摘要
为探究间作甘薯对烤烟根际土壤特性的影响，以烤烟（LY1306）和甘薯（普薯 32）为试验材料，通过模拟田间种植方式的盆栽受控试验，采用高通量测序技术，研究了种植方式（M：烤烟单作；I：烤烟甘薯间作）和施氮水平（N1：不施用氮肥；N2：正常施用氮肥，N 0.80 g/ 盆）对烤烟根际土壤细菌和真菌多样性、群落组成及群落结构的影响，并结合烤烟根际土壤速效养分含量和氮代谢酶活性分析了不同处理下烤烟根际土壤细菌和真菌的多样性指标、优势菌门与土壤环境因子之间的关系。结果表明：（1）与烤烟单作相比，间作甘薯能提高烤烟根际土壤速效养分含量、氮代谢酶活性及细菌和真菌群落的丰富度与多样性，且以 N2I 处理最高。（2）在微生物群落组成方面，各处理下烤烟根际土壤细菌优势菌门为厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteriota）、变形菌门（Proteobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）；真菌优势菌门为子囊菌门（Ascomycota）。无论施用氮肥与否，烤烟甘薯间作较烤烟单作均能提高烤烟根际土壤绿弯菌门、酸杆菌门（Acidobacteriota）的平均相对丰度，降低厚壁菌门、变形菌门、拟杆菌门（Bacteroidota）、子囊菌门和担子菌门（Basidiomycota）的平均相对丰度。 （3）相关性分析表明，土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量和蛋白酶、脲酶活性在一定程度上影响了烤烟根际土壤细菌和真菌的 Alpha 多样性及优势菌门组成。LEfSe 分析表明，N2I 处理下的主要优势细菌为放线菌门、酸杆菌门、 Streptomycetaceae 科，主要优势真菌为 Microascales 目、Mortierellaceae 科。（4）PCoA 分析表明，间作甘薯和施用氮肥对烤烟根际土壤细菌和真菌的群落结构均有一定影响，但氮肥施用较种植模式对烤烟根际土壤细菌与真菌群落结构的影响更显著，且 N2I 处理下的土壤细菌和真菌群落结构与其他处理存在显著差异。总之，间作甘薯能够提高烤烟根际土壤肥力及微生物多样性和丰富度，改善烤烟根际土壤微生物的群落组成和群落结构，进而有利于改良烤烟根际土壤微环境。
Abstract
In order to explore the influences of intercropping sweet potato on rhizosphere soil nutrients，enzyme activities， and microbial communities of flue-cured tobacco，flue-cured tobacco（Var. LY1306）and sweet potato（Var. Pushu32） were used as experimental materials，a controlled pot experiment simulating field planting was conducted，and high-throughput sequencing technology was applied to study the effects of planting patterns（M：monoculture tobacco；I： intercropping of tobacco and sweet potato）and nitrogen application levels（N1：no nitrogen application；N2：normal application of nitrogen fertilizer，N 0.80 g/pot）on the diversity，community composition and community structure of bacteria and fungi in the tobacco rhizosphere soil，and the relationships between soil microbial diversity，dominant phyla， and environmental factors were analyzed by combining soil available nutrient contents and nitrogen metabolizing enzyme activities. The results showed：（1）Compared with tobacco monoculture，intercropping sweet potato increased the content of available nutrients，the activities of nitrogen metabolism enzymes，and the richness and diversity of soil bacterial and fungal communities in tobacco rhizosphere，and the effect of N2I treatment was the highest.（2）In terms of microbial community composition，the dominant bacterial phyla of tobacco rhizosphere soil were Firmicutes，Actinobacteriota，Proteobacteria and Chloroflexi. The dominant phylum of fungi was Ascomycota. Regardless of whether nitrogen fertilizer was applied or not， compared to tobacco monoculture，intercropping sweet potato increased the average relative abundance of Chlorobacteria and Acidobacteriota in tobacco rhizosphere soil，and reduced the average relative abundance of Firmicutes，Proteobacteria， Bacteroidota，Ascomycota and Basidiomycota.（3）Correlation analysis showed that the contents of soil alkaline hydrolyzable nitrogen，available phosphorus，available potassium and the activities of protease and urease affected the alpha diversity and dominant phyla composition of bacteria and fungi in the rhizosphere soil of tobacco. LEfSe analysis showed that the main dominant bacteria under N2I treatment were Actinobacteriota，Acidobacteriota，and Streptomycetaceae，while the main dominant fungi were Microascales and Mortierellaceae.（4）PCoA analysis showed that intercropping sweet potato and applying nitrogen fertilizer had a certain impact on the community structure of bacteria and fungi in the rhizosphere soil of flue-cured tobacco，but nitrogen fertilizer application had more significant effects on the community structure of bacteria and fungi than planting patterns，and there were significant differences in the soil bacterial and fungal community structure under N2I treatment compared to other treatments. In summary，intercropping sweet potato could increase soil fertility，microbial diversity and richness of tobacco rhizosphere，improve soil microbial community composition and structure，and thus facilitate the improvement of soil microenvironment in tobacco rhizosphere.
