作物多样化策略对土壤微生物群落与健康指标的差异化调控：以田纳西州壤土农田为例

本研究通过四年田间试验，系统揭示了轮作（crop rotation）与覆盖作物（cover crop）两种多样化策略对土壤微生物群落结构及健康指标的差异化影响。结果表明，轮作显著降低植物病原真菌（如Plectosphaerella、Didymellaceae）相对丰度，而多物种覆盖作物短期内提升丛枝菌根真菌（AMF）丰度；微生物群落与土壤水分、磷酸酶活性、β-葡萄糖苷酶活性等健康指标紧密关联，但作物多样化对土壤健康指标的直接影响有限。

　　

引言

微生物群落作为土壤功能的核心驱动者，对土壤健康与粮食生产具有关键作用。作物多样化通过增加植物残体输入的多样性与数量，可促进土壤微生物群落功能分化与活性提升。当前农业生态系统中，作物多样化策略（如覆盖作物与轮作）已被证明能改善养分循环、土壤有机碳储存及作物产量。然而，关于其对土壤生物学功能的影响仍研究不足，尤其是多物种组合的潜在效益尚不明确。丛枝菌根真菌（AMF）与植物病原菌是影响作物表现与土壤健康的两类关键微生物：AMF作为专性共生菌，可增强作物养分水分吸收与抗逆性；而病原菌导致全球主要作物平均22.5%的产量损失。本研究通过四年田间试验，探究作物多样化对土壤微生物群落与健康指标的影响，假设：（1）多样化系统具有更高微生物多样性、更高AMF丰度与更低病原菌丰度；（2）微生物群落变化与土壤健康指标密切相关。

材料与方法

试验于2020年9月在美国田纳西州西部启动，采用裂区设计，包含4种轮作处理（连续玉米、连续大豆、玉米-大豆轮作、玉米-棉花-大豆轮作）与5种覆盖作物处理（冬季休耕、单作绛三叶草、单作冬小麦、三叶草-小麦混播、五物种混合）。每年于春、夏、秋三季采集土壤样品，共13个时间点。通过扩增子测序分析细菌（16S rRNA V4区）与真菌（ITS区）群落，并测定土壤水分、微生物生物量碳、酶活性（β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-β-葡萄糖胺酶、磷酸酶）、无机氮及水溶性有机碳等健康指标。采用PERMANOVA、LEfSe与RDA等统计方法分析数据。

结果

3.1 作物多样化对土壤细菌群落的影响

细菌多样性未受作物多样化处理影响，但随时间显著变化。群落组成存在轮作与时间点的交互作用：轮作解释的变异从2021年夏季的4.3%增至2024年秋季的6.8%。指示 taxa 分析显示，连续玉米与连续大豆系统分别富集 Actinobacteria 与 Acidobacteria，而最多样化的玉米-棉花-大豆轮作无显著指示类群。覆盖作物与轮作存在交互效应，但未发现特定指示 taxa。

3.2 作物多样化对土壤真菌群落的影响

真菌多样性同样未受处理影响，但群落组成对轮作与覆盖作物响应显著。轮作效应随时间增强（2021年夏季5.7%至2023年秋季15.4%），覆盖作物效应在春季与夏季最明显（2023年春季解释8.4%变异）。五物种覆盖作物混合在2021年春季显著提升 Glomeromycota（AMF）相对丰度；轮作显著降低连续大豆中的植物病原菌（Plectosphaerella、Paraphoma、Fusariella）与连续玉米中的 Didymellaceae 丰度。其他功能类群如 saprotroph Talaromyces 与 mycoparasite Fusicolla 也在特定处理中富集。

3.3 微生物群落与土壤健康指标的关系

土壤属性平均解释细菌与真菌群落变异的12.0%与11.9%。水分、磷酸酶活性、β-葡萄糖苷酶活性、水溶性有机碳与硝态氮是主要关联因子。这些关联在不同时间点一致存在，但作物多样化对土壤健康指标的直接影响较弱。

讨论

4.1 作物多样化未增加土壤微生物多样性

与假设相反，四年试验中作物多样化未显著提升微生物多样性，可能与试验时长较短、覆盖作物生物量低（平均1,442 kg ha^?1）及 bulk soil 采样策略有关。功能多样性（如代谢基因表达）可能是更敏感的响应指标。

4.2 覆盖作物与轮作影响微生物组成

多物种覆盖作物短期内提升AMF丰度，但未持续影响作物营养与产量；轮作显著降低病原菌丰度（如连续大豆中的 Plectosphaerella），可能与产量提升相关。真菌群落对轮作响应更强，且效应随时间累积。覆盖作物效应具季节性，集中于残体分解期。

4.3 微生物群落与土壤健康紧密关联

微生物群落与水分、酶活性、无机氮等指标显著相关，但作物多样化通过微生物影响土壤健康的路径独立于直接土壤属性变化。AMF增加未显著提升土壤有机碳；硝态氮浓度与 soybean 轮作阶段关联较强，可能驱动 Acidobacteria 与 Ramicandelaber 富集。

结论

四年作物多样化研究表明，轮作比覆盖作物对微生物群落（尤其真菌）影响更强，能有效降低病原菌丰度；覆盖作物对AMF的促进效应短暂且季节依赖。微生物群落与土壤健康指标紧密耦合，但作物多样化的健康效益主要通过微生物组成调控而非直接改变土壤属性实现。轮作与覆盖作物在调控病原菌与AMF方面具独立潜力，为农业可持续管理提供微生物学依据。