长期有机培肥模式重塑小麦-玉米轮作体系下土壤微食物网结构及多营养级共现网络

《Agronomy》：Long-Term Organic Amendment Regimes Reshape Soil Micro-Food Web Structure and Multitrophic Co-Occurrence Networks in a Wheat–Maize Rotation

　　

有机培肥可提升土壤碳储量、养分有效性与作物产量，尤其在有机质偏低、保肥能力弱的紫色土中效果显著，并可能改变土壤微食物网过程。然而不同培肥物料如何影响细菌-真菌-线虫关联仍不清楚。研究人员假设：相较于单施矿质肥料，有机培肥能改善土壤养分条件、重塑细菌与真菌群落并提高食微生物线虫丰度，而有机-无机配施将提升多营养级共现网络复杂度。在2003年始建于四川绵阳中科院盐亭紫色土农业生态试验站的小麦-玉米长期轮作田间试验中，研究人员于2023年两季采样，设7处理：不施肥（NF）、矿质施肥（NPK）、单施猪粪（OM）、单秸秆还田（RSD）、猪粪配施矿质（OMNPK）、秸秆配施矿质（RSDNPK）、生物炭配施矿质（BCNPK）。有机培肥中仅RSD较NPK减产；施肥主要改变微生物群落组成与线虫营养结构，微生物α多样性变化不大；网络组织因施肥制度与作物季节而异。该研究揭示了长期有机培肥模式对作物生产力、土壤资源条件及土壤微食物网的差异化调控，增进了对小麦-玉米两季地下多营养级响应的理解。

研究背景方面，农业生态系统对人类生存与粮食生产至关重要，西南地区紫色土虽支撑集约化小麦-玉米生产，但土层浅、径流活跃、有机质低，制约养分滞留与地力维持。长期单施矿质肥可缓解养分限制却难补有机质、削弱土壤生物资源基础；猪粪、秸秆、生物炭三类有机物料在资源可利用性与持久性上差异显著，且既往研究多孤立看待微生物或线虫，对细菌-真菌-线虫多营养级协同及共现网络认识不足。为此，研究人员依托同一长期施肥平台，跨小麦与玉米两季评估矿质肥、有机培肥及有机-无机配施对微生物群落组成、线虫营养结构与跨域共现网络的调控。

关键技术方法上，研究人员采用2003年起设于四川绵阳紫色土区的完全随机区组田间试验，7处理各3重复永久小区（4 m×8 m），2023年5月（小麦季）与9月（玉米季）各采0–20 cm土层混合样；土壤理化和微生物生物量碳（MBC）按标准法测定，有机碳分馏为颗粒有机碳（POC）与矿物结合有机碳（MAOC）；微生物DNA提取后扩增细菌16S rRNA V3–V4区与真菌ITS区并高通量测序生成ASV；线虫经改良Baermann漏斗法提取、镜检至属级并归为食细菌、食真菌、植物寄生、杂食-捕食四类及cp值；共现网络以属级相对丰度经WGCNA构建（|r|>0.30且校正p<0.05），计算节点度与自然连通度等拓扑参数；统计上用线性混合效应模型、PERMANOVA、RDA与Mantel检验关联环境因子。

研究结果部分，3.1节作物产量与土壤理化性质表明，RSD两季均较NPK显著减产，其余有机处理产量与NPK相当；OM提升TN、AN、POC、MAOC、SOC与MBC最显著，RSDNPK提高AN、MAOC与MBC，BCNPK增加POC、MAOC、SOC，多数有机处理pH低于NF且RSDNPK低于NPK。3.2节分类组成显示两季优势菌门（放线菌门、变形菌门、酸杆菌门）与优势真菌目（肉座菌目、粪壳菌目）总体稳定，但RSD及RSDNPK在小麦季提酸杆菌门、降放线菌门，RSD富集Helotiales；线虫在小麦季多以Acrobeloides为主、OM下Pratylenchus占优，玉米季多转为Pratylenchus优势。3.3节α多样性指出细菌Simpson均匀度在有机处理常高于NPK，其余微生物与线虫α指数无显著差异，说明组成改变不与α多样性同步。3.4节群落结构（PCoA/PERMANOVA）显示施肥处理在两季均显著分离细菌与真菌群落（R²约0.48–0.51），小麦季线虫群落也显著分离（R²=0.384），玉米季线虫组成无显著处理差异。3.5节线虫营养结构与微食物网指数表明，小麦季RSDNPK总线虫数最高，并提升食真菌与杂食-捕食者丰度及成熟度指数（MI）、结构指数（SI），NPK basal index（BI）最高；玉米季植物寄生类占比上升，OM通道指数（CI）最高暗示真菌主导分解，RSD与OMNPK富集指数（EI）高于NPK。3.6节多营养级共现网络显示正向关联为主、线虫节点连通性偏高；小麦季RSDNPK节点边最多、稳健性最强，OM最低，有机-无机配施下食真菌线虫连通性更突出；玉米季BCNPK复杂度与稳健性最高，RSDNPK密度最高，RSDNPK与BCNPK下子囊菌等真菌高连通节点更显著。3.7节环境关联中，Spearman与Mantel检验指总线虫及食真菌线虫丰度与TN、SOC、MAOC、MBC正相关，与pH负相关；RDA解释细菌18.14%、真菌23.30%、线虫12.45%变异，作物产量与真菌及线虫组成显著关联，TN、MBC、SWC分别驱动微生物群落。

讨论部分总结，研究人员指出RSD减产源于高C/N引发微生物夺氮，而RSDNPK靠矿质补氮维持产量却伴pH下降；有机培肥重塑微生物组成但不提α多样性，酸杆菌门与Helotiales响应秸秆慢解碳；线虫季节切换（小麦季食细菌主导、玉米季植物寄生主导）强于微生物，RSDNPK小麦季促自由生活线虫与网络复杂化，BCNPK玉米季凭持久碳提升网络稳健；有机物料资源属性（粪源易利用、秸秆高C/N、生物炭持久多孔）决定网络关键类群而非单纯资源量。结论部分翻译：在2023年小麦-玉米两季中，多数有机培肥处理产量与NPK相当，仅单施秸秆减产；有机培肥主要通过改变微生物组成、线虫营养结构与多营养级网络组织而非α多样性来影响微食物网；产量与细菌、真菌、线虫群落组成均显著关联；OM最利土壤氮碳累积，RSD限土壤资源响应但提食真菌与杂食-捕食者比例；RSDNPK在小麦季响应最广（总线虫、食真菌、杂食-捕食者丰度及网络复杂度最高），玉米季其响应限于食真菌与杂食-捕食者，而BCNPK网络复杂度最高；作物生产力、土壤养分累积与生物响应在不同有机培肥间并非耦合。因仅2023年单年采样，需多年重复验证；后续应厘清组分互作与协同机制。论文发表于《Agronomy》。