全 文 ：第 26卷第4期
2006年 4月
生 态 学 报
ACTA ECOLOGICA SINICA
Vo1．26．No．4
Apr．，2006
大豆连作对土体和根际微生物群落功能的影响
李春格 ，李晓呜 ，王敬国
(1．中国农业大学资源环境学院，北京 100094；2．黑龙江省农业科学院土壤肥料研究所，哈尔滨 t50086)
摘要：试验采用 Biolog方法在大田试验条件下研究了不同连作年限大豆在结荚期和收获期根际和土体微生物群落功能多样性
的变化。试验结果表明，在结荚期和收获期根际微生物群落功能多样性、均匀度指数和AWCD均显著高于土体。在结荚期迎茬
和连作 88的土体微生物多样性 、AWCD均高于正茬和连作 4a土体 ；在收获期正茬和迎茬处理的土体微生物多样性、AWCD高于
连作 4a和 8a。结荚期迎茬、连作4a和 8a处理的根际微生物群落 AWCD均显著高于收获期，说明在大豆植株生长旺盛的结荚
期微生物群落的根际效应比收获期更明显。在这两个生长期降解氨基酸，糖类和羧酸类碳源的微生物可能是连作影响的主要
土体微生物类群。
关键词：大豆；土壤；微生物群落 ；连作障碍 ；Biolog
文童编号：1000．0933(2006)04．1144—06 中图分类号：S154．37 文献标识码：A
Efect of soybean continuous cropping on bulk and rhizosphere soil microbial
community function
LI Chun．Ge’，LI Xiao．Ming2
， WANG Jing—Guo ’ (1．c0z 。u， 。nd Environ 眦，China agricultural University，Beijing。100094；
2．Institute ofsoit and Fertilizer Sciences。Heilongfiang Academy ofAgricultural Sciences，Harbin 150086，China)．Acta Ecologica Sinica。2O06。26(4)：1144—
1150．
Abstract：Soybean is a main crop in northeast China，but a reduction in crop production occured widely as a result of continuous
soybean creppi~ on the same soil．This phenomenon is caled continuous cropping obstacles．When soybean is cropped
continuously in the same field for years．the yield would be reduced by 10％ 一30％ or even more．The area with continuous
cropping problem is about 700 000 hm2 in parts of northeast China alone．Much work on the preblem has been done，however，the
origin of replant disease remains unexplained．
Some researchers considered the problem as a disturbance of soil fertility due to the facts that soil enzyme activities and pH
decreased and soil structure degraded after continuous soybean cropping．Another hypothesis for the soil problem concerns the
phytotoxic or allelopathic effects of shoot or root residues．Th e latest hypothesis for the decline in soil health focuses on the shift of
soil microbial community i n continuous cropping system，but it is not yet proved．Therefore，this study aimed to determine the
efects of soybean replant disease in the field on rhizosphere and bulk soil microbial community functions．The bacterial community
function was characterized for 4 cropping systems，namely，normal rotation with corn (corn—corn—corn—soybean，CCCS)，
alternation of soybean with other crops(soybean—corn—soybean，SCS)，continuous soybean for 4 years(CS4)and continuous
soybean for 8 years(CS8)at podding and harvest stages using Biolog method．Our results showed that functional diversity，
