《Frontiers in Microbiology》：Diversified crop rotation reshapes soil nutrients, microbial communities, and functions in sorghum fields
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引言：长期连续高粱连作会使土壤环境恶化并导致连作障碍。本研究探讨了多样化轮作是否能维持土壤健康并改善高粱生长的土壤微环境。
方法：以连续高粱连作为对照（SSS），建立了三种轮作体系，即高粱-马铃薯-高粱（SPS）、高粱-箭舌豌豆-高粱（SVS）和高粱-豌豆苗
引言：长期连续高粱连作会使土壤环境恶化并导致连作障碍。本研究探讨了多样化轮作是否能维持土壤健康并改善高粱生长的土壤微环境。
方法：以连续高粱连作为对照（SSS），建立了三种轮作体系，即高粱-马铃薯-高粱（SPS）、高粱-箭舌豌豆-高粱（SVS）和高粱-豌豆苗-高粱（SGS）。使用Illumina NovaSeq高通量测序分析土壤理化性质、微生物群落结构和多样性，并利用FAPROTAX和FUNGuild预测功能性状，同时进行了Mantel检验和共现网络分析。
结果：所有三种轮作处理都在不同程度上改善了土壤理化性质，其中SPS的养分提升最显著。SVS显著提高了细菌丰富度和多样性，而SPS显著提高了真菌丰富度和多样性。β多样性分析显示，轮作处理与SSS显著不同，其中SVS和SGS的细菌结构相似，而SPS和SVS的真菌结构相似。功能重要的微生物类群在轮作土壤中增加，但病原菌属镰孢菌（Fusarium）在SPS中仍相对较高。Mantel检验表明，土壤pH、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）和速效钾（AK）是影响微生物群落结构的关键因子，其中AK的相关性最强。固氮和纤维素降解是主要的细菌功能，而轮作土壤中富集了腐生真菌和外生菌根真菌。共现网络分析显示，轮作网络的平均度、网络密度、模块化程度和最大连通分量均高于连作网络。
讨论：这些结果表明，多样化轮作能有效提高土壤养分水平，重塑微生物群落结构和生态功能，并支持高粱优质稳产。
土壤健康直接关系到农业可持续发展和生态安全。长期单一种植（连作）会破坏土壤微生物群落结构，使有益菌减少、病原菌如镰孢菌（Fusarium）等积累，导致连作障碍。作物轮作是缓解这一问题的绿色农艺措施。高粱是贵州仁怀市的重要经济作物，当地已形成高粱-马铃薯、高粱-箭舌豌豆、高粱-豌豆苗等“高粱+”轮作模式，但不同轮作模式对土壤微生物群落和养分循环的差异化影响仍不清楚。为此，研究人员以连续高粱（SSS）为对照，构建高粱-马铃薯-高粱（SPS）、高粱-箭舌豌豆-高粱（SVS）和高粱-豌豆苗-高粱（SGS）三种轮作体系，系统探讨多样化轮作对高粱根际土壤养分和微生物生态的影响。
研究发现，三种轮作均能改善土壤理化性质，其中SPS对养分提升最显著；SVS显著提高细菌多样性，SPS显著提高真菌多样性；轮作明显改变了细菌和真菌群落结构，富集了固氮、纤维素降解等功能类群，降低了病原菌丰度；轮作共现网络的连通性和模块化程度高于连作。这些结果说明多样化轮作通过“养分提升—群落重塑—功能分化”的级联效应改善土壤健康，为高粱稳产优质提供了支撑，并为优化轮作制度提供了科学依据。
在方法上，研究人员在贵州省仁怀市有机高粱生产基地（E106°17′、N27°42′）开展单因素随机完全区组试验，供试土壤为黄壤。采集高粱灌浆期根际土壤后测定pH、有机质（SOM）、全氮（TN）、全磷（TP）、全钾（TK）、碱解氮（AN）、速效磷（AP）和速效钾（AK）等指标；利用Illumina NovaSeq高通量测序平台对细菌16S rRNA基因V3-V4区和真菌ITS区测序，按97%相似度聚类为操作分类单元（OTU），分析群落多样性与结构；采用FAPROTAX和FUNGuild分别预测细菌和真菌功能；通过Mantel检验和共现网络分析评估环境因子与群落关系。
结果如下：
