13C标记揭示连作障碍下广藿香根际土壤微生物与碳循环的互作机制

为解决连作障碍(CC)导致的土壤退化、微生物失衡和作物减产问题，研究人员采用13C稳定同位素标记技术，系统研究了广藿香(Pogostemon cablin)连作体系中碳(C)周转与微生物群落的动态关联。研究发现连作显著改变土壤多功能指数，促进特定功能微生物(如Escherichia_coli、Aneurinibacillus)的富集，并通过增强氮(N)循环功能加剧土壤富营养化。该研究为缓解连作障碍提供了微生物组调控新思路。

　　

研究背景与意义

在传统中药材种植中，连作障碍(Continuous cropping, CC)如同挥之不去的"魔咒"——广藿香(Pogostemon cablin)连续种植会导致土壤理化性质恶化、微生物区系失衡，甚至引发高达83%的产量损失。这种源自唇形科的芳香植物，不仅是30多种中成药的重要原料，其精油更在香料和医药领域具有特殊价值。然而，随着种植年限延长，土壤中养分流失、病原菌积累、化感物质增加等问题交织作用，形成复杂的"土壤病"现象。尽管前人已注意到连作对土壤微生物的影响，但关于碳(C)周转如何驱动微生物群落重构的关键机制仍如"黑箱"。

研究方法与技术路线

海南大学研究团队在温室盆栽实验中，采用13C稳定同位素脉冲标记技术，追踪广藿香在4种连作年限土壤(0年CK、1年T₁、2年T₂、3年T₃)中的碳分配动态。通过测定土壤理化性质、酶活性及植物生长指标，结合16S rRNA高通量测序和FAPROTAX功能预测，系统解析了微生物群落结构与功能演变。DNA稳定同位素探针(DNA-SIP)技术用于区分13C标记与未标记微生物，共获得6822个ASVs(扩增子序列变体)。

关键研究发现

1. 1.

   土壤多功能性与植物生长

   连作显著降低土壤pH(从8.21降至7.85)和持水能力(WHC)，但提升有机碳(SOC)含量至44.37 g·kg^-1。β-葡萄糖苷酶(β-GC)活性在T₂组达704.13 nmol·h^-1·g^-1，显示碳循环活跃。植物株高、叶面积等指标随连作年限递减，揭示生长抑制效应。

2. 2.

   微生物群落重构

   LEfSe分析鉴定99个差异微生物类群，如T₃组富集的Acinetobacter(相对丰度增加2.1倍)。中性群落模型(NCM)显示连作使随机性过程占比提升(R2=0.82)，表明生态漂变主导群落组装。

3. 3.

   功能网络动态

   共现网络分析发现T₃组网络密度较CK提高12%，但13C标记后节点数减少15%，反映碳输入重塑微生物互作。FAPROTAX预测显示硝酸盐呼吸(nitrate_respiration)功能提升3.8倍，而光自养(photoautotrophy)途径受抑制。

4. 4.

   关键功能微生物

   Mantel检验鉴定出Aneurinibacillus与土壤TN(r=0.68,p<0.01)、Actinomadura与AP(r=0.72,p<0.01)显著相关。WGCNA分析揭示MEblue模块(含Planococcaceae)与叶面积呈正相关，可能通过降解芳香化合物促进生长。

结论与展望

该研究首次通过13C标记技术揭示：广藿香连作系统中，碳流向改变驱动微生物功能从自养型向异养型转变，特定菌群(如Escherichia_coli、Gaiella)通过增强氮循环加剧土壤富营养化，而Aneurinibacillus等菌株可能成为缓解连作障碍的"生态工程师"。发表在《Ecotoxicology and Environmental Safety》的这项成果，不仅为理解植物-土壤-微生物互作提供了同位素示踪新范式，更为发展微生物靶向调控的生态种植技术奠定理论基础。未来研究需在田间验证这些发现，并探索真菌群落对连作障碍的贡献。