Keywords
烟叶生产是大农业生产的重要组成部分，是烟区农民增收的重要来源，受农业产业结构和耕地资源短缺的制约，烤烟单一种植是我国烟草生产的主要种植模式[1]。然而，长期连续单一种植模式不仅造成植烟土壤理化性质变劣、微生物群落结构和养分供应失衡，而且导致烟株生长发育受阻、烟叶病害频发、烟叶产量和质量下降等诸多问题[2-3]。间、混、套作是我国农业遗产的重要组成部分，有利于维持农田生态系统生物多样性和稳定性[4-6]。研究表明，烤烟采用合理的间套作搭配种植不仅可以提高单位土地面积的复种指数、充分利用环境资源、减少肥料使用，还有利于增加烟田生物多样性、维持土壤肥力、减轻病害发生、提高烟叶产量和品质[7-9]。
烤烟是豫西旱作区重要的经济作物之一，烟叶原料因香气质好、香气量足等特点深受卷烟工业企业青睐。然而，长期单一品种规模化的连年种植，土壤质量开始恶化，烟叶产量和质量呈逐年下降的趋势[10-11]。甘薯是豫西旱地种植悠久的特色杂粮作物，近年来随着口感好、商品性佳、效益高的鲜食甘薯品种在豫西地区的大面积推广，烟薯争地矛盾十分突出[12]。立足区域特色，因地制宜构建粮烟融合发展新模式是现阶段烟草农业发展的必然选择。课题组王悦华等[4]研究发现烤烟甘薯 2∶2 间作模式有利于促进烟株的生长，降低烟田土传根茎病害发生，改善烤后烟叶的香气品质和化学成分的协调性。然而，该模式对土壤养分供应状况和烟株根际微生物群落结构的影响仍不十分清楚。
土壤速效养分供应状况与烟株的生长发育密切相关[10]。土壤酶参与土壤碳氮循环和各种化学反应，是评价土壤肥力的重要指标之一[1]。土壤微生物参与有机物的分解、养分的转化与循环及能量流动，是土壤生态系统的重要组成部分，也是评价土壤肥力与土壤健康状况的关键指标[13-15]。景艺卓等[16]研究认为间作生姜能够显著促进烤烟生长、改善烟株冠层结构，显著提高烤烟根际土壤有机质、碱解氮和速效钾含量，同时也能提高土壤细菌群落多样性和放线菌门、酸杆菌门的平均相对丰度。前人研究表明，烤烟与小麦、甘薯、丹参等间作套种较烤烟单作均能提高旺长期土壤中蔗糖酶、脲酶、过氧化氢酶和蛋白酶活性，降低酸性磷酸酶活性[17-19]。也有研究表明，随着烤烟连作年限的增加，植烟土壤微生物群落结构逐渐失衡，土壤类型由细菌型向真菌型转变[20]，而烤烟与玄参[21]、白菜[22]等间套作均能提高烤烟根际土壤芽孢杆菌属的相对丰度，降低假单胞菌属的相对丰度，进而改善土壤质量并提高烟株抗病性。为进一步阐明间作甘薯对植烟土壤养分供应状况和土壤微生物群落多样性和结构的影响，本研究通过盆栽受控试验和高通量测序技术分析了不同施氮水平和种植模式下烤烟根际土壤速效养分、酶活性和微生物群落结构组成的差异，以期为该模式在豫西烟区的推广应用提供理论依据。
1 材料与方法
1.1 试验材料
供试烤烟品种为 LY1306，烟苗由洛阳市宜阳县烟草公司提供；供试甘薯品种为普薯 32，薯苗由河南科技大学甘薯研究中心提供。供试无机肥为复合肥（N-P2O5-K2O=15-15-15）、重过磷酸钙（P2O5 46%）、硫酸钾（K2O 50%）。供试土壤取自已连续种植烤烟 2 年的烟田土壤，土壤类型为褐土，过 1.68 mm 筛网备用，基本化学性质为 pH 7.5、有机质 12.67 g/kg、全氮 0.94 g/kg、碱解氮 67.35 mg/kg、有效磷 16.50 mg/kg、速效钾 112.60 mg/kg。试验中所用塑料培养盆长 × 宽 × 高为 40.0 cm×35.0 cm×27.0 cm。
