析2.1 对烤烟根际土壤三大类群微生物数量的影响不同种植方式下烤烟根际土壤三大类群微生物数量总体均为细菌(B)> 放线菌(A)> 真菌(F), 且套作有显著的影响(表1)。与A4 (烤烟单作)相比, 烤烟套作处理的根际土壤细菌数量、放线菌数量、B/F值及A/F值均呈增加趋势, 在烤烟下部叶、中部叶和上部叶被采收时烤烟根际细菌数量分别增加0.88%、17.09%、28.14%, 放线菌数量分别增加39.25%、222.72%、70.91%, B/F值增加值分别为76.17%、88.89%、242.91%, A/F值分别增加153.88%、404.60%、370.97%; 而真菌数量下降, 在烤烟下部叶、中部叶及上部叶采收时其根际真菌数量分别减少43.01%、33.99%和42.44%, 差异达显著水平(P< 0.05)。
表1
Table 1
表1(Table 1)

表1 烟豆不同套作年限下烤烟根际土壤三大类群微生物数量比较(2013) Table 1 Three microbes quantities from flue-cured tobacco rhizospheric soil under relay strip intercropping of flue-cured tobacco and soybean in different years (2013) 土壤取样时间 Soil sampling time 处理 Treatment 细菌 Bacteria (B) (× 107 CFU g-1) 放线菌Actinomyces (A) (× 104 CFU g-1) 真菌 Fungi (F) (× 103 CFU g-1) B/F (× 103) A/F 下部烟叶采收期 Harvest time of lower leaves (Jul. 30) A1 26.64± 0.58 b 9.48± 0.52 c 3.74± 0.19 b 71.23± 0.83 c 25.35± 0.22 c A2 26.36± 0.39 b 11.67± 0.97 b 2.92± 0.29 c 89.38± 1.24 b 40.34± 6.48 b A3 29.26± 0.70 a 16.96± 0.22 a 2.88± 0.16 c 101.60± 1.14 a 58.98± 2.59 a A4 27.18± 0.95 b 9.12± 0.26 c 5.58± 0.31 a 49.61± 72 d 16.37± 0.65 d 中部烟叶采收期 Harvest time of middle leaves (Aug. 22) A1 28.31± 0.33 c 19.26± 0.40 b 4.85± 0.50 b 58.37± 0.78 c 39.96± 3.70 b A2 29.99± 0.46 b 19.08± 0.31 b 4.44± 0.13 b 67.55± 0.66 b 43.00± 1.59 b A3 32.51± 1.09 a 28.55± 1.18 a 3.82± 0.17 c 85.10± 0.84 a 74.92± 6.44 a A4 24.65± 0.89 d 6.91± 0.33 c 6.62± 0.11 a 37.24± 1.23 d 10.43± 0.33 c 上部烟叶采收期 Harvest time of upper leaves (Sep. 9) A1 23.97± 0.41 b 15.60± 0.42 b 2.02± 0.10 a 118.66± 3.45 c 77.28± 1.57 c A2 26.88± 1.02 a 17.09± 0.26 b 1.10± 0.13 b 244.36± 2.49 b 156.96± 20.83 b A3 27.96± 0.58 a 20.02± 1.60 a 0.42± 0.04 c 665.71± 12.16 a 478.74± 50.49 a A4 20.50± 0.59 c 10.28± 0.56 c 2.05± 0.18 a 100.00± 2.88 d 50.46± 5.75 c A1: one-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A2: two-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A3: three-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A4: sole cropping for tobacco; A5: sole cropping for soybean; Values within each column at the same tobacco harvesting time followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level. A1: 1年烤烟-大豆套作; A2: 2年烤烟-大豆套作; A3: 3年烤烟-大豆套作; A4: 烤烟单作; A5: 大豆单作; 烟叶同一采收时期各列中标以不同字母的数字表示在0.05水平上差异显著(P< 0.05)。

表1 烟豆不同套作年限下烤烟根际土壤三大类群微生物数量比较(2013) Table 1 Three microbes quantities from flue-cured tobacco rhizospheric soil under relay strip intercropping of flue-cured tobacco and soybean in different years (2013)

