木薯（Manihotesculenta）是世界三大薯类作物之一^[1]，被誉为“淀粉之王”“地下粮仓”。广西是我国最大的木薯种植区，其种植面积和加工产量占全国 70% 以上^[2]，在木薯食用化开发利用方面具有得天独厚的发展优势。随着木薯种植效益的提高和现代种植规模化、集约化的发展趋势，木薯连作面积连年增加，部分地块连作年限长达 15 年以上，造成木薯长势不良、病虫危害加重和产量下降等现象，连作障碍已被证实是木薯产量降低的重要原因之一^[3]，然而，木薯连作障碍的形成机制还有待深入研究。

作物连作障碍形成和加重的原因复杂多样，是包含土壤、植物和微生物在内的许多方面因素相互作用的结果，在各种连作障碍机制中，土壤微生物群落区系的改变被认为是导致连作障碍形成的主要原因之一，然而，不同作物产生连作障碍的机制也不尽相同^[4]，并且由于研究区域、种植作物、土壤类型和管理模式的差异，引起土壤退化的因子及其随年限的变化趋势均存在着较大的差异^[5-6]，因此，探讨连作年限对食用木薯根际土壤微生物群落的影响、分析土壤微生物群落结构及其多样性的动态性变化有助于深入系统地揭示食用木薯连作障碍的形成机制，对促进食用木薯可持续种植利用及土壤生态系统的健康发展具有重要意义。

近几年对广西木薯生产情况的调研发现，多数木薯产业从业人员和农业科技人员对木薯连作障碍现象已深有了解，以往关于木薯连作障碍的研究多数集中在土壤肥力和理化性状方面^[7-8]，也有少量连作对微生物影响的报道^[9]，但对食用木薯长年连作造成土壤微生物区系连续变化的研究还鲜见报道，特别是食用木薯连作年限与土壤环境因子、土壤微生物、产量和品质的相关性研究还未见报道。为进一步探索食用木薯连作障碍形成的分子机制，本研究以不同连作年限食用木薯根际土壤为研究对象，利用高通量测序技术，深入分析了不同连作年限土壤条件下食用木薯的产量、品质、土壤理化性质、酶活性和微生物群落结构及多样性的差异，探讨各因素之间的内在联系，旨在明确食用木薯连作产量、块根营养品质和土壤生物化学特性的演替规律，揭示不同连作年限种植对土壤环境的影响，为食用木薯连作障碍成因分析及防治措施提供理论支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

本试验于广西南亚热带农业科学研究所基地内进行，基地位于广西壮族自治区崇左市龙州县域内，地处北回归线以南，22°20′26″N， 106°47′39″E，海拔 330 m，属南亚热带季风气候，年平均气温 22.6℃，极端最高气温 40.9℃，极端最低气温 2.0℃，最热月平均气温 27.5℃，最冷月平均气温 19.9℃，平均年降水量 1392.7 mm，年平均相对湿度 86%，平均年蒸发量 1113.9 mm，无霜期 350 d 以上；土壤类型以砂壤土为主，土壤有机质 29.62 g/kg，碱解氮 63.23 mg/kg，有效磷 80.41 mg/kg，速效钾 201.11 mg/kg，pH 7.03。

1.2 试验设计及样品采集

供试材料为广西主栽食用木薯品种 NZ199 和 SC9，于 2022 年 3 月 21 日分别在食用木薯种植历史为 0（对照）～4 年的地块种植，所选样地的地形特征一致。每个地块采用完全随机区组设计排列重复小区，每个品种分别设置 3 个重复，木薯株行距为 1.0 m×1.0 m，每小区种植 60 株。下种前每公顷施用复合肥（N∶P∶K=15∶15∶15）750 kg 作为基肥，植后 60 d 施苗肥，其中尿素 150 kg/hm²，氯化钾 150 kg/hm²，复合肥 225 kg/hm²，植后 120 d 施薯肥，氯化钾 225 kg/hm²，复合肥 225 kg/hm^2[9]，试验期间其他栽培管理方式与常规栽培一致。

