垄沟覆膜栽培系统与有限补充灌溉对土壤微生物群落结构、功能及碳排放的影响

《Agricultural Water Management》：Effects of ridge-furrow mulching system and limited supplementary irrigation on soil microbial community structure, function and carbon emissions

梯田覆盖与补充灌溉协同调控农田微生物群落及碳循环功能基因，显著增加CO?排放（24.04%-30.57%）并降低CH?吸收，微生物丰富度提高但物种多样性无显著变化，优势菌属为Sphingomonas和Nocardioides，Shannon指数与Lysobacter丰度呈显著正相关。

　　在干旱地区，农业发展面临着水资源短缺的严峻挑战。为应对这一问题，一种被广泛推广的高效节水农业技术——垄沟覆盖膜种植技术（R）应运而生。该技术通过在田间交替设置垄和沟，利用地膜收集雨水，并在沟中种植作物，从而有效减少地表径流和无效蒸发，提高土壤水分保持能力，延长作物用水期，显著提升作物产量和水分利用效率。与此同时，补充灌溉作为一项重要的农业管理措施，强调在时间和空间维度上提升水资源利用效率，使作物在不完全依赖降雨的情况下获得足够的水分供应，同时节省灌溉用水。这两种技术的结合——即在垄沟覆盖膜种植模式下进行有限补充灌溉，被认为是干旱地区农业研究的重点方向。

农业活动对全球气候变化和粮食安全构成了重要影响。农田生态系统是大气中二氧化碳（CO?）和甲烷（CH?）的重要来源，分别占全球人为排放的约21%-25%和47%-57%。因此，研究农田碳排放机制，尤其是其与土壤微生物群落之间的关系，对于理解农业活动对气候的贡献具有重要意义。垄沟覆盖膜种植技术不仅改善了土壤的水热条件，还改变了微地形结构，这种变化不可避免地影响了微生物群落的组成。适度的土壤水分和温度条件会加速微生物对有机质的分解过程，从而改变碳排放的模式。已有研究表明，覆盖膜种植显著降低了土壤有机质含量，同时增加了CO?和CH?的排放量。因此，探索垄沟覆盖膜种植系统与补充灌溉对农田碳排放的微生物机制，对于提升干旱地区农业的可持续发展水平具有重要意义。

为了全面分析这一问题，研究团队在山西省农业科学院的东阳试验示范基地进行了为期五年（2020年10月至2025年6月）的田间试验。试验品种为“新农979”冬小麦，种植方式包括垄沟覆盖膜系统（R）和传统平作（T）。在每种种植方式下，分别设置了三种补充灌溉量：150毫米、75毫米和0毫米。研究重点考察了冬小麦在拔节期和灌浆期这两个关键水分利用阶段，土壤微生物群落结构、碳循环功能基因多样性、碳水化合物活性酶（CAZymes）以及农田碳排放的变化情况。通过采集土壤样本并进行分子生物学和宏基因组分析，研究团队得以深入探讨垄沟覆盖膜系统和补充灌溉对土壤微生物群落的影响机制。

研究结果表明，垄沟覆盖膜系统与补充灌溉显著改变了农田的碳排放特征。在拔节期和灌浆期，随着补充灌溉量的增加，CO?排放量显著上升，而CH?的吸收量则相应下降。特别是在灌浆期，CO?的排放强度高于拔节期，说明不同生长阶段对水分管理的响应存在差异。此外，垄沟覆盖膜系统在提高土壤微生物多样性方面表现出明显优势，但对物种多样性的影响并不显著。研究发现，Sphingomonas和Nocardioides是农田中占主导地位的细菌类群。在相同的灌溉条件下，垄沟覆盖膜系统显著提高了碳循环功能基因的Ace和Shannon指数，而糖基转移酶（GTs）和糖苷水解酶（GHs）的丰度也有所增加，但碳水化合物酯酶（CEs）的丰度则显著降低。这些结果表明，垄沟覆盖膜种植技术通过改变土壤水分和温度条件，影响了碳循环相关基因的丰度，进而调控了土壤呼吸和碳排放。

