香蕉(Musa spp.)是单子叶草本植物, 属芭蕉科芭蕉属, 是世界著名热带、亚热带水果。我国是世界香蕉主产国之一, 据中国农业部南亚热带作物开发中心统计, 2010年我国香蕉产量达到928万 t。香蕉产业是我国热带地区农业的重要支柱产业, 在国民经济中有着举足轻重的地位。近年来, 由于耕地面积减少、经济利益的驱使和生产条件等因素的影响, 香蕉的种植模式都是以大面积连作为主, 随着连作年限的增加, 香蕉生长速度缓慢, 果实发育迟缓, 抗寒力下降, 病虫害发生严重, 很多产区已经出现了连作障碍[1]。土壤生态系统健康是农产品安全和人类健康的基础, 土壤生物作为土壤中最具生命力的部分, 能很好地反映土壤健康状况[2]。线虫是目前应用最多的生物指示因子之一[3], 其既有与原生动物、蚯蚓、弹尾虫等生物一样的重要作用, 如分解土壤有机质、促进养分循环、改善土壤结构、影响植物生物量等; 又有独自特点, 如个体微小、分布广泛、种类数量繁多、营养类群丰富、对土壤微生境反映灵敏等, 被认为是反映土壤健康状况的代表性指示生物。一些研究认为植物寄生线虫是引起作物连作障碍的原因之一, 也有研究得出不同结论[4 5]。因此,了解不同连作年限香蕉园土壤线虫群落结构对于保护土壤生物多样性, 维护土壤健康, 保持土壤生产力具有重要意义。本试验对不同连作年限香蕉园土壤线虫群落结构及多样性进行了研究, 探索以种植制度的改变来控制或减轻蕉园土壤植物寄生线虫病害的发生, 获得克服香蕉连作障碍的有效途径。

1材料与方法

1.1试验地概况

试验在海南省澄迈县(19°53′56.2″~19°54′56.3″N, 109°53′41.3″~109°54′04.2″ E)的香蕉主产区进行。该地区年平均气温 24.9 ℃ ,年平均降水量 2 160 mm,年平均风速 2.2 m•s 1, 成土母质为玄武岩, 质地为黏土。试验地土壤基本理化性质见表1。种植区施肥配比为 N︰P2O5︰K2O=16︰16︰16(重量比), 有机肥以牛粪为主, 同时施用氯化钾、过磷酸钙和尿素。

1.2土壤样品的采集

在试验区分别选取连作年限为1 a、3 a、5 a、7 a、10 a和15 a的巴西蕉园土壤为研究对象。分别于种植初期(2010年9月16日)、营养生长期(2010年12月17日)、抽蕾期(2011年3月15日)和成熟期(2011年5月19日)取样, 取样深度为0~30 cm, 对角线5点取样, 混匀后取500 g土样装袋, 带回室内放置于4 ℃冰箱冷藏保存, 用于线虫测定分析, 每个处理3次重复。

1.3土壤线虫的测定方法

从 100 g 新鲜土样中利用改良的浅盘法[6]对土壤线虫进行分离提取。线虫总数通过解剖镜直接计数,最终折算成 100 g 干土中土壤线虫的数量。随机抽取100 条线虫(不足 100 条的处理全量鉴定, 结果折算为100 条后进行比较)在光学显微镜下进行科属鉴定。根据线虫的取食习性和食道特征将其划分为 4 个营养类群: 食细菌线虫(bacterivores, BF)、食真菌线虫(fungivores, FF)、植物寄生线虫(plant parasites, PP)和捕食/杂食线虫(omnivores/predators, OP)[7]。土壤线虫的分类鉴定参照Bongers[8]的分类图鉴进行。