烤烟根际土壤细菌数量、放线菌数量、B/F值及A/F值均随着套作年限的延长而增加, 即A1< A2< A3, 而真菌数量下降, 其中以A3 (烤烟-大豆带状套作3年)的变化最为明显。在烟叶不同采收期, A3的细菌数量、放线菌数量、B/F值及A/F值较A4的增长率在各处理里最大, 分别达到24.05%、149.03%、356.23%和693.09%, 与A1 (烤烟-大豆带状套作1年)相比, 差异均达显著水平; 同时其真菌数量减少幅度也最大, 达到50.10%, 与其他处理差异显著(P< 0.05, A2下部叶采收时除外)。
2.2 对大豆根际土壤三大类群微生物数量的影响烤烟与大豆套作对大豆根际土壤微生物的数量有较大的影响, 4种种植模式下大豆根际土壤三大类群微生物数量表现为细菌> 放线菌> 真菌(表2)。
表2
Table 2
表2(Table 2)

表2 烟豆不同套作年限下大豆根际土壤三大类群微生物数量比较(2013) Table 2 Three microbes quantities from soybean rhizospheric soil under relay strip intercropping of flue-cured tobacco and soybean in different years (2013) 土壤取样时间 Soil sampling time 处理 Treatment 细菌 Bacteria (B) (× 107 CFU g-1) 放线菌 Actinomyces (A) (× 104 CFU g-1) 真菌 Fungi (F) (× 103 CFU g-1) B/F (× 103) A/F 盛花期, R2 Full blooming stage (Aug. 29) A1 23.42± 1.14 c 5.22± 0.43 d 2.30± 0.40 b 103.54± 15.68 c 23.20± 4.92 c A2 25.53± 1.03 b 9.15± 1.15 c 1.83± 0.25 bc 141.79± 25.27 b 50.69± 9.66 b A3 30.30± 0.78 a 16.34± 0.95 a 1.42± 0.14 c 214.79± 22.24 a 115.39± 4.95 a A5 24.35± 0.72 bc 11.82± 1.10 b 4.35± 0.50 a 56.49± 7.03 d 27.31± 2.91 c 盛荚期, R4 Full podding stage (Sep. 15) A1 24.73± 0.97 bc 31.76± 2.98 a 3.65± 0.52 b 68.77± 10.76 c 87.62± 7.93 b A2 26.82± 1.26 b 30.58± 1.03 a 2.72± 0.17 c 98.70± 3.23 b 112.66± 6.59 a A3 29.98± 1.72 a 32.38± 2.51 a 2.52± 0.18 c 119.09± 3.59 a 129.10± 15.62 a A5 24.01± 1.42 c 14.65± 0.85 b 6.76± 0.85 a 35.77± 3.27 d 21.97± 3.75 c 满粒期, R6 Full-filling stage (Oct. 5) A1 30.73± 1.83 c 19.21± 2.15 c 2.60± 0.45 b 120.28± 20.07 bc 74.41± 4.92 b A2 34.72± 2.26 b 22.44± 1.98 b 2.48± 0.69 b 145.94± 34.14 b 95.03± 27.18 b A3 39.08± 1.08 a 28.77± 1.47 a 1.43± 0.25 c 278.21± 42.75 a 204.74± 32.22 a A5 28.56± 1.47 d 9.01± 2.04 d 4.50± 0.52 a 64.16± 9.59 c 19.90± 2.62 c A1: one-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A2: two-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A3: three-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A5: sole cropping for soybean; Values within each column at the same soybean growth period followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level. A1: 1年烤烟-大豆套作; A2: 2年烤烟-大豆套作; A3: 3年烤烟-大豆套作; A5: 大豆单作; 大豆同一生育期各列中标以不同字母的数字表示在0.05水平上差异显著(P< 0.05)。

表2 烟豆不同套作年限下大豆根际土壤三大类群微生物数量比较(2013) Table 2 Three microbes quantities from soybean rhizospheric soil under relay strip intercropping of flue-cured tobacco and soybean in different years (2013)

