混合作物覆盖与生物肥料通过调控土壤化学和根际细菌群落促进连作芹菜生长的机制研究

《Industrial Crops and Products》：Mixed Triticum aestivum and Vicia sativa cover crops and biofertilizers improve growth of continuous cropping Apium graveolens by altering soil chemistry and rhizosphere bacterial communities

本研究针对化学肥料效率下降和连作障碍问题，系统探讨了小麦与箭筈豌豆混合作物覆盖结合细菌肥料和蚯蚓粪等生物肥料对芹菜(Apium graveolens)生长的影响。研究发现，覆盖作物与单一生物肥料组合可显著改善土壤理化性质，提高根际细菌α多样性，增强微生物网络复杂性，并富集关键有益菌株(Bacillus spp.和Pseudomonas spp.)，最终协同促进芹菜产量和品质提升。该研究为可持续农业中生态调控技术的应用提供了理论依据和实践指导。

　　

在现代农业生产中，化学肥料的过度使用导致了一系列严峻问题：肥料效率下降、土壤酸化板结、微生物群落失衡，以及硝酸盐和重金属在作物可食部分的积累。这些问题的出现不仅影响作物产量和品质，更对生态环境和人类健康构成威胁。特别是对于芹菜(Apium graveolens)这类具有高营养和药用价值的蔬菜作物，连作障碍尤为突出，严重制约了其可持续发展。

面对这些挑战，可持续农业的发展迫切需要寻找化学肥料的替代方案。覆盖作物和生物肥料作为生态农业的重要组成部分，理论上具有协同增效的潜力，但其具体作用机制尚不明确。为此，东北农业大学园艺园林学院的研究团队在《Industrial Crops and Products》上发表了最新研究成果，系统探讨了小麦(Triticum aestivum)与箭筈豌豆(Vicia sativa)混合作物覆盖结合不同生物肥料对连作芹菜生长的影响及其微生态机制。

为开展此项研究，研究人员主要运用了以下关键技术方法：通过盆栽实验设计8种不同处理组合；采用实时荧光定量PCR(qPCR)技术检测微生物绝对丰度；利用16S rRNA基因高通量测序分析细菌群落结构；基于Spearman相关性构建微生物共现网络并计算拓扑属性；运用冗余分析(RDA)和Mantel检验揭示环境因子与微生物特征的关联；建立结构方程模型(SEM)量化各因素对芹菜生长的贡献路径。

3.1. 覆盖作物和肥料对芹菜生长和品质的影响

研究发现，所有生物肥料处理均能提高芹菜鲜重、干重、株高、可溶性糖和维生素C含量，同时降低硝酸盐含量。其中，蚯蚓粪(VMC)处理在促进生长和有益化合物积累方面表现最佳。更重要的是，覆盖作物与肥料的组合应用提供了额外的增益效果，特别是覆盖作物与细菌肥料组合(CB)在生长参数上表现最优，而覆盖作物与蚯蚓粪组合(CV)在品质指标上更为突出。

3.2. 覆盖作物和肥料对土壤化学性质的影响

生态输入显著改善了土壤化学环境。除BV处理外，所有处理均降低了电导率(EC)值，提高了有效磷(AP)含量。同时，所有处理都增加了土壤有机质(SOM)和硝态氮(NO₃^--N)含量，而降低了铵态氮(NH₄⁺-N)含量。覆盖作物在生物肥料的基础上进一步强化了土壤改良效果，特别是在提高SOM和NO₃^--N含量方面表现出明显的叠加效应。

3.3. 覆盖作物和肥料对根际微生物丰度的影响

微生物定量分析表明，除CC处理外，所有处理均提高了细菌绝对丰度，同时降低了真菌丰度。覆盖作物与肥料的组合应用进一步提高了细菌丰度，但降低了Pseudomonas spp.的丰度。值得注意的是，CB和CV处理表现出较高的细菌和Bacillus spp.丰度，这可能是其促进芹菜生长的重要微生物学基础。