1.2 试验设计
于 2022 年 5—7 月在河南科技大学开元校区开展盆栽模拟田间种植受控试验。设置种植方式和施氮量 2 因素。施氮量设 2 个氮肥水平，分别为 N1 （不施氮肥）、N2（N 0.80 g/ 盆，根据洛阳中等肥力烟田氮施用量 60 kg/hm2 换算而来[23]）；种植模式设烤烟单作（M）、烤烟甘薯间作（I），共计 4 个处理，每个处理设置 4 次重复。
烤烟单作每盆均匀定植 2 株烟苗，烤烟甘薯间作下采用三角定苗方式每盆定植 1 株烟苗、2 株薯苗（图1）。N2 下采用复合肥控制氮素用量，所有处理中磷素用量采用重过磷酸钙进行补充且每盆用量为 1.20 g，所有处理中钾素用量采用硫酸钾进行补充且每盆用量为 2.40 g（施用氮肥的处理满足 N∶P2O5∶K2O =1∶1.5∶3，所有处理的磷、钾肥均等量施用）。2022 年 4 月 26 日称取 25.0 kg 供试土壤与各处理施用的肥料混合均匀后装入塑料培养盆。5 月 6 日将健壮无病害、长势均匀一致的烟苗和薯苗移栽入培养盆内，之后随机放置于隔雨透光网室中。整个试验期间，烤烟、甘薯采用统一管理，根据实际情况定期浇水以保证烤烟、甘薯未处于干旱胁迫，定期除去杂草并松土。每隔 1 周将塑料培养盆位置重新随机打乱放置。
图1种植模式示意图
1.3 样品采集与处理
在移栽后 60 d，将各培养盆中的烤烟整株挖出，用抖根法[7]采集各处理烤烟的根际土壤，剔除根系等杂物后过 2 mm 筛备用，一部分立即装入无菌离心管，经液氮速冻后放入-80℃超低温冰箱中保存，用于土壤 DNA 的提取；另一部分风干后用于土壤速效养分和氮代谢酶活性的测定。
1.4 土壤养分含量和土壤酶活性的测定
1.5 土壤微生物的测定
委托上海美吉生物医药科技有限公司测定土壤微生物群落结构及多样性，使用 Illumina Miseq PE300 平台对细菌 16S rRNA 的 V3-V4 区域和真菌 ITS1 区域进行双末端测序（Paired-End）。
1.6 数据处理
在 I-Sanger 生物信息分析云平台对测序后得到的微生物群落多样性进行分析，利用 Excel 2016 对土壤速效养分、酶活性、微生物 Alpha 多样性和门分类学水平上的菌类占比等试验数据进行整理分析；利用 DPS 7.05 进行双因素方差分析，差异显著性用 Duncan’s 检验法进行分析；采用 Pearson 相关分析法对土壤细菌、真菌群落丰度和土壤环境进行相关性分析；采用生物信息分析云平台和 Origin 2021 进行图形的制作。
2 结果与分析
2.1 间作甘薯对烤烟根际土壤速效养分和氮代谢酶活性的影响
由表1可见，间作甘薯和施用氮肥均能提高烤烟根际土壤速效养分含量及氮代谢酶活性，其中以 N2I 处理下碱解氮、有效磷、速效钾含量及脲酶、蛋白酶活性最高。N1 水平下，间作甘薯处理较烤烟单作处理土壤脲酶活性显著提高了 25.71%；N2 水平下，间作甘薯处理较烤烟单作处理土壤蛋白酶和脲酶活性分别显著提高了 17.43% 和 29.11%。无论是烤烟单作还是烤烟甘薯间作，施氮较不施氮均能显著提高烤烟根际土壤速效养分含量和氮代谢酶活性。方差分析表明，在本试验条件下，氮肥水平对烤烟根际土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量和蛋白酶、脲酶活性均有极显著影响；种植模式对烤烟根际土壤碱解氮含量有显著影响，对蛋白酶和脲酶活性有极显著影响；但氮肥水平和种植模式互作对烤烟根际土壤速效养分含量和氮代谢酶活性均无显著影响。