evenness indices and AWCD from rhizosphere microbial community we／~significantly higher than those from bulk soil microbial
community at both growth stages．Functional diversity and AWCD of bulk microbial community from SCS and CS8 were higher than
those from CCCS and CS4 treatments at podding stage；At harvest stage functional diversity and AWCD from CCCS and SCS were
基金项目：国家自然科学基金资助项目(30270768)
收稿日期：2006．01．16：修订日期：2006．02．10
作者简介：李春格(1977一)，女 ，河北省邢台市人，博士生，主要从事微生物分子生态学研究．E．mail：chungeli@sohu．corn
*通讯作者Coresponding author，E-mail：wangjg@cau．edu．cn
Foundation item：The p ect wa5 supported by National Natural Science Foundation of China(No．30270768)
Received date：2006·01·16；Accepted da te：2006·02-10
Biography：LI Chun·Ge．Ph．D．candidate，mainly engaged in moleeulax ecology for environmental microbiology．E—mail；chungeli@sohu．corn
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4期 李春格 等：大豆连作对土体和根际微生物群落功能的影响
higher than those from CS4 and CS8．AWCD of rhizosphere microbial community from the treatments of SCS，CS4 and CS8 at
podding was higher than that at harvest stage，suggesting that soybean root might excrete larger amounts of organic carbon at first
stage than at latter stage．The microbes degrading amino acid，carbohydrate and carboxylic acid were mainly affected by soybean
continuous cropping in bulk soil．
Key words：soybean；soil；microbial community；continuous cropping；Biolog
大豆生产中连作栽培是非常普遍的。据 1993年资料，黑龙江省大豆重迎茬面积占大豆总面积的 36．2％
以上，1996年黑龙江省东部、北部大豆重迎茬面积已达70％以上。大豆连作使产量降低，品质变劣，减产程度
与连作年限之间呈正相关口 。据 1998年阮维斌等调查发现黑龙江哈尔滨市双城县约有133 hm 大豆由于连
作障碍而颗粒无收。从 20世纪 80年代至今，关于大豆连作障碍减产的研究已经开展了很多，许多学者在土
壤一病原菌 一植物的相关方向做了大量研究，如大量及微量养分变化 ]，土壤酶活性降低 以及土壤 pH下
降 ，有害物质如化感物质积累 ，土壤有害生物 如紫青霉菌⋯ ，大豆胞囊线虫[1 和根腐病菌⋯ 增加等
原因。随着研究的不断深入，已有学者指出，土壤微生物群落变化是连作障碍的主要原因之一I】 。本文利用
Biolog方法研究了大豆连作不同年限对土体和根际微生物群落功能的影响，为深入理解大豆连作障碍与土体／
根际微生物群落之间的关系提供理论和实践依据。
1 材料与方法
1．1 供试土壤
试验地位于黑龙江省农科院大豆连作长期试验站，不同处理分别为大豆正茬(玉米．玉米．玉米．大豆)，迎
茬(大豆．玉米．大豆)，大豆连作 4a和连作 8a处理。施肥、施药、灌溉等田间常规管理，分别于 2004年大豆结
荚期初和大豆收获期取样，按五点取样法选取大豆植株，先去掉0—5 cm的表土，轻轻抖掉根系外围土作为土
体土，用毛刷轻轻刷粘附在根表面的土壤作为根际土，用无菌的封口袋包扎密封，置于冰盒中带回实验，研磨
过2 mm筛后，马上进行 Biolog试验测定。
1．2 Biolog试验测定
参考孔维栋等n 的方法。称取相当于 10 g烘干土壤的新鲜土壤加入到装有 100 ml灭菌的生理盐水
(0．85％)的250 ml三角瓶中，摇匀。依次稀释至 10 倍，向 Biolog微平板每孑L中加入 150 fl稀释液。25℃培
养 168h，每 24h读数。
1．3 仪器设备
Biolog GN2微平板和 Biolog Reader购自美国BIOLOG公司(BIOLOG，Hayward，USA)。
1．4 数据分析方法
采用 Biolog微平板培养72h的数据进行数据统计，采用 Shannon多样性指数和Shannon均匀度指数来表征
土壤微生物群落代谢功能多样性 ；将 Biolog GN2微平板中95种碳源进行主成分分析(Principal Component
Analysis，PCA)。BIOLOG微平板中各孔碳源分类如下，胺类：6种，F2．F4，H5．H7，氨基酸类：20种，F5．G12，糖
