引入豆科作物的轮作模式对设施蔬菜土壤微生物群落组成的影响

刘 蕾，徐 梦，王 凌，茹淑华，孙世友，郜 静，李 玭，张国印,马俊贤

(1.河北省农林科学院 农业资源环境研究所，河北省肥料技术创新中心，河北 石家庄 050051；2.中国科学院 地理科学与资源研究所，生态网络观测与模拟重点实验室，北京 100101；3.河北省市场监督管理局，河北 石家庄 050091)

由于我国耕地资源短缺，发展设施农业是推进农业结构调整、加快农业供给结构性改革的主要抓手和突破口，也是农民增收、农业增效、农村经济和社会发展的重要推动力。然而，为追求高产，设施蔬菜通常种植指数高、轮作周期短，且水肥、农药投入量高，加上常年处于高温、高湿、高蒸发、无降水淋洗的特殊环境，极易导致土壤酸化、次生盐渍化、土传病害等问题，同时土壤中过量氮磷养分的淋洗会导致水环境污染。这些产区土壤质量退化和生态环境恶化可能进一步影响蔬菜生长过程，不仅导致减产减收，更会威胁食品安全和人类健康[1]。

以往研究中通常使用土壤理化性状来表征或者评估设施栽培条件对土壤质量、蔬菜产量等的影响[2-4]。然而，越来越多的证据表明，传统的理化指标逐渐难以满足对土壤质量与土壤健康研究的需要，而土壤生物学性质则能敏感地反映出土壤环境和健康的变化[5]。土壤微生物是土壤中的关键组分，在促进土壤养分循环利用[6]、保持土壤健康和质量[7]以及污染物降解[8]等过程中发挥着重要作用，是评价土壤质量的重要指标[9]。土壤微生物对环境变化十分敏感，因此，通过土壤微生物性状的变化评估设施土壤质量变化近年来成为研究设施土壤质量保持和功能恢复的热点[10-11]。研究表明，设施农业种植方式显著改变土壤理化性质，进而影响微生物群落，通常表现为多样性随种植年限显著降低[12-13]或者群落组成改变(例如土壤细菌与真菌比值降低、有益菌群减少、病原微生物数量增加等)[10，14-17]。例如，相比于露地蔬菜种植，塑料大棚土壤微生物多样性显著降低，且大棚生产条件增加了微生物的环境胁迫进而导致群落退化[18]。Zhang等[10]在寿光连续11 a试验发现，一年两季番茄栽培使得土壤微生物组成朝着有益菌丰度降低、病原微生物积累的方向演变。大量研究表明，土壤微生物群落失衡是导致设施蔬菜土传病害、连作障碍等加剧的主要原因[19-20]。因此，设施蔬菜种植过程中土壤微生物多样性、群落组成和结构的变化可以作为土壤受损程度和质量变化的重要预警指标，理解土壤微生物及功能群的变化对揭示设施蔬菜栽培条件引起的土壤质量退化微生物学机制及保持设施土壤可持续性具有重要意义。然而，与农田相比，设施土壤微生物研究在我国起步较晚，且多集中在种植年限[10-11，13，15，17，21-22]和施肥[23-25]对设施土壤微生物区系的影响，对不同轮作模式下土壤微生物群落结构与功能变化的认识仍有很大的局限性。

1 材料和方法

1.1 试验区概况

本试验在河北衡水国家农业科技园区饶阳县大尹村镇南北岩村(115°50′82″E，38°16′14″N)进行，饶阳县设施蔬菜经过30多年发展，种植规模达千公顷，居全省第一。研究区地属冀中平原黑龙港流域，地貌类型为滹沱河洪积平原，南北岩村设施大棚建于废弃河床之上，土壤类型为潮土，质地为沙壤，地下水埋深3～7 m。年均温12.2 ℃，降雨量552.6 mm，属于温带大陆季风气候。该区典型种植模式为西红柿-甜瓜轮作，秋冬茬为番茄(8-12月)，平均产量为67 500～90 000 kg/hm2；冬春茬为甜瓜(1-7月)，平均产量约75 000 kg/hm2。