2.2 间作甘薯对烤烟根际土壤微生物 Alpha 多样性的影响
由表2可知，各处理细菌基因组测序的覆盖度均在 97% 以上，各处理真菌基因组测序的覆盖度均在 99% 以上，表明测序结果代表性较好，能够反映样本中土壤微生物的真实情况。间作甘薯和施用氮肥均能提高烤烟根际土壤细菌和真菌的 OTU 数量、ACE 指数、Chao1 指数以及 Shannon 指数，并以 N2I 处理为各处理最高；且均能降低 Simpson 指数，并以 N2I 处理为各处理最低。
N1 水平下，间作甘薯处理较烤烟单作处理细菌 OTU 数量显著提高了 4.45%。N2 水平下，间作甘薯处理较烤烟单作处理细菌 OTU 数量、ACE 指数分别显著提高了4.35%、5.12%，真菌 ACE 指数、Shannon 指数分别显著提高了 4.69%、3.33%。烤烟单作下，施用氮肥较不施用氮肥真菌 ACE 指数显著提高了 5.49%。烤烟甘薯间作下，施用氮肥较不施用氮肥真菌 ACE 指数、Chao1 指数、Shannon 指数分别显著提高了 5.79%、6.78% 和 4.82%。
方差分析表明，施氮水平对烤烟根际土壤真菌 Chao1 指数有显著影响，对真菌 ACE 指数、Shannon 指数有极显著影响。种植模式对烤烟根际土壤真菌 ACE 指数有显著影响，对细菌 ACE 指数、 Chao1 指数和 Shannon 指数有显著影响，对细菌 OTU 数量有极显著影响。而氮肥水平和种植模式互作对烤烟根际土壤细菌和真菌的 OTU 数量、ACE 指数、Chao1 指数、Shannon 指数、Simpson 指数均无显著影响。
表1间作甘薯对烤烟根际土壤速效养分和氮代谢酶活性的影响
注：同列不同小写字母表示处理间差异显著（P<0.05）。* 表示 P<0.05；** 表示 P<0.01。表中后 3 行数据为双因素方差分析的 F 值，N：氮肥水平，C：种植模式，N×C：氮肥水平与种植模式互作。下同。
表2间作甘薯对烤烟根际土壤微生物 Alpha 多样性的影响
2.3 烤烟根际土壤微生物 Alpha 多样性指标与土壤环境因子的相关性分析
由表3可知，烤烟根际土壤细菌 OTU 数量和 Shannon 指数与碱解氮含量呈显著正相关，与脲酶活性呈极显著正相关；ACE 指数和 Chao1 指数与脲酶活性呈极显著正相关；Simpson 指数与碱解氮含量呈显著负相关，与脲酶活性呈极显著负相关。
烤烟根际土壤真菌 OTU 数量与脲酶活性呈显著正相关；ACE 指数与有效磷、速效钾含量呈显著正相关，与碱解氮含量、蛋白酶活性、脲酶活性呈极显著正相关；Chao1 指数与碱解氮、速效钾含量呈显著正相关，与有效磷含量、蛋白酶和脲酶活性呈极显著正相关；Shannon 指数与碱解氮、有效磷、速效钾含量和蛋白酶、脲酶活性均呈极显著正相关；Simpson 指数与脲酶活性呈显著负相关。
表3烤烟根际土壤细菌、真菌 Alpha 多样性指标与土壤环境因子的相关性
注：* 和 ** 分别表示显著（P<0.05）和极显著（P<0.01）相关。
烤烟根际土壤细菌多样性与丰富度主要受碱解氮含量和脲酶活性的影响，真菌多样性与丰富度主要受碱解氮、有效磷、速效钾含量和蛋白酶、脲酶活性的影响，环境因子的改变对真菌多样性与丰富度的影响更显著。
