种植年限驱动花椒根际细菌群落结构与功能演替的生态机制研究

本研究针对长期种植导致花椒(Zanthoxylum bungeanum)品质退化问题，通过Illumina高通量测序和PICRUSt2功能预测，系统解析了1-15年种植周期下根际土壤细菌群落结构、功能基因及环境驱动因子。发现随种植年限增加，细菌α多样性持续上升，放线菌门(Actinobacteria)等有益菌群丰度显著提高，土壤有机质(SOM)是调控群落结构与代谢功能的关键因子。该研究为经济林土壤微生态健康管理提供理论依据。

　　

在甘肃临夏回族自治州连绵的山地上，花椒树作为当地重要的经济林木，其果实独特的麻香风味使之成为川菜的灵魂调料。然而近年来，随着种植规模的扩大和树龄的增长，花椒种植户们逐渐发现一个令人担忧的现象：老花椒园不仅产量下降，果实品质也大不如前。这一现象背后，隐藏着土壤微生态系统悄然发生的变化。如同人类肠道菌群影响健康一般，植物根际的微生物群落对树木生长起着至关重要的作用。以往研究表明，长期单一作物种植会导致土壤微生物多样性下降和功能失衡，但关于花椒这一特色经济林木的研究却鲜有报道。为此，甘肃省林业科学研究院的研究团队开展了一项深入探索，其研究成果发表在《Phyton-International Journal of Experimental Botany》上，揭示了种植年限如何像一只无形的手，悄然塑造着花椒根际的微观世界。

研究团队采用了空间代替时间的方法，在相同立地条件下选取了1年、5年、10年和15年四个种植年限的花椒园，采集根际土壤样品进行多维度分析。关键技术手段包括：Illumina MiSeq平台对16S rRNA基因V3-V4区进行高通量测序，利用QIIME2和DADA2流程处理序列并生成ASVs（扩增子序列变异）；通过PICRUSt2预测微生物群落功能基因；结合土壤理化性质（有机质、碱解氮等）和酶活性（过氧化物酶、碱性磷酸酶等）测定；运用Mantel检验、冗余分析(RDA)和随机森林算法解析环境因子与微生物群落的关联。

4.1 不同种植年限花椒根际土壤pH值和养分含量变化

研究发现，土壤有机质和碱解氮(AN)含量随种植年限呈现先升后降趋势，在10年时达到峰值；而有效磷(AP)和有效钾(AK)含量则持续上升，至15年时最高。土壤pH值从弱碱性向弱酸性转变，与有效磷含量呈显著负相关。

4.2 不同种植年限花椒根际土壤酶活性差异

过氧化物酶(POD)活性随种植年限持续增强，15年时较1年提高2.89倍；转化酶(IE)、脲酶(UE)和碱性磷酸酶(AKP)活性则在10年达到峰值后下降，表明后期土壤养分循环速率减缓。

4.3 种植年限间ASVs分析

细菌ASVs数量随种植年限显著增加，15年样地特有ASVs占比达26.32%，表明长期种植丰富了细菌群落特异性。年限差异越大，群落相似性越低。

4.4 不同种植年限下根际细菌群落多样性分析

Chao1丰富度指数和Shannon多样性指数在15年时显著高于短期样地，主坐标分析(PCoA)显示不同年限群落结构明显分离（R²=0.475, p=0.002）。

4.5 基于分类状态的根际细菌群落结构

变形菌门(Proteobacteria)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteriota)和绿弯菌门(Chloroflexi)为优势菌门（总占比56.7%-71.2%）。随种植年限增加，放线菌门相对丰度显著上升，而变形菌门丰度下降。

4.6 不同种植年限根际土壤细菌功能影响

PICRUSt2预测显示代谢功能（氨基酸代谢、碳水化合物代谢等）占比最高（47.45%）。15年样地中萜类代谢等功能基因丰度显著高于1年样地，表明长期种植增强了细菌代谢潜力。

4.7 BugBase表型预测

好氧菌和耐氧化胁迫菌比例随种植年限上升，厌氧菌和潜在致病菌下降，提示微环境向氧化态转变，有益于植物健康。

4.8 环境因子对群落结构及功能的驱动作用

随机森林分析确定土壤有机质(SOM)、碱性磷酸酶(AKP)、pH和有效磷(AP)为关键驱动因子。冗余分析进一步验证有机质对细菌类群（如Vicinamibacteria）和代谢功能（如氨基酸代谢）具有最强解释力（贡献率64%-74%）。

研究结论表明，种植年限通过改变土壤理化性质（特别是有机质积累和pH变化）驱动根际细菌群落演替，促进有益菌群（如放线菌门）富集和功能基因多样性提升。这一生态转变增强了花椒树对逆境的适应性，为通过调控土壤有机质管理改善经济林微生态系统提供了科学依据。该研究不仅揭示了花椒根际微生物演替规律，更为退化土壤的生态修复提供了新思路——通过合理施肥和间作措施维持土壤有机质动态平衡，可望实现花椒产业的可持续发展。