玉米-大豆间作通过调控土壤微生物群落结构提升半干旱农田碳氮循环功能

《Applied Soil Ecology》：Intercropping maize and soybean promotes specialized soil microbial communities and boosts carbon and nitrogen cycling in a semi-arid agroecosystem

本研究针对长期玉米连作导致的土壤退化问题，通过田间试验探究了玉米-大豆（MS）和玉米-花生（MP）条带间作对根际微生物群落结构、功能及土壤生化特性的影响。结果表明，MS系统显著提升β-葡萄糖苷酶（278.5 nmol·g?1·h?1）、木聚糖酶（32.8 nmol·g?1·h?1）和亮氨酸氨基肽酶（650.0 nmol·g?1·h?1）活性，并富集硝化螺旋菌（Nitrospira）、Solibacteraceae等氮转化功能类群。间作系统通过改变土壤有机碳、水分和pH等因子，驱动微生物功能分化和养分循环强化，为半干旱区退化土壤的生态修复提供了理论依据。

　　

在全球粮食需求持续增长的背景下，如何在不破坏农业生态系统的前提下实现高产稳产，已成为现代农业面临的严峻挑战。尽管单一种植模式在历史上为粮食增产做出了贡献，但长期连续耕作却导致土壤质量下降、生物多样性丧失和养分循环效率降低。以中国东北玉米主产区为例，经过数十年单一化种植，土壤有机碳含量下降超过50%，微生物丰度减少20%–24%，关键酶活性显著减弱。这些变化不仅造成土壤功能退化，还增加了对化肥的依赖，引发一系列环境问题。

面对这一困境，增加作物多样性被视为恢复土壤功能、促进农业可持续发展的有效途径。其中，禾本科-豆科间作系统因其具有生物固氮、改善磷有效性、增强土壤碳固存等优势而备受关注。条带间作作为一种空间有序的种植模式，既能满足作物特异性管理需求，又可通过根系互作实现水分共享和养分互补。然而，这种模式如何影响根际微生物群落结构、功能及其与土壤性质的相互作用，尤其在从长期连作转型的系统中，尚缺乏深入研究。

发表于《Applied Soil Ecology》的这项研究，正是针对上述问题展开的系统性探索。研究人员在辽宁阜新的半干旱农业生态站开展随机田间试验，设置了玉米单作（M）、大豆单作（S）、花生单作（P）、玉米-花生间作（MP）和玉米-大豆间作（MS）五种处理。通过16S rRNA和ITS扩增子测序、酶活性测定及土壤理化分析相结合的方法，揭示了间作模式对土壤微生物特性和养分循环的影响机制。

关键技术方法包括：在作物生理成熟期采集0–10 cm根际土壤样本；采用荧光微孔板技术测定β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶、磷酸酶等碳氮磷循环相关酶活性；使用FastPure Soil DNA Isolation Kit提取土壤微生物总DNA，并通过Illumina MiSeq PE300平台对16S rRNA基因V3–V4区和ITS1区进行扩增子测序；利用QIIME2进行序列质控和OTU聚类，通过LEfSe分析识别差异微生物类群，并采用FAPROTAX和FUNGuild进行微生物功能预测。

3.1. 生理性状与产量表现

间作显著影响玉米株高和叶绿素含量，虽然单作产量高于间作，但MS和MP系统的土地当量比（LER）分别为1.78和1.63，表明间作提高了系统整体生产力。

3.2. 土壤养分

M系统土壤有机碳（SOC）和有机质（SOM）含量最高，而MS系统土壤含水量显著提升。pH值在MS和M系统中较高，但总氮和碳氮比在各处理间无显著差异。

3.3. 土壤酶活性

MS系统的β-葡萄糖苷酶、木聚糖酶和亮氨酸氨基肽酶活性均显著高于其他处理，表明其碳氮循环功能增强；S系统的磷酸酶活性最高，反映豆科作物对磷活化的促进作用。

3.4. 样本测序数据与Alpha多样性

S单作系统的细菌丰富度最高，而间作系统（MS、MP）的细菌Alpha多样性显著降低，真菌多样性则无显著变化，说明间作对微生物群落的影响具有分类群特异性。

3.5. 细菌和真菌群落组成与动态

在门水平上，酸杆菌门（Acidobacteriota）在S和P单作中富集，放线菌门（Actinobacteriota）在MS和M系统中占优势。属水平上，单作系统以Vicinamibacteraceae、RB41等少数类群为主，而间作系统群落结构更均衡。真菌群落中，子囊菌门（Ascomycota）在所有系统中占主导，但间作系统其相对丰度下降，担子菌门（Basidiomycota）等类群比例上升。

3.6. 基于LEfSe的微生物标志物分析

MS系统富集了Limnochordaceae、Solibacteraceae等与氮循环和胁迫耐受相关的细菌类群，以及Leptosphaeria、Trichoderma等具有降解和生防功能的真菌类群。MP系统则偏好Parcubacteria、Deinococcales等耐逆和互营类群。

3.7. 微生物群落功能预测

FAPROTAX分析显示，间作系统显著提升了固氮作用（MP: 11.5%）、硝酸盐还原（MS: 5.7%）和几丁质降解（MS: 4.9%）等功能的相对丰度。FUNGuild预测表明，间作系统腐生真菌和丛枝菌根真菌丰度较高，病原真菌比例相对降低。

3.8. 微生物类群与土壤性质的相关性

放线菌门与SOC、SOM呈正相关，硝化螺旋菌门与土壤水分和N-乙酰葡糖胺酶活性正相关。Mortierellomycota与磷酸酶活性正相关，而与pH负相关，显示其在磷活化中的重要作用。

研究结论表明，玉米-豆科条带间作可通过改变根际微环境，驱动微生物功能 specialization，进而强化碳氮磷等关键元素的生物地球化学循环。MS系统在提升酶活性、富集功能类群方面表现尤为突出，展现了其在改良半干旱区退化土壤方面的巨大潜力。该研究为建立基于微生物调控的生态农业模式提供了理论支撑，对推动化肥减施和农业可持续发展具有重要实践意义。未来需通过长期定位观测和多组学技术联用，进一步解析微生物功能 traits 的形成机制及其与作物互作的生态效应。