1.2 试验设计

定位试验开始于2018年6月，在典型西红柿-甜瓜轮作中通过引入养分、水分需求量更低的豆角，调整种植制度，共设置3个处理：西红柿-甜瓜、豆角-甜瓜、西红柿-豆角，养分和水分投入量如表1所示，每个处理3次重复，小区面积21.5 m2。试验开始前土壤基础理化性状：容重1.01 g/cm3，黏粒9.6%，砂粒56.6%，有机质45.9 g/kg，NO3--N 147.1 mg/kg，Olsen-P 274.0 mg/kg。

表1 不同轮作模式下周年养分及水分投入量Tab.1 Annual input of fertilizer and water under different rotation systems

1.3 样品采集

土壤样品采集于2020年7月28日西红柿、豆角拉秧并清理完全后进行，每个小区选取3个样方(1 m×1 m)，样方间距3 m，每个样方中随机用土钻采集5个表层土壤(0～20 cm)并混合，即每个小区15钻混合为一个样品重复，一共采集9个土壤样品。去除石块、落叶等杂质后充分混匀，分成2份，过2 mm筛，一份用于微生物测定，保存于-20 ℃，一份用于土壤化学性质测定，保存于4 ℃冰箱。

1.4 土壤化学性质测定

土壤有机质用油浴加热重铬酸钾氧化-容量法测定，土壤全钾用碱熔-火焰光度法测定，土壤总氮用凯氏蒸馏法，土壤硝态氮用紫外分光光度法测定，土壤pH值用1 mol/L KCl浸提(水土比1.0∶2.5)电位法测定，水溶性盐采用电导法测定，土壤总磷用氢氧化钠熔融-钼锑抗比色法，土壤Olsen-P 0.5 mol/L NaHCO3(pH值8.5)溶液浸提(水土比20∶1)钼锑抗比色法测定[26]。

1.5 土壤微生物测定

使用OMEGA M5635-02 Soil DNA Kit试剂盒提取土壤DNA，使用NanoDrop ND-2000分光光度计(Thermo Scientific，Wilmington，DE，美国)测定DNA 的质量，送至上海派森诺公司进行Illumina MiSeq高通量测序，使用引物338F(5′-ACTCCTACGGGAGGC

AGCA-3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAA

T-3′)对细菌16S rDNA V3V4基因进行扩增，引物ITS5F(5′-GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG-3′)和ITS1R(5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′)对真菌ITS基因进行扩增。测序得到的原始序列经过QⅡME2、DADA2进行质控拼接，去重后得到扩增子序列变异体(Amplicon Sequence Variants，ASV)。采用QⅡME2的classify-sklearn算法对于每个ASV的特征序使用预先训练好的Naive Bayes分类器进行物种注释，得出物种分类水平，对比数据库为Greengenes(Release 13.8,http://greengenes.secondgenome.com/)和UNIT (Release 8.0，https://unite.ut.ee/)。最后对采用QⅡME2的qiime feature-table rarefy功能进行抽平。采用QⅡME2的qiime diversity alpha-rarefaction命令，设置最小抽平深度为10、全体样本中最低测序深度样本序列量的95%，再在这一深度与最小深度之间均匀选取10个深度值，每个深度值抽平10次，计算所选的多样性指数。选取最大抽平深度时的得分平均值作为α-多样性指数。以Chao指数表征丰富度，以Shannon指数表征多样性，以Pielou指数表征均匀度。

(1)给予两组患者同样的基础用药,指导患者合理使用克拉霉素片(广东逸舒制药股份有限公司;国药准字H20000207;0.125g*24s)、阿莫西林分散片(石药集团中诺药业(石家庄)有限公司;国药准字H10980075;0.25g*6s))、甲硝唑片(湖南汉森制药股份有限公司;国药准字H43020225;0.2g*21s);(2)对照组在基础用药基础上加用奥美拉唑(广东逸舒制药有限公司;国药准字H20040911;20mg*7S);实验组在对照组基础上加用雷贝拉唑(济川药业集团有限公司;国药准字H20052317;10mg*7S)。