于 2022 年 12 月下旬木薯收获期采集食用木薯块根及土壤样品，每个地块 6 个小区（每个品种分别设置 3 个小区），共 5 个地块，块根及土壤样本数量各 30 个。每个小区连续取 10 株正常生长的植株，每株木薯取 1 个大小均匀的块根鲜样，带回实验室清理杂质后切片，于 105℃杀青 15 min，60℃ 烘干至恒重，再用粉碎机将干样粉碎，过 0.15 mm 筛后密封保存，用于测定块根品质指标。采用五点取样法取土壤样品，每个小区选 5 个采样点即 5 株木薯，采样时先移除土壤表面的植物残体等，将木薯挖出，采用抖落法收集根际土壤，除去与根系结合较松的土壤，保留与根系表面粘附性较强的土壤作为试验用根际土，土壤样品装入无菌密封袋，放于冰盒中保存。回实验室后，分别将每个小区 5 个样点的土壤样品混匀，再过 2 mm 筛去除杂物，采用四分法将土壤样品分为 3 份，一份自然风干用于土壤化学性质测定，一份存储于-4℃冰箱用于土壤酶活性的测定，一份保存于-80℃用于微生物的测定。

1.3 食用木薯产量、品质、土壤理化性质和酶活性指标的测定

每个小区连续取 10 株正常生长的植株测量其株高、距地面 10 cm 的茎粗、薯长、薯粗和薯数，称量每株植株块根的鲜重，然后按每公顷 1 万株换算成公顷产量，薯长用直尺测定，从薯柄与薯块的连接处开始测定，直至块根尾部；薯粗用游标卡尺测定，测定薯块上中下 3 个部位的直径，取 3 个直径的平均值作为薯粗；块根可溶性糖含量用蒽酮比色法测定，按照 GB 5009.9—2016 测定鲜薯的淀粉含量、GB 5009.83—2016 测定 β-类胡萝卜素含量、 GB 5009.5—2010 测定蛋白质含量、GB/T5009.10— 2003 测定粗纤维含量。土壤 pH 值采用 pH 计测定，土壤有机质（OM）含量采用重铬酸钾氧化法测定，碱解氮（AN）含量采用碱解扩散滴定法测定，有效磷（AP）含量浸提后使用钼锑抗比色法测定，速效钾（AK）含量浸提后使用火焰光度法测定。土壤过氧化氢酶（CAT）活性用 2，3，5-三苯基四氮唑氯化物（TTC）还原法测定，土壤蔗糖酶（INV）活性用 3，5-二硝基水杨酸比色法测定；土壤脲酶（UA）活性用苯酚钠-次氯酸钠比色法测定。

1.4 土壤微生物 DNA 的提取及测序

采用试剂盒（TianGen）对土壤样品中的微生物总 DNA 进行提取，之后利用 1% 琼脂糖凝胶电泳检测 DNA 的纯度和浓度，取适量的样本 DNA 于离心管中，使用无菌水稀释样本至 1 ng/μL。以质量合格的土壤 DNA 为模板进行 PCR 扩增，扩增目的片段为细菌 16S rRNA 的 V3～V4 区和真菌 ITS RNA 的 ITS1-5F 区域，通用引物分别为 515F（5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA-3′）、806R （5′-GGACTACVSGGGTATCTAAT-3′）和 1737（5′-GG AAGTAAAAGTCGTAACAAGG-3′）、2043R（5′-GCT GCGTTCT-TCATCGATGC-3′）^[10]，对真菌 ITS RNA 基因序列进行 PCR 扩增。所有 PCR 混合液加入 15 μL Phusion^® High-FidelityPCRMasterMix（NewEnglandBiolabs）、0.2μmol/μL 引物和 10 ng 基因组 DNA 模板，在 98℃下进行 1 min 的第一次变性，然后在 98℃ （10 s）、50℃（30 s）和 72℃（30 s）下进行 30 次循环，最后在 72℃下保持 5 min。PCR 产物使用 2% 浓度的琼脂糖凝胶进行电泳检测；对检测合格的 PCR 产物进行磁珠纯化，采用酶标定量，根据 PCR 产物浓度进行等量混样，充分混匀后使用 2% 琼脂糖凝胶电泳检测 PCR 产物，对目的条带使用通用型 DNA 纯化回收试剂盒（TianGen）回收产物。使 NEB Next^® Ultra^TM II FS DNA PCR-free Library Prep Kit 建库试剂盒（New England Biolabs）进行文库构建，构建好的文库经过 Qubit 和 Q-PCR 定量，文库合格后，使用 NovaSeq 6000 进行 PE 250 上机测序。

