在农田生态系统中,不同作物耐连作程度大不相同,有些农作物对连作不敏感,连续种植对产量和品质影响不大,如玉米和水稻;有些作物不耐连作,大豆是典型的对连作敏感的作物。大豆连作产量降低,品质变差,生长发育受阻,土传病虫害加重。而土传病害发生,主要是土壤中的病原菌多样性和丰度增加,生长发育受阻的另一个原因是氮代谢受阻,氮代谢受阻来源于土壤中的氮素转化,而影响氮素转化就是土壤中的一些功能菌。系统研究大豆连作和这些微生物关系,对解析连作大豆根部病害加重和氮素循环受阻机制和为解决连作障碍提供技术原理具有重大的理论意义和广泛的应用价值。本文利用黑龙江省农业科学院土壤肥料与环境资源研究所的一组大豆长期连作实验为平台,采用了高通量测序等方法,研究结果如下:1、在肥沃的黑土上,大豆连续种植17年,并没有导致土壤有机质、总氮、总碳、p H等指标的显著变化。对土壤酶活性的测定结果表明,连作4年和连作7年处理的土壤酶活性变化较大,尤其脲酶和蔗糖酶活性。其中连作4年处理的脲酶活性最低为0.88 NH2-N mg/(g 24h),比轮作处理降低28.5%,随后随着连作年限的增加而增加。而蔗糖酶活性在连作7年以前随着连作年限的增加而增加,到连作7年蔗糖酶活性与轮作处理相似。连作11年蔗糖酶活性最高,随后随着连作年限的增加而降低,连作17年处理的蔗糖酶活性为73.27 G mg/(g·24h)。由此可以看出,连作4年到7年是连作大豆土壤生物活性变化最大的时间段,之后又趋于平稳。土壤酶活性与土壤微生物的群落数量和活性密切相关,因此认为土壤酶活性的变化是大豆连作土壤被认为是抑制性土壤的一种表现。2、应用PCR-DGGE技术,对不同连作年限大豆根际细菌和真菌群落结构多样性分析。其中细菌群落结构组成和多样性在连作7年以后明显低于轮作和连作4年以前,由此可以看出,大豆连续种植导致土壤中细菌群落组成的变化,但是变化过程是缓慢的,直到连作7年才足以被检测出来。对连作大豆根际真菌群落结构多样性分析结果表明,大豆连作2年和连作4根际真菌群落组成丰富,多样性较高。大豆连续种植7年以上,根际真菌群落组成和多样性与轮作相似,由此也可以看出大豆连作土壤被称作抑制性土壤的机制所在。3、通过PCR-DGGE,q PCR,克隆测序等方法研究连作大豆根际土壤氨氧化细菌群落结构组成和多样性。结果表明,连作7年处理的amo A基因数量为4.71×10-5 amo A gene copies/g dry soil,低于其他处理。通过测序结果表明该研究中amo A基因属于7 Clusters,其中,连作7年处理土壤中氨氧化细菌种类最为丰富,6个簇的氨氧化细菌均有出现;其次是连作2年处理除Cluster 4以外均有出现;而连作17年处理土壤中氨氧化细菌种类最少4个簇。以往的研究表明氨氧化细菌群落结构与土壤p H、有机质含量以及空间地理分布等因素密切相关,而本研究基于相同的施肥量和环境条件下,氨氧化细菌群落结构组成与环境因子相关性分析认为大豆连作年限的长短是影响氨氧化细菌群落组成的主要因子。4、通过PCR-DGGE,q PCR,Illumina Miseq测序等方法研究连作大豆根际氨氧化古菌群落组成和数量,结果表明,连作2年和连作17年处理的根际氨氧化古菌数量低于其他处理;轮作和连作17年处理根际氨氧化古菌群落组成不同于其他处理。连作大豆根际氨氧化古菌种类来自泉古菌门(Crenarchaeota)、和奇古菌门两大类(Thaumarchaeota),仍有42%为未分类的古菌种类。5、土壤的潜在硝化速率是表征土壤氮转化能力的重要指标,与氨氧化微生物活性密切相关。本研究中连作大豆根际土壤的潜在硝化速率在0.24μg NO3-g-1soil h-1到0.58μg NO3-g-1 soil h-1之间。其中连作4年和连作7年处理的土壤潜在硝化速率显著低于其他处理。与轮作处理相比,连作4年和连作7年处理的土壤潜在硝化速率分别降低51.79%和31.58%。而连作2年处理硝化速率最高,比轮作处理高17.5%。土壤潜在硝化速率与氨氧化细菌和氨氧化古菌的群落结构组成和丰度相关性分析结果表明,氨氧化细菌在黑土上连作大豆根际的氨氧化过程中起主要作用。