1.6 数据分析

使用单因素方差分析(ANOVA)比较3种种植制度下土壤化学性质、微生物α-多样性、细菌及真菌各种群相对丰度的差异，并用Duncan′s multiple range test检验各处理间差异的显著性(P<0.05水平下)。使用Spearman相关性分析土壤微生物多样性指数及各种群相对丰度与土壤化学性质的相关性。方差分析和相关性分析使用IBM SPSS Statistics(v 18.0)进行。不同种植方式下共有/特有的ASV韦恩图计算采用R语言VennDiagram进行。利用随机森林模型(Random Forest)预测显著影响3种轮作模式下土壤微生物群落结构差异的物种(属水平)及其贡献，使用R语言RandomForest进行运算分析，每个物种对预测模型贡献的显著性用软件包rfPermute计算。微生物群落结构及其影响因子使用典型相关分析(Canonical Correlation Analysis，CCA)，3种轮作模式下群落结构的差异用PERMANOVA进行检验，使用R语言Vegan包进行。

2 结果与分析

2.1 土壤基础理化性质

相比于传统茄科-葫芦科轮作，引入豆科作物的轮作模式每年降低N-P2O5-K2O投入21.38%～23.46%，2.27%～5.04%，25.45%～26.97%，降低水分投入22.73%～31.82%，经过2 a四季肥水管理，不同设施轮作模式主要对土壤硝态氮含量和pH值产生了显著的影响(表2)：土壤NO3-N含量在豆角-甜瓜模式下最高，而在西红柿-豆角模式下最低，相比于传统西红柿-甜瓜，西红柿-豆角土壤NO3-N含量降低了65.31%；西红柿豆角模式下土壤pH值显著高于其他2种轮作模式，提高了4.4%～6.8%。

表2 不同轮作模式下土壤化学性质Tab.2 Soil general properties under different rotations

2.2 土壤细菌和真菌α-多样性

高通量测序数据经过过滤、去燥、拼接、去除嵌合体及数量为1的序列后，共得到405 515个细菌序列和1 050 999个真菌有效序列。去重后土壤细菌得到9 638个ASVs，不同轮作模式下ASV数量差异不显著(P>0.05)。土壤真菌获得1 146个ASVs，其中西红柿-豆角模式下土壤真菌ASV数量显著低于另2种处理(P<0.05)。

不同轮作模式显著影响土壤微生物α-多样性，但是细菌和真菌的响应特征有区别(表3)。轮作模式显著影响了土壤细菌的均匀度(P<0.05)，其Pielou指数在西红柿-甜瓜模式下最高，在豆角-甜瓜模式下最低。而土壤真菌的丰富度对轮作模式有显著响应，其Chao指数在西红柿-豆角模式下显著低于其他2种模式。

表3 不同轮作模式下土壤微生物群落α-多样性指数Tab.3 Diversity indices of soil microbial community under different rotations

2.3 微生物群落组成和结构差异

高通量测序获得的土壤细菌ASVs分属于31门100纲231目372科617属，且群落中优势种群(相对丰度大于1%)在不同轮作模式土壤中的分布具有明显差异(图1)。在门水平上，己科河菌门(Rokubacteria)的平均相对丰度在西红柿-豆角模式下((3.15±0.05)%)显著高出西红柿-甜瓜((1.36±0.51)%)和豆角-甜瓜((1.37±0.29)%)约2.3倍。在科水平上，西红柿-豆角土壤中具有显著(P<0.05)较高的亚硝化单胞菌科(Nitrosomonadaceae)((6.20±0.59)%)、Rokubacteriales((3.15±0.29)%)和S085((1.73±0.02)%)；西红柿-甜瓜种植制度显著提高了Roseiflexaceae((6.21±0.07)%)和生丝单胞菌科(Hyphomonadaceae)((1.41±0.14)%)的相对丰度；豆角-甜瓜模式则显著提高了甾体杆菌科(Steroidobacteraceae)的相对丰度((1.41±0.27)%)。

