孫子欣 蔡柏巖

（1黑龍江大學(xué)農(nóng)業(yè)微生物技術(shù)教育部工程研究中心，150500，黑龍江哈爾濱；2黑龍江大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院/黑龍江省寒地生態(tài)修復(fù)與資源利用重點實驗室，150080，黑龍江哈爾濱）

土壤是生命孕育的重要基礎(chǔ)，同時也對生命體間的交流起著重要作用，不但支撐著其內(nèi)植物和微生物的生存，也將二者緊密聯(lián)系起來。在健康的土壤生態(tài)系統(tǒng)中，植物分泌糖類等營養(yǎng)物質(zhì)供土壤微生物利用，而微生物也通過改變土壤養(yǎng)分有效性等方式影響植物生長[1]。微生物群落結(jié)構(gòu)在一定程度上決定著土壤內(nèi)物質(zhì)循環(huán)過程，以及該土壤生態(tài)系統(tǒng)的抵抗力和穩(wěn)定性。例如，解磷細菌的存在有助于土壤內(nèi)磷營養(yǎng)的釋放[2]；根際有益微生物可降低病蟲害對植物的侵染效果[3]，協(xié)助植物和土壤生態(tài)系統(tǒng)抵抗外來侵害[4]；硫桿菌（Thiobacillus）的存在可協(xié)助改善植物生長環(huán)境[5]，維持植物在鹽漬土壤中的穩(wěn)定生長[6]。此外，土壤內(nèi)各種營養(yǎng)元素或重金屬元素通過微生物自身代謝被有效性或固化，真菌與細菌的組成與比值也決定著土壤作物的發(fā)病率和產(chǎn)量。微生物菌群結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到土壤生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展[7]，且對農(nóng)作物營養(yǎng)及產(chǎn)、質(zhì)量有直接影響[8-9]。

目前普遍的耕作模式有連作、輪作、單作和間作等。此外，鑿耕和旋耕等因地制宜的耕作技術(shù)也在逐漸發(fā)展。不同耕作方式對土壤理化性質(zhì)及內(nèi)部微生物群落結(jié)構(gòu)均有重要影響，在一定程度上決定土壤的生物與非生物結(jié)構(gòu)[10-12]。因連作可在短期內(nèi)滿足特種糧食需求，所以許多地區(qū)將其作為主要的耕作方式。但隨著連作的普遍存在和年限加長，因此引起的各種負面問題也顯現(xiàn)出來，包括土壤病蟲害增多、抵抗力變?nèi)?、土壤出現(xiàn)板結(jié)、營養(yǎng)元素不均衡以及土壤性質(zhì)退化導(dǎo)致作物質(zhì)量下降等[13]。連作也會引起土壤內(nèi)微生物群落發(fā)生改變[14]。研究表明，連作狀態(tài)下草莓[15]和菠蘿[16]土壤微生物群落發(fā)生改變，潛在病原菌增加，有益菌減少，有害病原菌增多[17]，土壤性質(zhì)退化[18]。長此以往，土壤無法維持其原有的良性生態(tài)循環(huán)，土地健康及作物質(zhì)量難以得到保證。

為保護土壤生態(tài)系統(tǒng)，目前已廣泛推廣輪作和間作模式，但研究[19]表明，連作對土壤造成的負面影響難以通過簡單改變耕作模式來消除。因此，需要探索更加主動有效的修復(fù)手段。目前已有大量研究致力于修復(fù)連作土壤環(huán)境，其中包括添加有機物[20]、土壤熏蒸[21]和土壤微生物修復(fù)等[22]。本文總結(jié)了連作影響土壤微生物群落的途徑及國內(nèi)外針對土壤連作導(dǎo)致的土壤微生物群落失衡的修復(fù)經(jīng)驗，并在此基礎(chǔ)上提出疊加技術(shù)的修復(fù)模式，討論將不同修復(fù)技術(shù)合理結(jié)合，修復(fù)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的可行性，希望能對有效修復(fù)連作土壤營養(yǎng)及結(jié)構(gòu)、緩解植株連作障礙提供幫助。

1 連作對土壤微生物生存環(huán)境的影響

土壤的形成及利用與土壤內(nèi)細菌群落密切相關(guān)[23]，而微生物群落結(jié)構(gòu)也與土壤內(nèi)pH、磷含量、氮含量、酶活性和植株健康狀態(tài)等指標顯著相關(guān)[24-25]。