2.4 间作甘薯对烤烟根际土壤细菌门水平物种组成的影响
由图2可知，各处理在门水平上共检测到 9 种平均相对丰度大于 1% 的细菌，其中有 4 种平均相对丰度大于 10% 的菌门，分别为厚壁菌门（Firmicutes）、放线菌门（Actinobacteriota）、变形菌门 （Proteobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi），平均相对丰度占比分别为 31.66%、22.58%、18.15% 和 11.18%。由图3可知，无论施用氮肥与否，烤烟甘薯间作处理较烤烟单作处理均能提高绿弯菌门和酸杆菌门（Acidobacteriota）的平均相对丰度，同时降低厚壁菌门、变形菌门和拟杆菌门（Bacteroidota） 的平均相对丰度，其中酸杆菌门的平均相对丰度分别显著提高了 74.76%（N1）和 68.89%（N2），厚壁菌门的平均相对丰度分别显著降低了 7.99%（N1） 和 20.07%（N2）。无论烤烟单作还是烤烟甘薯间作，施用氮肥较不施用氮肥均能提高放线菌门、绿弯菌门、酸杆菌门及拟杆菌门的平均相对丰度，降低厚壁菌门和变形菌门的平均相对丰度，其中厚壁菌门平均相对丰度分别显著降低了 6.70%（M）和 18.96%（I）。由表4可知，施氮水平对黏球菌门 （Myxococcota）有显著影响，对厚壁菌门和放线菌门有极显著影响；种植模式对厚壁菌门和酸杆菌门有极显著影响；而氮肥水平和种植模式互作对厚壁菌门和黏球菌门有显著影响，对放线菌门有极显著影响。
图2间作甘薯对烤烟根际土壤细菌门水平上物种组成的影响
图3间作甘薯对烤烟根际土壤细菌门水平组成上的差异方差分析
注：不同小写字母表示不同处理间差异显著（P<0.05）。下同。
表4间作甘薯对烤烟根际土壤细菌门水平组成上差异方差分析的 F 值
注：表中数据为双因素方差分析的 F 值，*、** 分别表示 0.05 和 0.01 水平的差异显著。
2.5 间作甘薯对烤烟根际土壤真菌门水平物种组成的影响
由图4可知，各处理在门水平上共检测到 5 种平均相对丰度大于 1% 的真菌，其中子囊菌门 （Ascomycota）平均相对丰度占比为 84.40%，为各处理的绝对优势真菌门。由图5可知，无论施用氮肥与否，烤烟甘薯间作处理较烤烟单作处理均能降低子囊菌门和担子菌门（Basidiomycota）的平均相对丰度，其中在 N2 水平下子囊菌门和担子菌门分别显著降低了 7.29% 和 41.15%。无论烤烟单作还是烤烟甘薯间作，施用氮肥较不施用氮肥担子菌门和壶菌门（Chytridiomycota）的平均相对分度均有所提高，而子囊菌门的平均相对丰度分别显著降低了 5.76%（M）和 8.90%（I）。由表5可知，施氮水平对被孢霉门（Mortierellomycota）有显著影响，对子囊菌门、担子菌门和壶菌门有极显著影响；种植模式对担子菌门有显著影响，对子囊菌门和被孢霉门有极显著影响；而氮肥水平和种植模式互作对担子菌门和壶菌门有显著影响，对被孢霉门有极显著影响。
图4间作甘薯对烤烟根际土壤真菌门水平上物种组成的影响
2.6 烤烟根际土壤微生物群落与土壤环境因子的相关性分析
