覆盖栽培通过调控根际微生物群落提升西北干旱区梨产量与品质的机制研究

本研究系统揭示了塑料地膜（FM）与秸秆（SM）覆盖在西北干旱区梨园的应用价值，通过调节土壤水分（MC）、有机质（SOM）及养分（如NH4+-N、K）等理化性质，重塑根际微生物群落结构（如富集Gram-negative细菌和Proteobacteria），进而显著提高梨产量（FM增15.1%）和糖酸比，为干旱区果园可持续管理提供微生物学依据。

　　

引言

面对全球气候变化和人口增长，西北干旱区（年降水量＜200–400 mm）农业面临严峻水资源挑战。覆盖栽培作为关键节水技术，通过调节土壤水热条件和微生物活动，提升作物水分利用效率。塑料地膜（FM）和秸秆（SM）覆盖广泛应用，但其对梨园根际微生物群落的影响及与果实产量、品质的关联机制尚不明确。本研究通过田间实验，解析覆盖栽培如何通过土壤-微生物互作调控梨树生长。

材料与方法

试验在甘肃景泰县（36°43’ N, 103°33’ E）钙质土壤梨园进行，设无覆盖（CK）、塑料地膜（FM）和秸秆覆盖（SM）三处理。测定土壤理化性质（pH 8.6，SOM 5.53 g/kg）、微生物群落（16S rRNA和ITS测序）及果实指标（产量、糖酸组分等）。采用网络分析、随机森林和结构方程模型（SEM）解析微生物模块与农艺性状的关联。

结果

梨产量与品质

FM和SM均显著提高梨产量（FM +15.1%，SM +9.67%）和糖酸比。FM显著降低总有机酸（-8.79%），尤其是柠檬酸（-16.2%）；SM降低总糖（-6.07%）但大幅减少柠檬酸（-53.0%），提升苹果酸含量（+23%）。果实硬度和可溶性固形物同步改善。

土壤理化性质

FM提升土壤水分（MC +25.8%）、温度（+12.1%）和SOM（+15.5%），增加NH₄⁺-N（+35.5%）和K（+15.0%），但降低NO₃^–-N（-46.2%）和Ca（-22.7%）。SM提高Fe（+40.1%）、Mn（+10.2%）和Cu（+9.5%）。随机森林显示土壤性质对产量和品质的解释度分别为27%和32%。

微生物群落与表型

α多样性无显著差异，但PCoA揭示覆盖处理显著改变细菌（R²=0.20, p=0.011）和真菌（R²=0.12, p=0.037）群落结构。细菌以Proteobacteria（61.7–64.9%）和Acidobacteria为主；真菌以Ascomycota和Mortierellomycota为主。FM富集Gram-negative细菌（如Proteobacteria），其丰度与土壤MC正相关（p<0.01）。RDA分析表明MC、温度和SOM是驱动微生物群落变化的关键因子。

微生物网络结构

共现网络识别112个节点，含60个指示物种。FM特有模块M5和M7（以Proteobacteria和Acidobacteria为主）与梨产量（R²=0.78, p<0.001）和品质（R²=0.56, p<0.001）呈显著正相关。随机森林表明微生物模块对产量和品质的贡献度达30%和15%。

覆盖栽培的整体效应

SEM模型证实：土壤MC通过提升SOM（r=0.58）和Gram-negative细菌（r=0.87）驱动微生物模块（r=0.83）形成，进而直接促进产量（r=0.79）和糖酸比（r=1.45）。Gram-negative细菌对糖酸比有负向调节（r=-0.88），但整体机制显示覆盖通过多路径协同改善果实表现。

讨论

覆盖栽培通过双重途径提升梨园生产：一方面直接改善土壤水肥条件（如FM保水增温、SM提升微量元素），另一方面重塑微生物群落（如FM富集益生菌Proteobacteria，SM促进Mortierellomycota分解秸秆）。FM的显著优势源于其高效调节水热和招募功能微生物（如Gram-negative菌），但需关注残膜污染问题；SM虽降温减糖，但通过降酸改善风味。微生物模块M5作为关键功能单元，证实了“土壤-微生物-作物”互作的核心地位。

结论

在西北干旱区滴灌梨园中，塑料地膜覆盖通过优化土壤理化性质（MC、SOM、养分）和根际微生物群落（如Gram-negative细菌和模块M5），显著提升梨产量和品质，为干旱区果园可持续管理提供了微生物学证据和技术路径。