与A5 (大豆单作)比较, 套作区大豆根际土壤的细菌数量、放线菌数量、B/F值及A/F值明显增加, 在大豆盛花期(R2)、盛荚期(R4)及满粒期(R6), 其细菌数量分别增加8.50%、13.16%、21.99%, 放线菌数量分别增加-13.36%、115.49%、160.49%, B/F值分别增加171.50%、167.04%、182.86%, A/F值分别增加131.05%、399.73%、526.78%; 同时, 真菌数量大幅度下降, 分别减少57.47%、56.21%和51.78%, 差异达显著水平(P< 0.05)。
大豆根际土壤细菌数量、放线菌数量、B/F值及A/F值随套作年限的延长而增加, 且A1< A2< A3, 而真菌数量呈下降趋势, 以A3的菌群数量变化最大。在大豆不同生育期, A3的细菌数量、放线菌数量、B/F值及A/F值与A5相比其增长率最大, 分别高达29.17%、118.34%、291.31%和549.37%; 其次为A2, 其增长率分别达到13.20%、75.18%、147.04%和273.49%; 而A1的增长率相对较低, 依次仅为2.55%、58.33%、87.05%和167.76%, 与A3的差异达到显著水平(P< 0.05)。此外, 与A5相比, A3根际土壤真菌数量减少幅度最大, 高达65.58%, 而A1的减幅最小, 为45.19%, 两处理间存在显著地差异(P< 0.05)。
2.3 对烤烟根际土壤氮素转化相关微生物数量的影响与A4 (烤烟单作)比较, 套作区烤烟根际土壤中的氨化细菌、亚硝酸细菌、硝酸细菌、自生固氮菌及细菌总数均呈增加趋势, 在烤烟下部叶(7月30日)、中部叶(8月22日)及上部叶(9月9日)采收时其氨化细菌分别增加15.43%、52.39%、115.98%, 亚硝酸细菌分别增加1.63%、18.54%、66.50%, 硝酸细菌增加率分别为3.24%、13.73%、68.15%, 自生固氮菌分别增加34.07%、91.45%、437.28%, 5类细菌总数分别增加9.94%、21.20%、85.46%; 而反硝化细菌数量下降, 在烤烟下部叶、中部叶和上部叶采收时分别减少-2.46%、27.03%、20.91%。
烤烟与大豆套作显著影响了烤烟根际土壤氮素转化相关的微生物数量, 且随烟叶采收时间的推进呈先增后降趋势(表3)。
表3
Table 3
表3(Table 3)

表3 烟豆不同套作年限下烤烟根际土壤氮素转化相关微生物数量比较(2013) Table 3 Microbes quantities of flue-cured tobacco rhizospheric soil related to nitrogen metabolism under relay strip intercropping of flue-cured tobacco and soybean in different years (2013)(× 105 CFU g-1) 土壤取样时间 Soil sampling time 处理 Treatment 氨化细菌 Ammonifier 亚硝酸细菌 Nitrite bacteria 硝酸细菌 Nitro bacteria 反硝化细菌 Denitrifying bacteria 自生固氮菌 Free-living nitrogen fixing bacteria 总数 Total 下部烟叶采收期 Harvest time of lower leaves (Jul. 30) A1 17.25± 0.93 a 15.28± 1.20 a 18.24± 1.22 ab 17.62± 1.36 a 15.36± 1.24 b 83.75± 4.80 b A2 17.69± 0.57 a 15.16± 0.61 a 18.10± 1.22 ab 17.04± 0.95 a 16.29± 1.10 b 85.28± 4.27 ab A3 18.26± 1.22 a 16.27± 1.12 a 19.16± 0.57 a 17.12± 1.06 a 17.34± 1.08 a 89.15± 4.30 a A4 15.36± 0.95 b 15.32± 0.76 a 17.92± 0.73 b 17.50± 1.06 a 12.18± 1.00 c 78.28± 4.26 c 中部烟叶采收期 Harvest time of middle leaves (Aug. 22) A1 29.14± 0.95 c 17.48± 0.82 b 23.31± 1.59 d 29.72± 1.84 b 23.31± 1.83 c 122.96± 5.50 c A2 35.67± 1.83 b 23.77± 1.73 a 35.67± 2.20 b 23.31± 0.66 c 35.67± 1.43 b 154.09± 7.20 b A3 39.38± 1.23 a 23.57± 1.25 a 38.18± 1.58 a 21.78± 1.15 c 39.18± 0.99 a 162.09± 3.33 a A4 22.79± 2.33 d 18.23± 0.98 b 28.48± 0.63 c 34.18± 0.81 a 17.09± 0.55 d 120.77± 3.30 c 上部烟叶采收期 Harvest time of upper leaves (Sep. 9) A1 3.46± 0.69 b 5.45± 0.53 b 3.73± 0.48 b 8.00± 0.75 a 10.28± 0.54 c 30.92± 2.15 c A2 3.97± 0.83 b 6.65± 0.48 ab 5.76± 0.82 a 6.84± 0.27 b 14.08± 1.74 b 37.30± 3.24 b A3 5.15± 0.73 a 7.88± 1.15 a 6.34± 0.58 a 5.46± 0.49 c 20.61± 1.78 a 45.44± 4.02 a A4 1.94± 0.11 c 4.00± 0.27 c 3.14± 0.35 b 8.56± 0.58 a 2.79± 0.58 d 20.43± 1.75 d A1: one-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A2: two-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A3: three-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A4: sole cropping for tobacco. Values within each column at the same tobacco harvesting time followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level. A1: 1年烤烟-大豆套作; A2: 2年烤烟-大豆套作; A3: 3年烤烟-大豆套作; A4: 烤烟单作。烟叶同一采收时期各列中标以不同字母的数字表示在0.05水平上差异显著(P< 0.05)。

