木棉-水稻农林复合系统中丛枝菌根真菌群落的时空变化及其对水稻的侵染潜力研究

本研究针对农业生态系统管理对土壤物理性质及有机质稳定性的影响，通过55年长期田间试验，系统比较了不同种植模式（包括单作、轮作及休耕）下土壤水分保持、团聚体稳定性及有机质组分的变化。结果表明，集约化轮作显著提升土壤团聚体稳定性、水分保持能力和总有机碳含量，而长期单作则增加土壤斥水性。研究强调了豆科作物引入与有机肥施用对维持土壤健康及应对气候胁迫的重要性，为可持续农业管理提供了理论依据。

　　

随着全球粮食需求的不断增长，农业土地利用的集约化已成为主导趋势，然而这一趋势也引发了土壤退化、水资源过度消耗与污染、生物多样性丧失以及温室气体排放等一系列严峻的环境问题。在追求高产的同时，如何维持土壤健康、增强生态稳定性并提升土壤有机碳库，以应对气候变化的挑战，已成为农业可持续发展领域亟待解决的核心问题。土壤有机质（SOM）作为土壤结构形成、养分供应和微生物活性的关键组成部分，其动态变化深受耕作方式、作物轮作及施肥管理等农业实践的影响。因此，深入探究不同农业管理措施对土壤物理性质及有机质稳定性的长期效应，对于制定可持续的农业策略具有重要意义。

近期，一项发表在《Agriculture, Ecosystems and Environment》上的研究，通过一项长达55年的长期田间试验，系统评估了不同农业生态系统管理方式对土壤物理特性及有机质组成的影响。该研究在立陶宛考纳斯地区的试验站开展，对比了黑麦和玉米单作（施肥与不施肥）、集约化六年轮作以及休耕等不同处理对土壤水分保持、斥水性（SWR）、团聚体稳定性以及有机质特性（包括总有机碳含量、腐殖质组分组成及胡敏素结构）的影响。研究采用了元素分析、紫外-可见光谱（UV-Vis）、荧光光谱及固态¹³C核磁共振（¹³C-CPMAS NMR）等先进技术手段，对土壤样品进行了多角度解析。

研究的关键技术方法主要包括：基于随机完全区组设计（RCBD）的长期田间试验，土壤水分特征曲线测定（采用沙盘和压力室法），水稳性团聚体平均重量直径（MWD）分析，水滴穿透时间（WDPT）法评估土壤斥水性，以及胡敏素组分的提取与表征（涉及元素分析、UV-Vis、荧光光谱和NMR技术）。土壤样本来源于立陶宛Vytautas Magnus大学试验站的长期定位试验地，采样深度为0-20厘米，样本经过混合平均后用于各项分析。

3.1. 水分保持

研究结果显示，与休耕（FAL）相比，施肥黑麦单作（RYE-NPK）和集约化轮作（CRO）处理显著提高了土壤的饱和持水量（pF=0.0）和田间持水量（pF=2.0）。其中，CRO处理的表现尤为突出，这主要归因于豆科作物的引入和有机肥的施用。此外，RYE-NPK和玉米单作（MAI）处理的植物可利用水分（AWC）较休耕提高了约20%，表明这些管理措施有助于增强土壤的持水能力，从而支持植物生长和微生物活动。

3.2. 土壤斥水性

在低土壤湿度条件下（永久萎蔫点，pF=4.2），长期单作处理（如RYE、RYE-NPK、MAI和MAI-NPK）表现出明显的土壤斥水性，其中RYE处理的斥水性最为显著（WDPT中位数达300秒，属强斥水等级）。而休耕和轮作处理则未显示斥水性。这一现象与有机质类型及其在土壤中的分布方式密切相关，单作系统中疏水性有机物质的积累可能是导致斥水性增加的主要原因。

3.3. 团聚体稳定性

集约化轮作（CRO）处理的水稳性团聚体平均重量直径（MWD）显著高于其他处理，且大粒径团聚体比例较高，而休耕处理的团聚体稳定性最低。这表明作物轮作结合有机肥施用有助于促进土壤团聚体的形成与稳定，从而改善土壤结构，减少侵蚀风险。

3.4. 总有机碳及腐殖质组分

轮作处理（CRO）的总有机碳（TOC）含量最高（17.48 g kg^-1），且胡敏酸（HA）比例显著增加，表明轮作有利于稳定腐殖质的形成。单作处理（如RYE和RYE-NPK）的胡敏素比例较高，暗示这些系统中有机质的转化程度较高，但碳 sequestration潜力可能低于轮作系统。

3.5. 胡敏素元素组成

胡敏素的元素分析显示，休耕和黑麦单作处理的H/C和O/C比值较低，表明其胡敏素结构具有较高的芳香性和缩合度，因而更难以被微生物分解。相反，轮作和施肥处理的胡敏素则显示出较高的脂族性，反映其有机质来源相对年轻，转化程度较低。

3.6. 胡敏光谱特性

UV-Vis和荧光光谱分析进一步证实了上述发现。休耕和黑麦单作处理的胡敏素在紫外区域吸收较强，表明其含有较多芳香结构；而轮作处理的胡敏素则显示出较高的荧光强度，暗示其含有较多蛋白类物质和未完全转化的有机组分。

3.7. NMR结构特征

固态¹³C NMR光谱显示，胡敏素中烷基碳和芳香碳占主导地位（49-56%），其中休耕处理的疏水性指数（HB）和烷基比（A/OA）较高，表明其有机质以稳定、难分解的组分为主。轮作处理的胡敏素则含有较多亲水性的O-烷基碳和C-N化合物，反映其有机质来源较为新鲜，易被微生物利用。

3.8. 多变量分析

主成分分析（PCA）表明，休耕、轮作和施肥黑麦单作处理在土壤性质和胡敏素特性上具有明显区分。休耕处理与较高的土壤容重和微团聚体比例相关，而轮作处理则与较高的TOC、MWD和持水能力密切相关。胡敏素特性的多变量分析进一步验证了轮作和施肥处理在促进有机质转化方面的积极作用。

综合以上结果，本研究得出结论：集约化作物轮作（结合豆科作物和有机肥施用）是最有利于土壤健康的农业管理方式，能够显著提升土壤团聚体稳定性、水分保持能力和有机碳储量，同时减少土壤斥水性。长期单作则可能导致土壤物理性质恶化，并增加有机质的疏水性。胡敏素的结构特性进一步表明，轮作系统中有机质以脂族性组分为主，转化程度较低，而单作和休耕系统中则积累了更多芳香性强、稳定性高的有机质。这些发现强调了豆科作物、有机肥和作物多样性在维持土壤健康及增强生态系统应对气候胁迫能力方面的重要性，为可持续农业实践提供了科学依据。