棉花连作中自毒作用及对土壤微生物群落多样性的影响

针对新疆棉花长期连作所产生的连作障碍问题，依托石河子大学实验站棉花长期连作定点试验田，应用GC-MS和HPLC技术相结合定性鉴定棉花植株酚类化感物质和定量鉴定不同连作年限土壤中主要酚类化感物质含量，明确产生连作障碍的棉田主要化感物质的成分及在棉田土壤中积累、分布规律；通过盆栽及水培试验，研究棉花植株、根系分泌物对种子萌发、植株生长影响的化感生理机制，揭示化感自毒作用与连作障碍的关系；采用PLFA、PCR-DGGE法分析不同连作年限土壤微生物群落结构多样性及遗传基因多样性变化，揭示棉花自毒作用与土壤微生物多样性关系，从反应农田质量变化的土壤微生物量和群落变化入手，评价棉花长期连作对土壤质量的影响，为进一步寻求减轻棉花连作障碍的技术措施提供理论依据，并对新疆棉花生产的可持续发展具有重要的理论与实践意义。

摘要：针对新疆棉花长期连作所产生的连作障碍问题，依托石河子大学实验站棉花长期连作定点试验及室内试验，应用GC-MS和HPLC技术定性鉴定了棉花植株酚类化感物质和定量鉴定不同连作年限土壤中主要酚类化感物质含量；通过盆栽及水培试验，研究了棉花植株、根系分泌物对种子萌发、植株生长影响的化感生理机制；采用PCR-DGGE法分析不同连作年限土壤微生物群落结构多样性及遗传基因多样性变化。结果表明：.1.棉花植株水浸提液对小麦、番茄、油菜和苜蓿种子萌发和幼苗生长有一定的化感作用，同时棉花也有较强的自毒作用，使棉花种子发芽率、胚根根长、苗高和侧根数随棉花植株水浸提液浓度增加、抑制作用增强，并使棉花幼苗根系活力和根系SOD活性降低，POD活性、MDA含量增加。.2.在棉花植株、根系分泌物和不同连作年限棉田土壤中检测出对-羟基苯甲酸、阿魏酸、没食子酸和香草醛4种酚类化感物质，其中棉花植株中的化感物质含量高于根系分泌物的，棉花植株地上部含量高于地下部。4种化感物质对棉花幼苗的生长有抑制作用，并随着处理浓度的增加抑制作用增强。在连作1、5、10年棉田土壤中化感物质总量逐年积累，而至连作15年和20年时下降。.3.不同浓度的对-羟基苯甲酸、阿魏酸、香草醛和没食子酸对棉花黄萎菌病菌孢子萌发和菌丝生长产生促进或抑制的化感作用。.4. 随着连作年限增加棉花叶片叶绿素相对含量和光合速率呈下降趋势，光合活性受到抑制，棉花根系活力、SOD、POD、CAT酶活性降低，棉花产量下降，长期连作不利于棉花正常生长，但秸秆还田能有效缓解长期连作带来的负面影响。.5.短期连作（连作5 -10年）真菌数量增加，土壤微生物总量下降，生物多样性指数较低，而连作与秸秆还田10年以上，细菌数量增加，微生物总量增加，真菌所占比重下降，生物多样性指数增加。采用PCR-DGGE法测定分析细菌和真菌种群16SrDNA基因信息，在非秸秆还田模式下随着连作年限增加土壤细菌和真菌群落组成和遗传多样性下降，秸秆还田模式下连作棉田土壤真菌群落丰富度和群落多样性均高于非秸秆还田模式棉田。.6. 连作对土壤生物活性影响表明，短期连作（5-10年）土壤酶活性下降，长期连作后（15-20年）土壤相关酶活性又增加，棉花化感物质通过影响土壤酶活性改变土壤生态过程，是引起棉花连作障碍的重要方面，但长期秸秆还田的正面效应可修复化感物质对棉花连作产生的不利影响