表3 烟豆不同套作年限下烤烟根际土壤氮素转化相关微生物数量比较(2013) Table 3 Microbes quantities of flue-cured tobacco rhizospheric soil related to nitrogen metabolism under relay strip intercropping of flue-cured tobacco and soybean in different years (2013)(× 105 CFU g-1)

随着套作年限的增加, 烤烟根际土壤氨化细菌、亚硝酸细菌、硝酸细菌、自生固氮菌及细菌总数明显增加, 且A3> A2> A1, 而反硝化细菌数量下降, 以A3的变化最大, A1最小。在烟叶不同采收时期采集的土壤样品中, A3的氨化细菌、亚硝酸细菌、硝酸细菌、自生固氮菌及细菌总数较A4 (烤烟单作)的增长幅度最大, 其均值分别达到56.66%、27.08%、28.59%、140.51%和35.17%, 且在中上部烟叶采收时与A1相比差异达到了显著水平(P< 0.05); 同时, 其反硝化细菌数量的减退率也最大, 达到26.34%, 与A1间存在显著差异(下部烟叶采收时除外, P< 0.05)。
2.4 对大豆根际土壤氮素转化相关微生物数量的影响与A5 (大豆单作)比较, 套作大豆根际土壤中的氨化细菌、亚硝酸细菌、硝酸细菌、自生固氮菌及细菌总数均呈增加趋势, 在大豆盛花期(R2)、盛荚期(R4)及满粒期(R6), 其氨化细菌分别增加1.26%、119.53%和86.88%, 亚硝酸细菌分别增加为33.80%、22.12%和60.75%, 硝酸细菌增加率分别为68.58%、53.04%和60.09%, 自生固氮菌分别增加49.75%、70.43%、81.42%, 5类细菌总数依次增加10.81%、38.54%和35.99%; 而反硝化细菌数量下降, 其减退率依次为35.53%、45.38%和35.34%。
烤烟与大豆套作明显影响大豆根际土壤氮素转化相关微生物数量, 5种主要功能性微生物在各处理下变化较大, 且其随着大豆的生育期的推进呈现出不同的变化趋势, 其中氨化细菌和反硝化细菌数量先下降后上升, 而亚硝酸细菌、硝酸细菌及自生固氮菌数量一直呈下降趋势(表4)。
表4
Table 4
表4(Table 4)

