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在农业生产中，多样化作物轮作可提升产量，但对土壤微生物的影响不明。研究人员在华北平原开展 4 年实验，对比小麦 - 玉米（WM）、小麦 - 大豆（WS）、小麦 - 玉米 / 大豆（WMS）轮作系统。发现 WMS 提升微生物丰度和多样性等，为作物生长营造良好土壤环境。
在广袤的地球陆地上，农业用地占据了约 38% 的面积，其中农田又占了农业用地的三分之一。对于农业生产来说，耕地的质量至关重要，它是农业发展的根基。然而，大规模的集约化农业生产却给土壤带来了诸多问题。全球有 56.7 亿公顷的土壤出现了生物物理状况退化，其中 41%（相当于 2.32 亿公顷）的土壤退化是由人类活动导致的，像土壤侵蚀、养分枯竭、生物多样性丧失等问题层出不穷。
在这样的背景下，多样化作物轮作作为一种可持续的农业实践方式，逐渐进入人们的视野。它不仅能增加土壤养分含量、提高作物产量，还能增强土壤团聚体稳定性、减少化学农药和化肥的使用，甚至能提升植物的抗病能力。在中国，华北平原作为重要的粮食产区，贡献了全国 50% 的小麦（Triticum aestivum L.）产量和 33% 的玉米（Zea mays L.）产量，这里广泛采用小麦 - 玉米轮作系统。但多年的高强度使用，使得该系统下的土壤肥力不尽人意。虽然近年来多样化作物轮作系统在华北平原的研究逐渐增多，也证实了其在提升作物生产力、改善土壤性质等方面的优势，可对于土壤微生物群落的多样性、组成和功能，以及土壤微生物与土壤环境因素之间复杂的相互作用，相关研究却少之又少。
为了深入探究这些问题，来自河南省驻马店市遂平县农业科学研究所的研究人员开展了一项为期 4 年的田间实验。他们设置了 3 种作物轮作系统，分别是小麦 - 玉米（WM）、小麦 - 大豆（WS）、小麦 - 玉米 / 大豆（“/” 表示间作，WMS），以此来分析土壤微生物群落的结构、功能和网络复杂性。研究结果显示，与 WM 相比，WMS 中微生物的丰度和多样性显著增加，这可以从 chao 和 shannon 指数的上升、simpson 指数的下降得到证明，而 WS 则没有这种变化。不同处理下微生物群落结构也有所不同，WMS 中差异富营养细菌总数显著增加，WS 中与 Fe (II) 氧化和甲烷排放相关的差异致病真菌和古菌总数显著增加。WMS 中编码糖苷水解酶、糖基转移酶、碳水化合物酯酶和辅助活性的微生物基因，以及参与代谢、细胞过程和遗传信息处理的基因丰度，明显高于 WM 或 WS。而且，WMS 的微生物共现网络比 WM 或 WS 有更多的节点和边、更多的正边，平均度和聚类系数也更高。这些网络中的枢纽节点，在 WM 和 WS 中属于 p_Proteobacteria，在 WMS 中则属于 p_Actinobacteria。有机碳、碱性水解氮和有效磷是调节土壤微生物群落组成的主要因素。这一系列研究成果发表在了《Applied Soil Ecology》上，为深入理解不同作物轮作系统下土壤微生物群落及其生态功能提供了理论依据，对于优化华北平原农田土壤生态环境、提高农业可持续发展能力有着重要意义。
研究人员在开展研究时，运用了多种关键技术方法。首先，他们在选定的实验场地进行长期的田间实验，对不同轮作系统下的土壤进行持续监测。然后，通过对土壤样本进行化学分析，测定土壤中的有机碳（OC）、碱性水解氮（AHN）、无机氮（IN）、有效磷（AP）等化学性质。此外，利用微生物多样性分析技术，获取土壤微生物群落的 α - 多样性数据，以此来评估微生物群落的丰度和多样性。
轮作系统对土壤化学性质的影响
研究发现，WMS 对土壤化学性质的影响更为显著。与 WM 相比，WMS 中 OC、AHN、IN 和 AP 的含量分别显著增加了 11.6%、22.3%、15.7% 和 26.4%。与 WS 相比，WMS 的养分水平也显著提高。虽然不同处理间全氮（TN）含量差异不显著，速效钾（AK）也是如此，但它们的含量高低层次还是可以区分出来的。
轮作系统对土壤微生物群落多样性的影响
微生物群落多样性是评估土壤环境质量的重要指标，适宜的土壤环境条件更有利于提高土壤微生物群落的丰度和多样性。研究结果表明，WMS 中土壤微生物群落的丰度和多样性大幅增加，而 WS 没有这种变化。这说明 WMS 这种轮作系统能够为土壤微生物创造更有利的生存环境，促进微生物的生长和繁殖。
轮作系统对土壤微生物群落结构和功能的影响
不同轮作系统下，土壤微生物群落结构存在明显差异。WMS 中差异富营养细菌总数显著增加，WS 中与 Fe (II) 氧化和甲烷排放相关的差异致病真菌和古菌总数显著增加。在功能方面，WMS 中编码多种酶的微生物基因以及参与多种重要生命过程的基因丰度更高，这意味着 WMS 中的微生物具有更强的降解、代谢和合成能力。
轮作系统对土壤微生物共现网络的影响
WMS 的微生物共现网络比 WM 或 WS 更为复杂，具有更多的节点和边、更多的正边，平均度和聚类系数也更高。而且，不同轮作系统下微生物共现网络的枢纽节点所属类别不同，这表明不同轮作系统塑造了不同的微生物群落组织和相互作用模式。
研究结论表明，在华北平原的三种作物轮作系统中，小麦 - 玉米 / 大豆轮作系统相较于小麦 - 玉米轮作系统，显著提高了土壤微生物群落的多样性，但小麦 - 大豆轮作系统则没有这种效果。尽管三种轮作系统中主要的微生物域和门基本一致，但小麦 - 玉米 / 大豆和小麦 - 大豆轮作系统下土壤微生物群落组成发生了显著变化。有机碳、碱性水解氮和有效磷是调节土壤微生物群落组成的关键因素。
这项研究的意义重大，它揭示了不同作物轮作系统对土壤微生物群落的影响机制，为优化农田土壤生态环境提供了理论指导。通过合理选择轮作系统，可以改善土壤微生物群落结构和功能，增强土壤的生态服务功能，促进农业的可持续发展。未来的研究可以在此基础上，进一步探索不同轮作系统与土壤微生物群落之间的动态关系，以及如何更好地利用这些关系来提高农田生产力和生态系统稳定性。
