我国连作大豆土壤微生物研究现状

２００８年３月２００８，３０（１）：１３２－１３６中国油料作物学报Ｃｈｉｎｅｓｅｊｏｕｒｎａｌｏｆｏｉｌｃｒｏｐｓｃｉｅｎｃｅｓ我国连作大豆土壤微生物研究现状刘金波１，２，许艳丽１（１．中国科学院东北地理与农业生态研究所，哈尔滨，１５００８１；２．中国科学院研究生院，北京，１０００４９）　　摘要：综述了我国２０世纪８０年代以来大豆连作土壤微生物主要类群变化和根际优势真菌变化，及大豆生育期、根系分泌物和耕作措施对连作大豆土壤微生物的影响。并对今后的研究进行了展望。关键词：大豆；连作；障碍；土壤微生物中图分类号：Ｓ１５４．３７　　文献标识码：Ａ　　文章编号：１００７－９０８４（２００８）０１－０１３２－０５ＣｕｒｒｅｎｔｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｏｉｌｍｉｃｒｏｂｉａｌｏｆｓｕｃｃｅｓｓｉｖｅｓｏｙｂｅａｎｃｒｏｐｐｉｎｇｉｎＣｈｉｎａＬＩＵＪｉｎ－ｂｏ１，２，ＸＵＹａｎ－ｌｉ１（１．ＮｏｒｔｈｅａｓｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＧｅｏｇｒａｐｈｙａｎｄＡｇｒｏｅｃｏｌｏｇｙ，ＣＡＳ，Ｈａｒｂｉｎ１５００８１，Ｃｈｉｎａ；２．ＧｒａｄｕａｔｅＳｃｈｏｏｌ，ＣＡＳ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｒｏｐｐｉｎｇｏｂｓｔａｃｌｅｓｗａｓｏｎｅｏｆｔｈｅｓｅｒｉｏｕｓｐｒｏｂｌｅｍｓｏｎｓｏｙｂｅａｎｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ，ｄｏｍｅｓｔｉｃａｎｄｏｖｅｒｓｅａｓｓｔｕｄｉｅｓｉｎｄｉｃａｔｅｄｔｈａｔｓｏｉｌｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｗａｓｔｈｅｐｒｉｍａｒｙｆａｃｔｏｒｆｏｒｔｈｅｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｒｏｐｐｉｎｇｏｂｓｔａｃｌｅｓ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｂｒｉｅｆｌｙｓｕｍｍａｒｉｚｅｄｒｅｌａｔｅｄｒｅｓｅａｒｃｈｉｎＣｈｉｎａｆｒｏｍ１９８０ｓｕｎｔｉｌｎｏｗ，ｔｈｅｃｈａｎｇｅｓｏｆｍａｊｏｒｓｏｉｌｍｉｃｒｏｆｌｏｒａａｎｄｄｏｍｉｎａｎｔｓｏｉｌｆｕｎｇｉｉｎｓｏｙｂｅａｎｒｈｉｚｏｓｐｈｅｒｅ，ａｎｄｔｈｅｅｆｆｅｃｔｏｆｓｏｉｌｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍｏｎｓｏｙｂｅａｎｇｒｏｗｔｈｐｅｒｉｏｄ，ｓｏｙｂｅａｎｒｏｏｔｅｘｕｄａｔｅｓａｎｄｆａｒｍｉｎｇｐｒａｃｔｉｃｅｓ．