作物轮作系统中大豆种植提升土壤总氮含量的微生物功能组学研究

为解决化学肥料导致的氮污染及土壤氮素不足问题，研究人员通过12年田间试验比较小麦-玉米(WM)、小麦-棉花(WC)和小麦-大豆(WS)轮作系统，发现WS处理使土壤总氮(TN)含量显著提升9.1%-19.4%，并揭示其通过富集nifH(固氮)、nxrB(亚硝酸盐氧化)功能基因及构建高多样性微生物群落的三重机制，为生态农业提供理论依据。

　　

随着化学肥料过度使用导致的氮污染问题日益严峻，如何通过生态方式提升土壤氮素含量成为农业可持续发展的重要课题。豆科作物虽具有天然固氮能力，但其种植面积下降导致生物固氮减少，且微生物在其中的具体作用机制尚不明确。河南农业大学国家农业生态系统野外科学观测研究站商丘站的研究团队，通过长达12年的田间定位试验，在《Applied Soil Ecology》发表研究，揭示了小麦-大豆轮作系统通过微生物调控提升土壤总氮含量的创新机制。

研究采用土壤宏基因组学技术，对小麦-玉米(WM)、小麦-棉花(WC)和小麦-大豆(WS)三种轮作系统的土壤样本进行对比分析。通过α/β多样性指数评估微生物群落结构，利用共现网络分析识别关键功能模块，并结合qPCR定量氮循环功能基因表达量，系统解析了微生物驱动氮素积累的生物学过程。

TN差异与微生物群落特征
WS处理使土壤总氮(TN)含量较WC和WM分别提高9.1%和19.4%。微生物α多样性(Shannon指数)和β多样性均与TN含量呈显著正相关，其中奇古菌门(Thaumarchaeota)主导的共现网络模块与TN呈正相关，而酸杆菌门(Acidobacteria)模块呈负相关。

功能基因表达规律
WS土壤中固氮基因nifH和亚硝酸盐氧化基因nxrB表达量显著增加，分别由慢生根瘤菌属(Bradyrhizobium)和放线菌门(Actinobacteria)驱动；而WM土壤中羟胺氧化基因hao的富集与芽单胞菌门(Gemmatimonadetes)增殖相关。

三重作用机制
研究首次提出WS系统通过(1)构建高多样性微生物群落、(2)优化功能微生物结构(如富集Modestobacter和Pediococcus等关键属)、(3)促进nifH/nxrB基因表达的三维协同机制提升土壤氮库。

该研究为减少化学氮肥依赖提供了理论支撑，证实通过合理的作物配置(如豆科轮作)可激活土壤微生物固氮潜能。研究创新性地将微生物群落结构-功能基因-氮循环过程相耦合，为发展"微生物智能调控"的绿色农业模式奠定科学基础。未来研究可进一步解析不同气候条件下该机制的普适性，推动微生物肥料研发与精准农业应用。