土壤真菌ASVs分属于9门28纲55目117科174属，其中子囊菌门(Ascomycota)在3种轮作模式下均是土壤中的优势种群，其平均相对丰度能达到54.37%～69.50%。在门水平下，担子菌门(Basidiomycota)的平均相对丰度在西红柿-豆角种植制度下((13.71±2.50)%)显著最高，分别是西红柿-甜瓜((2.87±0.44)%)和豆角-甜瓜((3.35±0.96)%)的4.8，4.1倍(图2)。土壤真菌优势科中，小不整球壳科(Plectosphaerellaceae)的相对丰度在西红柿-豆角种植制度下显著最高((4.96±0.17)%)，是西红柿-甜瓜((1.62±0.93)%)和豆角-甜瓜((1.56±0.51)%)的约3倍。虫草菌科(Cordycipitaceae)和丛赤壳科(Nectriaceae)则在西红柿-豆角种植制度土壤富集，其相对丰度分别是(5.24±1.99)%，(1.34±0.25)%，显著高于其余2种种植制度(分别是虫草菌科(0.52±0.33)%，(0.37±0.19)%和丛赤壳科(0.71±0.36)%，(0.38±0.21)%)。

韦恩图表明，土壤真菌群落在3种种植制度下的特异性更强(图3)。真菌群落中，3种植制度下共有ASV(66个)占总真菌ASV的5.76%，而共有细菌ASV(1 016个)则占总细菌ASV的10.54%。并且，西红柿-甜瓜、豆角-甜瓜2种种植制度下特有ASV占总ASV的比例均在真菌群落(35.08%，28.45%)大于细菌群落(23.60%，23.27%)。但是在西红柿-豆角模式下真菌特有ASV占总ASV的比例(14.38%)则明显低于细菌(27.43%)。对于2种模式下共有的ASV，无论是细菌还是真菌，均在当季作物相同情况下(即西红柿-甜瓜和豆角-甜瓜，当季为甜瓜)数量最多(细菌652个，真菌107个)。

随机森林模型揭示了对预测3种种植制度下土壤微生物群落构建差异有显著(P<0.05)贡献的细菌和真菌种群。土壤细菌群落构建在3种种植制度下的差异主要受SWB02(贡献量2.15%)、0319-6G20(1.95%)、Blastocatella(1.95%)、Dokdonella(1.92%)等种群的显著影响，且这些种群大部分属于Proteobacteria、Acidobacteria、Actinobacteria等主要细菌门。其中，Gemmatirosa(Gemmatimonadetes)、SWB02(Proteobacteria)等种群在西红柿-甜瓜土壤中显著富集；Microbispora(Actinobacteria)、Dokdonella(Proteobacteria)等种群在豆角-甜瓜土壤中显著富集；MND1(Proteobacteria)、IMCC26256(Acidobacteria)等种群在西红柿-豆角土壤中显著富集(图4)。对于土壤真菌，显著影响不同种植制度下群落构建差异的属主要为Verticillium(贡献量3.20%)、Blastobotrys(3.17%)、Kernia(2.91%)、Dokmaia(2.30%)等8个属，集中在2个门，并且不属于群落中的优势种，相对丰度均低于5%，其中Blastobotrys(Ascomycota)、Kernia(Ascomycota)显著在西红柿-甜瓜土壤中富集；Verticillium(Ascomycota)、Dokmaia(Ascomycota)、Ceriporia(Basidiomycota)显著在西红柿-豆角土壤中富集(图5)。

2.4 不同轮作模式下土壤微生物群落差异的驱动因子

相关分析表明，土壤pH值与真菌多样性(Chao指数)有极显著负相关性(P<0.01)，而细菌多样性指数则与土壤理化性质没有显著相关性(表4)。细菌和真菌优势种群的相对丰度也显著受到土壤理化性质的影响：其中，相对丰度与pH值、NO3-N和土壤总氮的相关性最强，与Olsen-P、土壤总钾和C/N的相关性次之(表4)。大部分细菌种群的相对丰度受到多个土壤性质的综合影响，并且不同种群与土壤因子的相关性有明显区别。例如，Rokubacteriales、OM190与NO3-N显著负相关，与pH值显著正相关；而Roseiflexaceae、链孢囊菌科(Streptosporangiaceae)则与NO3-N显著正相关，与pH值显著负相关。相比于细菌，大部分真菌种群仅受到1～2个土壤因子的影响，并且这些种群相对丰度与土壤因子的相关性基本一致：例如，小不整球壳科(Plectosphaerellaceae)与NO3-N极显著负相关，虫草菌科(Cordycipitaceae)等与NO3-N显著负相关，而与pH值显著正相关。

