长期施肥制度下小麦–大豆轮作体系作物产量与根际微生态：基于46年田间试验的宏基因组与结构方程模型解析

《Plants》：Long-Term Fertilisation Regimes, Crop Yield and Rhizosphere Microecology in a Wheat–Soybean Rotation System

　　

长期施肥必须维持小麦–大豆轮作体系中的作物产量和根际微生物功能，但年际响应仍不清楚。研究人员在1979年建立并持续至2025年的中国黑龙江长期田间试验中检验了12个处理；每处理三个小区内土壤混合样代表2025年微生物组快照。评估了长期小麦和大豆籽粒与秸秆产量、根际和非根际宏基因组（metagenome）、细菌多样性、功能基因谱、分类组成、产量–微生物相关性以及结构方程模型（structural equation modelling，SEM）。展示的小麦籽粒产量在各处理间存在差异，在粪肥加中等量矿质肥料下中位数接近2500 kg ha^?1。大豆籽粒产量在粪肥加低量或中等量矿质肥料下超过2000 kg ha^?1，且高于单施高量矿质肥料。单独的探索性仅处理PERMANOVA（permutational multivariate analysis of variance）分别对根际和非根际功能谱返回R²值0.7578和0.8227；这些谱为小区内子样本。Mesorhizobium、Lysobacter、Gemmatirosa和Pseudolabrys与作物产量正相关。结构方程模型将有效磷（available phosphorus，AP）与小麦产量和根际多样性联系起来，并将有效钾（available potassium，AK）与大豆产量联系起来。这些描述性发现表明作物特异性施肥模式以及产量与土壤养分和根际微生物群的可能关联，指示生产力和微生物响应应纳入长期养分管理。

研究背景：小麦（Triticum aestivum L.）–大豆（Glycine max）轮作体系是全球重要农业生产系统，对维持粮食安全和促进可持续农业具有关键作用。长期单施化学肥料虽可在某一季增加作物生物量，但也可能引起土壤酸化、土壤微生态平衡破坏和养分利用效率降低。适当有机肥与化学肥配施可增加土壤有机碳、改善根区微环境并重塑微生物群落。根际（rhizosphere）是植物根系与周围土壤交换物质和通讯的关键微位点，其微生态系统稳定性决定作物养分获取和植物健康。根际微生物群落在不同施肥制度下发生时空演替；有益细菌属可通过根瘤共生固氮、解磷和抗菌代谢物分泌促进作物生长并抑制土传病害。基于46年长期小麦–大豆轮作田间试验，研究人员系统评估12种施肥处理对土壤生态发展的影响，旨在检验长期施肥、作物产量和根际微生物群落之间的关联，为同时维持高产稳产和保护土壤微生态健康的长期管理策略提供理论依据。

研究人员开展的研究、结论和意义：研究在黑龙江1979年建立并持续至2025年的长期田间试验中进行，设置12个施肥处理，每处理一个200 m²小区（20 m × 10 m），每处理三个小区内空间土壤复合样代表2025年微生物组快照。研究评估长期小麦和大豆籽粒与秸秆产量、根际和非根际宏基因组、细菌多样性、功能基因谱、分类组成、产量–微生物相关性和结构方程模型。结果显示作物特异性施肥模式：粪肥加中等量矿质肥料下小麦籽粒中位产量接近2500 kg ha^?1；大豆籽粒产量在粪肥加低量或中等量矿质肥料下超过2000 kg ha^?1，且高于单施高量矿质肥料。长期施肥驱动根际和非根际功能谱变异，根际分室分化明显；Mesorhizobium、Lysobacter、Gemmatirosa和Pseudolabrys与作物产量正相关；结构方程模型将AP与小麦产量和根际多样性联系，将AK与大豆产量联系。其意义在于提示生产力和微生物响应应纳入长期养分管理。