1.1 連作下土壤理化性質(zhì)對微生物生存環(huán)境的影響

連作可能通過影響土壤理化環(huán)境影響土壤微生物群落。微生物群落結(jié)構(gòu)受pH、碳氮比[26]、有機質(zhì)[27]、土壤深度[28]和土壤利用類型[29]等因素的影響。連作可改變土壤含水量和營養(yǎng)成分有效性等營養(yǎng)環(huán)境，從而降低有益微生物豐富度[30]。連作可顯著降低根際土壤內(nèi)全氮和有效氮含量[31]，而根際土壤全氮含量顯著影響細菌群落變化。此外，連作還可改變土壤滲水性和孔隙度等物理環(huán)境，從而影響微生物生存[32]。

1.2 連作下植株對微生物生存環(huán)境的影響

連作可能通過改變土壤理化性質(zhì)影響植物生長，從而對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)進行二次作用。例如，連作下植株代謝途徑改變[33]，導(dǎo)致植物生長偏離正常方向，根系分布及根系分泌物均發(fā)生變化，影響到根際土壤理化性質(zhì)和酶活性等土壤微生物生存環(huán)境[26]。

1.3 土壤微生物生存環(huán)境的改善

土壤鹽分和營養(yǎng)元素在土壤微生物群落生存環(huán)境維持中起著重要作用[34]。營養(yǎng)元素的補充可使連作土壤恢復(fù)原有營養(yǎng)環(huán)境，但直接施用化肥或試劑補充可能對土壤微生物結(jié)構(gòu)起負面影響。例如，硫肥可促進黑麥草生長，但同時降低線蟲和有益菌群的豐度，雖然短期內(nèi)利大于弊，但并不利于土壤生態(tài)系統(tǒng)的長期健康維持[35]。目前主要通過有機肥、作物還田或堆肥的方式補充土壤營養(yǎng)元素。例如，通過添加磷泥或其他營養(yǎng)元素過剩的土壤補充相應(yīng)元素[2]；通過堆肥可改善連作引起的土壤退化，提高可利用的氮、磷、鉀和有機質(zhì)含量，同時還可使部分有益微生物增加，抑制連作引起的病原菌活動[17]；有機肥的重復(fù)適當(dāng)施用可以改善環(huán)境，促進微生物群落活動[36]。生物炭通過改良土壤微生物生存環(huán)境及影響細菌群落結(jié)構(gòu)，從而促進作物在連作條件下的生長[37]。

2 連作對土壤有益與有害微生物比例的影響

土壤生態(tài)系統(tǒng)很大程度上依賴于其內(nèi)各生物的相互作用，而有益微生物與有害微生物的比例則暗示著該土壤生態(tài)系統(tǒng)的演替發(fā)展。

2.1 連作下有益與有害微生物比例的變化

連作影響根系有益微生物的相對豐富度[38]及病害拮抗菌屬的相對豐度[39]，使植物與土壤微生物群落間的相互作用失去原有平衡[40]，以及土壤線蟲[41]和病原菌等微生物的含量和種類[42]發(fā)生變化。連作下根際土壤pH發(fā)生變化，土壤微生物群落內(nèi)真菌與細菌比例遭受干擾[43]，植株病害相關(guān)微生物生存優(yōu)勢增加[44]。連作還導(dǎo)致土壤內(nèi)氮硫循環(huán)相關(guān)細菌減少，病原菌富集[45]?？傊B作打破植物和土壤內(nèi)微生物之間相互作用的平衡，使生態(tài)系統(tǒng)向不健康的方向發(fā)展，對植物根際土壤微生物起消極影響，從而降低植物營養(yǎng)，使植物病害率增加。

2.2 土壤有益與有害微生物比例的改善

添加有益真菌或細菌可在不過分改變土壤生態(tài)系統(tǒng)的狀態(tài)下，改善土壤營養(yǎng)及質(zhì)量[46]，也可通過互作效應(yīng)影響土壤有害微生物的群落結(jié)構(gòu)，防止植株感病[47]。其中菌根真菌能影響土壤結(jié)構(gòu)、含鹽量和持水能力等性狀，常被利用于緩解土壤連作障礙[48]，例如叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）可作為生物肥料，增加根際土壤有益微生物和礦質(zhì)元素，改善土壤環(huán)境，促進人參[22]和花生[49]等作物的生長，抑制根腐病。AMF還可通過調(diào)節(jié)植物生長激素促進連作中番茄生長及根系發(fā)育相關(guān)有益基因的表達[50]。此外，很多其他有益微生物也可以緩解連作障礙，例如擬莖點霉屬內(nèi)生菌（Phomopsis liquidambari）的定植可改善根際微環(huán)境、養(yǎng)分吸收和病害發(fā)生率，促進連作花生生長[51]。根際促生菌（plant growth promoting rhizobacteria，PGPR）可緩解酸性連作土壤中的鋁毒和生姜青枯病[52]。硫桿菌可通過降低土壤pH抑制某些病原菌，從而促進植物生長，同時其與硫離子結(jié)合有利于植株對酸的耐受性，硫桿菌還可通過促進交換性鈉離子的還原改良鹽漬土質(zhì)[5-6]。有益微生物的添加可通過促進植株生長或微生物間互作效應(yīng)改善土壤內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)。