类：28种，A7．C10，羧酸类，24种，D1．El2，聚合物类：5种，A2．A6，其他类：12种，C1 1-C12，F1，H1．H4，H8．H12。
应用 SAS Release6．12进行多样性指数差异显著及主成分分析。
2 结果
2．1 连作对土壤微生物群落功能多样性和均匀度指数分析
结荚期根际微生物群落功能多样性和均匀度指数显著高于土体，正茬和连作 4a的土体微生物多样性较
其它处理低，各处理的土体微生物均匀度指数差异不大。收获期各处理根际微生物多样性和均匀度指数显著
高于土体，连作 4a和8a处理的土体微生物多样性低于正茬和迎茬。
2．2 连作对每孑L颜色平均变化率(Average Wel Color Development，AWCD)的影响
在结荚期，土体微生物群落 AWCD在整个培养期内均显著低于根际微生物，且在培养后期这种根际效应
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生 态 学 报 26卷
更显著；迎茬和连作 8a的土体微生物群落 AWCD稍高于正茬和连作4a，迎茬的根际微生物 AWCD稍低于其
他3个处理。在收获期，各处理根际及正茬、迎茬土体微生物群落AWCD显著高于连作4a和8a土体。对比
大豆不同生长期的根际和土壤微生物群落 AWCD发现，除正茬土体微生物 AWCD在这两个生长期无差异外，
培养第 168 Jb0~m-J其他各处理的土体和根际微生物AWCD在结荚期均高于收获期，其中连作8a处理土体结
英期高于收获期 64．5％，各处理的根际在结荚期高于收获期 20．9％一41．7％。
裹 1 结荚期各处理土体，根际微生物群落功能多样性与均匀度
Table 1 Efects of soybean replant 011 bulk and rhizosphere microbial functio~ diversity and evenness
用 Dunean法统计，表中同列字母表示为 5％差异显著水平 (n=4)Tested by Duncan method，the leter in the same colunln means signifcant
diference at口8a Continuous soybean for 8 years(css)；下同 the 8~lle below
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培养时间Incubation(h)
图1 结荚期(a)和收获期(b)土体／根际微生物群落 AWCD变化
Fig．1 AWCD of bulk and rhizosphere microbial community at podding stage(a)and at harvest stage(b)
一 ◆一土体正茬 Bulk soil of CCCS；一■一土体迎茬 Bulk soil of SCS； ▲ 土体连作 4a Bulk soil of CS4；一● 土体连作 8a Bulk soil of
CS8；一◇一根限正茬Rhizosphere soil of cccs；一口一根际迎茬 Rhizosphere soil of SCS；一△一根际连作4a Rhizosphere soil of CS4；-O-根际
连作 8a Rhizosphere soil of CS8
2．3 连作对 6类碳源利用率的影响
在结荚期，迎茬和连作 8a的土体微生物对 6类碳源利用率高于正茬和连作 4a处理，各处理根际微生物
无差异。正茬和连作 4a处理的根际效应最明显，正茬根际对氨基酸，糖类，羧酸类，聚合物类，胺类和其他类
碳源的利用率比土体分别高 136．0％，104．8％，56．8％，121．5％，292．4％和89．5％，连作 4a根际对上面六类碳
源的利用率比土体分别高70．1％，291．5％，63．3％，106．9％，55．3％和 198．1％。在收获期 ，正茬和迎茬的土体
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4期 李春格 等：大豆连作对土体和根际微生物群落功能的影响
微生物对六类碳源利用率高于连作4a和8a处理，各处理根际微生物差异不大，连作4a和 8a根际微生物对糖
类和聚合物类碳源利用率分别高于土体 1o4．4％，174．7％和 58．7％，78．0％，其他处理根际与土体微生物对各
类碳源的利用率差异不大。
对比结荚期和收获期的土体和根际微生物对六类碳源的利用率发现，同一处理在两个时期的土体微生物
对各碳源利用率差异不大。结荚期根际对六类碳源的利用率比收获期根际分别高 60．6％，50．3％。41．6％。
17．2％，103．4％和 52．6％。
从表2可以看出，在这两个生长期氨基酸，糖类和羧酸类碳源是各处理土体微生物的主要碳源，除胺类外
的其他五类碳源是根际微生物的主要碳源。
表2 连作对士壤微生物群落六类碳源利用率的影响
Table 2 Efects of soybean replant Ol substrate utilization by soft microbial community In soil
用 Duncan法统计，表中同列字母表不为5％差异显著水平 (n=4)；Tested by Duncan method，the leter in the same column means signifcant
diference at P<0．05(n=4)；土体 Bulk soil根际 Rhizosphere soil；正茬 Corn，COrn-COrn-soybean；~ Soybean．corn．s0ybean；连作4a Continuous soybean
