《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Enhancing crop productivity and soil microbial functions through strategic peanut-based multi-cycle rotation strip intercropping
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本研究通过四年田间试验，比较了玉米-花生轮作间作（RMP）16:8与8:8模式对作物产量及土壤微生物功能的影响。结果表明，8:8模式显著提升玉米和花生产量，分别达32.03%和5.29%；同时促进土壤养分及酶活性（10.22%-42.81%）。代谢组学揭示C/N/P循环相关基因丰度与微生物群落（如Bradyrhizobium、Burkholderia）显著相关，结构方程模型证实微生物通过养分循环间接调控酶活性，进而提高作物养分积累和产量。该研究为可持续农业提供了理论支持。
董奇奇|袁阳|何泽成|刘明泽|周东英|于鹏浩|李子文|卢元明|胡新凯|王晓光|姜春吉|刘希波|赵淑丽|王静|钟超|张贺|康淑丽|赵新华|于海秋
中国辽宁省沈阳市沈阳农业大学农学院，邮编110866
摘要
玉米和花生的轮作条带间作（RMP）是一种可持续的农业实践，能够缓解全球气候变化带来的挑战并确保粮食安全。然而，基于花生的多周期RMP对作物产量和根际微生物生态动态的影响尚未得到充分研究。本研究进行了一项为期四年的田间试验，以评估不同轮作周期（RMP 16:8（16行玉米和8行花生）和RMP 8:8（8行玉米和8行花生）对作物产量以及根际土壤物理化学性质和微生物功能动态的影响。在RMP（16:8）和RMP（8:8）处理下，玉米产量分别增加了32.03%和33.13%，而花生产量分别增加了4.11%和5.29%。此外，在RMP（8:8）处理下，根际土壤养分含量和酶活性显著提高，增幅分别为10.22%至42.81%和14.50%至45.50%。宏基因组分析显示，与土壤性质改善密切相关的基因包括碳循环相关基因（folA和mxaF）、氮循环相关基因（nirK、ureC、narC和nasA）以及磷循环相关基因（pstS和cmk），同时参与的微生物还包括慢生根瘤菌、鞘氨醇单胞菌、硝化螺菌和伯克霍尔德菌。结构方程建模（SEM）进一步表明，属水平的微生物通过碳、氮和磷循环基因间接影响土壤酶活性，而土壤酶活性又通过提高土壤养分含量促进植物养分积累和产量。本研究强调了基于花生的多周期RMP在提高作物生产力和土壤微生物功能方面的潜力，为改善土壤健康和推进可持续农业实践提供了理论基础。
引言
全球气候变化和人口增长的双重压力给农业带来了重大挑战，因此需要稳定的农业系统来确保粮食安全。间作和轮作等可持续农业实践因能够改善土壤健康、提高产量、增强抗逆性以及减少病虫害发生率而受到关注（Costa等人，2024年；Thierfelder等人，2024年；Zhao等人，2024年）。轮作条带间作是一种在同一块田地上逐年轮换种植不同作物的种植模式，从而提高作物多样性。例如，在中国东北地区的玉米和花生轮作条带间作系统可以优化土壤养分动态，促进花生中有益细菌群落的形成，增强玉米的生理特性，并提高整体作物生产力（Han等人，2022年；Zou等人，2021年；Zou等人，2023年）。此外，在撒哈拉以南非洲的低投入雨养农业系统中，玉米和豇豆的间作显著提高了土地生产力（Namatsheve等人，2021年）。在轮作系统中，豆科作物平均可使后续玉米作物产量增加0.5吨/公顷，这一效益明显优于间作系统中的氮转移效果（Vanlauwe等人，2019年）。因此，轮作条带间作是一种有前景的方法，可以减轻气候变化导致的产量损失，支持可持续农业生产，并加强粮食安全。
轮作通过增加有机质含量、改善土壤结构和提高水分保持能力来增强农业土壤健康。例如，小麦-玉米轮作系统通过提高土壤有机碳和水分有效性，提高了两种作物的生产力和抗逆性（Li等人，2024年）。在中国北方平原，将豆科和非豆科作物纳入小麦-玉米轮作系统可以减少氮损失，增加碳、氮和磷酶的活性，从而改善土壤质量和玉米产量（Yang等人，2024a）。与豆科作物轮作还可以减轻土壤酸化，增强微生物和酶活性，减少N2O和CO2排放，并提高后续作物的生产力（Yang等人，2024b）。先前的研究表明，玉米和花生的轮作条带间作可以提高养分利用效率，尤其是氮、磷和钾的利用效率，同时增强土壤酶活性，从而提高作物产量和品质（Han等人，2022年）。尽管轮作的表型效应已经得到验证，但由轮作驱动的土壤微生物组功能重建过程——尤其是多元素循环的协同调控机制——仍缺乏关于时间尺度上动态变化模式的系统分析。然而，大多数研究集中在微生物群落和单一养分循环上，对于轮作周期如何影响驱动作物生长的土壤微生物群落的组成和功能的研究较少。因此，多周期轮作条带间作的田间试验对于优化这些实践以应对气候变化带来的挑战并确保可持续粮食生产至关重要。