进一步的分析表明，微生物群落的构建过程受到随机因素和确定性因素的共同影响。通过中性群落模型（NCM），研究团队发现，当补充灌溉量为150毫米时，垄沟覆盖膜系统的R2值显著高于传统平作，说明其微生物群落更倾向于由随机过程主导。然而，当灌溉量减少至75毫米或0毫米时，这一趋势被逆转，表明微生物群落的构建过程更受环境条件的制约。这表明，在不同水分条件下，垄沟覆盖膜系统对微生物群落的影响存在显著差异。研究还发现，微生物群落的多样性与碳排放之间存在显著的正相关关系，尤其是Shannon指数对碳排放具有较强的调控作用。

此外，研究还揭示了特定的微生物类群和碳水化合物活性酶对碳排放的影响。例如，Sphingomonas和Nocardioides的丰度增加与碳排放的提升密切相关。前者能够利用多种有机污染物作为碳源和能量来源，并产生一些促进植物根系发育的物质，如吲哚乙酸、葡萄糖酸和氨基葡萄糖，从而提高植物生物量和产量，增强其抗旱能力。后者则能够分解农田中的复杂有机物质，如植物残体和动物粪便，将其转化为二氧化碳、水和无机盐，促进碳和氮的循环，同时增加CO?的排放。因此，这两种细菌类群的丰度变化可能是垄沟覆盖膜种植技术提升碳排放的重要原因。

在碳水化合物活性酶方面，研究发现，GTs和GHs的丰度在垄沟覆盖膜系统下显著增加，而CEs的丰度则明显减少。GTs在生物合成糖脂、糖肽和脂多糖等物质中发挥关键作用，能够促进土壤碳分解的抑制效应。GHs则通过分解土壤中的有机质，将其转化为小分子物质，供微生物进一步代谢释放CO?。PLs则能够分解多糖，为微生物提供碳源，进而通过微生物代谢释放CO?，增加农田碳排放。CEs虽然在碳分解过程中也起着重要作用，但由于其丰度较低，对整体碳排放的贡献相对较小。此外，CEs对碳可用性的调节需要与PLs协同作用，这种协同机制在农田碳排放调控中具有重要意义。

研究还通过皮尔逊相关性分析，揭示了几个关键的生物因子对农田碳排放的影响。例如，碳循环功能基因的Shannon指数、Lysobacter菌群、GH74和PL22酶家族均对CO?排放和总碳排放具有显著的调控作用。这些因子通过影响碳循环功能基因的多样性、特定微生物群落的组成以及酶活性，构成了农田碳排放过程中的核心生物调控网络。因此，针对这些关键因子，可以制定相应的农业管理策略，如优化秸秆还田方式、应用生物炭等措施，以调节碳循环功能基因的多样性；利用微生物制剂直接调整Lysobacter菌群的丰度；以及通过调控土壤温度和湿度，优化GH74和PL22等酶的活性，从而实现农田碳排放的调控。

综上所述，垄沟覆盖膜系统与有限补充灌溉的结合，不仅能够有效提升作物产量，还能显著改变农田的碳排放特征和微生物群落结构。通过调节土壤水分和温度条件，可以增强微生物的活性，促进有机质的分解，从而影响碳循环过程。然而，过量的灌溉可能导致土壤环境的变化，如温度升高、通气性下降和pH值变化，这些因素可能削弱水分对微生物活动的影响。因此，在干旱地区农业实践中，应合理控制灌溉量，以达到提升作物产量和减少碳排放的双重目标。这一研究不仅为理解垄沟覆盖膜种植模式下的农田碳排放机制提供了科学依据，也为探索高产低排放的作物生产技术和农田碳管理策略奠定了理论和技术基础。