3 連作對土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)的影響

連作除影響土壤內(nèi)有益與有害微生物比例外，也影響土壤內(nèi)整體的微生物群落結(jié)構(gòu)。其影響的差異主要與連作年限和種植作物種類有關(guān)。

3.1 連作年限與作物對土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)的影響

連作作物和年限不同，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的變化也存在顯著差異，長期連作有利于寄主特異性病原菌發(fā)展[53]。土壤真菌群落在棉花連作后發(fā)生很大變化，病原菌也隨連作年限急速增長，在連作10年左右達到峰值[42]。但同時有研究者[54]發(fā)現(xiàn)，長期連作后大豆產(chǎn)量出現(xiàn)先減后增的趨勢，推測大豆連作年限在某個節(jié)點后的增長可以刺激土壤抗病能力的提高。連作對草莓的影響可按時間變化分為3個階段，依次是土壤理化性質(zhì)變化、真菌等土壤生物因子發(fā)生顯著變化和自毒物質(zhì)產(chǎn)生抑制生長[13]；煙草種植土壤細菌群落結(jié)構(gòu)在時間尺度上有明顯的變化，其青枯病的發(fā)病率也與連作年限的積累顯著相關(guān)[55]；苧麻連作后期有益微生物減少，且有害微生物積累嚴重，導(dǎo)致土壤脆弱，植株病害加重[56]。

3.2 土壤微生物菌群結(jié)構(gòu)的改善

可通過物理措施或改善耕種管理模式修復(fù)連作對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的損害。種植還原性作物可重建土壤微生物群落，并抑制土傳病害[57]。高溫下，碳酸氫銨或亞硫酸氫鈉熏蒸有助于緩解西瓜連作病害，提升果實質(zhì)量，平衡土壤微生物，改善土壤特性[21]。覆蓋植物可改善土壤環(huán)境，促進本土有益菌AMF活動[30]，但要考慮到土壤的補水需求[58]。施用微生物修復(fù)基質(zhì)也可改良土壤，修復(fù)土壤微生物群落，有利于植物健康[59]。土壤小動物（例如蚯蚓）的引入有助于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)維持良好的土壤微生物結(jié)構(gòu)[60]。

隨著耕作經(jīng)驗的積累，保護環(huán)境和可持續(xù)發(fā)展意識的增強，人們針對種植及耕作模式進行了許多改善，保護性耕作概念也逐漸發(fā)展起來。其中免耕和輪作因操作簡單及可改良土壤而廣泛應(yīng)用，免耕和輪作有助于維持豆科植物根際根瘤菌種群結(jié)構(gòu)和多樣性[61]。輪作對土壤微生物群落影響顯著，可平衡農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)，防止特定土壤資源過度消耗[62]。同時，輪作有利于部分與菠蘿產(chǎn)量積極相關(guān)菌屬的活動，輪作下菠蘿產(chǎn)量高于連作[16]。但需注意，不同輪作方式對作物生長及根際土壤微環(huán)境的影響也可能不同[63]。適當(dāng)休耕能幫助土壤微生物恢復(fù)，耕作土壤中微生物生物量更低，免耕土壤中基因量更大且恢復(fù)更快[64]。不同土地利用類型以及作物生長階段對土壤微生物的影響也需注意[26,65]。有研究嘗試通過種植馬鈴薯修復(fù)豆科連作后的土壤微生物群落[66]；輪作苜蓿和蔥可修復(fù)連作高粱的根際環(huán)境[67]；廣藿香與姜黃、生姜間作可提高土壤優(yōu)勢菌群數(shù)量，改善細菌代謝及酶活性[68]。耕翻、深松和旋耕等耕作方式對有機碳積累[69]、氮素分布[12]及土壤微生物[68]的影響正成為研究熱點。然而，保護性耕作模式在調(diào)節(jié)植物營養(yǎng)元素、土壤微生物結(jié)構(gòu)等方面仍存在周期長、效果緩慢等不足。因此，仍需探索更為有效快速的修復(fù)手段。

4 修復(fù)技術(shù)集成的管理模式

相比于不健康的土壤生態(tài)系統(tǒng)，健康土壤生態(tài)系統(tǒng)的土壤往往存在更豐富的營養(yǎng)條件，有益于植物生長的土壤微生物群落及在合理耕種條件下植株健康生長（圖1）。