关键技术方法（不超过250字）：样本队列来源于黑龙江省农业科学院黑河分院长期小麦–大豆轮作田间试验（127.46° E，50.26° N；海拔160 m），1979—2025年连续46年，12个施肥处理，每处理200 m²小区，每处理三个小区内空间土壤复合样。2025年6月3日小麦期采集根际土（根表1–2 mm紧贴土）和非根际土（0–15 cm行间无根土）。长期产量标准化为kg ha^?1。采用Illumina宏基因组测序，MEGAHIT组装、Prodigal预测ORF、CD-HIT去冗余、Bowtie2定量TPM（transcripts per million），DIAMOND与NCBI NR比对、MEGAN LCA分类，KEGG/KO功能注释；Shannon指数、PCoA（principal coordinate analysis）、PERMANOVA（permutational multivariate analysis of variance）、LEfSe（linear discriminant analysis effect size）、STAMP（Statistical Analysis of Metagenomic Profiles）、Pearson相关和piecewiseSEM结构方程模型；AlphaFold 3进行PstS（phosphate ABC transporter substrate-binding protein）与phosphite分子对接，PRODIGY计算结合能。

研究结果：

2.1 长期施肥制度对作物产量的影响：通过长期产量记录分析，小麦籽粒和秸秆产量在CK和S处理最低，并随化学肥料投入增加而增加；M + 4NP、M + 2NP和S + 4NP处理小麦产量增幅最大，M + 2NP下小麦籽粒中位产量接近2500 kg ha^?1。大豆生物量响应模式不同：4NP维持较高小麦产量，但大豆籽粒和秸秆产量低于含有机粪肥处理（M、M + NP、M + 2NP和M + 4NP）；M + NP和M + 2NP下大豆籽粒中位产量超过2000 kg ha^?1，显著高于4NP和S + 4NP。扫描电子显微镜图像显示，M + 4NP下小麦根毛较CK更多。结论表明长期有机粪肥输入对维持大豆高产关键。

2.2 根际细菌群落α多样性及根际效应：通过比较根际与非根际土壤Shannon指数，多数施肥处理包括CK、S、4NP和M + 2NP中根际与非根际Shannon多样性差异高度显著。4NP下非根际土壤Shannon均值4.91，根际土壤显著增至4.98；S + 4NP下根际和非根际Shannon多样性均超过5.10。结论表明秸秆与高量化学肥料组合放大并重塑了根际微环境微生物多样性。

2.3 根际和非根际土壤微生物功能基因丰度分析：通过宏基因组功能基因丰度谱PCoA，PCo1和PCo2分别解释52.21%和16.68%总变异，样本按施肥处理和空间分室形成明显双簇。仅处理PERMANOVA显示，根际功能谱R² = 0.7578（F = 6.83，p = 0.001），非根际功能谱R² = 0.8227（F = 10.12，p = 0.001）；每个分析含36个谱，总df = 35，每处理三个小区内复合样。结论表明微生物功能谱变异主要受长期施肥制度驱动，并具明显根际分室分化。

2.4 优势根际微生物：基于根际土壤宏基因组测序数据，计算各处理前20优势微生物属相对丰度，并用堆叠柱图展示群落组成，以均值 ± 标准差比较施肥处理对优势微生物群的影响。结论表明长期施肥改变了根际优势属组成。

2.5 根际微生态系统功能富集和差异类群鉴定：通过LEfSe分析发现处理特异性根际微生物富集，例如CK下Acidobacteria显著富集，S + 4NP下Sphingomonas显著富集。属水平STAMP分析显示，2NP较S + 4NP中Gemmatirosa等关键属显著富集；S + 2NP较S + NP中Pseudolabrys等关键属显著富集。前50富集KO通路聚类热图显示，双组分系统在所有处理中高丰度，TPM约25,000；丙酮酸代谢、嘌呤代谢、核糖体相关功能和ABC转运蛋白在根际土壤中高丰度。结论表明施肥制度显著改变核心根际微生物群落组装及功能基因丰度。

