灌溉玉米单作系统引入冬季覆盖作物与土壤管理对土壤微生物群落结构的影响及机制研究

本刊推荐：为解决集约化农业导致的土壤微生物衰竭问题，研究人员开展冬季豆科覆盖作物（Vicia villosa、Vicia sativa、Pisum sativum）与不同土壤管理（常规耕作vs减耕）对玉米单作系统微生物群落影响的研究。通过高通量测序（NGS）和生物地球化学分析，发现土壤管理方式是驱动真菌和细菌群落结构的主要因素，而豆科物种的影响较小。该研究为再生农业实践提供了微生物学依据，对提升土壤健康和可持续农业具有重要意义。

　　

在集约化农业系统中，长期连续种植单一作物（如玉米）可能导致土壤微生物群落结构简化和功能退化，这一问题在灌溉条件下尤为突出。土壤微生物是维持土壤健康、养分循环和作物生产力的关键驱动因子，但其对农业管理措施的响应机制尚不明确。覆盖作物（Cover Crops）作为再生农业的核心实践之一，被广泛认为能够通过增加土壤有机质、抑制杂草和减少侵蚀来改善土壤质量。然而，关于冬季豆科覆盖作物与不同土壤管理方式（如常规耕作与减耕）如何协同影响微生物群落结构的研究仍较为缺乏，尤其是在半干旱地中海气候区的灌溉玉米系统中。

为探究这一问题，来自西班牙农业科学研究所（ICA-CSIC）的研究团队在为期四年的田间试验中，设计了包含两种土壤管理方式（常规耕作与减耕）和四种冬季处理（无覆盖作物对照、豌豆、普通野豌豆和毛野豌豆）的八种处理组合，通过高通量测序（Next Generation Sequencing, NGS）、微生物生物量测定和土壤理化分析，系统评估了土壤微生物群落的结构与功能响应。该研究发表于《Applied Physiology Nutrition and Metabolism》，为理解农业管理措施对土壤微生物组的塑造作用提供了新的见解。

研究人员主要运用了以下关键技术方法：

1. 1.

   田间试验设计：采用裂区设计，在西班牙萨拉戈萨的灌溉玉米田中进行为期4年的处理比较；

2. 2.

   土壤样品采集与生化分析：测定土壤有机碳（SOC）、总氮（TN）和微生物生物量（氯仿熏蒸提取法）；

3. 3.

   DNA提取与扩增子测序：使用Illumina MiSeq平台对细菌16S rRNA基因V3–V4区和真菌ITS2区进行测序；

4. 4.

   生物信息学分析：通过DADA2流程处理序列数据，使用UNITE和Silva数据库进行物种注释，并采用Phyloseq、DESeq2等工具进行多样性和差异丰度分析；

5. 5.

   功能预测：利用FUNGuild和Picrust2工具分别预测真菌功能群和细菌代谢通路。

3.1. 土壤分析

结果显示，不同处理间土壤有机碳含量和微生物生物量均无显著差异，但总氮含量在减耕处理中略高（p = 0.051）。覆盖作物物种对总氮有显著影响（p = 0.014），其中毛野豌豆处理在减耕条件下氮含量最高。值得注意的是，无覆盖作物对照区由于杂草生物量较高，其地上部生物量与覆盖作物处理无显著差异，这可能部分掩盖了覆盖作物对土壤碳氮库的潜在影响。

3.2. DNA测序

细菌群落共获得8330个OTU（操作分类单元），真菌群落获得2386个OTU。细菌多样性显著高于真菌，且物种级分类分辨率较低，反映了当前细菌数据库的局限性。

3.3. Alpha多样性分析

细菌的Chao1和ACE指数值在750–1500之间，真菌为350–500；细菌Shannon指数（H′）为6–7，真菌为3.8–4.5。尽管豆科物种和土壤管理对α多样性无显著影响，但豌豆和毛野豌豆处理呈现多样性略高的趋势。

3.4. Beta多样性分析

NMDS分析表明，土壤管理方式是驱动微生物群落结构的最主要因素。真菌和细菌群落在常规耕作与减耕处理间显著分离。减耕处理中，豆科覆盖作物进一步提高了细菌群落的均匀性。常规耕作土壤中富集了多种土壤病原真菌（如Fusarium、Neonectria），而减耕处理中有益菌（如Trichoderma、Metarhizium）和腐生菌比例更高。

3.5. 真菌分类学组成

常规耕作土壤中Nectriaceae和Plectosphaerellaceae（含多种病原菌）的相对丰度较高，而减耕处理中Clavicipitaceae（如生防菌Metarhizium）和Aspergillaceae更丰富。豆科作物减少了病原菌（如Gibellulopsis）的丰度，尤其在减耕系统中效果更显著。

3.6. 真菌营养模式与功能群

减耕处理中兼性腐生和兼性共生真菌的比例更高，而常规耕作中以广义腐生菌为主。减耕还提高了从枝菌根真菌（AMF）和潜在生防菌的功能群比例，表明其更有利于构建互惠型微生物网络。

3.7. 细菌分类学组成

在门水平上，放线菌门（Actinobacteriota）、厚壁菌门（Firmicutes）和芽单胞菌门（Gemmatimonadota）在常规耕作中更丰富，而拟杆菌门（Bacteroidota）和疣微菌门（Verrucomicrobiota）在减耕中富集。豆科覆盖作物显著提高了浮霉菌门（Planctomycetota）的丰度，该菌门参与氮循环和有机质降解。

4. 结论

本研究揭示，在灌溉玉米单作系统中，土壤管理方式（常规耕作vs减耕）是调控土壤微生物群落结构的关键因素，其影响远超覆盖作物物种的选择。减耕处理促进了有益微生物（如AMF和生防菌）的生长，降低了病原菌负荷，而豆科覆盖作物主要通过调节氮循环菌群（如Planctomycetota）增强生态功能。尽管覆盖作物对土壤碳库和微生物生物量的短期影响不显著，但其在优化微生物群落结构方面的潜力仍不可忽视。该研究为半干旱区农业可持续管理提供了重要的微生物学依据，强调应将土壤微生物响应纳入农业实践的评价体系。