圖1 健康與非健康農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)下植物、微生物與土壤之間的互作關(guān)系Fig.1 Interactions among plants,microorganisms and soil in healthy and unhealthy agroecosystems

連作導(dǎo)致的微生物群落失衡及植物生長障礙來源于方方面面，包括但不限于改變土壤結(jié)構(gòu)、微生物群落、酶活性、營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和營養(yǎng)物質(zhì)含量。同時，修復(fù)技術(shù)也多種多樣，間作可通過植物間互作降低自毒效應(yīng)[70]，促進植物營養(yǎng)分配[71]；腐殖酸等有機物的施用可以提高植物營養(yǎng)及抗脅迫相關(guān)酶的活性[72]；輪作和覆蓋植物更替可以改善土壤結(jié)構(gòu)，促進微生物群落恢復(fù)[73]，微生物可抑制病原菌活動[74]或改善土壤性質(zhì)[5]，等等。因此，可通過疊加補充土壤營養(yǎng)元素、改變微生物群落及調(diào)整耕作模式等措施修復(fù)土壤。

有研究證明各修復(fù)技術(shù)在連作土壤修復(fù)過程中的綜合作用。例如硫桿菌與AMF聯(lián)合接種在改善土壤結(jié)構(gòu)的同時提高了根際環(huán)境中碳、氮、磷和硫等營養(yǎng)物質(zhì)含量[75]；AMF與外源鈣聯(lián)合使用可促進花生連作育苗[49]；配合植物特性，結(jié)合間作和輪作2種種植方式，對土壤進行復(fù)合改良，可抑制植株病害，改善其表型和營養(yǎng)價值[76]；無機肥與有機肥配合施用可提高土壤磷有效性[77]；種植體系變化加生物炭協(xié)助改善系統(tǒng)內(nèi)碳封存[78]。玉米和大豆輪作結(jié)合施肥對土壤肥力和作物產(chǎn)量的提高有顯著積極影響[79]，通過堆肥與接種功能菌株相結(jié)合可調(diào)節(jié)土壤性質(zhì)，消除西瓜連作障礙[80]。因此，將連作、輪作、施肥和接菌等技術(shù)集成融合，作為土壤修復(fù)復(fù)合技術(shù)，在解決植物連作障礙、改善土壤微生物群落和維持土壤健康方面具有重大意義[81]。適當(dāng)結(jié)合各修復(fù)手段，有助于構(gòu)建健康的可持續(xù)發(fā)展農(nóng)業(yè)土壤生態(tài)系統(tǒng)（圖2）。

圖2 修復(fù)技術(shù)疊加的管理模式Fig.2 Management mode with superposed restoration techniques

5 展望

連作彌補了耕地面積不足和糧食需求高等問題，同時也帶來了土壤退化和溫室氣體排放過量等環(huán)境問題[82]。如何在獲取利益的同時減少對環(huán)境資源的消耗，維持生態(tài)平衡，是農(nóng)業(yè)生態(tài)所面臨的重要問題。因此，如何進行連作障礙土壤的修復(fù)、構(gòu)建健康土壤環(huán)境和維持較高的生產(chǎn)力水平是亟需解決的科學(xué)問題。

為此，提出3點建議：

第一，利用現(xiàn)代技術(shù)手段挖掘與解讀土壤微生物群落數(shù)據(jù)及其代謝信息?；蚪M學(xué)和代謝組學(xué)等技術(shù)充分分析土壤微生物群落動態(tài)[83]，充分了解土壤生態(tài)系統(tǒng)有益微生物、病原微生物及其他微生物生理生化代謝狀況，應(yīng)用農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的平衡原理，為健康的耕作模式構(gòu)建提供理論依據(jù)。

第二，持續(xù)關(guān)注微生物修復(fù)技術(shù)。生態(tài)系統(tǒng)中微生物群落與土壤功能之間存在著密切的相關(guān)性[84]，探究連作模式下有益微生物的群落功能及其結(jié)構(gòu)變化，并研究施入有益微生物處理后土壤的功能變化，全面解析微生物修復(fù)技術(shù)緩解連作障礙的機制，形成作物連作條件下構(gòu)建適宜的微生物群落結(jié)構(gòu)技術(shù)。

第三，改良耕作模式，加強綜合管理。通過研究不同作物在不同耕作模式下土壤理化性質(zhì)的變化[85]，分析不同作物的生態(tài)需求，包括喜好營養(yǎng)元素、生長環(huán)境及生長節(jié)律等，探尋作物輪作和間套作的地域模式；并探究不同修復(fù)技術(shù)之間，以及不同耕作模式與不同修復(fù)技術(shù)之間的疊加集成效應(yīng)，以期建立修復(fù)效益最大化的管理模式，構(gòu)建可持續(xù)發(fā)展的農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)。