作物轮作下的微生物群落重组：一种可持续策略，用于应对干旱生态系统中马铃薯单一种植导致的土壤退化问题

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Microbial community restructuring under crop rotation: A sustainable strategy to counteract potato monoculture-induced soil degradation in arid ecosystems

马铃薯轮作系统通过改善土壤微生物群落结构和养分循环，显著提升土壤质量指数（SQI）和产量。研究表明，油葵轮作（PO）增产16.2%，其作用机制与土壤有机质（SOM）、有效磷（AP）和钾（AK）的显著提升相关，关键功能菌群如Pyrinomonadaceae和Chitinophagaceae的富集促进养分循环。

　　

李志涛|朱金勇|史天斌|高成伟|邱晓强|鲍敏敏|李媛明|毕振振|姚盼凤|孙超|司怀军|刘玉辉|刘振

甘肃农业大学农学院，兰州730070，中国

摘要

连续种植马铃薯会导致土壤退化和产量下降。虽然轮作可以缓解连作带来的问题，但其对土壤质量改善的微生物调控机制仍不甚明了。通过在中国西北部干旱和半干旱地区的田间试验，我们系统分析了五种轮作系统（马铃薯-蚕豆轮作、马铃薯-玉米轮作、马铃薯-休耕、马铃薯-油亚麻轮作以及马铃薯-藜麦轮作）对土壤微生物群落结构和土壤质量的影响，并与连续种植马铃薯（PP）进行了对比。通过主成分分析，结合多种土壤理化指标，我们建立了一个土壤质量指数（SQI）。所有轮作方式都显著提高了SQI（21.5%-37.7%）和块茎产量（2.1%-16.2%），其中马铃薯-油亚麻轮作的增产效果最为显著（16.2%）。随机森林模型分析表明，有效磷（AP）、钾（AK）和土壤有机质（SOM）是影响SQI的主要因素。微生物分析显示，轮作增加了酸杆菌门（Acidobacteriota）的数量（6.1%-38.5%），同时减少了植物群的丰度（8.8%-154.2%）。加权基因共表达网络分析表明，细菌网络的节点复杂性高于真菌网络。通过Zi-Pi分析，发现Pyrinomonadaceae科（与TK/AP呈负相关，r< -0.50，P=0.01）和Chitinophagaceae科（与产量相关，r=0.52，P=0.03）等关键细菌家族是土壤肥力和生产力的微生物指标。马铃薯-油亚麻轮作的优异表现归因于土壤有机质的增加、养分有效性的提高以及促进养分循环的功能性细菌群体的选择性刺激。本研究通过系统描述微生物相互作用网络，加深了对轮作修复土壤机制的理解，为干旱和半干旱地区的可持续马铃薯种植提供了实用见解。

引言

全球人口增长与耕地短缺之间的矛盾日益加剧，联合国预测到2080年全球人口将达到103亿（人口司，2024年），这加剧了农业可持续性的压力。作为世界第三大主粮作物，马铃薯（Solanum tuberosum L.）在联合国国际马铃薯日被誉为“最重要的救命主食和营养蔬菜”，是应对人口资源危机的关键作物（Riccardo，无日期）。然而，长期单一作物种植（连作）会导致土壤功能退化，表现为作物生长受阻、病原体易感性增强和土壤肥力下降，对农业可持续性构成严重威胁（Kopittke等人，2019年；Liu等人，2023年；Sun等人，2025年）。这种连作问题在马铃薯及其他茄科作物（如烟草（Nicotiana tabacum L.）（Xia等人，2025年）、茄子（Solanum melongena L.）（Chen等人，2011年）、辣椒（Capsicum annuum L.）（Xu等人，2024年）和番茄（Solanum lycopersicum L.）（Cheng等人，2020年）中尤为严重）。研究表明，连作问题的产生涉及根际微生物失衡、土壤养分循环紊乱和化感化合物积累等多种因素（Ma等人，2022年）。最近的研究表明，轮作通过恢复根际微生物多样性和功能性，成为缓解连作问题的有效策略，为可持续马铃薯种植提供了新的农业生态框架。

连作会导致土传病原体（如Fusarium oxysporum、Fusarium redolens、Fusarium solani、Verticillium dahlia）的过度繁殖，破坏微生物群落的动态平衡（Fan等人，2021年；Ma等人，2023年；Meng等人，2012年；Shi等人，2025年）。研究表明，连作系统会显著改变土壤微生物群落结构，导致生物多样性下降和功能退化（Gao等人，2021年；Klein等人，2011年）。此外，连作还会促进植物毒性酚类化合物（如肉桂酸、阿魏酸、香草酸）的积累，这些化合物通过抑制种子发芽、阻碍根系生长和发育以及改变抗氧化酶活性等方式抑制作物生长，从而降低产量（Wu和Ma，2006年）。在豆科作物种植系统中，研究发现酚类化合物的含量随连作时间延长而增加（Huang等人，2013年；Ma等人，2023年）。同时，连作还会加速土壤养分的单向消耗，表现为氮（N）、磷（P）和钾（K）的失衡及土壤酸化（pH值下降）（She等人，2017年）。氮（TN）、有效磷（AP）和有效钾（AK）的消耗主要由作物对这些养分的吸收驱动。碳（C）和氮（N）的矿化作用减弱进一步限制了土壤养分的补充。这些过程共同导致了土壤肥力的下降（Gentry等人，2013年；Mahal等人，2019年）。

