新疆长期棉花连作对土壤理化性状与线虫群落的影响

　　摘要土壤线虫群落特征是评价和指示土壤生态系统健康状况的重要依据。本研究选取不同连作年限(5、10、15、20和25年棉田作为样地，采用高通量测序技术探究土壤性状和线虫群落对棉田长期连作的响应。结果表明：连作10~15年后土壤pH、电导率(EC)显著升高，有机碳(SOC)、全氮(TN、有效磷(AP)、有效钾(AK)、硝态氮(NON)含量和土壤微生物碳(MBC)显著降低;连作棉田共鉴定出土壤线虫纲目18科25属，其中螺旋属在不同连作年限棉田土壤中均为优势属，土壤植物寄生类线虫在不同连作年限中均为优势营养类群，呈现先降低后增加的趋势，连作25年较其他连作年限植物寄生类线虫增加了9.1%~208.6%，其中螺旋属线虫增加了392.0%。随着连作年限增加，矮化属、茎属、Discopersicus、中环属和中轮属等植物寄生类线虫被检出;连作15年土壤线虫丰富度指数(ACE)和自由生活线虫成熟度指数(MI)显著降低，植物寄生线虫成熟度指数自由生活线虫成熟度指数(PPI/MI)显著升高，多样性指数(Shannon)和瓦斯乐斯卡指数(WI)最低;AP和MBC是影响土壤线虫群落变化的主要环境因子。研究表明，棉花连作10~15年会发生土壤养分失衡，土壤线虫多样性降低，土壤食物网稳定性变差，棉花致病类植物寄生线虫增加，产生连作障碍。

　　关键词棉花;连作;土壤线虫;营养类群

　　棉花是我国除粮食之外最大宗的农产品，在国民经济以及国计民生中扮演着重要角色。新疆是我国唯一的长绒棉种植基地，其种植面积和总产量分别占全国的和7%，单产稳居全国第一[1]。然而，受地貌特点、气候条件、耕作习惯和经济效益等因素影响，新疆棉花种植结构单一，连作现象严重。棉田长期连作带来较高经济效益的同时也给土壤质量和微环境带来了严重危害。

　　已有研究表明，棉花连作年限增加会导致土壤容重下降，总盐含量增加，土壤速效养分释放受限，养分失调，酶活性和根际土壤微生物多样性显著降低，对土壤生物性状产生明显的负面影响，使得棉花品质和产量降低。土壤线虫群落由不同的营养级组成，可以通过改变土壤食物网营养结构和分解细菌真菌途径影响土壤生态功能。在土壤物质循环和肥力保持等生态功能方面具有关键作用。Wilson等[1研究表明，线虫群落结构能够有效反映土壤养分状况和环境质量，比土壤理化性状对土壤生态系统变化更敏感[1。

　　许多学者已经就不同连作年限对大豆Glycinemax[1、西甜瓜CitrulluslanatusCucumismelo和黄瓜Cucumissativus土壤线虫群落结构的影响进行了研究。目前对棉花的研究主要集中在黄枯萎病方面，还进等[1和Knox等17研究表明，植物寄生线虫会加重棉花枯黄萎病的发生，危害程度较大的主要是螺旋属Helicotylenchus和根结线虫属Meloidogyne。然而，针对长期连作棉田土壤线虫群落变化尚缺乏系统性研究。本研究利用高通量测序技术对新疆长期连作棉田土壤线虫群落进行研究，阐明长期连作对土壤理化特性和线虫群落组成、结构的影响，探究二者之间的关系，以揭示棉花连作障碍的主要限制因子，从土壤生物学角度分析长期连作对土壤生态过程的影响，为植棉区土壤可持续利用提供科学依据。

　　1研究区域与研究方法

　　1.1研究区概况研究区位于新疆玛纳斯河流域十户滩镇44°37′N，86°8′E，属温带大陆性气候，年均气温为6.6℃，无霜期148187d，活动积温≥0℃：40234118℃;≥10℃：35703729℃。年降水少110200mm、蒸发大5002000mm。土壤类型和土壤质地分别为灰漠土和砂质土。

　　1.2试验设计本研究选择对弃耕30年的盐碱地进行定期逐渐复垦种植棉花的棉田作为样地，共设置个处理：连作年;10hm;连作10年10;10hm;连作15年15;30hm;连作20年20;20hm;连作25年25;30hm。通过统一管理消除各处理因管理措施不同所引起的差异，各样地实际情况见表。棉花采收后将棉秆进行全量还田，每个连作棉田的1/3面积设为一个重复，每处理设置个重复，各重复之间的距离为25m。

