土壤肥力狀況對植煙土壤微生物區系的影響

敖金成，徐天養，王加春，郭智勇，蒙 剛，沈燕金*

（1.云南農業大學 植物保護學院，云南 昆明 650201；2.云南省煙草公司 文山州公司，云南 文山 663000）

健康優質的耕地資源對現代農業的可持續發展至關重要。研究表明，微生物在維持土壤質量及推動土壤的健康發展方面具有十分重要的作用［1-2］。土壤微生物區系失衡會影響作物對營養物質的吸收，誘發作物病害，甚至導致連作障礙的發生［3］。有相關研究［4-5］指出，微生物數量與土壤大多數養分含量（除有效磷和全鉀之外）之間存在著一定的正相關關系，養分含量高的土壤中微生物數量也多；但關于土壤養分水平與土壤微生物區系的相關性，以及有關功能菌數量、群落結構穩定性等方面的研究鮮見報道。近年來，土壤微生物種群、數量及分布已經作為評價土壤生態環境質量的重要指標，并且越來越受到重視［6-7］。當前，植煙土壤質量退化、植煙區域由適宜區向次適宜區轉移的趨勢加快，煙葉品質下降等問題已成為煙草行業普遍關注的焦點。云南是烤煙的主要種植區，土地資源的可持續利用是煙草產業得以持續發展的關鍵。鑒于此，該研究分別以云南省曲靖市、昆明市、文山州這3個代表性的典型煙區的較高、中等、較低肥力土壤微生物區系為研究對象，探索了不同生態區植煙土壤的微生物區系以及群落穩定性特征，以期為退化土壤的改良以及快速提升肥力提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 土壤樣品采集及處理

于2020年7月的烤煙成熟期在云南省曲靖市、昆明市、文山州這3個具有代表性的核心植煙區進行取樣，共計45個樣品。根據均勻性和代表性原則，首先剝去表土，然后將煙株挖起，抖落部分根圍土，充分混勻后按四分法取混合樣。每類養分水平土壤取5個重復樣；取樣時，根據田間烤煙長勢初步確定土壤的肥力水平；一部分樣品用于檢測理化性質，帶回實驗室自然晾干，過40目篩保存備用；另一部分樣品用于檢測微生物區系及土壤脂肪酸（FAs），該部分樣品用自封袋密封后立即置于車載冰箱中，帶回實驗室后迅速放置于冰柜以保存備用。

1.2 檢測項目及方法

1.2.1 土壤常規養分檢測及肥力判斷 土壤常規養分的測定參照文獻［8］進行。檢測結果如表1所示。土壤肥力的綜合判斷參照相關文獻［9-10］進行；應用主成分分析方法計算出各項肥力指標的權重，再利用模糊數學中的隸屬函數計算土壤肥力綜合指標值（Integrated Fertility Index， IFI）［11-12］，以此來評價土壤肥力。計算公式如下：

其中，p為指標個數，Ni和Wi分別為第i種肥力指標的隸屬度和相應的權重。將土壤綜合肥力指標值（IFI）劃分為5個等級，即：高（IFI≥0.8）、較高（0.6≤IFI<0.8）、中（0.4≤IFI<0.6）、較低（0.2≤ IFI<0.4）和低（IFI<0.2）。從表1可看出，田間判斷烤煙長勢與土壤IFI值均與其對應的等級相符，確定將3個植煙區土壤肥力水平分為較高水平、中等水平和較低水平，并以此為依據進行土壤微生物區系特征研究。

表1 3種試驗土壤的基本理化性質

1.2.2 土壤微生物區系的測定 土壤細菌、真菌、放線菌、固氮菌、解磷菌和鉀細菌均采用稀釋平板培養法測定菌落數（cfu/g），具體方法參照文獻［13］。

1.2.3 土壤脂肪酸（FAs）的提取與含量檢測 采用EL法對土壤樣品中的微生物FAs進行提取，具體方法參照文獻［14］，然后采用Schutter和Dick的方法［15］進行數據修正。

1.3 數據分析

應用主成分分析方法和模糊數學中的隸屬函數確定土壤肥力水平，采用Excel 2007和SPSS 16進行數據的統計和聚類分析。

2 結果與分析

2.1 土壤肥力水平對植煙土壤微生物區系的影響

2.1.1 土壤肥力水平與微生物區系的相關性 隨著土壤肥力的降低，文山、昆明、曲靖這3個生態區植煙土壤的細菌、真菌、放線菌數量整體呈線性下降（圖1 a，b，c），線性方程的決定系數R2分別為0.7197、0.6770和0.6760，表現出較好的線性負相關關系，說明高肥力水平土壤的細菌、真菌、放線菌數量較多，低肥力土壤的微生物數量較少，與前人的研究結果［16］一致。另外3個典型煙區不同肥力水平土壤的微生物數量存在差異，均以昆明煙區最多，文山煙區次之，曲靖煙區最少。

2.1.2 不同肥力水平植煙土壤微生物區系統計性分析 從表2可以看出，云南3個典型煙區不同肥力水平土壤的真菌、細菌、放線菌數量差異較大，尤其以較高肥力土壤差異最大。從真菌、細菌、放線菌數量占總菌數的比例看，較高、中等、較低肥力土壤真菌占總菌數的16.7%～21.0%，細菌占總菌數的77.8%～80.9%，放線菌數量僅占總菌數的0.6%～4.1%，反映了不同養分水平土壤主要微生物類群數量特征基本一致。而從真菌細菌比值（F/B）看，土壤肥力水平越高，其土壤微生物結構越穩定，此研究結果與前人的研究結論［17］一致。