1.5 数据处理与分析

土壤微生物高通量测序所获得的原始数据，利用 QIIME2 data2 插件进行质控、修剪、去噪、拼接和去除嵌合体，通过 97% 的相似性对 ASV 进行聚类，每个 ASV 可代表一个物种，选取丰富度较高的序列为代表序列，使用 QIIME2 对代表序列进行物种注释，得到物种信息。采用 Excel 2010 进行数据的整理，利用 SPSS 22.0 进行单因素方差分析（ANOVA，P<0.05），检验不同连作年限间土壤环境因子及 α 多样性指数的差异性；β 多样性分析基于 Bray-curtis 距离算法的非度量多维尺度分析 （NMDS），检验土壤微生物群落之间的相似性或相异性；利用 Spearman 等级相关系数进行环境因子与产量、品质和微生物群落及多样性指数的相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同连作年限食用木薯产量和品质的分析

不同连作年限食用木薯产量及其构成因素和品质指标的变化如表1 所示，随着连作年限的增加，NZ199 和 SC9 的株高和茎粗降低，相较于 N1 和 S1 处理，N5 和 S5 处理株高分别降低 31.57% 和 30.03%，茎粗分别降低 29.96% 和 24.30%；两个食用木薯品种的产量、薯长、薯粗和薯数均随着连作年限延长而呈现降低的趋势，N5 和 S5 处理的产量与 N1 和 S1 处理相比分别减少 33.12% 和 31.53%。从表2 可知，长年连作降低了粗淀粉、可溶性糖、粗蛋白和 β-类胡萝卜素含量，提高了粗纤维含量；与 N1 和 S1 处理相比，N5 和 S5 处理的粗淀粉、可溶性糖、粗蛋白、β-类胡萝卜素含量分别降低了 4.81% 和 11.00%、12.98% 和 6.26%、2.77% 和 37.26%、34.81% 和 48.41%，粗纤维则分别提高了 44.56% 和 13.60%。

注：N1～N5 和 S1～S5 分别表示 NZ199 和 SC9 在同一地块连续种植 1～5 年；表中数值为平均值 ± 标准偏差；同一列中不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。下同。

2.2 不同连作年限食用木薯土壤理化性质分析

不同连作年限食用木薯土壤理化性质指标如表3 所示，随着连作年限的增加，两个品种的土壤 pH 值、OM 和 AN 含量呈现降低的趋势，而 AP 和 AK 的含量则显著升高。与 N1 处理相比，NZ199 在 N5 处理的 pH 值、AN 含量分别降低 19.81%、30.55%，AP、AK 含量分别增加 182.76%、104.11%，OM 含量在各处理间变化不显著；SC9 在 S5 处理的 pH 值、 AN 含量较 S1 处理分别降低 19.87%、38.14%，AP、 AK 含量分别增加 113.47%、176.17%，OM 含量降低 18.71%；值得注意的是，两个品种的 pH、AN、AP 和 AK 含量均在连续种植的第 3 年发生了显著变化。

2.3 不同连作年限食用木薯土壤酶活性分析

不同连作年限食用木薯 UA、INV 和 CAT 活性如表4 所示，NZ199 的 3 种酶活性整体降低，但均未呈现单一的随连作年限延长而降低的趋势，在连续种植第 5年降到最低，与 N1 处理相比，N5 处理的 UA、INV 和 CAT 活性降幅分别为 32.07%、5 9.88% 和 36.76%；SC9 的 UA 活性随连作年限的增加而逐年降低，而 INV 和 CAT 活性随连作年限的增加呈现先升高后降低的趋势，与 S1 处理相比，S5 处理的 UA、INV 和 CAT 活性降幅分别为 46.29%、54.80% 和 24.70%。

