劉輝娟，柴 強(qiáng)，黃高寶，周海燕，朱 靜

（甘肅省干旱生境作物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，甘肅 蘭州730070）

土壤微生物是土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、循環(huán)的動(dòng)力，它們參與土壤有機(jī)質(zhì)分解、腐殖質(zhì)形成、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化和循環(huán)等過程［1－2］。土壤微生物除了受季節(jié)的影響之外，主要受種植作物種類的影響，作物主要通過根系影響土壤微生物［3－4］。根系影響著根際土壤微生物數(shù)量、種類和各種微生物的結(jié)構(gòu)比例，直接或者間接通過微生物影響土壤中的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化［5］。根系分泌物存在的根際土壤被稱為“沙漠中的綠洲”，這是因?yàn)橹参锔抵車耐寥烙捎谑艿礁祷顒?dòng)及其分泌物的影響，其化學(xué)、物理、生物學(xué)性質(zhì)不同于原土體［6］。對(duì)于經(jīng)植物根系分泌物的化感物質(zhì)改良后的土壤，其土壤中無機(jī)離子的狀態(tài)也發(fā)生變化，現(xiàn)已經(jīng)證明，無機(jī)離子的變化是由于外源有機(jī)質(zhì)、分泌物中的養(yǎng)分或由于分泌物中不穩(wěn)定碳引起的微生物將養(yǎng)分固定的結(jié)果［7］。由此可見，根系分泌物是影響土壤微生態(tài)環(huán)境的主要因素之一。

酚類物質(zhì)是植物次生代謝物質(zhì)中最豐富的一類［8－9］，多具有顯著的化感作用［10］，根系分泌和秸稈腐解是這類物質(zhì)的主要來源［11－12］，酚酸類物質(zhì)對(duì)土壤微生物可產(chǎn)生顯著影響［13］。在復(fù)合群體中，作物之間通過化感物質(zhì)產(chǎn)生互作效應(yīng)的現(xiàn)象普遍存在，研究化感效應(yīng)對(duì)構(gòu)建高效復(fù)合群體具有重要的指導(dǎo)意義。間套作作為主體的多熟種植是中國耕作制度的核心和特色［14］，大量研究證明，間作套種具有提高養(yǎng)分利用率的作用。本研究以單作小麥（Triticumaestivum）、單作蠶豆（Viciasativa）和小麥間作蠶豆為研究對(duì)象，以前期研究中［15］分離鑒定的小麥根系分泌物丁香酚為參試化感物質(zhì)，對(duì)根際土壤微生物的變化進(jìn)行研究，以探討優(yōu)勢(shì)種形成的機(jī)理。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)及材料 試驗(yàn)于2010年3－7月在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)業(yè)生態(tài)工程研究所網(wǎng)室中進(jìn)行。光照和溫度與外界相同。

供試土壤：采自甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)田，為黃河灌淤土，田間最大持水量為24.4%，全氮含量1.766g·kg－1，全磷0.732g·kg－1，有效磷29.18mg·kg－1，pH值為8.24；施肥量為純氮200mg·kg－1，P2O5為200mg·kg－1。

供試作物：春小麥品種為永良4號(hào)，由甘肅省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供；春蠶豆品種為臨蠶5號(hào)，由臨夏州農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所提供。

播種管理：供試土壤風(fēng)干后過2mm篩，播前將土壤與肥料混合均勻，每盆裝土14kg，澆水至田間持水量的60%，表土稍干后播種。小麥、蠶豆種子在播種前用10%H2O2消毒10min。單作小麥每盆留主莖苗40株，單作蠶豆每盆保苗8株，間作時(shí)密度減半。在3月18日播種小麥，3月28日播種蠶豆。作物生長期間按田間持水量的75%進(jìn)行控水，采用稱重法控水。3月到4月底蒸發(fā)量小，隔1 d稱1次，后期蒸發(fā)量增大，每天稱重，并定期調(diào)換盆的位置。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 丁香酚處理 試驗(yàn)設(shè)種植模式和丁香酚處理兩種因素，種植模式為單作小麥（W）、單作蠶豆（B）、小麥間作蠶豆（WB）；丁香酚處理為3×10－4mol·kg－1土（A）和不處理兩個(gè)水平。共組成 W、AW、B、AB、WB、AWB 6個(gè)處理，每處理重復(fù)3次。在4月21日進(jìn)行丁香酚處理，丁香酚采用天津化工廠生產(chǎn)的分析純物質(zhì)。處理時(shí)按照每盆0.616mL的劑量取原液，溶于3mL酒精中，稀釋成1 000mL澆灌設(shè)定處理，對(duì)照組取3mL酒精稀釋到1 000 mL澆灌。