表4 微生物多样性指数及相对丰度与土壤理化学性质的相关性Tab.4 Spearman correlation coefficients (r) of diversity indices and the relative abundance of microbial taxa with soil general properties

表4(续)

典范对应分析(CCA)进一步揭示了影响土壤微生物群落结构的关键环境因子(图6)。CCA结果表明，土壤因子对细菌和真菌群落变化的解释度分别为33.61%，32.12%。在所有环境因子里，土壤NO3-N和pH值是显著影响细菌和真菌群落结构的关键因子(P<0.05)。此外，当季作物类型也对土壤微生物群落结构有显著影响：PERMANOVA检验结果表明，当季作物为甜瓜的种植制度(西红柿-甜瓜+豆角-甜瓜)下土壤细菌和真菌的群落结构与当季作物为豆角的模式(西红柿-豆角)产生显著差异(细菌F=2.35，P=0.01；真菌F=1.88，P=0.01)。

3 讨论与结论

设施蔬菜高集约化生产方式及不合理的水肥管理极易造成土壤酸化、次生盐渍化等土壤质量退化，而土壤微生物对环境变化十分敏感，因此，通过土壤微生物性状的变化评估设施土壤质量变化近年来成为研究设施土壤质量保持和功能恢复的热点[10-11]。然而，与农田相比，设施土壤微生物研究在我国起步较晚，且多集中在种植年限[10，11，13，15，17，22]和施肥[23-25]对设施土壤微生物区系的影响，对不同轮作模式下土壤微生物群落结构与功能的变化认识仍有很大的局限性。特别是引入豆科作物的轮作模式，其增产[28-29]和环保[30-33]效果虽得到普遍认可，然而该体系对土壤细菌和真菌群落的综合影响及其驱动因子却鲜有报道。本研究结果发现，设施蔬菜种植中，当季作物种类(豆角/甜瓜)显著影响了土壤微生物多样性、群落组成和结构。Ridl等[34]研究氮磷钾肥料和种植不同作物(辣根、茄子、烟草)对土壤微生物群落的影响时同样指出，作物种类对细菌群落结构产生显著影响，其作用效果甚至大于施肥。而这种差异的主要原因在于，植物与土壤微生物在相互作用过程中会形成植物-微生物协同调控机制：即植物通过分泌碳源物质调控根际土壤微生物的种类和结构；同时，微生物也会通过产生激素类物质、抑制病原菌生长、诱导植物对生物及非生物胁迫产生抗性等方式促进植物的生长[35-36]。引入豆科作物的轮组模式显著改变了碳源底物、并且水肥管理差异也改变了土壤理化性状，从而调控微生物组成和活性。在所有土壤因子中，pH值和NO3-N对土壤微生物群落结构变化的影响最为显著。由于设施环境极端性及复杂性，目前，报道的设施土壤微生物群落组成及结构的驱动因子各不相同，甚至相互矛盾。例如，Song等[17]指出土壤pH值和粘粒含量是影响设施土壤细菌群落的主要因素，而影响真菌群落的主要因素则为pH值和磷含量。Yao等[18]在对比设施及露地蔬菜土壤微生物群落结构时指出设施土壤微生物群落随种植年份发生显著改变，然而，Tian等[11]在调查环渤海区设施土壤微生物后却发现微生物群落与栽培年份关系并不显著，而是与土壤钾含量密切相关。这些明显不同甚至相悖的研究结果表明，对土壤微生物结构与功能的认识还十分有限，特别是显著差别与农田生态系统的设施土壤。