2.4 不同连作年限食用木薯根际土壤微生物群落多样性分析

2.4.1 土壤微生物群落 α 多样性

如表5 所示，各样本的覆盖度指数均大于 99.9%，说明测序深度已覆盖绝大多数的样本信息，能够真实有效地反映土壤样本的微生物群落组成情况。本研究采用 Chao1 和 Shannon 指数来分析土壤微生物的 α 多样性，Chao1 指数值越大表明群落丰富度越高，Shannon 指数值越大表明群落多样性越高。NZ199 和 SC9 根际土壤细菌的 Chao1 指数和 Shannon 指数随连作年限延长呈现先升高后降低的趋势，转折点分别在 N3 和 S4 处理，各连作处理的 Chao1 指数均高于 N1 和 S1 处理，N5 和 S5 处理的 Chao1 指数分别较 N1 和 S1 处理升高 16.45% 和 11.10%，连作对两个品种根际土壤微生物的 Shannon 指数无显著影响，但 N5 和 S5 处理的 Shannon 指数均低于 N1 和 S1 处理，分别降低 0.49% 和 5.93%。对真菌而言，NZ199 根际土壤的 Chao1 和 Shannon 指数随连作年限增加呈现先降低后升高的趋势，转折点在 N3 处理，而 SC9 根际土壤的 Chao1 和 Shannon 指数则随连作年限延长呈现先升高后降低的趋势，转折点在 S4 处理，两个品种真菌 α 多样性指数的变化趋势相反，但两个品种连续种植的第5年，Chao1 指数均低于 N1 和 S1 处理，分别降低 1.50% 和 8.35%， Shannon 指数在各处理间无显著变化，N5 处理的 Shannon 指数与 N1 处理基本持平，S5 处理的 Shannon 指数较 S1 处理降低 1.56%。

韦恩图能够直观反映不同处理间土壤微生物群落 ASVs 组成的差异性及重叠关系。由图1a 可知，所有样品共有的细菌 ASV 数量为 486 个，两个品种根际土壤中特有的细菌 ASV 数量随连作年限增加均呈现先升高后降低的趋势，最高值分别在 N3 和 S4 处理，比 N1 和 S1 处理分别增加 112.00% 和 108.43%。图1b 表明，所有样品共有的真菌 ASV 数量为 111 个，两个品种根际土壤特有的真菌 ASV 数量随连作年限延长变化趋势不同，其中，NZ199 根际土壤特有的真菌 ASV 数量在连续种植的第 3 年最低，比 N1 处理降低 20.01%，而 SC9 根际土壤特有的真菌 ASV 数量在连续种植的第 3 年最高，比 S1 处理增加 88.81%；各处理真菌共有的 ASV 数量远小于细菌共有的 ASV 数量，说明真菌群落相对于细菌群落而言可能更易受连作的影响。

注：a 为细菌；b 为真菌。

2.4.2 土壤微生物群落 β 多样性

基于 Bray-curtis 距离的 NMDS 揭示了不同连作年限根际土壤微生物群落结构的变化（图2），细菌群落的 Stress 为 0.1，真菌群落的 Stress 为 0.12，不同微生物群落的 Stress 均小于 0.2，表明分析结果可以准确反映样本间的差异程度。由图2 可知， NZ199 和 SC9 细菌和真菌群落分别在同一连作年限聚集，不同连作年限分离，并且随着连作的进行，样本之间的距离逐渐增大，与 N1 和 S1 处理明显分离，说明长年连作使 NZ199 和 SC9 根际土壤微生物群落结构发生了显著变化，连作是影响微生物群落差异的重要因素。

2.5 不同连作年限食用木薯根际土壤微生物群落结构组成及差异分析

由图3a 所示，主要的优势细菌门（相对丰度 >1%） 为变形菌门（Proteobacteria，24.29%～42.69%）、放线菌门（Actinobacteriota，19.40%～33.06%）、酸杆菌门（Acidobacteriota，10.41%～19.61%）、绿弯菌门 （Chloroflexi，7.83%～13.83%）、厚壁菌门（Firmicutes， 2.76%～6.91%）、拟杆菌门（Bacteroidota，1.12%～3.48%）、芽单胞菌门（Gemmatimonadota，1.49%～4.99%）、疣微菌门（Verrucomicroblota，1.04%～2.42%）、粘菌门（Myxococcota，1.32%～2.70%），占所有细菌丰度的 93%～98%，其中变形菌门数量最多，放线菌门和酸杆菌门次之。在属水平上 （图3b），优势细菌属（相对丰度 >1%）主要有热酸菌属（Acidothermus，1.65%～7.33%）、朱氏杆菌属（Chujaibacter，0.77%～4.72%）、微球菌 AD3（0.88%～3.81%）、假丝酵母菌属（Candidatus_Solibacter，1.02%～3.96%）、JG30-KF-AS9（0.73%～2.33%）和苔藓杆菌属（Bryobacter，0.88%～2.72%）。优势细菌群落的显著性差异分析（图4a）发现，酸杆菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门、热酸菌属、苔藓杆菌属和假丝酵母菌属的相对丰度在各处理间存在显著差异，其中，随着连作年限的增加，NZ199 和 SC9 根际土壤中酸杆菌门的相对丰度分别在 N3 和 S3 处理最低，达到显著差异，比 N1 和 S1 处理分别降低 32.22% 和 40.94%，芽单胞菌门分别在 N4 和 S4 处理显著升高，比 N1 和 S1 处理分别增加了 55.10% 和 53.19%。在属水平上，NZ199 和 SC9 根际土壤中热酸菌属、苔藓杆菌属、假丝酵母菌属在 N4 和 S4 处理相对丰度较 N1 和 S1 处理显著降低，分别降低 72.60% 和 72.85%、50% 和 66.67%、 68.72% 和 64.10%。