1.2.2 土樣采集與微生物培養(yǎng) 在4月28日（小麥拔節(jié)期、蠶豆分枝期）、5月14日（小麥孕穗期、蠶豆開花期）、5月28日（小麥灌漿期、蠶豆鼓粒期）進(jìn)行采樣。采集土樣時(shí)，每次每處理取3盆。取樣時(shí)先去掉0～2cm的表土，輕輕挖出植株，抖掉根系外圍土，再用毛刷輕刷粘附在根際表面的土壤作為根際土，用無菌自封袋密封，置于冰盒內(nèi)帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行微生物數(shù)量的測(cè)定。

土壤微生物數(shù)量采用梯度稀釋平板涂布法測(cè)定，細(xì)菌計(jì)數(shù)用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基、真菌用馬丁氏培養(yǎng)基、放線菌用改良的高氏一號(hào)培養(yǎng)基［16］，結(jié)果以每克干土所含數(shù)量表示。

1.2.3 測(cè)定指標(biāo)及方法 微生物多樣性指數(shù)（DI）采用Shannon－Wiener指數(shù)法［17］計(jì)算，公式為：

式中，Pi為群落中第i個(gè)物種個(gè)體數(shù)占總個(gè)體數(shù)的百分比。

化感效應(yīng)（RI）采用 Willimson法［13］計(jì)算：

式中，C為對(duì)照值，T為處理值，當(dāng)0＜RI＜1時(shí)，化感物質(zhì)具有促進(jìn)作用，當(dāng)－1＜RI＜0時(shí)，化感物質(zhì)具有抑制作用，當(dāng)RI＝0時(shí)，表示無化感效應(yīng)，RI絕對(duì)值大小代表化感作用的強(qiáng)度。

1.2.4 數(shù)據(jù)分析 試驗(yàn)數(shù)據(jù)用SPSS 16.0進(jìn)行裂區(qū)試驗(yàn)設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 微生物數(shù)量 在小麥孕穗期（5月14日）和灌漿期（5月28日），丁香酚處理和種植模式對(duì)土壤真菌、放線菌數(shù)量的影響顯著，且存在互作；兩個(gè)因素對(duì)細(xì)菌數(shù)量的影響在小麥拔節(jié)期和孕穗期達(dá)到顯著水平，同樣存在互作（表1）。

無丁香酚處理下單作小麥根際土壤真菌、放線菌、細(xì)菌和微生物總數(shù)在3個(gè)生育時(shí)期總體呈增大趨勢(shì)；丁香酚處理下，單作小麥土壤真菌數(shù)量呈先減小后增大趨勢(shì)，放線菌、細(xì)菌和微生物總數(shù)總體呈減小趨勢(shì)。在4月28日，AW較W真菌和微生物總數(shù)減少了31.60%和12.95%，放線菌和細(xì)菌增加了52.52%和27.67%；在5月14日和28日，W較AW四項(xiàng)指標(biāo)明顯增加（表1）。可見，丁香酚對(duì)小麥根際微生物影響較大。

B處理根際土壤四項(xiàng)指標(biāo)隨生育期的進(jìn)程其數(shù)量變化趨勢(shì)為先增大后減小；AB處理下放線菌和真菌呈逐漸減小趨勢(shì)，而細(xì)菌和微生物總數(shù)先減小后增大。在4月28日，B較AB真菌和放線菌增加了411%和51.79%，而細(xì)菌和總數(shù)減小了88.54%和86.73%；5月14日，B較AB四項(xiàng)指標(biāo)增加了222.95%、77.25%、62.87%和63.23%；在5月28日，B較AB真菌和放線菌增加了28.12%和332.06%，而細(xì)菌和微生物總數(shù)減小了26.04%和24.20%（表1）。