Ｔｈｅｐａｐｅｒａｌｓｏｐｒｏｐｏｓｅｄａｆｅｗｐｏｔｅｎｔｉａｌｒｅｓｅａｒｃｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｓｆｏｒｔｈｅｆｕｔｕｒｅ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：Ｓｏｙｂｅａｎ；Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓｃｒｏｐｐｉｎｇ；Ｏｂｓｔａｃｌｅｓ；Ｓｏｉｌｍｉｃｒｏｏｒｇａｎｉｓｍ收稿日期：２００７０７２０基金项目：中国科学院知识创新工程重要方向项目（ｋｚｃｘ２－ｙｗ－４０８）；国家“十一五”科技支撑项目（ＧＡ０６Ｂ１０１）；中科院东北地理所黑土生态重点实验室基金课题（ＨＴＳＴ０７）作者简介：刘金波（１９８２－），女，硕士研究生，学士，主要从事土壤微生物多样性研究。通讯作者：[e-mail]　　作物连作引起产量降低［１］和品质下降是全球性难题，国内外研究者不断探索其发生机制。平野·晓认为作物连作障碍因素包括：土壤养分缺乏、作物根系分泌有毒物质、前作根残体毒害作用以及土壤有害微生物、植物病原菌和害虫存在等［２］，成田保三郎认为土传病害较土壤营养亏缺对连作障碍影响大［３］。多种作物连作都会产生连作障碍，如大豆、玉米、马铃薯、甜菜、红小豆和小麦等［３］，但大豆连作更为人们所关注。大豆连作使病虫害加重［４，５］、产量降低、品质变劣，且减产程度与连作年限呈正相关［６］。２０世纪８０年代我国研究者从土壤养分变化、大豆根系分泌物、土壤微生物、土壤微生物毒素和土传根部病虫害等方面进行了大量研究，有人认为大豆连作减产原因是养分单一消耗［７，８］，也有人认为是土壤水分不足、病害影响、土壤结构破坏和自身毒害作用等。将连作大豆田土壤灭菌后盆栽大豆，连作障碍现象消失，由此推断生物因素是连作障碍的主要原因［９］。近年来研究者公认土传病虫害加剧是连作大豆减产的主要原因，并且根际分泌物影响土壤微生物变化［９，１０］。大豆连作障碍是植物和土壤两个系统内部诸多因素综合作用的结果［１１］，土壤微生物对维持土壤系统稳定性、健康和质量非常关键［１２，１３］。土壤微生物生态功能与土壤功能联系密切，微生物群落结构与组成变化会直接影响土壤功能发挥［１４］。连作大豆根际形成特殊的小生态区域，土壤微生态环境改变［１５］，在这个小生态区内，土壤微生物与植物生长发育和病原菌致病性分化有密切关系，成为国内外学者关注的热点［６］。１　连作对土壤微生物类群变化的影响大豆连作与土壤微生物变化关系密切，我国研究者分别对黑土、白浆土和草甸土区大豆轮作、迎茬和连作１～６年大豆田土壤微生物变化进行了大量研究，一致认为与轮作相比，连作１～６年土壤微生物三大类群变化的主要特征是细菌总量减少、真菌总量增加和放线菌变化表现不规律［１０，１６～２１］。土壤微生物是个广义范畴，它包括根表面、根际和非根际等土壤中的微生物。大豆根际土壤微生物总数明显高于非根际，三大微生物类群的根土比（Ｒ／Ｓ）均大于１［１０，２２］。轮作与连作３年大豆根际和非根际土壤微生物三大类群中均以细菌数量最多，占总菌数的９０．３％以上，但连作３年细菌数量低于轮作；放线菌数量总体变化幅度不大，真菌数量有显著变化，连作３年明显高于轮作［１０］；连作３年根际土壤细菌、放线菌占９５．６％，低于轮作３．４％；非根际占９６．３％，低于轮作２．８％［１０］，连作３年大豆根际细菌和放线菌减少，真菌数量增加［１８］。连作３年以上，大豆根际或非根际仍以细菌最多，约占土壤微生物总数的７０％～９０％，其次为放线菌，真菌数量最少［２２］；根际微生物增多是由于根系分泌物刺激一定距离内的微生物向根表面移动，当微生物与根系接触后，相应种群开始大量繁殖［２３］。