圖1 3種土壤微生物區系與肥力水平的相關性分析

表2 不同肥力植煙土壤的真菌、細菌、放線菌特征

2.2 土壤肥力水平與幾種主要功能菌數量的關系

從圖2可以看出，隨著土壤肥力的降低，云南3個典型煙區植煙土壤的固氮菌、解磷菌和解鉀菌數量呈減少趨勢，線性決定方程的R2分別為0.6129、0.8065和0.6136，表現出較好的線性負相關關系。總體看，較高肥力和中等肥力土壤的固氮菌、解磷菌、解鉀菌數量除個別煙區外，差別較小，但較低肥力土壤的固氮菌、解磷菌、解鉀菌數量則明顯較少。固氮、解磷、解鉀菌是植物根系重要的促生細菌［18］，是植物所需氮源、磷源、鉀源的主要提供者［19］。研究結果表明，較高肥力和中等肥力土壤的固氮、解磷、解鉀菌數量明顯較低肥力土壤高，反映出中高肥力水平土壤氮、磷、鉀養分供應能力強，而低肥力土壤的供應能力弱。

圖2 不同肥力水平對植煙土壤功能菌數量的影響

2.3 土壤肥力水平與土壤FAs含量相關性分析

由圖3可以看出，土壤FAs含量與土壤肥力呈明顯的線性負相關關系（r=0.900，P＜0.01），線性方程的決定系數R2=0.8102；較高肥力和中等肥力土壤總FAs含量均明顯大于較低肥力土壤。與較高肥力土壤相比，文山煙區中等和較低肥力土壤FAs含量分別降低了6.4%和68.8%，昆明煙區土壤FAs含量分別降低了42.9%和199.6%，曲靖煙區土壤FAs含量分別降低了9.3%和75.5%。如果僅從肥力水平看，與較高肥力水平相比，中等和較低肥力水平土壤FAs含量分別降低了17.7%和105.6%。

圖3 不同肥力水平的土壤FAs含量特征

2.4 不同煙區不同肥力的土壤微生物聚類分析

將不同產區不同肥力水平土壤的細菌、真菌、放線菌、總菌數、3種功能菌數量及土壤脂肪酸含量參數進行聚類（圖4）。結果表明，可將不同生態區不同肥力土壤微生物特征聚為4類，昆明較高肥力土壤單獨聚為第Ⅰ類；文山較高肥力和昆明中等肥力聚為第Ⅱ類；曲靖較高肥力和文山中等肥力聚為第Ⅲ類；文山、曲靖、昆明較低肥力和曲靖中等肥力聚為第Ⅳ類。研究結果表明，產區間土壤微生物特性存在明顯差異，土壤中等偏上水平以昆明產區的土壤微生物量最大，文山產區與昆明產區較為接近，而曲靖產區的土壤微生物數量相對偏少。

圖4 不同煙區不同肥力的土壤微生物特征聚類分析

3 結果與討論

微生物量、酶活性及群落結構特征對土壤養分盈虧等環境脅迫的耐受力具有明顯種群特征［20-21］。馬書琴等［22］研究認為土壤的理化性質與微生物群落結構的分布具有明顯的相關性。本試驗中，不同生態區植煙土壤的養分水平與真菌、細菌、放線菌等的數量均呈明顯的線性負相關，微生物數量均隨土壤養分水平的降低而減少，與章家恩等［4］研究認為土壤微生物數量隨土壤養分含量的升高而增加的結論一致，因為養分高的土壤有利于微生物的繁殖［23-25］，充足的土壤有機質能夠滿足固氮、解磷、解鉀等有益微生物代謝及生長需求［18］。試驗中，土壤固氮、解磷、解鉀菌數量也表現出隨土壤肥力的降低呈線性降低的趨勢。從3種肥力土壤微生物類群看，細菌占土壤總菌數的比例為77.8%～80.9%，是幾種肥力土壤主要的微生物類群，屬于“細菌型”土壤。

Vries等［26］研究認為，F/B值越高，土壤微生物結構越穩定；FAs來源較多且復雜，包括活體微生物膜FAs以外的其他FAs［14］。因而FAs組成差異可以反映微生物群落結構的差異［27］。本試驗中，土壤肥力水平越高，其F/B值和FAs含量越高，且呈現明顯的線性正相關；說明云南這3個典型生態植煙區較高肥力土壤微生物量更多，微生物群落結構穩定性更好；低肥力土壤因為微生物數量少，因而群落結構不穩定。

楊超等［4］研究認為，在不同生態環境下，烤煙根際及非根際土壤中各類微生物數量及多樣性指數各不相同，即土壤微生物區系表現出區域特征。由于土壤微生物數量及多樣性受多種因素的影響，如土地利用方式［28-29］、輪作模式［30-31］、施肥［32］、生態因子［33］等因素；因而，土壤微生物區域特征是人為因素和自然因素長期共同作用的結果。聚類分析表明，云南3個典型生態產區間土壤微生物特性存在明顯差異，昆明煙區中等偏上水平的土壤微生物量最大，文山煙區與昆明煙區較為接近，而曲靖煙區的土壤微生物相對偏少，這可能也是不同產區的煙葉品質、風格特征存在差異的原因之一。

綜上所述，植煙土壤的肥力水平越高，其土壤細菌、真菌、放線菌，以及固氮菌、解磷菌、解鉀菌3種功能菌數量越多，群落結構越穩定。