表4 烟豆不同套作年限下大豆根际土壤功能性微生物数量比较(2013) Table 4 Microbes quantities of soybean rhizospheric soil related to nitrogen metabolism under relay strip intercropping of flue-cured tobacco and soybean in different years (2013) (× 105 CFU g-1) 土壤取样时间 Soil sampling time 处理 Treatment 氨化细菌 Ammonifier 亚硝酸细菌 Nitrite bacteria 硝酸细菌 Nitro bacteria 反硝化细菌 Denitrifying bacteria 自生固氮菌 Free-living nitrogen fixing bacteria 总数 Total 盛花期, R2 Full blooming stage (Aug. 29) A1 31.78± 2.03 c 21.78± 1.27 c 21.78± 1.44 c 35.46± 0.66 b 32.68± 1.26 b 133.48± 3.69 d A2 36.72± 1.33 ab 34.35± 0.81 b 28.62± 0.82 b 17.42± 1.55 d 34.35± 2.50 b 151.46± 4.09 b A3 39.18± 0.85 a 38.77± 1.35 a 39.27± 1.96 a 22.90± 2.67 c 39.18± 2.01 a 179.30± 2.66 a A5 35.46± 0.83 b 23.64± 1.27 c 17.73± 1.25 d 39.18± 2.88 a 23.64± 2.78 c 139.65± 7.25 c 盛荚期, R4 Full podding stage (Sep. 15) A1 10.77± 0.69 b 17.02± 1.03 c 18.15± 0.78 c 7.65± 0.55 b 22.68± 1.80 c 76.27± 4.38 c A2 8.82± 0.39 c 23.52± 1.71 b 23.52± 1.45 b 5.10± 0.25 c 29.40± 2.01 b 90.36± 4.19 b A3 13.79± 1.13 a 25.56± 0.60 a 35.98± 1.65 a 4.80± 0.23 c 34.38± 2.72 a 114.51± 4.87 a A5 5.07± 0.34 d 18.04± 0.36 c 16.91± 1.50 c 10.71± 0.68 a 16.91± 1.45 d 67.64± 4.29 d 满粒期, R6 Full-filling stage (Oct. 5) A1 8.85± 0.81 c 5.08± 0.58 c 5.32± 0.55 c 8.47± 0.49 b 8.86± 1.89 c 36.58± 3.13 c A2 13.00± 1.56 b 7.68± 0.53 b 7.34± 0.55 b 7.68± 0.37 b 12.99± 2.48 b 48.69± 5.06 b A3 19.18± 0.84 b 8.99± 0.77 a 8.99± 0.75 a 8.99± 0.99 b 17.98± 1.98 a 64.13± 2.72 a A5 7.32± 0.62 c 4.51± 0.77 c 4.51± 0.47 c 12.96± 0.97 a 7.32± 0.73 c 36.62± 1.32 c A1: one-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A2: two-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A3: three-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A5: sole cropping for soybean; Values within each column at the same soybean growth period followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level. A1: 1年烤烟-大豆套作; A2: 2年烤烟-大豆套作; A3: 3年烤烟-大豆套作; A5: 大豆单作; 大豆同一生育期各列中标以不同字母的数字表示在0.05水平上差异显著(P< 0.05)。

表4 烟豆不同套作年限下大豆根际土壤功能性微生物数量比较(2013) Table 4 Microbes quantities of soybean rhizospheric soil related to nitrogen metabolism under relay strip intercropping of flue-cured tobacco and soybean in different years (2013) (× 105 CFU g-1)

随着套作年限的延长, 大豆根际土壤氨化细菌、亚硝酸细菌、硝酸细菌、自生固氮菌及细菌总数呈增加趋势, 且A1< A2< A3, 而反硝化细菌数量体现出下降趋势, 其中A3的变化最大, A2次之, A1最小。在大豆不同生育时期, A3的氨化细菌、亚硝酸细菌、硝酸细菌、自生固氮菌及细菌总数较A5的增长率在各处理里最大, 分别达到50.78%、58.70%、115.17%、91.16%和46.75%, 且与A1相比差异达到了显著水平(P< 0.05); 同时其反硝化细菌数量的减退率也最大, 高达41.62%, 与其他处理间存在显著差异(R6除外, P< 0.05)。
2.5 烤烟主要土传病害发生情况及其与根际土壤三大类群微生物的相关性烤烟与大豆套作能够一定程度上降低烤烟主要土传病害的发生, 除烟草根结线虫病在试验区内未发生外, 烟草黑胫病、根黑腐病及青枯病在各处理下的发生程度变化较大, 且其随着烤烟采收时间的推进呈现出加重趋势(表5)。
表5
Table 5
表5(Table 5)