3.1 多样化轮作对高粱根际土壤理化性质的影响：与SSS相比，SPS的SOM、TN、TP、TK、AN、AP、AK均显著提高；SVS和SGS的TN、TP、AN、AP也显著提高，但pH和SOM降低。综合来看，SPS土壤养分提升效果最好。
3.2 多样化轮作对高粱根际微生物群落的影响
3.2.1 土壤微生物OTU丰度的花瓣图分析：四个处理共有细菌OTU 1812个、真菌OTU 363个。轮作处理的独有OTU数均高于SSS，其中SVS的细菌和真菌独有OTU均最多。
3.2.2 土壤微生物α多样性分析：所有处理Good's coverage>0.99。细菌丰富度（Chao1、ACE、Richness）表现为SVS>SGS>SPS>SSS；SVS的细菌Shannon、Simpson和Pielou指数最高。真菌丰富度以SVS最高、SGS最低，真菌多样性以SPS最高。
3.2.3 土壤微生物β多样性分析：基于Bray-Curtis距离的主坐标分析（PCoA）显示，轮作处理与SSS在细菌和真菌群落上均明显分离；Adonis检验（置换多元方差分析）显示处理间差异显著（细菌p=0.002，真菌p=0.001）。
3.2.4 土壤细菌结构分析：优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteriota）、酸杆菌门（Acidobacteriota）、芽单胞菌门（Gemmatimonadota）和绿弯菌门（Chloroflexi）。轮作提高了变形菌门和放线菌门的相对丰度，降低了酸杆菌门。
3.2.5 土壤真菌结构分析：优势菌门包括子囊菌门（Ascomycota）、担子菌门（Basidiomycota）等。SPS的子囊菌门相对丰度最高（90.40%），SGS的担子菌门显著富集（33.09%）。属水平上，火丝菌科（Pyronemataceae）在SVS中最高（29.12%），镰孢菌在SPS中最高（13.32%）、在SGS中最低（3.29%）。
3.3 土壤养分与微生物群落组成和多样性的相关性：酸杆菌门与TN显著负相关，芽单胞菌门与AK极显著负相关，变形菌门与TP显著正相关、与AN极显著正相关。Mantel检验显示，pH、TN、TP、TK和AK是显著影响细菌和真菌群落结构的关键因子，其中AK相关性最强。
3.4 微生物群落功能分析：FAPROTAX预测显示轮作显著提高了化能异养和好氧化能异养功能群的相对丰度；硝酸盐还原功能群在SPS最高，固氮功能群在SVS最高，纤维素降解功能群在SGS最高。FUNGuild预测显示SVS腐生真菌最高（9.84%），SPS内生菌根-地衣寄生功能群最高（13.33%），SGS外生菌根-真菌寄生功能群占优（14.08%）；SSS的植物病原真菌（6.09%）显著高于轮作处理。
3.5 微生物共现网络分析：轮作网络的平均度（5.20）、网络密度（0.0130）、模块化（0.794）和最大连通分量（49个节点）均高于连作网络（4.59、0.0115、0.738、29个节点），表明轮作提高了微生物互作网络的复杂性和稳定性。
讨论认为，轮作对养分的提升因作物类型而异：马铃薯生物量大，残茬归还多，因此SPS对有机质和总养分改善最明显；豆科作物通过生物固氮提高氮素，但也会引起局部土壤酸化，豌豆苗因收获嫩梢导致归还生物量有限，故其氮素提升效果弱于绿肥。轮作对微生物群落的影响也不同，SVS独有OTU最多可能与箭舌豌豆全株翻压提供大量易降解碳氮有关；SPS和SGS细菌多样性低于SSS则可能与轮作时间短、新物种丰度低有关。功能上，轮作激活了碳氮循环功能群，SGS降低镰孢菌丰度可能与其富集外生菌根和真菌寄生功能群有关；SPS虽养分提升最好但镰孢菌仍较高，说明其抑病作用有限，生产中需辅以抗病品种或生物防治等措施。
结论：本研究以连作高粱为对照，建立SPS、SVS和SGS三种轮作体系，系统评估了多样化轮作对高粱根际土壤养分、微生物群落结构和生态功能的影响。轮作通过“养分提升—群落重塑—功能分化”的级联效应改善了土壤健康，提高了有机质和速效养分含量，重塑了细菌和真菌群落，富集了碳氮循环相关功能类群，并增强了微生物网络的复杂性和连通性。该研究为优化轮作制度、缓解连作障碍和构建健康土壤提供了理论依据，也提示轮作设计应注重作物功能类型的合理搭配。