注：a 为细菌；b 为真菌。

注：a 为细菌门水平；b 为细菌属水平；c 为真菌门水平；d 为真菌属水平。

真菌群落在门分类水平上（图3c）主要由 4 类真菌组成，分别是子囊菌门（Ascomycota， 33.19%～59.19%）、担子菌门（Basidiomycota， 8.75%～41.03%）、被孢霉门（Mortierellomycota， 2.55%～14.12%） 和毛霉菌门（Mucoromycota， 0.29%～3.92%），相对丰度最高的是子囊菌门和担子菌门；在属水平上（图3d），土壤真菌优势菌属（相对丰度 >1%）主要为镰刀菌属（Fusarium，6.64%～17.26%）、被孢霉属（Mortierella， 2.48%～13.98%）、毛壳霉属（Chaetomium， 0.16%～11.36%） 和木霉菌属（Trichoderma， 0.35%～4.26%）。优势真菌群落的显著性差异分析 （图4b）表明，子囊菌门、担子菌门、木霉菌属和镰刀菌属的相对丰度存在显著差异，NZ199 和 SC9 根际土壤中子囊菌门的相对丰度均随连作年限增加而增加，N5 和 S5 处理比 N1 和 S1 处理分别升高 32.14% 和 40.99%；担子菌门相对丰度随着连作年限的增加而降低，N5 和 S5 处理较 N1 和 S1 处理分别降低 70.97% 和 58.06%。在属水平上，镰刀菌属相对丰度随连作年限延长而显著升高，N5 和 S5 处理较 N1 和 S1 处理分别升高 48.46% 和 53.53%；木霉菌属的相对丰度随连作年限延长先降低后升高，在连续种植第 3 年降到最低，并且 N5 和 S5 处理比 N1 和 S1 处理仍分别降低 53.84% 和 53.33%；综上可知，连作改变了 NZ199 和 SC9 根际土壤细菌和真菌群落的组成结构。

2.6 不同连作年限食用木薯土壤环境因子与产量品质及微生物群落的相关性分析

2.6.1 土壤环境因子与产量、品质及微生物多样性的相关性分析

Spearman 相关性分析（表6）表明，食用木薯产量及其构成因素和品质指标受到环境因子的显著影响。土壤理化性质和酶活性对产量和薯长影响最大，株高和茎粗次之；品质指标受环境因子影响从大到小排序为 β-类胡萝卜素>粗淀粉 >粗纤维 >粗蛋白 >可溶性糖，薯数和可溶性糖与土壤理化性质及酶活性均无显著相关性。对微生物多样性而言，pH 显著影响细菌群落的 Chao1 和 Shannon 指数，CAT 活性显著影响真菌的 Chao1 和 Shannon 指数，此外，细菌的多样性指数受土壤 AP、AK 含量和 CAT 活性的显著影响。

2.6.2 土壤环境因子与微生物群落结构的相关性分析

由 Spearman 相关性分析（图5）可知，优势细菌门酸杆菌门与 pH、OM 和 AN 含量、UA、INV 及 CAT 呈显著正相关，与 AP 和 AK 含量呈显著负相关；绿弯菌门与 INV 呈显著正相关。优势细菌属中，热酸菌属、苔藓杆菌属及假丝酵母菌属与 pH、OM 和 AN 含量、UA、INV 及 CAT 呈显著正相关，与 AP 和 AK 含量呈显著负相关；罗尔斯属（Ralstonia） 与 AN 含量、INV 和 CAT 呈显著负相关，与 AP、AK 含量呈显著正相关。优势真菌门子囊菌门与 pH、OM 和 AN 含量、INV 及 CAT 呈显著负相关，与 AP、 AK 含量呈显著正相关；担子菌门与 pH、AN 含量、 INV 呈极显著正相关，与 AP、AK 含量呈极显著负相关；优势真菌属被孢霉属和镰刀菌属与 pH 呈显著负相关，镰刀菌属与 AP 含量呈显著正相关；木霉菌属与 OM 和 AN 含量、UA、INV 及 CAT 呈显著正相关，与 AP 和 AK 含量呈显著负相关。由此可知，食用木薯连作根际土壤优势菌群与土壤环境因子的相互作用影响了微生物群落的演替。

