多样化轮作模式下荞麦根际富集菌群与稀有类群对土壤化学及产量的差异化调控机制

为探究不同轮作模式对荞麦根际微生物群落及农业功能的调控机制，研究人员通过三年田间试验比较小麦-荞麦轮作（R1）、荞麦连作（R2）和大豆-荞麦轮作（R3）对土壤化学性质、酶活性及微生物网络的影响。研究发现，R3显著提升富集菌群多样性及互作网络稳定性，直接促进荞麦增产；稀有类群则通过调节土壤酶活性间接改善土壤化学性质。该研究为优化轮作模式以协同提升土壤健康与作物产量提供了理论依据。

　　

论文解读

研究背景与科学问题

全球人口增长与饮食结构变化正推动农业系统集约化，但单一化种植导致土壤退化、病害加剧和产量下降。作为应对策略，轮作因其改善土壤健康与生态系统多功能性备受关注。荞麦（Fagopyrum spp.）因其短周期（60-70天）、耐瘠薄和营养特性成为可持续轮作的理想作物。然而，不同轮作模式如何通过调控根际微生物群落（尤其是富集菌群与稀有类群）影响土壤功能与产量，仍是未解之谜。

研究设计与方法

西南大学研究团队在重庆（亚热带季风气候区）开展三年田间试验，设置小麦-荞麦轮作（R1）、荞麦连作（R2）和大豆-荞麦轮作（R3）三种模式，结合普通荞麦（F. esculentum）与苦荞（F. tatarium）两种品种。通过高通量测序分析根际细菌群落，测定土壤化学性质（如pH、有机碳）及酶活性（如脲酶、磷酸酶），并构建共现网络评估微生物互作复杂性。

研究结果

1. 轮作系统显著提升荞麦产量
R3系统在2020年产量达1180.4 kg ha^?1
，较R2增产14.57%。产量提升与轮作模式对微生物群落的调控密切相关。

2. 轮作模式主导微生物群落重构
相比荞麦品种差异，轮作系统对富集菌群与稀有类群的多样性、组成及网络结构影响更显著。R3系统富集菌群的α多样性（Shannon指数）提高21.3%，网络凝聚力增强38%，且关键菌群（如变形菌门Proteobacteria）丰度显著增加。

3. 富集菌群与稀有类群的功能分化
富集菌群通过增强网络稳定性（如节点连接数提升45%）直接促进养分循环，驱动产量提升；稀有类群则通过调控土壤酶活性（如β-葡萄糖苷酶活性增加27%）间接改善土壤化学性质（如有机碳提升15%）。

结论与意义

该研究首次揭示多样化轮作（R3）通过差异化调控根际富集菌群与稀有类群，协同实现产量提升与土壤改良。富集菌群作为"产量引擎"直接增强生态功能，稀有类群则扮演"化学调节者"角色。这一发现为设计基于微生物功能分化的精准轮作策略提供了科学依据，推动农业可持续发展。论文发表于《Agriculture, Ecosystems & Environment》，对优化山地农业系统具有重要实践价值。