WB中除土壤真菌數(shù)量呈先增加后減少趨勢(shì)之外，其余均呈逐漸增大趨勢(shì)，并且增加程度較大；AWB中真菌、細(xì)菌和微生物總數(shù)呈先減小后增大的趨勢(shì)，放線菌則呈逐漸增大趨勢(shì)。在4月28日，WB較AWB真菌和放線菌增加了166.67%和15.38%，而細(xì)菌和總數(shù)減小了68.85%和68.50%；在5月14日WB較AWB四項(xiàng)指標(biāo)分別平均增加了 6 223.18%、116.13%、1 461.39% 和1 245.61%；5月28日分別增加了129.13%、38.91%、91.17%和89.02%（表1）。

表1 丁香酚及間作對(duì)土壤微生物數(shù)量及種群結(jié)構(gòu)的影響Table 1 Effects of cropping systems and eugenol on soil microbe number and population

2.2 化感效應(yīng) 在3個(gè)生育時(shí)期內(nèi)，丁香酚對(duì)土壤真菌和放線菌數(shù)量總體上表現(xiàn)為化感抑制作用（表2）。在5月14日，丁香酚對(duì)土壤細(xì)菌數(shù)量表現(xiàn)為化感促進(jìn)作用。在5月28日，單作小麥和間作土壤細(xì)菌數(shù)量受丁香酚的影響表現(xiàn)為化感抑制作用，單作蠶豆表現(xiàn)為化感促進(jìn)作用。產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因可能是，在作物生長盛期，土壤微生物數(shù)量主要受外源丁香酚的影響，小麥在生長過程中不斷分泌化感物質(zhì)丁香酚，從而使土壤中化感物質(zhì)的濃度超過了對(duì)細(xì)菌的界限濃度，表現(xiàn)為抑制作用。單作蠶豆與單作小麥不同的是，單作蠶豆在生長過程中不存在丁香酚濃度的累積，而小麥間作蠶豆中小麥數(shù)量相對(duì)比較少，故產(chǎn)生的累積量較小。

2.3 不同處理對(duì)土壤微生物種群結(jié)構(gòu)的影響 在3個(gè)不同生育時(shí)期中，細(xì)菌數(shù)量占土壤微生物總數(shù)的92%以上，其次是放線菌，真菌數(shù)量最少（表1）。無丁香酚作用下，以同一生育期的單作小麥和單作蠶豆土壤微生物所占比例之和的一半作對(duì)照，比較間作對(duì)土壤微生物種群結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，在3個(gè)生育時(shí)期，單作土壤真菌、放線菌和細(xì)菌數(shù)量的比例相對(duì)于間作的增減量分別為－44.03%～0.53%、－1.52%～77.93%和－2.21%～264.29%。

表2 丁香酚對(duì)土壤微生物數(shù)量的化感效應(yīng)Table 2 Allelopathic effects of eugenol on soil microbial number under different treatments

經(jīng)丁香酚處理的單作小麥、單作蠶豆和間作土壤根際真菌所占比例明顯小于未處理的小麥、蠶豆和間作，例如AW較W根際真菌在3個(gè)生育時(shí)期減小了44.44%、75%和26.19%，說明丁香酚對(duì)土壤真菌產(chǎn)生的化感作用比較明顯；丁香酚對(duì)細(xì)菌的影響與對(duì)真菌的基本相反，經(jīng)過處理的單作小麥和單作蠶豆明顯高于未處理的，在3個(gè)生育時(shí)期的增減量分別為1.24%、1.78%、1.98%和5.16%、－0.15%、2.50%，這一結(jié)果說明丁香酚對(duì)土壤細(xì)菌和真菌產(chǎn)生化感作用的界限濃度存在較大的差異。在5月14日丁香酚處理的單作小麥、單作蠶豆和間作土壤根際放線菌所占比例大于未處理小麥、蠶豆和間作，而在小麥拔節(jié)期和灌漿期，土壤根際放線菌所占比例與孕穗期基本相反（灌漿期間作除外），這說明土壤根際放線菌受丁香酚和種植模式交互作用的影響（表1）。