大豆连作土壤中有害真菌数量增加，而有益的真菌数量减少［２０］。２　连作对大豆根际优势真菌的影响大豆根际优势真菌类群研究结果表明：黑土区轮作大豆青霉菌（Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍｓｐｐ．）和灰葡萄孢菌（Ｂｏｔｒｙｔｉｓｓｐｐ．）为多，大豆连作１年根际优势真菌为镰孢菌（Ｆｕｓａｒｉｕｍｓｐｐ．），连作３年镰孢菌（Ｆｕｓａｒｉｕｍｓｐｐ．）和立枯丝核菌（Ｒｈｉｚｏｃｔｏｎｉａｓｐｐ．）高于其它茬口［７～１６］。马汇泉等进行了草甸白浆土区轮作和大豆连作５年根际真菌类群研究，认为大豆根际真菌类群主要有１０种，青霉（Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍｓｐｐ．）和根霉（Ｒｈｉｚｏｐｕｓｓｐｐ．）占优势，镰孢菌（Ｆｕｓａｒｉｕｍｓｐｐ．）和立枯丝核菌（Ｒｈｉｚｏｃｔｏｎｉａｓｐｐ．）所占比例较少［２４～２５］，但连作５年大豆根际镰孢菌（Ｆｕｓａｒｉｕｍｓｐｐ．）和立枯丝核菌（Ｒｈｉｚｏｃｔｏｎｉａｓｏｌａｎｉ）数量均比轮作高［２５］。大豆根际优势菌株有尖孢镰孢（Ｆｕｓａｒｉｕｍｏｘｙｓｐｏｒｕｍ）、粉红粘帚（Ｇｌｉｏｃｌａｄｉｕｍｒｏｓｅｕｍ）和半裸镰孢（Ｆｕｓａｒｉｕｍｓｅｍｉｔｅｃｔｕｍ）［２６］。同时还有报道随着连作年限（轮作、迎茬、连作１～５年）的增加土壤ｐＨ值显著降低［２５］，而土壤偏酸有利于大豆根腐病的发生［２７］，因此一般连作大豆根腐病发生严重。目前研究认为镰孢菌（Ｆｕｓａｒｉｕｍｓｐｐ．）是引起我国大豆根腐病的主要病原菌，腐霉菌（Ｐｙｔｈｉｕｍ）是另一个在潮湿环境下出现较多致病菌，一般中国大豆产区较干旱，因此不是主要致病菌，人们未对其进行深入研究和报道。景山幸二报道腐霉菌（Ｐｙｔｈｉｕｍｓｐｐ．）为引起日本大豆连作障碍的主要土传病原菌［２８～２９］，此结果与我国不同，可能与地理位置、大豆连作年限、大豆品种和气候等环境因素有关。另外，大豆生长不同生育期土壤优势真菌也有差别。马春梅等研究结果表明，黑土区轮作、迎茬、连作１年和连作７年的大豆土壤真菌优势类群在苗期以木霉（Ｔｒｉｃｈｏｄｅｒｍａｓｐｐ．）、青霉（Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍｓｐｐ．）、镰孢菌（Ｆｕｓａｒｉｕｍｓｐｐ．）为主，在盛花期和结荚期以青霉（Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍｓｐｐ．）、毛霉（Ｍｕｃｏｒｓｐｐ．）、黑根霉（Ｒｈｉｚｏｐｕｓｎｉｇｒｉｃａｎｓ）为主，大豆连作７年的土壤真菌优势类群的种类、数量高于其它茬口［３０］。可见大豆生育期对连作大豆微生物有一定影响。３　大豆生育期对连作大豆土壤微生物的影响从微生物总数的消长看，无论是连作１年或轮作，大豆分枝期以后，菌数逐渐上升，到开花期达到高峰，成熟期显著下降；在微生物三大类群中，细菌总数在整个大豆生育期占绝对优势，连作区明显低于轮作区（辽宁黑山县）［３１］。