for 4 years；连作 8a Continuous soybean for 8 years
2．4 土壤微生物群落功能主成分分析(PCA)
从 PCA图可以看出，结荚期根际与土体的微生物群落差别较大(图2)，根际聚在第 4象限，土体微生物群
落分别在第2、3象限。土体正茬聚在第2象限，土体连作 4a聚在第 3象限。
在收获期根际微生物群落仍然与土体微生物存在很大差异，根际微生物群落聚在第 4象限，土体微生物
群落分布在第 1、2象限。正茬土体微生物群落落在 PC1轴正方向，连作 4a和 8a处理的土体微生物群落特征
相似，聚在 PC1轴左面。
3 讨论
在本田问试验中发现，连作 6a后大豆生长逐渐得到改善，连作 8a处理的生长状况明显好于连作 4a的大
豆。因此按照现在的大豆连作障碍理论，随着连作年限的增加，大豆生长状况越来越差，这些理论不能圆满地
解释本试验中的结果。大豆连作障碍是土壤一微生物一植物一气候综合相互作用的结果，单一因素的研究很难对
田间试验情况作出较合理的解释。本试验尝试从土壤微生物群落生态的角度研究连作障碍的机理，以期找出
连作障碍与土壤微生物群落之间的联系。
本实验结果表明在结荚期和收获期，根际微生物群落功能多样性和均匀度相似。这说明尽管连作年限不
同，但大豆根际分泌物的种类和数量并未影响根际微生物群落的多样性。这可能由于一方面根系分泌物的种
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图2 微生物群落主成分分析结荚期(a)和收获期(b)
Fig．2 Principal component analysis of bulk and rhizosphere microbial community at podding stage(a)and harvest stage(b)
- @-~体正茬 Bulk soil of cccs；一一一土体迎茬Bulk soil of SCS ▲ 土体连作4a Bulk soil of cs4；一●一土体连作 8a Bulk soil of CS8；一
◇一根际正茬 Rhizosphere soil of cccs； 口一根际迎茬 Rhizosphere soil of scs；一△一根际连作4a Rhizosphere soil of cs4；一0一根际连作 8a
Rhizosphere soil of CS8
类和数量相似，另一方面根际微生物群落功能多样性是一个相对较稳定的参数，不易受外界环境变化的影响。
对土体微生物群落功能多样性而言，仅结荚期正茬处理显著低于迎茬和连作 8a处理，其他各处理之间无显著
差异，这是由于正茬处理连续 3a种植玉米后大量消耗了土壤养分，土壤中有效养分显著下降而导致正茬处理
的土体微生物群落功能多样性显著低于迎茬。
微生物群落多样性反映了群落总体的变化，但未能反映微生物群落组成的详细信息 ¨。研究微生物群
落对不同碳源利用能力的差异，可深入了解微生物群落的功能。本研究结果表明，大豆同一处理在不同生长
期的土体和根际群’落 AWCD及对各类碳源的利用率差异很大，这说明微生物群落功能受根系分泌物影响很
大；同时，在这两个生长期根际微生物群落 AWCD和各类碳源利用率显著高于土体微生物群落，尤其在结荚
期这种根际效应更明显，说明大豆根系在生长期分泌大量糖类 ，氨基酸类等低分子量有机物刺激根际微生物
群落的生长。因此大豆连作必定对土壤微生物群落功能产生影响，诱导具有某些特定生理特征的微生物群落
的发展。邹莉等 发现大豆连作显著降低了土壤中细菌数量，提高了真菌数量，但哪些生理类群的细菌和真
菌发生了变化并无报道。因此，应进一步研究随连作年限增加，追踪发生显著变化的微生物类群，才能从根本
上阐明微生物群落与连作障碍之间的关系。
由于 Biolog方法本身的局限性，本研究并未能很好地阐明微生物群落功能变化与大豆连作障碍之间的关
系。Biolog方法表征的只是土壤中快速生长或富营养微生物的活性，而不能反映土壤中生长缓慢的微生物的
活性 ¨，包括 Biolog方法在内的微生物培养方法测定的土壤微生物数量不到 16SrDNA方法测定的微生物数量
的 1％_I ，因此采用 Biolog方法来研究土壤微生物群落可能存在一些偏差，采用土壤微生物功能多样性来
反映物种多样性的差异会导致低估物种上的差异 。
尽管 Biolog方法存在一定的局限性，但本研究结果仍表明不同连作年限的大豆土体微生物群落功能存在
差异。大豆结荚期和收获期土体微生物群落主成分分析表明，氨基酸，糖类，羧酸类，聚合物类和其他类五类
碳源均与主成分 PCI存在显著相关 ，说明在大豆连作条件下土体微生物群落变化是这五类碳源综合作用的
结果。根际微生物群落主成分分析表明，结荚期六类碳源均与主成分 PC1呈显著相关，在收获期糖类，氨基
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4期 李春格 等：大豆连作对土体和根际微生物群落功能的影响 ll49
酸类和羧酸类与PC1呈显著相关。土体微生物群落主成分分析表明，从对各类碳源的利用情况看，在这两个
生长期氨基酸，糖类和羧酸类碳源是各处理土体微生物的主要碳源，除胺类外的其他5类碳源是根际微生物
的主要碳源。因此，对土体微生物群落变化而言，在这两个生长期降解氨基酸，糖类和羧酸类碳源的微生物可
能是连作影响的主要土体微生物类群；对根际微生物群落变化而言，在结荚期降解氨基酸，糖类，羧酸类，聚合
物类和其他类五类碳源的微生物是大豆连作影响根际微生物的主要类群，在收获期降解糖类，氨基酸类和羧
酸类碳源的微生物是大豆连作影响根际微生物的主要类群。
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