根际微生物在碳、氮和磷的生物地球化学循环中起着关键作用，它们通过促进有机物分解、固氮和磷酸盐溶解来增强作物的养分吸收和生产力。然而，多周期轮作条带间作系统中根际微生物群落的形成机制仍不完全清楚。宏基因组测序不仅可以捕获原核生物，还可以捕获参与碳、氮、磷循环的真菌、病毒和其他微生物，从而提供更全面的微生物功能潜力视图（Liu等人，2025年；Wang等人，2025a）。我们之前的研究表明，玉米-花生间作可以显著改变根际微生物群落的结构和功能，丰富共享土壤中的Haliangium、慢生根瘤菌、Candidatus_Solibacter、Candidatus_Koribacter、链霉菌和Pseudolabrys（Dong等人，2022年）。根系相互作用进一步增加了花生根际中与氨氧化、硝化作用和硝酸盐还原相关的基因的相对丰度，从而促进了花生的生物固氮和氮向玉米的转移（Dong等人，2024年）。此外，基于豆科作物的多样化轮作系统提高了微生物功能多样性，促进了氮矿化过程，并增强了碳获取酶（如β-葡萄糖苷酶和纤维素水解酶）的活性，为微生物提供了能量和底物，促进了氮循环。具体来说，反硝化功能基因的差异表达构成了驱动微生物功能增强的内在机制，这种机制调节进一步加速了氮循环过程（Breza等人，2023年；Cloutier等人，2023年）。例如，小麦-大豆轮作可以增加微生物多样性，Nocardioides和Agromyces等菌类的丰度增加。这些菌类具有降解植物碳和固定碳的基因，编码相关酶以改善植物碳分解和大气碳的固定和储存（Zhang等人，2024年）。此外，有机磷矿化基因丰富了变形菌门、放线菌门和厚壁菌门，改变了土壤酶活性，调节了磷的转化效率，并影响了土壤磷的有效性和养分利用效率（Wang等人，2024a）。这些发现为优化轮作模式以改善土壤健康和作物产量提供了宝贵的见解。
在这项研究中，我们进行了为期四年的田间试验，探讨了不同轮作周期如何在时间上影响微生物功能动态，进而影响作物养分积累和产量。我们假设多周期轮作条带间作通过三种相互关联的机制提高作物生产力和土壤养分效率：（1）年度轮作周期驱动微生物群落的组装和功能变化；（2）连续的条带轮作激活了碳、氮和磷的功能基因网络；（3）土壤酶活性与微生物功能之间的反馈机制。研究目标是：（1）量化轮作周期对作物养分分配和产量稳定性的微生物调节作用；（2）利用宏基因组测序阐明微生物群落的时空动态及其与碳-氮-磷循环的关联，建立整合轮作周期、微生物演替和多元素（碳-氮-磷）耦合机制的新框架；（3）确定功能基因表达与土壤-作物系统协同作用之间的预测关系。这项工作超越了传统的单一元素聚焦方法，揭示了农业系统中的综合生物地球化学驱动因素。研究结果将为改善土壤健康和作物生产力以及制定可持续农业发展的管理策略提供科学依据。
实验地点
这项长期田间试验于2020年至2023年在沈阳农业大学（北纬41°82’，东经123°56’）进行，该地点隶属于中国农业部和农村事务部的作物栽培科学观测站。该地区属于半干旱气候，具有典型的大陆性季风气候。生长季节（2020–2023年）的平均月温度和降水量见图S1。实验前，主要种植的是花生。
不同轮作周期条带间作种植模式对植物养分积累和根际土壤物理化学性质的影响
年份、种植模式以及年份与种植模式的组合显著影响了玉米和花生的单株养分积累（表S4，P<0.05）。玉米和花生单株养分积累变化的详细统计结果见补充材料文本1。年份、种植模式以及年份与种植模式的组合显著影响了玉米和花生根际土壤养分含量和酶活性（图2，P<0.05）。与SM处理相比，...
基于花生的多周期RMP种植模式显著提高了作物生产力
作物产量是农业生态系统最直观的指标。随着轮作周期的增加，产量显著提高。值得注意的是，自2021年开始轮作处理以来，RMP（8:8）和RMP（16:8）处理下的玉米和花生条带的产量均高于IMP（8:8）和IMP（16:8）处理。其中，RMP（8:8）处理下的总产量随着轮作周期的增加而增加了14.54%，而RMP（16:8）处理下的产量增加了11.42%（图3）。这表明...
结论
轮作条带间作（RMP）显著提高了玉米和花生的养分积累、产量、根际土壤养分含量和酶活性，其中RMP（8:8）处理的效果优于RMP（16:8）处理。具体来说，RMP（8:8）处理显著增加了碳循环（folA、mxaF）、氮循环（nirK、ureC、narC、nasApstS、cmk）相关基因的相对丰度，这些基因与土壤养分和酶活性表现出强烈的正相关性。相比之下，磷循环...
CRediT作者贡献声明
周东英：资源提供。赵淑丽：写作——审稿与编辑，监督。袁阳：写作——初稿撰写，验证，软件使用。刘希波：监督，资源提供，概念构思。董奇奇：写作——初稿撰写，可视化，软件使用，资源提供。钟超：写作——审稿与编辑，监督。刘明泽：资源提供。王静：写作——审稿与编辑，监督。何泽成：写作——初稿撰写，验证，软件使用。胡新凯：资源提供。于海秋：监督，
利益冲突声明
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