　　1.3土壤样品采集在棉花盛花期进行土壤样品采集2020年月15日。从每个连作处理的棉田中各收集个重复土壤样品，每个土壤样品之间的距离为25m。采用“”形在每个重复地块收集20个完整土样并进行混合后作为个土壤样品，取样点距棉花根部3cm，取样深度为20cm。总共收集15个土壤样品(5连作年限×重复。将土壤样品装入无菌塑料袋中，放入冰盒并迅速转移到实验室。过2mm筛，去除大型土壤动物、石子以及植物残体并混合均匀，将每个土壤样品分为两份，一份储存在80℃冰箱中以进行线虫分析，另一份风干后进行土壤理化性质分析。

　　1.4土壤理化性质测定土壤电导率EC，水：土：采用MP522电导率仪测定;pH值水：土2.5：采用MP522精密pH计测定;土壤含水量采用烘干法测定;土壤有机碳SOC采用重铬酸钾外热法测定;土壤全氮TN采用半微量凯氏法测定;土壤有效磷采用钼锑抗比色法测定;土壤速效钾采用火焰光度计法测定;硝态氮NO和铵态氮NH采用流动分析仪测定;微生物生物量碳(MBC)采用氯仿熏蒸萃取法进行测定[1。

　　1.5DNA提取、PCR扩增和IlluminaMiSe测序采用土壤DNA提取试剂盒MOBIOUltraClean™对0.5g的土壤进行总DNA提取，置于20℃保存。用1%琼脂糖凝胶检测DNA提取液、NanoDrop2000ThermoScientific,Wilmington,美国测定DNA浓度和纯度。采用引物NF1和18Sr2b扩增目的片段19。对目的片段进行CR扩增，对PCR产物进行可视化和纯化，并用QuantiFluor™STPromega,美国定量，将样品混合，采用MiseqPE300平台进行测序Illumina公司，上海美吉，每处理重复次。

　　2结果与分析

　　2.1不同种植年限棉田土壤理化性质

　　与连作年相比，土壤pH随连作年限增加显著升高，土壤EC显著降低，连作15年土壤EC较连作10年显著升高。随着连作年限增加，土壤SOC、TN、AP、AK、NH和NO含量呈先上升后下降的趋势，其中SOC和NH在连作10年最高，而TN、AP、AK和NO在连作15年最高。连作至年时土壤MBC含量显著下降。

　　2.2不同种植年限棉田土壤线虫群落组成

　　对各样地土壤线虫进行高通量测序，有效序列范围在5001952，所有样地共包括48个OTU，不同连作年限土壤有效序列和OTU数量差异较大。所有样品中检测到的线虫科有：纽带科Hoplolaimidae、头叶科Cephalobida、细齿科Leptonchidae、奎希娅科Qudsianematidae、滑刃科Aphelenchoididae和双胃科Neodiplogasteridae。检测到的线虫属有：螺旋属、盘咽属Discolaimus、细齿属Leptonchus、丽突属Acrobeles和拟丽突属Acrobeloides。其中，螺旋属在不同连作年限中均为优势属丰度>10%，随着连作年限的延长呈现先升高后降低，连作10年相对丰度最高，连作20年最低。盘咽属只在连作10年和连作25年的土壤样品中被检测到，连作15年后土壤样品中没有检测到细齿属，连作年后土壤中盆咽属Panagrolaimus丰度降低，样品中没有检测到该线虫。连作过程中丽突属变化趋势与螺旋属一致，丽突属和拟丽突属连作25年时均成为优势线虫属丰度>10%。

　　3讨论

　　3.1不同连作年限对棉田土壤理化性质的影响

　　土壤质量可以用来评价土地使用的可持续性。本研究表明，棉花长期连作后土壤性状变化较大。连作10年和15年土壤pH和EC分别较连作年和年显著上升，这与Yang等[25]的研究结果相似，原因是新疆干旱区蒸发量大，导致盐分在棉花耕层聚集，棉田受到次生盐渍化威胁。连作10年后导致土壤SOC和NH随种植年限增加显著下降;连作15年后土壤、AP、AK和NO含量显著下降，之后随着连作年限增加TN含量处于平稳状态，连作时间越长土壤NO亏缺越严重，随连作年限增加作物对养分进行选择性吸收导致土壤养分失衡26。

　　3.2土壤线虫群落对连作年限的响应

　　植物寄生线虫会诱导发生连作障碍。本研究表明，植物寄生类线虫在不同连作年限均为优势营养类群，在连作年土壤中相对丰度较低，与土壤 变化趋势相似，究其原因可能是土壤养分含量对棉花根系生长产生促进抑制作用，从而引起植物寄生类线虫相对丰度的变化。连作年土壤线虫群落与其他连作年限存在较大差异，这与该时期养分状况以及较高的BC含量有密切联系。