2.4 微生物多樣性指數(shù) 微生物多樣性呈先增大后減小的趨勢(shì)，土壤微生物多樣性DI在5月14日明顯增大，單作和間作DI的大小關(guān)系為單作小麥＞小麥間作蠶豆＞單作蠶豆，在5月28日，單作小麥＞單作蠶豆＞小麥間作蠶豆，與小麥孕穗期比較，單作小麥、單作蠶豆和小麥間作蠶豆在灌漿期DI分別減小53.97%、66.67%和69.57%（表3）。丁香酚明顯降低了土壤微生物的多樣性，它對(duì)土壤微生物DI的影響規(guī)律是單作小麥＞小麥間作蠶豆＞單作蠶豆，較無丁香酚處理在3個(gè)生育時(shí)期使單作小麥、單作蠶豆、小麥間作蠶豆分別增減了28.57%、－36.36%、－12.5%、－44.44%、77.78%、－6.52%、－17.24%、－73.33%、57.14%，以上結(jié)果說明，間作在保持微生物多樣性方面不存在優(yōu)勢(shì)。

表3 不同處理對(duì)土壤微生物多樣性（DI）的影響Table 3 Effects of soil microbial diversity（DI）under different treatment

3 討論與結(jié)論

不同土地利用方式對(duì)土壤微生物數(shù)量及多樣性具有顯著影響［18－19］。本研究中，單作小麥根際土壤真菌、放線菌、細(xì)菌和微生物總數(shù)在3個(gè)生育時(shí)期總體呈增大的趨勢(shì)；單作蠶豆土壤四項(xiàng)指標(biāo)的數(shù)量變化呈先增大后減小的趨勢(shì)；小麥間作蠶豆除土壤真菌數(shù)量呈逐漸減小之外，其余呈總體增大的趨勢(shì)，單作與間作之間差異顯著。有研究表明，玉米（Zea mays）／花生（Arachishypogaea）間作系統(tǒng)作物根區(qū)土壤的真菌、細(xì)菌、放線菌數(shù)量都比相應(yīng)單作作物多［20－21］。但在本研究中，間作較單作土壤真菌、放線菌、細(xì)菌數(shù)量增減在3個(gè)生育時(shí)期不一致；而宋亞娜等［22］的研究表明，小麥與蠶豆間作能改變兩種作物根際細(xì)菌和真菌群落結(jié)構(gòu)。丁香酚對(duì)土壤真菌和放線菌數(shù)量均表現(xiàn)為顯著的抑制作用，且在拔節(jié)期對(duì)根際土壤放線菌存在種植模式與化感效應(yīng)的交互作用。

植物種的豐度和植物功能多樣性對(duì)細(xì)菌活動(dòng)的多樣性和代謝多樣性有呈正向影響，土壤細(xì)菌和代謝多樣性隨植物種數(shù)量的對(duì)數(shù)和植物功能組的數(shù)量呈線性上升［23］。不同處理對(duì)土壤微生物組成的影響來看，細(xì)菌是土壤微生物的主要類群，其次為放線菌數(shù)量，真菌數(shù)量最少，這與王月容等［24］的研究略有不同。與未用丁香酚處理對(duì)比，丁香酚對(duì)真菌和放線菌在微生物總數(shù)中所占的比例有降低作用，而且對(duì)放線菌數(shù)量所占的比重影響較大，這一結(jié)果說明，丁香酚對(duì)放線菌產(chǎn)生化感作用的范圍界限比較小。丁香酚同時(shí)也降低了土壤微生物的多樣性，可見，間作在保持生物多樣性方面并不存在優(yōu)勢(shì)，這與柴強(qiáng)等［25］的研究結(jié)果一致。

酚類是土壤污染物質(zhì)，許多微生物參與此類物質(zhì)的生物降解反應(yīng)［26］，但產(chǎn)生作用的只是部分功能菌，因此，深入探討化感物質(zhì)在單作和間作群體中的作用機(jī)理以及微生物種群結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，將對(duì)構(gòu)建通過化感作用途徑調(diào)控復(fù)合群體的理論和技術(shù)產(chǎn)生積極的推動(dòng)作用。

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