注：a 为细菌门、属水平；b 为真菌门、属水平。*、** 和 *** 分别表示 P ≤ 0.05、P ≤ 0.01 和 P ≤ 0.001。

注：* 表示在 0.05 水平上显著相关，** 表示在 0.01 水平上显著相关，*** 表示在 0.001 水平上显著相关；OM 表示有机质；AN 表示碱解氮；AP 表示有效磷；AK 表示速效钾；UA 表示脲酶；INV 表示蔗糖酶；CAT 表示过氧化氢酶。

注：a 为细菌门水平；b 为细菌属水平；c 为真菌门水平；d 为真菌属水平；*、** 分别表示 P ≤ 0.05、P ≤ 0.01；OM 表示有机质；AN 表示碱解氮； AP 表示有效磷；AK 表示速效钾；UA 表示脲酶；INV 表示蔗糖酶；CAT 表示过氧化氢酶。

3 讨论

3.1 连作对食用木薯产量和品质的影响

本研究表明，连作显著降低了株高、茎粗、薯长和产量，刘珊廷等^[9]研究发现，木薯连作单株块数、块根粗、块根长、单株块根重及产量显著降低，与本研究结果相似，因此，认为食用木薯减产的主要原因是连作抑制了木薯地上植株的生长和块根的伸长发育。粗淀粉、可溶性糖、粗蛋白、粗纤维和 β-类胡萝卜素是食用木薯的主要营养物质，它们的含量对食用木薯的品质评价具有举足轻重的作用，连作使食用木薯的粗淀粉、可溶性糖、粗蛋白和 β-类胡萝卜素含量下降，粗纤维含量升高，并且连作对 SC9 块根营养品质各指标均有显著影响，但对 NZ199 块根粗淀粉和可溶性糖含量的影响均未达到显著水平，表明不同品种食用木薯的块根品质指标受连作的影响程度不同。综上可知，连作是造成食用木薯减产和品质下降的重要原因。

3.2 连作对食用木薯土壤理化性质及酶活性的影响

土壤酸化是影响作物连续种植的障碍因子之一，土壤酸化会引起土壤物理、化学和生物学性质的改变，更有利于病菌的生长和侵染，还会降低土壤酶的活性。有研究表明，随着连作年限的增加，土壤 pH 值降低，引起土壤酸化^[11-12]，本研究发现，土壤的 pH 值随着连作年限延长显著降低，这与前人研究结果一致。土壤化学性质的恶化被认为是造成土壤质量下降的主要因素，本研究对食用木薯连作土壤理化性质的分析表明，连作导致土壤 OM 和 AN 含量显著降低，而 AP 和 AK 含量则显著增加，赵帆等^[13]发现，草莓连作 8 年导致土壤的全氮、全钾、全磷、AN、AP 和 AK 的含量增加；Li 等^[14]发现，温室黄瓜随着连作年限的延长，土壤 OM、AP、AK 含量呈先上升后下降再上升的趋势，AN 含量呈先上升再下降的趋势；以上研究结果与本研究存在差异，其原因可能与食用木薯的栽培管理措施有关，不同作物对养分的需求不同，木薯有喜氮、喜钾的生长特性，而木薯常规栽培过程中主要施用尿素、复合肥及钾肥，前期以氮肥为主，后期以钾肥为主^[9]，随着连作年限的增加，化肥施用量往往逐年增加，导致养分供大于求，并且由于有机肥施用较少，导致土壤 OM 含量下降，土壤 OM 含量的下降有可能导致 AN 含量的进一步降低，这与叶雯等^[15]对香榧的研究结果一致。此外，在连作过程中，作物对养分的选择性吸收会造成土壤中某些养分亏缺，而其他养分则大量累积，而食用木薯对养分的选择性吸收可能进一步导致了 AP 和 AK 的大量累积，最终导致土壤养分失衡，影响植物的生长，进而诱发连作障碍^[16]。土壤酶活性是反映土壤功能的重要指标，本研究中，连作显著降低了土壤酶活性，连续种植 5 年的土壤酶活性最低并与对照差异显著，这可能导致土壤分解过氧化氢的能力变弱，根系分泌的酚类物质积累，从而使土壤和植物健康受到威胁^[17]，酶活性的降低还会导致土壤养分转化受阻，养分供应能力下降^[18-20]，进而对食用木薯的产量和品质产生不利影响，因此，土壤理化性质的恶化及酶活性的降低可能是造成食用木薯连作障碍的一个重要原因。

