豆科轮作调控土壤真核生物群落并提升土壤多功能性的机制研究

本研究针对豆科轮作对土壤真核生物群落的影响机制这一科学空白，通过18S rRNA测序和网络分析技术，揭示了玉米-大豆轮作通过增加真菌多样性（Ascomycota↑53.04%）和优化原生生物群落结构（Alveolata↑18.06%），显著提升土壤碳氮循环相关酶活性和多功能性，为可持续农业实践提供了理论依据。

　　

在当今全球粮食安全与生态可持续性双重挑战下，土壤健康成为农业研究的核心议题。尽管豆科轮作（legume-based rotation）已被证实能通过固氮作用提升土壤肥力，但其对土壤真核微生物（包括真菌、原生生物和线虫）的影响机制长期未被阐明。这种认知空白直接制约了农业管理策略的精准优化，特别是在我国东北黑土区（Mollisol）这类高生产力土壤系统中。

为破解这一难题，中国农业科学院等机构的研究团队在《Annals of Microbiology》发表了历时六年的田间实验成果。研究通过对比玉米连作（MC）与玉米-大豆轮作（MR）系统，首次揭示豆科作物如何通过重塑土壤真核生物网络来增强生态功能。研究发现，轮作使土壤真菌丰富度提升53.04%（Ascomycota相对丰度从35.79%增至58.51%），原生生物群落复杂性显著提高，并通过结构方程模型（SEM）证实这些变化直接驱动土壤多功能性提升。该成果为全球可持续农业提供了微生物组层面的理论支撑。

关键技术方法
研究采用18S rRNA高通量测序分析0-20 cm土层真核群落，结合土壤理化性质（TC、TN、pH等）和酶活性（XYL、CBH、LAP、ACP）测定。通过共现网络分析揭示微生物互作模式，利用随机森林（Random Forest）和Mantel检验识别关键环境驱动因子，最终通过SEM解析生物与非生物因素的因果关联。所有数据来自黑龙江讷河市12个重复样地（n=24）。

研究结果

1. 豆科轮作重塑真核生物多样性
   真菌和原生生物对轮作响应显著，MR处理下真菌OTUs增加53.04%，原生生物增加23.80%，而线虫群落无显著变化。NMDS分析显示MR显著改变真菌（PERMANOVA, P<0.001）和原生生物（P=0.001）群落结构。

1. 群落组成特异性变化
   轮作使Ascomycota相对丰度提升22.72%，Dothideomycetes成为主要贡献类群；原生生物中Alveolata增加4.26%，而光养型Chlorophyta减少。火山图显示MR富集的OTUs主要隶属于Rhizaria（20.22%）和Alveolata（19.10%）。

2. 微生物网络复杂性增强
   MR系统真菌网络节点和边数分别是MC的2.8倍和4.3倍，原生生物网络连通性（connectedness）从0.020升至0.095。模块枢纽OTU3471（Blastocladiomycota）和OTU146（Opisthokonta）的出现表明关键物种更替。

3. 环境驱动机制解析
   随机森林显示总碳（TC）解释35.88%真菌多样性变异，土壤水分（SW）主导原生生物β多样性（r=0.451）。SEM证实TC通过提升真菌丰富度间接增强多功能性（路径系数0.68），而pH和SW调控原生生物结构。

结论与意义
该研究首次系统阐明豆科轮作通过"碳增加-真菌增殖"和"水分优化-原生生物重组"双途径提升土壤功能的机制。发现环境选择（environmental filtering）是群落构建的主导力量，而轮作通过缓解选择压力促进微生物共存。实践层面，研究为黑土保护提供了微生物组管理策略——通过调控TC和SW可定向培育有益真核群落，减少化肥依赖。理论层面，建立了"作物轮作-真核网络-生态功能"的完整认知框架，为全球农田可持续利用提供了新范式。