由表6可知，厚壁菌门与土壤有效磷呈显著负相关，与碱解氮、蛋白酶、脲酶呈极显著负相关；放线菌门与速效钾、脲酶呈显著正相关，与碱解氮、有效磷、蛋白酶呈极显著正相关；酸杆菌门与脲酶呈显著正相关；其他细菌与土壤环境因子未见显著相关性。子囊菌门与碱解氮、有效磷、速效钾、蛋白酶和脲酶均呈极显著负相关；未知真菌门与脲酶呈极显著正相关；担子菌门与有效磷、速效钾呈显著正相关；被孢霉门与碱解氮、速效钾、脲酶呈显著正相关，与蛋白酶呈极显著正相关；壶菌门与碱解氮、有效磷呈显著正相关，与速效钾、蛋白酶呈极显著正相关。
图5间作甘薯对烤烟根际土壤真菌门水平组成上的差异方差分析
表5间作甘薯对烤烟根际土壤真菌门水平组成上差异方差分析的 F 值
表6烤烟根际土壤细菌、真菌群落（门水平）丰度与土壤环境因子的相关性
2.7 烤烟根际土壤微生物的 LEfSe 分析
为了比较烤烟根际土壤细菌和真菌不同处理间的显著性差异物种，分别从门到科、门到属对各处理进行 LEfSe 分析（LDA>2，P<0.05）。由图6（a）可知，N1M 处理的主要优势细菌为 Bacilli 纲、 Alicyclobacillales 目，N1I 处理的主要优势细菌为 Blastocatellia 纲、Holophagae 纲，N2M 处理的主要优势细菌为 Sphingobacteriales 目，N2I 处理的主要优势细菌为 Actinobacteriota 门、Acidobacteriota 门、 Streptomycetaceae 科。由图6（b）可知，N1M 处理的主要优势真菌为 Wallemia 属、Wallemiomycetes 纲，N1I 处理的主要优势真菌为 Wardomyces 属、 Microascales_fam_Incertae_sedis 科，N2M 处理的主要优势真菌为 Crassicarpon 属、Sodiomyces 属、Uncinocarpus 属，N2I 处理的主要优势真菌为 Microascales 目、Mortierellaceae 科。
2.8 烤烟根际土壤微生物的 PCoA 分析
PCoA 分析是一种非约束性的数据降维分析方法，可用来研究样本群落组成的相似性或差异性。由图7（a）可知，对于细菌群落来说，主坐标 PC1 和 PC2 的贡献率分别为总变量的 27.09% 和 15.00%。N2I 处理和其他处理相互分离，表明该处理下的细菌群落与其他处理差异较大。沿 PC1 轴方向来看，N1M 处理全部位于 PC1 轴的负方向，N2I 处理全部位于 PC1 轴的正方向；沿 PC2 轴方向来看，N1M 和 N1I 处理的大部分位于 PC2 轴的正方向，而 N2M、N2I 处理大部分位于 PC2 轴的负方向。以上结果表明，间作甘薯和施用氮肥对烤烟根际土壤细菌群落结构均有一定影响。N2I 处理与 N1I 处理之间的距离较 N2I 处理与 N2M 处理之间的距离更远，表明氮肥的施用较种植模式对烤烟根际土壤细菌群落的影响更显著。
图6烤烟根际土壤细菌（a）、真菌（b）群落结构的 LEfSe 分析
图7烤烟根际土壤细菌（a）、真菌（b）群落的 PCoA 分析
由图7（b）可知，对于真菌群落来说，主坐标 PC1 和 PC2 的贡献率分别为总变量的 21.08% 和 15.80%。各处理均相互分离，表明各处理下真菌群落均存在较大差异。沿 PC1 轴方向来看，N1M 和 N1I 处理全部位于 PC1 轴的负方向，N2I 处理的大部分位于 PC1 轴的正方向；沿 PC2 轴方向来看， N1I、N2I 处理大部分位于 PC2 轴的正方向，而 N1M 和 N2M 处理则全部位于 PC2 轴的负方向。以上结果表明，间作甘薯和施用氮肥对烤烟根际土壤真菌群落结构均有一定影响。N2I 处理与 N1I 处理之间的距离较 N2I 处理与 N2M 处理之间的距离更远，表明氮肥的施用较种植模式对烤烟根际土壤真菌群落的影响更显著。