3.3 连作对食用木薯根际土壤微生物群落的影响

高通量测序结果显示，食用木薯连作显著增加了细菌的丰富度和多样性，但随着连作年限的延长，细菌多样性又会下降。前人研究苜蓿^[21-22]、百香果^[23]、黄壤烟田^[24]连作时发现，土壤细菌群落的丰富度和多样性指数随连作年限的延长呈先增加后降低的趋势，以上研究结果均与本研究表现出相似的变化趋势，造成这一现象的原因可能与根系分泌物的富集有关，食用木薯连作期间，短时间的连作导致其根系分泌物在土壤中富集浓度可能还较低，在一定程度上还可作为碳源被微生物利用，进而细菌群落的多样性和丰富度逐渐升高，但超过一定的连作年限后，同类型根系分泌物自毒物质不断积累，抑制了作物生长和土壤有益微生物的活性，使其多样性和丰富度降低^[25]。对真菌的 α 多样性分析结果发现，NZ199 的 Chao1 和 Shannon 指数呈现先降低后增加的趋势，与辣椒^[26]和甘草^[27]长期连作对土壤真菌多样性的研究结果相似；SC9 的 Chao1 和 Shannon 指数随连作年限延长则呈现先增加后降低的趋势，这与叶雯等^[15]、姜霓雯等^[28]和朱书红等^[29]的研究结果一致。两个食用木薯品种根际土壤真菌 α 多样性指数的变化趋势相反，但连续种植 5 年的根际土壤真菌 Chao1 指数均显著低于对照，表明多年连作会降低根际土壤真菌的多样性，这与李晶晶等^[30]的研究结果相吻合。有研究表明，土壤类型、土壤理化特征及植物种类均能在不同程度影响土壤微生物的群落多样性^[31]，因此，两个品种产生差异可能是由于两个食用木薯品种的根系分泌物种类不同，进而招募微生物种类和数量也存在不同^[32]，从而造成土壤微生物多样性的差异。土壤微生物多样性的降低会对植株生长、养分循环等功能产生明显的负面影响^[33]，土传病害发生可能与微生物多样性降低有关^[34]，因此，建议食用木薯连作地应采取相应的措施如轮作、间作、施用微生物菌肥等，以保持土壤微生物群落的稳定性。