草甸黑土区连作和轮作大豆根际细菌总数在大豆整个生育期占绝对优势，连作低于轮作，花期和结荚期尤为明显；放线菌数量总体动态与细菌不同，花期、结荚期和成熟期连作高于轮作，以花期、成熟期较为明显，而苗期则相反［２６］，随大豆生育期进程，真菌数量逐渐上升，连作与轮作相比，真菌数量增加，花期、结荚期及成熟期均高于轮作，以花期最为显著［２６］。黑土区大豆定位试验研究表明，在大豆生育期内连作大豆根际细菌数量在生育盛期（７月２４日）以后一直比其他轮作方式多，且连作１年略高于连作５年的；不同轮作处理（轮作、迎茬、连作１年和连作５年）真菌变化趋势几乎一致，且连作１年与连作５年真菌数量无大区别；连作大豆土壤放线菌数量变化不规律，但连作５年略高于连作１年［１８］。不同连作年限大豆结荚期和收获期根际和土体Ｂｉｏｌｏｇ研究结果表明，结荚期迎茬和连作８年的土体微生物多样性高于轮作和连作４年；收获期轮作和迎茬土体微生物多样性高于连作４年和８年［３２］。另外，不同前茬作物后种植大豆的根际土壤中，开花期微生物群落组成在数量３３１刘金波等：我国连作大豆土壤微生物研究现状和质量方面均表现出一定的变化［３３］。４　大豆根系分泌物对连作大豆土壤微生物的影响根际和根面微生物种群的定量和定性特性与根系分泌物有直接或间接的相关性，微生物群体受根系分泌物的影响，相反植物体会因根际中微生物的活动而受益［３４］。大豆连作５年时土壤根系水浸提液中酚酸物质含量均高于轮作，人工模拟将酚酸物质加入土壤１周后残留率约为２．３％～１７．５％，且其浓度与土壤中真菌数量呈极显著指数相关［３５］。即连作后根系分泌物的数量增多会诱导土壤中真菌数量增加，主要病原菌（镰孢菌Ｆｕｓａｒｉｕｍｓｐｐ．）富集。同时，大豆连作土壤有机化合物（糖、氨基酸、有机酸）对大豆根腐病菌生长表现出低浓度促进高浓度抑制的规律，连作显著高于轮作；表明大豆连作土壤有机化合物与根腐病发生存在极密切关系，认为是根腐病严重发生的重要物质诱因［３６］。而且，铝胁迫对大豆根系分泌物有一定影响，因此土壤中铝浓度不同也可能对土壤微生物变化产生影响［３７］。陈宏宇等研究表明在连作条件下，大豆成熟期根面和根际细菌减少，真菌和主要病原菌（镰孢霉Ｆｕｓａｒｉｕｍｓｐｐ．）大量富集，认为根系分泌物对根面和根际的微生物种群有选择性地促进或抑制作用；不同大豆品种以及同一大豆品种在不同生育时期根系分泌物的组成和数量不同，从而使大豆根面及根际形成了特定的微生物区系组成［３８］。５　农业耕作措施对连作大豆土壤微生物的影响耕作是农业生产不可缺少的一部分，不同耕作均会在一定程度上改变土壤的理化性质，对土壤微生物区系有一定的影响。徐凤花等研究表明连作条件下连年施用氮磷化肥处理较不施肥处理，耕层（１６～２０ｃｍ）土壤细菌数量减少６０％，但连年施用有机肥或秸秆还田，使细菌和放线菌数量显著增加，同时也使真菌数量明显减少［１７］，有机肥和秸秆还田则使微生物向对作物的有利方向发展。台莲梅等认为施入有机肥后，能明显增加土壤中细菌和放线菌的数量，真菌中青霉菌数量增多，致病菌数量减少，迎茬区青霉菌（Ｐｅｎｉｃｉｌｌｉｕｍｓｐｐ．）数量为６．２１×１０４个／ｇ干土，致病菌的数量为３．１２×１０４个／ｇ干土［１９］。在大豆连作条件下，应用不同有机肥（猪粪、鸡粪、羊粪）进行处理结果表明：施用不同有机肥的处理区根腐病发生均比对照区轻，并且表现出大豆整个生育期不论株高、干物质积累以及产量均比对照区高，尤以施用鸡粪最