本研究3种轮作模式中，豆角-甜瓜和西红柿-豆角相比于传统西红柿-甜瓜轮作模式分别减少N-P2O5-K2O投入21.38%～23.46%，2.27%～5.04%，25.45%～26.97%，降低水分投入22.73%～31.82%，经过2 a四季肥水管理，西红柿-豆角轮作模式相对于传统西红柿-甜瓜，NO3-N含量显著降低了65.31%。并且由于氮肥减投缓解了土壤酸化，使得pH值相对于传统模式提高了6.8%。本研究结果也表明，正是pH值和NO3-N含量的差异驱动了不同轮作模式下细菌和真菌群落组成和结构的差异。其余土壤养分差异不显著，可能由于试验年份较短。然而，豆角-甜瓜轮作模式下土壤养分含量却与西红柿-甜瓜没有显著差异，这可能与甜瓜季养分投入量远大于西红柿季有关，且甜瓜季温度高于西红柿季，土壤养分矿化加剧，因此，甜瓜季高投入、高矿化使得土壤养分含量激增，掩盖了上一季豆角减投的效果，具体机制还需进一步研究。

对于土壤细菌，结果表明变形菌门(Proteobacteria)在所有轮作模式是中所占比例最大，与以往研究一致[11，17，37]，主要原因在于该类型细菌属于典型富养型生物，其生存的r-策略使得它在碳源底物有效性高的设施环境中快速生长，成为优势种群。然而，不同微生物对轮作模式改变及其导致的环境因子变化的响应不同，这取决于不同微生物的生理、生态特性差异。例如，发现亚硝化单胞菌科在西红柿-豆角土壤中显著增加，且与NO3-N含量有极显著负相关(r=0.817，P<0.01)。以往研究也发现，减量施肥显著提高亚硝化单胞菌科(属)的相对丰度[38-39]。另外，亚硝化单胞菌科的相对丰度与pH值具有显著正相关(r=0.667，P<0.05)，这与普遍认为的低pH值会限制硝化细菌生长[40]结论一致。在3种轮作模式下，当季豆角种植(西红柿-豆角)的水肥投入量明显低于当季甜瓜种植模式，导致土壤pH值升高、NO3-N下降，因此，有助于该菌群生长。西红柿-豆角轮作模式还显著提高了己科河菌门的相对丰度。作为一种新型土壤细菌，该菌群具有多样的生物次级代谢物基因，可能与抗药性密切相关[41]。本研究发现，土壤NO3-N、总氮和pH值显著影响该类微生物的相对丰度，表明此类细菌对土壤无机氮敏感性很高，并且有研究表明该菌群可以进行反硝化作用[42]。另外，相比于引入豆角的轮作模式(豆角-甜瓜和西红柿-豆角)，西红柿-甜瓜土壤中Roseiflexaceae和生丝单胞菌科(Hyphomonadaceae)的相对丰度显著增加。这两类细菌多被发现于高温、高盐分环境中[43]及各种海洋环境中[44]，而西红柿-甜瓜土壤具有相对较高的EC值，可能是导致该种群富集的原因。

对于土壤真菌，子囊菌门(Ascomycota)在3种轮作模式中所占比例均最高，达到54.37%～69.50%，与Tian等[16]在环渤海区设施土壤调查结果一致[11]。研究指出设施土壤中子囊菌门丰度增加与其土壤磷含量高密切相关。在3种轮作模式中，担子菌门(Basidiomycota)的相对丰度在西红柿-豆角模式下显著增加，其中银耳纲(Tremellomycetes)和外担菌纲(Exobasidiomycetes)的相对丰度增加程度较高。研究发现，这些真菌可能在抑制植株根部土传病害方面发挥作用，是有效的生防菌[45]。然而，小不整球壳科、虫草菌科和丛赤壳科(Nectriaceae)等具有致病的种群的相对丰度也显著增加。 Bainard等[46]发现，豆科植物轮作频数的增加会导致病原菌数量增加2～3倍，因此，提出应避免连续种植豆科作物，以防根系特异性病原菌累积。土壤中真菌优势科的大部分属于子囊菌门，在群落演替中处于演替前期，与接合菌、细菌等最先侵入枯枝落叶等基质形成优势菌，分解代谢吸收大量糖和NPK等营养物质[47]，因此，相对丰度与土壤NO3-N、Olsen-P、总氮、总钾、有机碳、C/N等密切相关。以丛赤壳科为例，NO3-N、总氮、有机碳和pH值显著影响其相对丰度，但具体影响机制仍需进一步研究。近年来，尽管高通量测序技术在各类型生态系统的广泛应用为更好的理解土壤微生物多样性及群落构建提供了丰硕的成果，但仍有相当一部分微生物在生态系统中功能并不十分清楚。