3 讨论
3.1 间作甘薯对烤烟根际土壤速效养分及酶活性的影响
间作能够充分利用有限的资源，提升单位土地面积作物产量、改善作物品质，同时还具有一定的土壤生态环境效益[26-28]。大量研究表明[4，29-31]，烤烟间套甘薯与烤烟单作相比，烤烟的生物学性状差异不显著，但能促进烟株对土壤养分的有效利用，不同程度地提高原烟的产量与均价、中上等烟比例及间作体系的综合经济效益，使烤后烟叶化学成分更协调、评吸质量更佳，同时降低多种烟草病害的发病率。土壤酶中的蛋白酶和脲酶对土壤有机态氮的分解与转化、土壤无机氮的供应起着至关重要的作用[32]。本研究表明，与烤烟单作相比，间作甘薯能够提高烤烟根际土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量及土壤脲酶、蛋白酶活性，且以 N2I 处理最高。可能是由于间作系统作物根系交错叠加，增加了根系在水平和垂直方向上的生态位分布，改变了根际土壤的氧化还原条件，同时间作系统根系分泌物含量及种类也较单作系统丰富，为根际微生物的生存和繁殖提供便利，从而影响土壤养分的供应状况[33]
3.2 间作甘薯对烤烟根际土壤微生物多样性的影响
间作能够促进作物根际土壤微生物对底物碳源的利用，提高土壤微生物的代谢活性及群落的多样性与均匀度[34-35]。杨继芬等[36]等研究指出，玉米和大豆间作体系能够提高土壤团聚体的稳定性和土壤真菌多样性指数。陈国峰等[37]研究发现，马铃薯和玉米间作体系在减量施肥 20% 的条件下，间作下的马铃薯较单作能够提高根际土壤细菌的 OTU 数量、Chao1 指数和 Shannon 指数，降低 Simpson 指数。吴瑕等[38]研究表明，间作分蘖洋葱可以通过改变番茄根际土壤细菌和真菌的菌群结构来改善土壤氮的有效性，进而促进番茄对氮素的吸收及番茄产量的提高。本研究表明，在 2 种氮肥水平下，间作甘薯处理较烤烟单作处理均能提高烤烟根际土壤细菌及真菌的 OTU 数量、ACE 指数、Chao1 指数和 Shannon 指数，并以 N2I 处理最高，同时能够降低 Simpson 指数，并以 N2I 处理最低。在同一种植模式下，施用氮肥与不施用氮肥相比，根际土壤微生物群落丰富度与多样性也存在一定的差异。这可能是由于不同的作物在间作体系中会形成独有的根系分泌物，使根际微生物群落发生改变，同时能够增强间作体系的代谢活性，进而对微生物群落多样化起到促进作用[9，39]。
3.3 间作甘薯对烤烟根际土壤微生物群落结构的影响
作物间作与轮作种植下的土壤微生物群落结构组成相似，且均能显著降低潜在病原菌的相对丰度并提高潜在有益菌丰度，进而改善土壤微生物结构[40]。本研究表明，在门水平群落组成上，各处理的优势菌门类型一致，但平均相对丰度存在一定的差异。各处理的优势细菌门均是厚壁菌门、放线菌门、变形菌门、绿弯菌门、酸杆菌门等，这与 Guo 等[41]、钟军等[42]研究结果基本一致。无论施用氮肥与否，烤烟甘薯间作处理与烤烟单作相比均能够提高绿弯菌门、酸杆菌门的平均相对丰度，降低厚壁菌门、变形菌门的平均相对丰度。绿弯菌门主要参与土壤碳、氮、硫的生物化学循环，能对土壤中的有毒物质进行降解[43]；酸杆菌门主要参与土壤腐殖质分解的碳循环过程[44]；厚壁菌门和变形菌门是盐渍化土壤中的优势菌群且变形菌门中含有不少致病菌[45-46]。