论文标题：Soil health and microbial network analysis in a wheat-maize cropping system under different wheat yields

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Xinzhan SUN, Tengteng LI, Jiangzhou ZHANG

发表时间：15 Dec 2024

DOI：10.15302/J-FASE-2024570

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Dec 2024, Volume 11 Issue 4

▎论文ID

Soil health and microbial network analysis in a wheat-maize cropping system under different wheat yields

不同小麦产量下麦玉轮作体系中的土壤健康与微生物网络分析

文章类型：Research Article

发表年份：2024年

第一作者：孙新展¹

通讯作者：张江周^2,1

Email: zjzky2010@163.com

作者单位：1. 中国农业大学资源与环境学院，国家农业绿色发展研究院；2. 内蒙古农业大学资源与环境学院。

Cite this article :

Xinzhan SUN, Tengteng LI, Jiangzhou ZHANG. Soil health and microbial network analysis in a wheat-maize cropping system under different wheat yields. Front. Agr. Sci. Eng., 2024, 11(4): 615–625 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2024570

· 摘 要 ·

健康的土壤对农业可持续发展至关重要，而土壤微生物群是调控土壤健康的关键。但是目前对不同小麦产量下土壤健康综合评价和微生物群落结构分析的研究较少。小麦产量以3.75、6.00、8.25和10.1 t·ha−1分为低产 (Y1)、中产 (Y2)、高产 (Y3) 和最高产 (Y4) 四个类别，本研究采集了0–15 cm和15–30 cm两个土层深度的麦田土壤样品，并测定了土壤理化指标、酶活性和微生物群落。结果表明，产量水平和土壤深度对土壤有机碳、全氮、矿质氮、速效钾、酶活性和土壤细菌群落均有显著影响。在0–15 cm和15–30 cm土层 (Y1除外)，Y4产量下的土壤健康指数 (0.51–0.87) 均显著高于Y3 (0.39–0.63)、Y2 (0.27–0.45) 和Y1 (0.21–0.52)。0–15 cm土壤健康指数与小麦产量呈显著相关，15–30 cm土壤健康指数与小麦产量无显著相关。Y4产量下的细菌和真菌网络结构更为复杂，且连接紧密。放线菌、太古菌和子囊菌是土壤健康的关键驱动因素。据此，微生物具有改善土壤健康和调控作物产量的潜力。

· 文 章 亮 点 ·

1. 提高土壤健康可以提高小麦产量。

2. 小麦高产田土壤细菌和真菌网络更为复杂。

3. 0–15 cm深度土壤健康指数与小麦产量呈正相关。

4. 放线菌门、太古菌门和子囊菌门是土壤健康的重要驱动因素。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

▎引言

中国近70%的耕地属于中低产田，且存在土壤酸化、地下水污染和温室气体排放等严重问题，改善或保持良好的土壤质量对提高作物生产力具有重要意义。目前许多对粮食作物的研究主要集中在表层土壤（0–20 cm），并没有研究深层土壤健康与作物生产力之间的关系。然而，深层土壤也是作物生长的关键，具有不同于表土的理化特征和微生物群落结构。因此，从表层土和深层土两个方面研究土壤健康刻不容缓。华北平原主要以冬小麦–夏玉米轮作体系种植，本研究在曲周县小麦收获季节进行采样。研究目标：(1) 评估4个小麦产量水平表层土和深层土的土壤健康状况；(2) 揭示微生物分类群与土壤健康之间的联系。

▎结果

1. 土壤化学性质和酶活性

不同产量水平土壤有机碳、全氮、硝态氮、有效磷和速效钾浓度及酶活性存在显著差异。

2. 土壤微生物群落组成

产量水平和土壤深度对细菌群落组成均有显著影响，但只有产量水平对土壤真菌群落组成有显著影响。对于细菌而言，门水平上的优势门是变形菌门、酸性菌门、放线菌门、绿藻门、厚壁菌门、植物菌门和拟杆菌门。真菌以子囊菌门、担子菌门和合菌门为主 (图1)。

图1 不同产量水平下麦田土壤中高丰度的细菌 (a) 和真菌 (b)。

3. 土壤健康和小麦产量的关系

不同产量水平土壤健康指数差异显著 (图2)。在0–15 cm处，Y4的土壤健康指数显著高于其他产量水平，Y3的土壤健康指数高于Y1，但Y2与Y3之间没有差异。在15–30 cm处，Y4的土壤健康指数高于Y2和Y3， Y1的土壤健康指数高于Y2，但Y2与Y3之间没有显著差异。线性回归分析显示，0–5 cm土壤健康指数与小麦产量呈正相关 (R² = 0.911, P < 0.05)，而15–30 cm土壤健康指数与小麦产量无显著相关 (图3)。