轮作是一种传统的农艺措施，通过在不同季节种植分类上不同的作物来对抗单作引起的土壤退化。该措施通过丰富微生物多样性和恢复土壤功能，有效打破了单作制度中的负面反馈循环（Bennett等人，2012年；Yates，1954年）。其机制主要体现在两个方面：首先，轮作调节微生物群落重组。例如，豆科-马铃薯轮作可使细菌数量增加78-85%，改变土壤中真菌与细菌的多样性比例，并增加硝化菌和反硝化菌的数量（Qin等人，2017年）。特别是马铃薯与禾本科作物的轮作显著改变了细菌和真菌的组成，增加了有益于植物的真菌（如Schizothecium和Chaetomium），同时抑制了病原真菌（如Alternaria、Fusarium、Verticillium dahiae等）（Li等人，2023年；Li等人，2023年；Li等人，2023年；Wu等人，2021年；Wu等人，2021年）。Alternaria是一种可引起马铃薯早疫病和褐斑病的病原真菌（Wang等人，2022年）。Fusarium和Verticillium dahliae则会导致马铃薯干腐病和茎枯病（Yates，1954年；Zhao等人，2021年）。其次，轮作优化了土壤养分循环：通过多样化的根系结构和分泌物，轮作系统增强了土壤酶活性和有机质分解，从而提高养分利用效率。例如，豆科作物轮作显著改善了土壤的理化性质（如有机质、总氮、总磷和钾）和酶活性（Urease），直接促进了块茎产量的提高（Wang等人，2023年）。

最近在轮作系统方面的进展表明，它们在缓解密集马铃薯种植中的连作问题方面具有潜力（Guo等人，2024年；Yang等人，2024年）。然而，仍存在一些关键知识空白：轮作系统在缓解马铃薯连作问题方面的有效性尚未得到充分研究，轮作引起的微生物多样性变化与马铃薯产量之间的功能联系也尚不明确。为了减轻连续种植马铃薯对土壤健康和产量的负面影响，本研究在干旱和半干旱地区评估了基于马铃薯的四种不同科属作物的轮作系统（禾本科、豆科、苋科和蓼科）。具体目标包括：（1）明确不同轮作作物对土壤质量和马铃薯产量的影响；（2）探讨不同轮作作物如何调节根际微生物多样性和网络复杂性；（3）识别与养分供应和产量形成相关的关键微生物群。通过结合高通量测序数据和土壤养分及块茎产量数据，我们旨在找到既能提高土壤肥力又能增加马铃薯产量的轮作策略，为基于微生物组的农业实践和可持续马铃薯种植提供科学依据。

实验地点

实验于2019年至2024年在中国甘肃省定西市的实验站进行（北纬35°42'，东经104°50'；海拔1900米），该地区属于典型的半干旱雨养农业生态系统（图1）。该地区具有以下气候特征：平均气温6.3°C，年太阳辐射量141.4千卡/平方厘米，年平均降水量400毫米（其中70%集中在5月至9月），年蒸发量为1526毫米。

土壤性质

不同轮作模式对总氮（TN）、总磷（TP）、pH值和土壤有机质（SOM）的影响在统计上不显著（P>0.05）（图3和表S3）。与连续种植马铃薯（PP）相比，蚕豆-马铃薯轮作显著增加了TN（22.1%）、TK（5.8%）、AP（71.8%）和AK（46.5%）。马铃薯-玉米轮作在AN（29.5%）、AP（96.8%）和AK（34.2%）方面也有显著提升。马铃薯-休耕轮作在TK（4.5%）和AP（54.5%）方面也有显著改善。马铃薯-油亚麻轮作在AP方面也有显著提高。

讨论

作为重要的粮食作物，马铃薯对保障全球粮食安全起着关键作用。然而，集约化的种植方式导致了严重的土壤退化和病原体积累，进而降低了产量。为了解决这些问题，我们评估了不同轮作系统在连续单作条件下对马铃薯产量和土壤质量的影响。研究结果表明，以油亚麻为基础的轮作系统在改善土壤质量和块茎产量方面效果最为显著（与连续种植马铃薯相比，产量增加了16.2%）。随机森林分析表明，有效磷（AP）、钾（AK）和土壤有机质（SOM）是提高土壤质量的核心因素。

结论

本研究表明，包含蚕豆（PB）、玉米（PM）、油亚麻（PO）和藜麦（PQ）的多样化轮作系统能有效缓解马铃薯连作问题，显著提高土壤质量和块茎产量。其中，马铃薯-油亚麻轮作的增产效果最为显著。随机森林分析确定了有效磷（AP）、钾（AK）和土壤有机质（SOM）是提高土壤质量的关键驱动因素。

CRediT作者贡献声明

鲍敏敏：方法学研究、数据分析。邱晓强：方法学研究、数据分析。高成伟：资源协调、数据管理。史天斌：资源协调、数据管理。刘振：写作、审稿与编辑、监督、资金争取。朱金勇：方法学研究、概念构思。刘玉辉：写作、审稿与编辑、监督、资金争取。李志涛：初稿撰写、方法学研究、概念构思。司怀军：写作、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了甘肃省联合研究基金重大项目（24JRRA836）、校企支持计划（2024CYZC-29）、中国农业研究系统专项基金（CARS-09-P14）、甘肃省科技计划（24JRRA845）以及甘肃农业大学福西人才计划（Gaufx-02Y04）的支持。