高碳改良剂稳定土壤微生物群落结构并促进冬小麦栽培中晚春干旱后微生物恢复的作用与机制研究

《Biology and Fertility of Soils》：Application of high carbon amendments stabilizes soil microbial community composition and improves microbial recovery after a late spring drought during winter wheat cultivation

本研究针对气候变化背景下农业氮素流失与土壤微生物群落稳定性问题，探讨了高碳改良剂（HCA）在冬小麦轮作系统中的生态功能。通过田间试验结合分子生物学技术，发现小麦秸秆还田可显著提高千粒重，并通过富集酸杆菌门（Acidobacteriota）和拟杆菌门（Bacteroidota）等寡营养型菌群，增强微生物群落对干旱胁迫的抵抗力与恢复力，为气候智能型农业提供了新的管理策略。

　　

随着气候变化的加剧，极端干旱事件频发，对农业生产系统构成了严峻挑战。在农业管理中，氮肥的施用虽能提高作物产量，但同时也带来了硝酸盐淋失等环境问题。高碳改良剂（HCA）如小麦秸秆，因其能够通过微生物氮固持作用减少氮素损失，近年来受到广泛关注。然而，大多数研究并未将气候变化作为干扰因素纳入考量，尤其是在干旱胁迫下HCA对土壤微生物群落稳定性及作物生长的调控机制尚不明确。

为此，研究人员在德国南部开展了一项田间试验，利用2023年晚春持续八周的极端干旱事件，探究了在油菜-冬小麦轮作系统中，于2022年秋季施用小麦秸秆作为HCA对土壤微生物群落结构、养分动态及冬小麦产量的影响。研究通过四个关键时间点（2023年2月、5月、7月、8月）的土壤采样，结合分子条形码技术（16S rRNA基因扩增子测序）和定量PCR，系统分析了细菌和古菌的丰度与群落组成变化。

在技术方法上，研究采用随机区组田间试验设计，在12个小区中设置HCA处理与对照。通过氯仿熏蒸提取法测定微生物生物量碳（C_mic）和氮（N_mic），利用连续流动分析仪测定铵态氮（NH₄⁺-N）和硝态氮（NO₃^--N）含量。基于Illumina MiSeq平台对土壤微生物16S rRNA基因V4区进行测序，并通过Qiime2和DADA2流程进行生物信息学分析，包括Amplicon Sequence Variants（ASVs）鉴定、核心微生物组分析以及非度量多维尺度分析（NMDS）等。

研究结果

HCA提升冬小麦千粒重但不影响总产量

HCA处理显著提高了冬小麦的千粒重（p=0.03），但对总产量、秸秆产量、蛋白质氮和淀粉含量无显著影响。这表明HCA可能通过改善籽粒灌浆期的养分供应提升了籽粒品质。

土壤养分与微生物生物量对干旱的响应

溶解性有机碳（DOC）和氮（DON）在干旱期（7月）显著下降，硝态氮在施肥后的5月达到峰值。微生物生物量碳（C_mic）和氮（N_mic）在干旱后降至最低，但HCA与对照无显著差异，推测氮固持主要发生在HCA施用后的秋季。

微生物群落结构与稳定性增强

HCA处理显著提高了核心微生物组的稳定性，其共享ASVs数量（93个）远高于对照（43个）。酸杆菌门中的Vicinamibacteraceae、Blastocatellaceae和拟杆菌门中的Chitinophagaceae等降解复杂有机物的菌群在HCA处理中持续富集。相反，与小麦根际相关的Arthrobacter和Bradyrhizobium等菌群未受HCA影响，表明HCA主要作用于非根际土壤微生物。

干旱期微生物恢复力提升

在干旱结束后的8月，HCA处理中独特ASVs数量（19个）高于对照（9个），包括Chitinophagaceae、Sphingomonadaceae等菌群。此外，HCA处理中有3个ASVs在干旱前（5月）和干旱后（8月）均稳定存在，而对照中无此现象，说明HCA促进了特定菌群的干旱耐受性。

结论与意义

本研究揭示了HCA通过调控土壤微生物群落结构，增强其对干旱胁迫的抵抗力与恢复力，进而支持作物生长的双重生态功能。这一发现不仅拓展了HCA在养分管理以外的应用场景，还为应对气候变化下农业可持续发展提供了微生物学依据。未来需进一步探讨HCA长期施用的可持续性及其他有机残体（如木质素）的类似效应，并关注HCA对真菌群落及病原菌累积的潜在影响。

（论文发表于《Biology and Fertility of Soils》）