1.4分析方法

线虫生态指数按以下公式进行计算:多样性指数(diversity index) H = ΣPi(1nPi) (1)优势度指数(dominance index) λ=ΣPi2(2)式中, Pi为第 i 个分类单元中个体所占的比例。自由生活线虫成熟度指数(maturity index)植物寄生线虫成熟度指数(plant parasite index)式中, f(i)是第 i 属自由生活(植物寄生)线虫在线虫群落中所占的比重, v(i)为在生态演替中根据土壤线虫群落组成属于 k 选择和 r 选择的科属线虫分别赋予c-p (colonizer-persister)值为 1~5。瓦斯乐斯卡指数(Wasilewska index) WI=(FF+BF)/PP (5)式中, FF、BF 和 PP 分别为食真菌、食细菌和植物寄生性线虫的数量。通路指数(nematode channel ratio) NCR=B/(B+F) (6)式中, B和 F 分别为食细菌线虫和食真菌线虫占线虫总数的相对多度。线虫多度进行 ln(x+1)转化后, 采用 Excel 2003和 SPSS 11.0 软件进行统计分析。

2结果与分析

2.1不同连作年限香蕉园土壤线虫总数

由图1可以看出, 巴西蕉园土壤线虫总数的最大值出现在苗期的3 a区[平均755 条•100 g 1(干土)], 最小值出现在苗期的10 a区[平均382 条•100 g 1(干土)]。统计分析结果表明, 不同连作年限土壤线虫总数差异极显著(P<0.01), 苗期线虫总数随着连作年限增加逐渐降低, 营养生长期、抽蕾期和成熟期随着连作年限增加线虫总数先增加后降低。不同生长期线虫总数差异显著(P<0.01), 苗期和抽蕾期的线虫总数显著高于营养生长期和成熟期。

2.2不同连作年限香蕉园土壤线虫不同营养类群的特征

食细菌线虫数量的最大值出现在营养生长期的3 a 区[平均 304 条•100 g 1(干土)], 最小值出现在苗期的 10 a 区[平均 49 条•100 g 1(干土)](图 2 A)。食真菌线虫数量的最大值出现在成熟期的 3 a 区[平均142 条•100 g 1(干土)], 最小值出现在苗期的 10 a 区[平均 14 条•100 g 1(干土)] (图 2 B)。植物寄生线虫数量的最大值出现在抽蕾期的 10 a 区[平均 399条•100 g 1(干土)], 最小值出现在营养生长期的 3 a区[平均 156 条•100 g 1(干土)] (图 2 C)。捕食/杂食线虫数量的最大值出现在成熟期的 1 a 区[平均 87条•100 g 1(干土)], 最小值出现在苗期的 15 a 区[平均 9 条•100 g 1(干土)] (图 2 D)。统计分析结果表明, 不同连作年限食细菌线虫、食真菌线虫、植物寄生线虫和捕食/杂食线虫数量差异显著(P<0.01)。不同生长时期食细菌线虫、植物寄生线虫和捕食/杂食线虫数量差异显著(P<0.01)。苗期随连作年限增加食细菌线虫和食真菌线虫数量逐渐降低(15 a 除外)；营养生长期随连作年限增加食细菌线虫和食真菌线虫数量先增加后降低;抽蕾期随连作年限增加食细菌线虫数量先增加后降低, 食真菌线虫数量逐渐降低。连作 1 a 区、3 a 区和5 a区, 苗期的食细菌线虫数量和营养生长期的食真菌线虫数量显著高于连作 7 a 区、10 a 区和 15 a区。苗期的食真菌线虫数量显著低于其他各生长时期。整个生长季, 随连作年限增加植物寄生线虫数量先增加后降低。营养生长期的植物寄生线虫数量显著低于其他各生长时期。苗期、营养生长期和成熟期, 随连作年限增加捕食/杂食线虫数量逐渐降低。苗期和营养生长期的捕食/杂食线虫数量显著低于抽蕾期和成熟期。