因此，绿弯菌门、酸杆菌门平均相对丰度的提高以及厚壁菌门、变形菌门平均相对丰度的降低在一定程度上表明烤烟甘薯间作能够提高土壤的供肥能力并维持土壤生态系统健康。丰富的放线菌门有利于土壤中有机物质的矿化，同时能够降低烟草黑胫病等病害的发病率[47]。无论是烤烟单作还是烤烟甘薯间作，施用氮肥较不施用氮肥均能提高放线菌门、绿弯菌门和酸杆菌门的平均相对丰度，表明施氮能为土壤中放线菌门、绿弯菌门和酸杆菌门提供充足的养分并使其平均相对丰度提高。各处理下的子囊菌门在真菌群落组成中占有绝对优势，这与陈兴琼等[48]关于春玉米多熟种植模式对土壤真菌群落影响的研究结果相似。子囊菌门对土壤环境的变化具有较强的菌群竞争能力，但易引起植株根腐病的发生[49-50]；担子菌门中大多数为腐生性，少数能够引起植株病害[51]。本研究表明，无论施用氮肥与否，烤烟甘薯间作处理较烤烟单作处理均能降低子囊菌门和担子菌门的平均相对丰度。由此可知，烤烟甘薯间作处理较烤烟单作处理有利于降低根系病害的发生，保障烟株的正常生长。壶菌门为水生真菌，能够降解甲壳素和角蛋白等物质[52]。无论是烤烟单作还是烤烟甘薯间作，施用氮肥较不施用氮肥均能提高担子菌门和壶菌门的平均相对丰度，同时降低子囊菌门的平均相对丰度。表明施氮有利于促进烤烟对土壤养分的利用，同时降低土壤病害的发病率。PCoA 分析表明，间作甘薯和施用氮肥对烤烟根际土壤细菌、真菌群落结构均有影响，且氮肥的施用较种植模式对烤烟根际土壤细菌、真菌群落的影响更显著。总之，间作甘薯能够提高烤烟根际土壤细菌、真菌群落的多样性与丰富度，同时改善细菌和真菌的群落结构组成。
3.4 烤烟根际土壤微生物多样性指标、优势菌群与土壤环境因子的相关性分析
根际土壤微生物多样性、优势菌群与土壤环境因子密切相关[22，36-37，48]。本研究表明，烤烟根际土壤细菌 OTU 数量、多样性指标主要与碱解氮和脲酶呈显著或极显著相关，由此可见，土壤氮代谢对根际细菌多样性影响较大；而根际土壤真菌 OTU 数量、多样性指标与土壤速效养分和氮代谢酶均呈显著或极显著相关。细菌门分类学水平上的厚壁菌门、放线菌门、酸杆菌门及真菌门分类学水平上所检测到的所有菌群均与土壤速效养分含量和氮代谢酶活性呈显著或极显著相关，究其原因可能是土壤真菌较土壤细菌更易受到土壤微环境变化的影响[53-54]。由此可知，土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量和蛋白酶、脲酶活性在不同程度上影响着烤烟根际土壤微生物多样性与优势菌门的组成。总之，间作甘薯有利于促进烟田养分循环，增强土壤微生物多样性，维持烟田土壤健康，可在一定程度上缓解烤烟连作障碍带来的危害[16，18，21，42]。然而，大田条件下间作甘薯对烤烟根际土壤微生物的影响以及土壤微生物对氮肥水平的响应特征仍需进一步深入研究。
4 结论
本研究通过盆栽受控试验表明，与烤烟单作相比，间作甘薯提高了烤烟根际土壤速效养分含量、氮代谢酶活性及细菌和真菌群落的丰富度和多样性，改变了烤烟根际土壤细菌和真菌的群落组成和结构，且在施用氮肥的情况下群落结构差异更为明显。土壤碱解氮、有效磷、速效钾含量和蛋白酶、脲酶活性与烤烟根际土壤微生物多样性及优势菌门的组成密切相关。烤烟和甘薯间作种植模式有利于烟区构建健康的土壤微生物区系，维持烟田土壤微生态系统的稳定性和可持续性。