对食用木薯根际土壤微生物群落的组成分析表明，不同连作年限食用木薯根际土壤微生物在门水平和属水平的群落组成基本相同，且不同品种食用木薯微生物群落相对丰度随连作年限增加而呈现出相似的变化趋势。主要的优势细菌门为变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、绿弯菌门、芽单胞菌门等，与木薯（新选 048）^[9]、马铃薯^[35]、红薯^[36] 等作物相似；优势细菌属主要有热酸菌属、朱氏杆菌属、假丝酵母菌属、苔藓杆菌属、罗尔斯属等。变形菌门、酸杆菌门和绿弯菌门的主要作用是分解有机物，参与碳、氮、硫等元素在土壤环境中的循环，促进植物生长^[37]，芽单胞菌门是一种能导致氮素损失并降低作物生长的有害细菌^[35]；热酸菌属、假丝酵母菌属及苔藓杆菌属都是与土壤中物质转化有关的功能菌，具有分解有机质、利用碳源的作用，这类细菌属能够有效促进植物生长^[38]，而罗尔斯属被认为是引起作物青枯病中最常见的土传细菌病原菌^[39]；优势细菌群落的显著性差异分析表明，酸杆菌门的相对丰度在连作后显著降低，而芽单胞菌门的相对丰度显著升高，这与党参^[40]、怀牛膝^[41]连作的研究结果一致；热酸菌属、苔藓杆菌属和假丝酵母菌属随连作年限延长显著降低，罗尔斯属在连续种植 3 年后成为 SC9 根际土壤中的优势细菌属，由此可知，食用木薯连作改变了细菌群落结构，造成土壤中有益细菌丰度降低，有害细菌丰度增加，这与前人的报道一致^[42]。对真菌群落结构的分析表明，随连作年限的增加，担子菌门的相对丰度逐渐下降，子囊菌门的相对丰度逐渐增加，这与袁源等^[43]、黄修梅等^[44]的研究结果相似。担子菌可降解木质素，在土壤质量较好的环境里数量较多，说明食用木薯连作后土壤质量下降。优势真菌属主要为镰刀菌属、被孢霉属、毛壳霉属和木霉菌属，镰刀菌属（子囊菌门）是一种致病菌，其不仅会引起作物枯萎病的发生^[45]，而且会引发根腐、茎腐、花腐和粒腐等病害，对生产造成严重的损失^[11]，木霉菌属能促进作物生长、提高养分利用率、增强作物抗逆性，毛壳霉属是一种具有生防作用的有益真菌^[38]，镰刀菌属在连作后相对丰度显著升高，木霉菌属的相对丰度则在连作后显著降低，毛壳霉属也随着连作年限增加而降低，由此说明，食用木薯连作促进了土壤病原真菌的繁殖，抑制了有益真菌的生长，这会增加发生土传病害的风险，导致土壤酸化、有机质减少、养分失调等^[26]，这个结果与本研究中土壤理化性质指标的变化相对应。综上所述，推测土壤微生物群落多样性的变化，尤其是有益菌丰度的降低和有害菌丰度的增加是食用木薯连作障碍发生的主要原因之一，因此，进行微生物的定向调控、增强土壤微生物群落的稳定性是修复连作土壤的关键。

3.4 土壤环境因子对根际土壤微生物群落及产量、品质的影响

相关性分析表明，所测土壤环境因子与土壤微生物多样性及优势菌门、菌属存在显著甚至极显著相关性，其中，细菌群落的丰富度和多样性与 pH 有显著相关性，土壤细菌和真菌优势菌如酸杆菌门、热酸菌属、假丝酵母菌属、苔藓杆菌属、木霉菌属及镰刀菌属与 pH 显著相关，说明土壤酸碱性对土壤微生物群落多样性及组成有重要影响，这与前人研究结果一致^[46]。此外，土壤微生物优势菌对土壤 OM、AN、AP 和 AK 含量有较强的响应，并与土壤酶活性呈现一定的相关性，表明土壤环境因子可通过影响优势菌群来影响土壤中的微生物群落结构，连作及作物种植管理的长期不合理，将直接导致土壤微生物群落结构的变化^[47]，从而改变植物生长的微生态环境，进而产生连作障碍。

在本研究中，所测土壤环境因子显著影响食用木薯的产量和品质指标，对食用木薯的薯长、产量和 β-类胡萝卜素的影响最为显著，对产量和品质影响较大的环境因子排序为 pH>AN>AP>AK>CAT>OM>INV>UA。研究表明，作物长期连作导致土壤理化性质变劣，土壤酶活性及微生物群落多样性降低^[48]，病原体的增加和有益菌的减少可能是导致连作植物生长和产量下降的重要因素^[49]，土壤环境的恶化会影响根系对营养物质的吸收，从而造成食用木薯生长养分供给不足，最终导致食用木薯产量和品质下降。综合连作对食用木薯产量、品质、土壤理化性质及微生物群落的影响分析发现，食用木薯在同一地块连续种植的第 3 年，土壤理化性质出现显著变化，土壤细菌和真菌的多样性指数及优势菌群相对丰度也发生显著变化，说明食用木薯的连作障碍在连续种植的第 3 年开始显现。

4 结论

食用木薯长年连作造成土壤 pH、有机质和碱解氮含量、酶活性降低，有效磷和速效钾含量显著积累，微生物多样性和有益菌相对丰度降低，病原菌相对丰度升高及食用木薯产量和品质下降，连作食用木薯的土壤理化性质和微生物群落结构及多样性均在连续种植的第 3 年出现了显著的劣化。土壤环境因子的变化与土壤微生物群落的差异及食用木薯产量、品质下降之间存在一定的相关性，食用木薯连作障碍是土壤环境因子劣化及微生物群落失衡共同作用的结果。

参考文献