2.3不同连作年限香蕉园土壤线虫属的特征

调查结果表明, 不同连作年限香蕉园共发现土壤线虫属 45 个(表 2)。植物寄生线虫占据主要优势,共 12 个属, 平均相对多度为 51.8%, 占到线虫总数的 1/2 以上; 食细菌线虫为次优势类群, 共有 16 个属, 平均相对多度为 31.2%。这 2 个优势类群占据线虫营养类群的 83.0%, 其变化决定了线虫总数的变化。食真菌线虫的优势度较低, 共有 4 个属, 平均相对多度为 10.5%。捕食/杂食线虫的优势度最低, 虽然有 13 个属, 但其平均相对多度仅为 6.5%。拟丽突属(Acrobeloides)、巴兹尔属(Basiria)为连作 1 a 区、3 a 区和 5 a 区的优势属, 叉针属(Boleodors)为所有连作区的优势属。

2.4不同连作年限香蕉园土壤线虫群落结构指数

由图 3 可以看出, 优势度指数(λ)、植物寄生线虫成熟度指数(PPI)和通路指数(NCR)的最大值分别出现在苗期的 7 a 区(平均值为 0.21)、10 a 区(平均值为 2.37)和 1 a 区(平均值为 0.91), 最小值分别出现在抽蕾期的 1 a 区(平均值为 0.06)、营养生长期的 1 a区(平均值为 2.05)和苗期的 15 a 区(平均值为 0.59);多样性指数(H )和自由生活线虫成熟度指数(MI)的最大值分别出现在抽蕾期的 1 a 区(平均值为 2.87)和3 a 区(平均值为 2.64), 最小值分别出现在苗期的 1 a区(平均值为 1.88)和 15 a 区(平均值为 1.95); 瓦斯乐斯卡指数(WI)的最大值出现在营养生长期的 3 a 区(平均值为 1.66), 最小值出现在苗期的 10 a 区(平均值为 0.22)。统计分析结果表明, 不同生长时期、不同连作年限的 H 、λ、MI、PPI、NCR 和 WI 均存在显著差异(P<0.01)。苗期随连作年限增加, λ 先增加后降低,H 和 PPI 逐渐增加, WI 和 NCR 逐渐降低; 营养生长期随连作年限增加, λ 先增加后降低, NCR 和 PPI 逐渐增加, H 、MI 和 WI 逐渐降低; 抽蕾期随连作年限增加, λ 先增加后降低, NCR 和 PPI 逐渐增加, H 和WI 逐渐降低; 成熟期随连作年限增加, H  和 MI 逐渐降低, PPI 逐渐增加(图 3)。从整个生育期来看, 随生长时间的推移, H 逐渐增加, λ 逐渐降低, 苗期和营养生长期的MI低于抽蕾期和成熟期, 苗期和成熟期的 WI 低于营养生长期和抽蕾期。

3讨论

3.1土壤线虫营养类群

研究表明, 不同连作年限香蕉园土壤线虫种类、数量和分布情况均发生了不同程度的变化。不同连作年限香蕉园土壤的线虫群落中, 植物寄生线虫为优势营养类群, 其次为食细菌线虫和食真菌线虫, 捕食/杂食线虫的数量最少。随连作年限增加, 植物寄生线虫的数量逐渐增加, 食细菌线虫、食真菌线虫和捕食/杂食线虫的数量逐渐降低, 杨树泉等[10]也得出类似结果。连作 1 a、3 a 和 5 a 的香蕉园土壤中食细菌线虫的相对丰富度显著高于连作 7 a、10 a 和 15 a 地块。

拟丽突属(>10%)和原杆属(>5%)为连作 1 a 区、3 a 区和 5 a 区的优势属和关键属, 螺旋属(>5%)和盘旋属(>5%)为连作 7 a 区、10 a 区和 15 a 区的关键属。长期连作使原本以食细菌线虫和食真菌线虫为优势属的土壤线虫群落变为以植物寄生线虫为优势属的土壤线虫群落[11]。Ferris[12]研究表明, 食细菌线虫和食真菌线虫通过取食细菌、真菌等微小生物, 影响微生物生长和新陈代谢活动, 改变微生物群落结构, 从而调节有机物的分解速度与养分的周转速率, 提高植物对土壤养分的利用率。因此, 香蕉长期连作降低了土壤食物网中微生物捕食者的数量, 破坏了土壤微生态环境。