图2 在0–15 cm和15–30 cm深度不同产量水平下麦田的土壤健康指数。

图3 土壤健康指数和小麦产量之间的线性回归分析。

4. 土壤微生物群落组成

共现网络分析表明，与Y1和Y2相比，Y3和Y4的土壤细菌和真菌群落的边数更多，平均路径长度更短 (图4)。Y3或Y4的细菌和真菌网络结构更复杂，联系更紧密。随机森林模型分析，放线菌、太古菌和子囊菌是驱动土壤健康的重要微生物类群 (图5)。

图4 不同产量水平小麦土壤细菌 (a) 和真菌 (b) 群落的共现网络图。

图5 随机森林回归模型显示不同微生物门对土壤健康指数的重要性。

▎讨论

1. 土壤健康与不同土层

正如预期的那样，在0–15 cm和15–30 cm深度，Y4的土壤健康指数高于其他产量水平 (Y1除外)。土壤健康指数与0–15 cm深度的小麦产量呈正相关。当前的研究结果强调了健康土壤对提高生产力的重要性。15–30 cm土层，土壤健康指数与小麦产量之间不存在显著的相关关系，是因为不同产量麦田深层土壤健康指数差异较小。这可能是由于Y1土壤物理结构不良导致养分从表土淋滤到底土。另一个原因可能是低产田作物根系发育较少，对地下土壤矿质养分吸收较少，导致Y1土壤养分浓度不低于其他产量水平。土壤养分浓度用于计算土壤健康指数，Y1与Y4之间差异不显著。说明Y1土壤健康指数高并不意味着产量高，但低产田中较高的土壤健康指数是保障一定产量的重要前提。因此，在集约化农业系统中，深层土壤管理对于实现高产也很重要。

2. 土壤健康与微生物

我们的研究结果还揭示了Y3和Y4的微生物网络更为复杂和紧密。复杂的微生物网络有助于固碳、养分循环、促进植物生长和抗非生物胁迫，有利于提高产量。此外，Y4的土壤细菌网络包括芽孢杆菌，这是一种潜在的有益细菌，可以产生生长素促进植物生长。然而，Y1、Y2和Y4的网络包括潜在病原体镰刀菌，Y3的网络包括潜在病原体Acremonium。这些潜在的土壤病原菌可能抑制Y1、Y2和Y3环境下小麦产量的提高。与Y1、Y2和Y3不同，Y4的土壤也富含有益菌芽孢杆菌。进一步的分析显示，芽孢杆菌和镰刀菌的相对丰度在Y4中呈负相关，表明有益细菌和病原体之间存在权衡。

本研究还发现与土壤健康相关的分类群中，Thaumarchaeota、放线菌门 (Actinobacteria) 和子囊菌门 (Ascomycota) 数量最多。在本研究采样点中，小麦收获后秸秆还田，这可能有助于Thaumarchaeota成为与土壤健康相关的丰富微生物分类群之一。放线菌具有许多生物活性，包括分解有机物和促进植物生长，也是与土壤和植物健康相关的丰富分类群之一。同时子囊菌门是土壤健康指数较高、真菌数量最多的关键种，它是一种r策略真菌，其典型特征是快速生长，在含碳量高的土壤中大量存在。最高产的农田有机碳含量高于其他产量水平，子囊菌的相对丰度也高于其他产量水平。总之，丰富的微生物类群对土壤健康和作物产量至关重要。因此，建议采用生物有机肥施用、覆盖作物、免耕、残茬保留和轮作等农业措施来改善土壤微生物网络、土壤健康和生产力。

· 结 论 ·

在农业生产中，改善表层土壤健康指数有利于提高小麦产量。与低产小麦田相比，最高产量小麦田 (10.1 t·ha^–1) 具有更复杂的土壤细菌和真菌网络。放线菌群、太古菌群和子囊菌群是改善土壤健康的潜在重要驱动力。

【作者及团队介绍】

孙新展，中国农业大学资源与环境学院博士后，助理研究员。主要从事土壤健康、根际微生态、植物-微生物互作等方面研究。目前主持中国博士后科学基金、国家重点研发项目子课题等项目。相关工作以第一作者或合作者身份发表在Frontiers in Microbiology, Frontiers of Agricultural Science and Engineering, Frontiers in Ecology and Evolution, Allelopathy Journal等期刊。现为中国植物营养与肥料学会会员。

张江周，内蒙古农业大学资源与环境学院副教授，硕士生导师，内蒙古自治区高层次引进人才，福建省高层次人才 (C类)。主要从事土壤健康、养分综合管理和耕地产能提升等方面研究。目前主持国家自然科学基金、省部级重点研发计划，参加国家重点研发项目等10余项。相关工作以第一作者或通讯作者发表在Land Degradation & Development, Applied Soil Ecology, Agriculture、Ecosystems & Environment，Geoderma，《土壤学报》等期刊，主编专著3部。现任《土壤学报》青年编委、《热带作物学报》青年编委。

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