表5 烟豆不同套作年限下烤烟主要土传病害发生情况的数量比较(2013) Table 5 Quantity of main soil-borne disease occurring on flue-cured tobacco under relay strip intercropping of flue-cured tobacco and soybean in different years (2013) 调查时间 Survey time 处理 Treatment 烟草黑胫病 Tobacco black shank 烟草根黑腐病 Black root of tobacco 烟草青枯病 Tobacco bacterial wilt 病情指数 Disease index 相对防效 Relative control effects 病情指数 Disease index 相对防效 Relative control effects 病情指数 Disease index 相对防效 Relative control effects 下部烟叶采收期 Harvest time of lower leaves (Jul. 30) A1 0.74± 0.02 b 17.72± 3.60 b 0.45± 0.01 b 9.90± 3.04 b 1.68± 0.02 a 2.33± 0.59 c A2 0.76± 0.03 b 15.44± 5.80 b 0.43± 0.03 bc 14.04± 2.20 ab 1.62± 0.01 b 5.81± 1.47 b A3 0.63± 0.02 c 29.99± 1.48 a 0.42± 0.01 c 15.91± 2.73 a 1.53± 0.04 c 11.03± 2.95 a A4 0.90± 0.03 c — 0.50± 0.03 a — 1.72± 0.02 a — 中部烟叶采收期 Harvest time of middle leaves (Aug. 22) A1 0.76± 0.05 b 26.19± 3.47 a 0.62± 0.04 b 13.91± 3.83 b 2.08± 0.02 b 8.77± 1.92 ab A2 0.74± 0.05 b 28.18± 1.19 a 0.61± 0.02 bc 15.23± 3.83 ab 2.12± 0.09 b 7.04± 2.83 b A3 0.72± 0.04 b 29.88± 6.91 a 0.57± 0.03 c 20.80± 4.62 a 1.96± 0.04 c 14.02± 2.53 a A4 1.03± 0.05 a — 0.72± 0.02 a — 2.28± 0.03 a — 上部烟叶采收期 Harvest time of upper leaves (Sep. 9) A1 1.00± 0.04 b 16.66± 2.13 b 0.80± 0.03 ab 6.95± 0.88 c 3.01± 0.09 b 5.35± 0.97 b A2 0.95± 0.05 b 20.79± 4.80 ab 0.78± 0.02 b 9.25± 1.95 b 2.96± 0.02 b 6.89± 1.61 b A3 0.86± 0.05 c 28.35± 2.67 a 0.75± 0.02 b 12.75± 1.47 a 2.79± 0.03 c 12.25± 1.17 a A4 1.20± 0.03 a — 0.86± 0.04 a — 3.18± 0.07 a — A1: one-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A2: two-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A3: three-year relay intercropping between flue-cured tobacco and soybean; A4: sole cropping for tobacco; Values within each column at the same tobacco harvesting time followed by different letters are significantly different at the 0.05 probability level. A1: 1年烤烟-大豆套作; A2: 2年烤烟-大豆套作; A3: 3年烤烟-大豆套作; A4: 烤烟单作:烟叶同一采收时期各列中标以不同字母的数字表示在0.05水平上差异显著(P< 0.05)。

表5 烟豆不同套作年限下烤烟主要土传病害发生情况的数量比较(2013) Table 5 Quantity of main soil-borne disease occurring on flue-cured tobacco under relay strip intercropping of flue-cured tobacco and soybean in different years (2013)

与烤烟单作(CK)比较, 套作区烟草黑胫病、根黒腐病及青枯病的病情指数均较低, 其平均值分别仅为0.80、0.60和2.19, 平均相对防效可达23.08%、13.04%和8.37%, 且防效随烤烟采收时间的推移呈先增后降的规律。
延长套作年限减轻了烤烟3种主要土传病害的发生程度, 其病情指数逐年下降, 表现为A3< A2< A1, 以A3变化最大, 对烟草黑胫病、根黑腐病及青枯病的平均相对防效分别达到29.41%、16.49%和12.43%, 与A1差异显著(P< 0.05)。
烤烟根际土壤主要微生物的种类及其数量变化显著影响其土传病害的发生程度(表6), 根际土壤细菌、放线菌及真菌数量与烟草黑胫病、烟草根黑腐病及烟草青枯病的病情指数呈显著或极显著相关。其中, 细菌及放线菌数量与3种主要土传病害的发生存在显著(极显著)负相关关系, 以放线菌的相关性最强, 其相关系数均高于-0.96 (P< 0.05); 而真菌数量与土传病害的发生程度呈极显著的正相关, 以上情况表明根际土壤细菌和放线菌数量增加有利于减轻土传病害的发生, 而真菌数量增多则可能加重土传病害的发生程度。B/F值及A/F值与烤烟土传病害的发生呈负相关, 表明增大根际土壤中细菌和放线菌所占比例对控制土传病害有利。此外, 细菌和放线菌的数量显著正相关, 且它们均与真菌数量显著负相关, 说明根际土壤三大类群微生物之间存在相互制约关系。
表6
Table 6
表6(Table 6)