2.6 优势根际属与作物产量Pearson相关：通过Pearson相关热图，Mesorhizobium与大豆产量正相关，并与大豆籽粒（r = 0.77）和秸秆产量（r = 0.78）正相关；Lysobacter与大豆籽粒（r = 0.75）和秸秆产量（r = 0.74）正相关；Gemmatirosa与大豆产量正相关；Pseudolabrys与小麦产量正相关，并与小麦籽粒（r = 0.75）和秸秆产量（r = 0.72）正相关。Lysobacter PstS蛋白与phosphite分子对接结合能为?4.93 kcal/mol。结论表明这些属是维持大豆根际健康和增强固氮相关大豆生物量的重要微生态因素。

2.7 土壤养分、微生物多样性与产量的结构方程模型：通过结构方程模型路径分析，长期施肥对AP有极显著正效应（0.94***），AP对小麦籽粒（0.81*）和秸秆产量（0.84*）有强正效应；施肥强度与较低土壤pH相关（?0.77）。根际微生物多样性（Root Shannon）受AP边际显著正路径影响（0.52?，R² = 0.83）。根际微生物多样性到大豆秸秆和籽粒产量路径系数分别为0.58和0.57；AK到大豆秸秆和籽粒产量路径系数分别为0.65和0.66。结论表明AP主要关联小麦产量和根际多样性，AK关联大豆产量。

讨论部分总结：

3.1 施肥制度调控产量的差异机制：结构方程模型识别了施肥制度、土壤性质、微生物多样性与产量之间的关联。4NP通过增加土壤AP提高小麦籽粒和秸秆产量，但仅依赖速效矿质养分的增产策略限制大豆生产。含有机粪肥处理中位大豆产量更高，M + 2NP中位产量超过2000 kg ha^?1。长期有机粪肥施用有效缓冲化学肥料引起的土壤pH下降，并与AK共同维持根际细菌高Shannon多样性。

3.2 核心根际微生态功能组装与产量响应：长期田间管理导致根际效应差异，仅根际处理PERMANOVA功能基因组成R² = 0.7578。前20优势属包括Mesorhizobium、Lysobacter、Gemmatirosa和Pseudolabrys，四者均与作物产量正相关。Mesorhizobium与大豆共生结瘤固氮相关，并与大豆生物量正相关（r = 0.77）。Pseudolabrys对施肥制度敏感，可能作为预测作物产量波动和土壤磷活化能力的指标；本研究与小麦产量正相关，并受施肥率影响。Gemmatirosa与大豆产量正相关并与化学肥料施用量相关；原文指出此前未见其与大豆产量正相关的报道，值得进一步研究。盐碱条件下，耐盐大豆品种根际Gemmatirosa与丙二醛显著相关；南非农场大豆种植土中Gemmatirosa广泛分布但不可培养，其对植物生长影响未明确；石灰性土长期施肥试验中施肥降低其相对丰度。

3.3 根际细菌蛋白探索性分子对接：Lysobacter在所有处理中高丰度，并与大豆产量正相关。该菌对大豆和小麦生长有益，改善根际微生物环境，抑制主要由Fusarium spp.引起的大豆和小麦根腐病，增强大豆和小麦抗逆性，并参与养分循环。分子对接显示Lysobacter PstS与phosphite形成紧凑三维构象，结合能为?4.93 kcal/mol；该原子尺度分子相互作用证据与宏基因组中ABC转运蛋白通路高丰度一致，指示有机–矿质配施下微生物可能利用表面功能蛋白高效捕获和运输小分子养分，从而促进生长。

研究结论翻译：维持小麦–大豆轮作体系跨代高产依赖于土壤理化性质与根际生物学特征之间的紧密耦合。长期施用有机粪肥缓解了单施化学肥料造成的理化胁迫，并优化了具有固氮和养分活化潜在功能的核心根际微生物类群组装。未来研究应通过整合长期田间尺度大数据网络与多靶标细菌蛋白的计算结构生物学来扩展微生态建模，从而全面阐明根际中微生物–植物相互作用和通讯的分子代谢网络。