　　植物寄生线虫作为植物病原之一破坏性极强29，研究表明，连作25年较其他连作年限土壤植物寄生类线虫增加了.108，主要归因于螺旋属线虫相对丰度增加了392.0，以及茎属、根结线虫属等植物寄生类线虫被检出，可能会抑制棉花生长发育、诱导棉花病害的发生，引发连作障碍。连作25年丽突属和拟丽突属也成为了土壤优势线虫属，主要是因为连续种植棉花导致土壤微生物菌群失衡，影响土壤线虫优势类群结构。

　　线虫生态指数可以多角度对土壤线虫群落以及食物网结构进行评价。研究发现，连作15年土壤线虫Chao1和ACE值最低，棉花连作15年和20年土壤线虫的Shannon指数相对较低，Simpson指数变化与之相反，表明连作15年土壤线虫群落多样性有所降低。连作15年MI显著降低，表现为值为的线虫数量减少，值为的线虫占优势，说明连作15年土壤富营养化，土壤环境处于受胁迫状态[31]。PPI/MI比和PI更能反映土壤生态系统对外界干扰进行恢复的程度。

　　与连作年相比，连作年土壤线虫PPIMI显著降低，说明连作15年对土壤环境的扰动程度较大。连作15年棉田土壤WI最小，参与棉田土壤食物网矿化的线虫从食细菌和食真菌类转变成了植物寄生类线虫，土壤健康状况相对较差，这种变化可能与土壤理化性状的恶化有关。从分解途径上看，NCR>0.5时，食物网有机质降解以细菌为主导，转化效率较高，连作、15和25年棉田土壤食物网分解代谢过程较快NCR均大于0.5，有机质分解以细菌分解为主。

　　3.3土壤理化性质对线虫群落的影响

　　土壤理化性质对线虫的多样性和功能类群有不同程度影响。RDA分析结果表明，土壤MBC和AP是驱动土壤线虫群落结构变化的主要理化因子，这与华萃等的研究结果相似，土壤AP通过影响微生物活性从而影响线虫群落结构[3。杂食捕食类线虫与土壤NH呈显著正相关，表明土壤养分的变化引起了更高营养级线虫群落的响应。Dan等39研究指出，功能多样性与物种多样性对环境变化的响应存在差异，MI、PPI/MI、WI和NCR分别与不同的土壤环境因子存在相关性，说明土壤线虫的变化是多种环境因子综合作用的结果。

　　农作物土壤论文： 化肥减施间种绿肥对茶园土壤肥力及产量的影响

　　4结论

　　棉田连作1015年后土壤养分失衡，有发生次生盐渍化的风险。棉花连作改变了土壤线虫营养类群，连作15年土壤线虫的多样性和丰富度降低，土壤植物寄生线虫减少，食细菌和食真菌类线虫增加。随着连作年限的延长，螺旋属线虫相对丰度增加，茎属、根结线虫属等棉花致病类线虫在土壤中被检出。

　　参考文献

　　[1]国家统计局.2020年国家统计局棉花产量公告[EB/OL].(20201218)[20210210].http：//www.stats.gov.cn/tjsj/zxfb/202012/t202012181810113.htmlNationalBureauofStatisticsofChina.nnouncementofCottonieldforNationalBureauofStatisticsofChinain2020[EB/OL].(20201218)[20210210].http：//www.stats.gov.cn

　　[2]钟爽，何应对，韩丽娜，等.连作年限对香蕉园土壤线虫群落结构及多样性的影响.中国生态农业学报，2012，20()：604611ZhongS，HeY，HanL，etal.Effectofcontinuouscroppingofbananaonsoilnematodecommunitystructureanddiversity.ChineseJournalofEcoAgriculture，2012，20()：604611

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　　[4]高文翠，杨卫君，史春玲，等.呼图壁县不同连作年限棉田土壤理化性质分析.新疆农业大学学报，2020，43()：144149GaoW，YangW，ShiC，etal.AnalysisofchangesofsoilphysicalandchemicalpropertiesindifferentcontinuouscroppingcottonfieldsinHutubiounty.JournalofXinjiangAgriculturalUniversity，2020，43()：144149

　　[5]李锐，刘瑜，褚贵新.不同种植方式对绿洲农田土壤酶活性与微生物多样性的影响.应用生态学报，2015，26()：490496LiR，LiuY，ChuG.Effectsofdifferentcroppingpatternsonsoilenzymeactivitiesandsoilmicrobialcommunitydiversityinoasisfarmland.ChineseJournalofAppliedEcology，2015，26()：490496

　　作者：陈虹杨磊张凤华