表6 烤烟主要土传病害病情指数与其根际土壤三大类群微生物数量的相关性分析(2013) Table 6 Correlation analysis between disease index of main soil-borne disease occurring on flue-cured tobacco and quantities of three microbes in rhizospheric soil (2013) 病害 Disease 指标 Index 细菌 Bacteria 放线菌Actinomyces 真菌 Fungi B/F A/F 病情指数 Disease index 烟草黑胫病Tobacco black shank 细菌Bacteria (B) 1 0.99* * -0.98* * 0.93* 0.93* -0.94* 放线菌Actinomyces (A) 1 -0.96* 0.92* 0.92* -0.96* 真菌Fungi (F) 1 -0.83 -0.82 0.96* * B/F 1 1.00* * -0.76 A/F 1 -0.77 病情指数Disease index 1 烟草根黑腐病 Black root of tobacco 细菌Bacteria 1 0.99* * -0.98* * 0.93* 0.93* -0.96* 放线菌Actinomyces 1 -0.96* 0.92* 0.92* -0.97* 真菌Fungi 1 -0.83 -0.82 0.98* * B/F 1 1.00* * -0.80 A/F 1 -0.80 病情指数Disease index 1 烟草青枯病 Tobacco bacterial wilt 细菌Bacteria 1 0.99* * -0.98* * 0.93* 0.93* -0.99* * 放线菌Actinomyces 1 -0.96* 0.92* 0.92* -1.00* * 真菌Fungi 1 -0.83 -0.82 0.95* * B/F 1 1.00* * -0.93* A/F 1 -0.93* 病情指数Disease index 1 * , * * 分别表示0.05和0.01显著水平。* , * * Significant at the 0.05 and 0.01 probability levels, respectively.

表6 烤烟主要土传病害病情指数与其根际土壤三大类群微生物数量的相关性分析(2013) Table 6 Correlation analysis between disease index of main soil-borne disease occurring on flue-cured tobacco and quantities of three microbes in rhizospheric soil (2013)