某一线虫群体的建立并不是偶然的, 植物寄生线虫群体数量增加是连作栽培引起线虫生境改变的结果。单一的栽培、耕作、灌溉及其他农业措施等固化的环境条件很大程度上破坏了香蕉园土壤生态系统原有的生物多样性和生物群体结构, 使植物寄生线虫群体逐渐上升为优势种群, 严重破坏其寄主植物[13]。本研究结果表明, 不同连作年限香蕉园土壤植物寄生线虫数量随着连作年限的增加而上升,连作1 a、3 a和5 a的香蕉园土壤中植物寄生线虫的相对多度显著低于连作7 a、10 a和15 a地块, 说明连作时间在5 a之内, 植物寄生线虫数量可以控制在经济阈值以下, 连作时间大于5 a土壤植物寄生线虫有可能造成经济损失。

国内外大量研究结果表明, 植物寄生线虫是造成作物连作障碍的原因之一。苹果、桃、棉花、大豆等作物的连作障碍均与植物寄生线虫有关, 南方根结 线 虫 (Meloidogyne incognita) 、 穿 刺 短 体 线 虫(Pratylenchus penetrans)和大豆孢囊线虫(Heteroderaglycines)等病原线虫是主要病原生物[14 17]。盘旋属(Rotylenchus)、螺旋属(Helicotylenchus)和短体属为本试验区的植物病原线虫, 盘旋属和螺旋属的最大值出现在苗期和抽蕾期的7 a连作地块, 短体属的最大值出现在抽蕾期的15 a地块, 由于其数量较少, 因此植物寄生线虫是否为本地区香蕉园产生连作障碍的主要因子还有待进一步研究。土壤线虫处于土壤环境之中, 其消长受气候、土壤动物及微生物的影响, 此外土壤有机质、孔隙度、温湿度、通气性也是影响土壤线虫分布的重要因素[18]。

不同生长时期的土壤线虫种类、数量和分布情况均发生了不同程度的变化。从整个生育期来看,抽蕾期和成熟期4个线虫营养类群的数量均高于苗期和营养生长期, 这是因为植物生育末期根系分泌物和土壤有益微生物的数量均达到最大值, 为植物寄生线虫和腐生线虫提供了丰富的食物资源[19]。捕食/杂食线虫的数量随植物寄生线虫数量的增加而增加。植物寄生线虫会追随植物的生长发育而大量繁殖, 因此在植物生育末期种群数量一般会增殖到最大, 而捕食/杂食线虫以土壤中的植物寄生线虫或其他生物为食, 因此也会随植物寄生线虫群体数量的增大而增加[20]。

3.2土壤线虫群落结构指数

H 指数和 λ 指数反映了土壤线虫群落内物种的多样性和土壤食物网的复杂程度, H 侧重于稀有种的多样性, 而 λ 侧重于常见种的多样性[21]。Ferris[12]认为扰动程度高的生态系统中生物多样性和丰富度较低。本研究结果表明, 营养生长期、抽蕾期和成熟期, 连作 1 a、3 a 和 5 a 蕉园土壤线虫具有较高的多样性和较低的优势度, 苗期、营养生长期和抽蕾期, 7 a、10 a 和 15 a 蕉园土壤线虫具有较低的多样性和较高的优势度, Govaerts 等[22]在连作小麦田也得到连作1 a的多样性指数最高, 其他各年限间多样性变化不同的类似结果。这说明连作破坏了香蕉园土壤的生态环境, 降低了土壤中稀有线虫属(如Mesodorylaimus、Aporcelaimellus 和 Discolaimus 等c-p 值为 5 的线虫)的数量, 连作 5 a 以上的蕉园土壤线虫营养类群的多样性较低、稳定性较差, 线虫种群趋向单一化, 土壤微生态区系的平衡与稳定性降低[23]。连作 5 a 以上的蕉园土壤中植物寄生线虫数量占据绝对优势也是本试验具有较低 H 值和较高 λ值的原因之一。植物寄生线虫以根系或根系分泌物为食, 通过破坏植物的根系来干扰植物对土壤中营养元素和水分的吸收, 进而造成植物减产已经为人所熟知。然而, 现在有研究发现大豆胞囊线虫、花生根结线虫和茎线虫等多种植物病原线虫存在自然衰退现象[24]。Mweke 等[4]发现连续 5 a 种植玉米感病品种后, 根结线虫种群数量明显降低。陈井生等[25]从抑制性土壤中分离出对大豆胞囊线虫具有抑制活性的真菌菌株。由于本试验区的植物病原线虫数量都较少, 所以是否存在对病原线虫具有抑制性的土壤环境还有待于今后深入研究。