利用随机森林模型，本研究预测出多种能够显著(P<0.05)影响3种轮作模式下群落构建差异的微生物种群。这些种群的相对丰度在3种轮作模式下有显著差异，进而可能导致不同土壤中碳氮循环过程的改变。例如，红微菌属(Rhodomicrobium)是一种需微氧至厌氧的紫色光合细菌，具有极其多样的碳源代谢能力，可代谢几乎所有的发酵产物，包括CO2、小分子有机酸和CH4等，同时是一种自生固氮菌，具有固氮能力[48-49]。发现红微菌属的相对丰度在西红柿-豆角土壤中显著高于其余2种轮作模式，这暗示了共生固氮过程可能是豆角土壤中氮素供应的重要来源或补给。本研究还发现，氢孢菌属(Hydrogenispora)的相对丰度在西红柿-甜瓜土壤中显著高于引入豆角的种植制度。该属的细菌偏好利用糖类底物，如Hydrogenisporaethanolica能发酵葡萄糖、半乳糖、淀粉[50]，这表明不同种植制度下土壤有机碳组分可能发生变化。另外，西红柿-豆角土壤中轮枝孢属(Verticillium)相对丰度显著高于其余2种轮作模式，这类真菌会引起枯萎病，但是经过合理轮作，其相对丰度会显著下降，可以看到上一季种植豆角的轮作模式豆角-甜瓜在这一季土壤中该类真菌相对丰度与西红柿-甜瓜差异已经不显著。

除了群落结构，本研究发现土壤真菌的丰富度对于轮作模式及其导致的土壤理化性质的改变更为敏感，而细菌多样性的变化与土壤因子的相关性不显著。3种轮作模式下土壤真菌Chao指数的变化与土壤pH值具有极显著的负相关性(r=-0.767，P<0.01)，这与以往研究结果一致[51-52]。目前，研究普遍承认pH值是影响真菌群落多样性的主要化学性质[53-54]，不过Bahram等[55]指出全球范围内土壤真菌多样性与pH值相关性较弱。这种差异很可能是由于生物及非生物因素改变，如植被变化、施肥变化等带来的碳源底物、土壤理化性状等环境因子改变综合调控的结果，而非pH值的直接作用引起的变化。总体来说，本研究中轮作模式的改变仅影响到土壤微生物多样性的某个方面(例如丰富度、均匀度)，这可能是由于相应的施肥、灌水处理时间尚短。土壤微生物多样性是其发挥生态系统功能的基础[56]，后续研究还需长期连续观测，深入研究种植制度改变导致的生物及非生物因素变化对土壤微生物多样性及群落特征的影响，从而揭示其影响设施土壤碳氮循环的机理。

设施农业高集约化生产方式导致土壤理化性质的改变，进而影响土壤微生物的多样性、群落组成及功能。基于豆科作物养分减投的轮作制度调整技术相对于茄科-葫芦科传统轮作模式，经过2 a四季肥水管理显著降低了土壤NO3-N含量并提高pH值。土壤环境的变化显著改变了细菌和真菌的多样性和群落组成，但不同微生物对轮作模式改变引起的环境因子变化的响应不同，主要取决于不同微生物的生理、生态特性差异。在所有土壤因子中，pH值和NO3-N对土壤微生物群落结构变化的影响最为显著，并且当季作物种类(豆科/非豆科)对土壤微生物富集模式有显著作用。此外，土壤细菌对轮作制度调整的响应比真菌敏感，未来应深入研究这种群落变化如何影响设施土壤碳氮循环关键过程。