3.4. 覆盖作物和肥料对细菌群落多样性的影响

高通量测序结果显示，CV处理显著提高了细菌群落的Shannon多样性指数和Pielou均匀度。β多样性分析表明，覆盖作物是驱动细菌群落结构差异的主要因素，其影响强度超过了肥料类型。覆盖作物处理与仅施肥处理在细菌群落组成上表现出明显分离，说明覆盖作物对芹菜根际细菌群落产生了强烈的选择压力。

3.5. 多水平重构根际细菌群落

在分类学水平上，覆盖作物显著提高了Patescibacteria的相对丰度，而VMC处理明显增加了放线菌门(Actinobacteriota)的丰度。更重要的是，覆盖作物组合富集了更多有益细菌，如OTU1878(Rhodanobacter spp.)、OTU8537(Noviherbaspirillum spp.)等。覆盖作物与生物肥料的组合还特异性地提高了OTU499(Pseudomonas spp.)的相对丰度。CV处理富集了更多的潜在有益OTUs，包括OTU10413和OTU2097(Pseudomonas spp.)等。

3.6. 覆盖作物和肥料改变细菌网络和关键OTUs

网络分析揭示了覆盖作物和肥料对细菌互作关系的深刻影响。与CF相比，所有处理都增加了网络节点数、边数、正边和负边数量。VMC、BV及含覆盖作物的组合均表现出更高的平均度(AD)、平均聚类系数(ACC)等网络复杂性指标。值得注意的是，覆盖作物部分恢复了生物肥料引起的网络稳健性降低。关键物种分析发现，OTU8551(Bacillus spp.)不仅是覆盖作物组合中富集的有益细菌，也是网络中的关键枢纽。

3.7. 土壤化学、根际细菌与芹菜性能的关系

RDA分析表明，土壤化学性质解释了细菌群落变异的31.2%，其中AP的独立解释率最高(8.02%)。覆盖作物-生物肥料组合与pH呈正相关，与EC呈负相关。Mantel检验进一步证实，网络复杂性与EC、pH、NH₄⁺-N、NO₃^--N和AP密切相关，而网络稳健性受除pH外的所有化学因子影响。结构方程模型最终量化了各因素的贡献路径：土壤化学性质直接驱动细菌绝对丰度、α多样性和Bacillus spp.丰度，这些微生物学变化共同解释了芹菜性能变异的88.2%。

研究结论与讨论部分深入阐述了生态调控的作用机制。覆盖作物和蚯蚓粪通过输入有机质和功能微生物，增强了土壤养分循环效率。细菌肥料中的植物根际促生菌(PGPR)不仅能改善养分有效性，还能合成植物激素，诱导系统抗性，从而促进植物生长。覆盖作物与蚯蚓粪的组合通过提高细菌网络复杂性，增强了生态系统的功能冗余和稳定性，而细菌肥料则更多依赖于特定有益类群的独立功能。

关键类群在根际系统中发挥着重要作用。富集的有益细菌不仅执行个体功能，还作为网络中的关键枢纽节点，通过调节其他有益细菌的互作来协同促进植物生长和健康。例如，OTU8551(Bacillus spp.)在覆盖作物处理中既是显著富集的有益细菌，也是网络核心节点。其他核心节点如Cellvibrio spp.、Nocardia spp.等也都具有促进植物生长和养分循环的功能。

土壤化学性质是驱动细菌群落变化的核心因素。pH是影响细菌群落差异的关键因子，与α多样性、属水平组成和网络复杂性均呈正相关。氮素形态和AP也在调控细菌群落结构中发挥重要作用。研究表明，细菌网络对环境因子的敏感性高于真菌网络，几乎所有测量的化学性质都与细菌网络的复杂性和稳健性相关。

综上所述，这项研究揭示了覆盖作物与单一生物肥料组合在缓解芹菜连作障碍中的协同增效机制。覆盖作物、细菌肥料和蚯蚓粪通过改变土壤化学性质，调控根际细菌群落结构，其中细菌肥料主要依靠特定有益细菌的个体功能，而覆盖作物和蚯蚓粪还通过增强细菌互作来提升生态系统功能。这些发现为可持续农业中微生物群落调控策略的精准应用提供了重要理论依据和实践指导。