WI 指数用于分析土壤食物网的矿化途径, WI 值低表明矿化途径主要由植物寄生线虫参与为主, WI值高表明矿化途径主要由食细菌线虫和食真菌线虫参与[26]。本试验中, 4 个生育期, 连作 1 a、3 a 和 5 a地块 WI 值显著高于连作 7 a、10 a 和 15 a 地块。大部分连作 7 a、10 a 和 15 a 地块的 WI 值均小于 1, 苗期连作 10 a 地块的 WI 仅为 0.22。这说明整个生长季, 连作香蕉园的土壤健康状况逐渐变差, 连作使土壤食物网的矿化途径由食细菌线虫和食真菌线虫为主要参与者转变为由植物寄生线虫为主要参与者。NCR 指数用于评价食物网有机质的分解途径,高的NCR值表明食物网有机质分解和营养转化效率较高, 因为细菌参与的分解效率要高于真菌参与的分解效率[27]。本试验中, 4 个生育期不同连作年限的NCR 值均超过 0.5, 说明细菌降解途径占优势。

MI 指数和 PPI 指数反映土壤线虫群落功能结构特征, 用以评价人类干扰活动对土壤线虫群落的影响[28], MI 指数反映自由生活线虫的成熟度, PPI 指数反映植物寄生线虫的成熟度, 低的MI值表明土壤生态系统扰动强烈, 反之则表明土壤生态系统趋于稳定[29]。本研究结果表明, 连作香蕉园不同生长时期均表现出 1 a 地块的 PPI 最低, 且随着连作年限增加而增加; 营养生长期和成熟期, 1 a 地块的 MI 最高,且随着连作年限增加而降低。这说明多年连作香蕉使土壤扰动程度不断加大, 降低了自由生活线虫在土壤线虫群落中的数量, 增加了植物寄生线虫在土壤线虫群落中的数量。时立波等[30]的研究结果也表明, 多年连作降低了土壤线虫群落的 MI, 增加了PPI。

不同生长时期的土壤线虫群落结构指数均发生了不同程度变化。从整个生育期来看, H 随生长时间的推移逐渐增加, λ 随生长时间的推移逐渐降低, 苗期和营养生长期的MI低于抽蕾期和成熟期, 苗期和成熟期的 WI 低于营养生长期和抽蕾期。H 增加和 λ降低的主要原因是稀有属线虫数量的增加和常见属线虫数量的降低。随着香蕉由营养生长期转入生殖生长期和抽蕾期, 其根系生长发育速度逐渐加快,根系分泌物和土壤中细菌、真菌的数量均达到最大值, 一些稀有属如 Longidorella 和 Dorylaimellus 均出现在这一时期, 而一些常见属如 Mesorhabditis 和Aphelenchus 的数量有所降低[31]。MI 和 WI 的值受施肥、灌溉和除草等人为干扰因素的影响较大, Gruz-deva 等[32]研究表明施肥能够增加土壤线虫的 MI 值和 WI 值。香蕉是大水大肥作物, 生长中后期的水肥需求量约占整个生育期的 40%。本试验中, 营养生长期和抽蕾期大量猪粪和牛粪等有机肥的投入使MI 值增加 9.3%, WI 值增加 74.2%, Villenave 等[33]在连作高粱田也得到了相似的结果。

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