3 讨论作物根际土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分, 其群落构成及其数量变化一定程度上反映了土壤的质量及其健全性, 同时也是克服连作障碍的关键因子。土壤微生物群落结构和组成的多样性与均匀性不仅提高土壤生态系统的稳定性与和谐性, 同时也提高对土壤微生态环境恶化的缓冲能力^[21]。
套作可以减轻作物病害的发生, 与土壤微生物区系关系紧密, 特别是作物根际土壤主要类群微生物的群落构成、数量动态变化等, 对作物病害尤其是土传病害的发生有很大影响。赵佳佳等^[22]、李妮等^[23]和林雁冰等^[24]研究表明, 与连作相比, 长期间、套作能有效调节土壤微生物区系, 提高微生物群落的多样性及稳定性, 维持土壤质量。张继光等^[5]认为, 间套作可以改善作物根际微环境, 减轻土传病害发生, 不同程度地提高作物的产量及品质。李忠俊等^[25]认为放线菌多数种类能产生抗菌素, 抑制其他菌的生长, 不利病害发生。大量研究认为套作尤其是非寄主作物间套作既可使病原菌失去寄主而降低其生存能力^[26], 又能影响土壤温度、湿度等环境因子^[27], 改变病原菌的生存环境, 此外作物根系分泌物、作物残体和根系残留物在土壤中积累, 改变了土壤微生物营养物质条件^[28], 这些因素都直接或间接影响土壤中微生物的种类、数量及多样性, 从而限制病原体和有害物质的迅速传播和繁殖^[29]。
本研究表明, 与单作相比, 在烟叶各采收时期和大豆的主要生育期, 烟豆套作处理的根际土壤细菌和放线菌数量显著增加, 真菌数量减少, 总体表现为细菌> 放线菌> 真菌, 这与殷全玉等^[30]的观点一致; 随着套作年限的增加, 细菌数量和放线菌数量增加, 而真菌数量减少, 烤烟主要土传病害发生程度降低。这可能是因为不同的套作年限的处理对根际土壤微生态环境的持续作用使植物残体和根系分泌物等在土壤中积累不同, 从而导致根际土壤微生物的数量和种群结构差异, 继而影响烤烟主要土传病害的发生。此外, 烟豆套作改变了烟田土壤中的微生物区系, 使烤烟根际土壤中细菌、放线菌数量增加, 真菌数量减少, 而细菌和放线菌数量与土传病害发生程度显著(或极显著)负相关, 真菌数量变化与其极显著正相关, 这可能是套作减轻烤烟土传病害发生的重要原因之一。
刘训理等^[31]证明, 高肥力土壤的烟区根际细菌数量较多, 而真菌数量与土壤肥力无显著相关。陈良存等^[32]认为微生物在土壤中的分布与活动, 对土壤肥力和植物生长发育有很大的影响, 可以反映土壤发育的现状和趋向, 可用于评价土壤肥力以及生产措施的效果。B/F值的动态变化是评价土壤健康状况的一个重要指标, 在烟豆共生期内随着套作年限的增加, 根际土壤B/F值增加, 说明延长套作年限可以优化烤烟和大豆根际土壤微生物的种群比例, 从而提高土壤肥力。
土壤中氨化细菌、硝酸细菌、亚硝酸细菌、自生固氮菌及反硝化细菌对土壤氮能否实现有效化起着重要的作用, 从而影响土壤肥力。王超等^[33]研究表明好气性固氮菌、氨化细菌、硝化细菌的数量以高肥土壤最大, 中肥土壤次之, 低肥土壤最少, 而反硝化细菌数量呈现低肥> 中肥> 高肥的变化趋势。张翼等^[34]研究认为土壤中硝化细菌数量在烟草生长中、后期增加, 可促进烟草对氮肥的吸收利用, 同时氨化细菌数量与土壤肥力呈正相关, 土壤中氨化细菌数量在烟草生长中、后期较多, 可促进土壤肥力的有效利用及烟草的生长。本试验证实, 套作区与土壤氮素代谢相关的氨化细菌、硝酸细菌、亚硝酸细菌、自生固氮菌的数量均比单作有较大的增加, 而反硝化细菌数量减少, 且随着套作年限的增加, 其变化幅度增大, 说明套作增加了烟草及大豆根际对氮素利用的效率; 另外, 烟豆套作既可保证烟草生长中后期对氮素的有效利用, 同时大豆在花期和结荚期均需要从土壤中吸收大量的氮素, 而此时烟叶正好处于采收中后期, 避免了氮素过多带来贪青晚熟等问题。因此合理的烤烟与大豆套作技术能够增加土壤氮素的有效利用, 延缓烟地连作障碍。
4 结论烤烟与大豆套作提高了烟田根际土壤微生物的多样性, 增加了细菌、放线菌等有益菌群的数量, 减轻了烟草土传病害的发生程度, 提高了与土壤氮素代谢相关的氨化细菌、硝酸细菌、亚硝酸细菌、自生固氮菌等功能性微生物数量; 延长套作年限对细菌、放线菌、B/F和A/F值以及氨化细菌、硝酸细菌、亚硝酸细菌、自生固氮菌等的数量有明显的增加作用, 同时能够显著减少根际土壤真菌及反硝化细菌数量, 提高对烟草黑胫病、根黑腐病及青枯病的控制效果, 总体表现为A3(烤烟-大豆带状套作3年) > A2(烤烟-大豆带状套作2年) > A1(烤烟-大豆带状套作1年), 以A3对烤烟和大豆根际土壤微生物数量及土传病害发生情况的影响最为突出。烤烟土传病害的发生程度与其根际土壤细菌及放线菌数量显著负相关, 而与真菌数量极显著正相关。
The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。


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