作物轮作差异化提升全球农田土壤细菌与真菌多样性：一项Meta分析

《Nature Communications》：Crop rotation differentially increases soil bacterial and fungal diversities in global croplands: a meta-analysis

本研究针对作物轮作对土壤微生物多样性影响机制不清的问题，通过全球Meta分析揭示：轮作显著增加细菌α多样性而非真菌α多样性，但提升真菌β多样性；豆科-非豆科作物转换、轮作周期等因子差异化调控微生物群落，且微生物多样性增加与作物产量提升正相关。该研究为通过优化轮作模式调控土壤微生物组提供了理论依据。

　　

在全球粮食需求持续增长的背景下，如何通过可持续农业实践提升耕地生产力已成为重大挑战。传统单一种植模式依赖大量化肥农药，导致土壤退化、养分流失等环境问题。作物轮作作为延续千年的农业智慧，能通过改善土壤结构、增强养分循环来提升地力，但其对土壤微生物群落——这一驱动生态系统功能的关键引擎——的影响机制尚不清晰。尤其令人困惑的是：轮作对细菌和真菌这两大类土壤微生物究竟会产生怎样不同的影响？不同轮作模式、环境条件又会如何调控这些影响？这些问题亟待系统解答。

近日发表于《Nature Communications》的研究通过整合全球2406组配对观测数据，首次基于高通量测序技术揭示了作物轮作对土壤微生物群落的差异化调控规律。该研究创新性地发现：轮作对细菌和真菌多样性产生"不对称影响"——它能显著提升细菌的香农多样性(Shannon diversity)和物种丰富度(species richness)，却对真菌的α多样性无显著影响；相反，轮作显著增加了真菌的β多样性而细菌β多样性不变。这种分化现象与微生物的生物学特性密切相关：细菌生长快、扩散能力强，能快速响应轮作带来的资源变化；而真菌菌丝网络稳定，对短期轮作扰动不敏感。

研究团队从Web of Science、Google Scholar和中国知网(CNKI)三大数据库系统检索2010-2025年间发表的文献，最终纳入148项符合标准的研究。通过多元Meta分析模型计算响应比(response ratio, RR)，并采用随机森林模型和结构方程模型解析环境因子的调控作用。

轮作对土壤微生物群落的整体效应

数据显示，轮作使细菌香农多样性和物种丰富度分别显著提升1.3%和3.9%，而真菌α多样性指标无显著变化。值得注意的是，真菌β多样性显著增加16.5%，表明轮作主要促进真菌群落的空间异质性。同时，细菌和真菌的群落结构均发生显著改变(RR分别为0.974和1.014)。

作物管理措施对轮作效应的调控

豆科向非豆科作物的转换对细菌α多样性和真菌β多样性的提升效应最强。从丛枝菌根(AM)作物向非AM作物的转换使真菌香农多样性降低8.0%，而反向转换则使其增加3.0%。三年生轮作系统对细菌α多样性的促进效应优于两年生系统。轮作周期≤1时细菌群落结构变化最显著(RR=1.285)，而5-10年轮作时长对细菌α多样性和真菌β多样性的提升效果最佳。

气候与土壤因子调控微生物响应

随机森林模型显示，年均温(MAT)、年降水量(MAP)和经纬度是微生物指标的关键预测因子。土壤有机碳(SOC)显著影响细菌物种丰富度(%IncMSE=15.5%)和真菌β多样性(%IncMSE=14.9%)。在年降水量>1200 mm区域，轮作对真菌物种丰富度的提升效应增强，而在干旱区(MAP≤600 mm)细菌物种丰富度响应更明显。

微生物多样性与作物产量的关联

相关性分析揭示，细菌香农多样性(R=0.30)、细菌物种丰富度(R=0.34)和真菌物种丰富度(R=0.39)的响应比与作物产量响应比均呈显著正相关，表明微生物多样性增加可能直接促进作物增产。

本研究通过全球尺度的证据阐明，作物轮作通过改变根际沉积物和养分有效性，差异化重塑细菌和真菌群落。这种微生物响应受到作物类型转换、轮作时长及环境因子的三重调控。研究创新性地建立了微生物多样性变化与作物产量提升的关联，为设计针对不同气候土壤条件的精准轮作方案提供了理论支撑。未来研究需加强非洲、南亚等薄弱区域的观测，并深入解析微生物功能变化对土壤健康的贡献机制。