论文标题：Faba bean enhances soil multifunctionality through shaping rhizosphere microbial communities in legume-cereal crop rotations

期刊：Frontiers of Agricultural Science & Engineering

作者：Yixuan CHEN, Zhijie DONG, Yu WANG, Qiong LIU, Kailu ZHANG, Ruohan YIN, Jianping Chen, Tida GE, Zhenke ZHU

发表时间： 15 Jun 2025

DOI：10.15302/J-FASE-2025604

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Jun 2025, Volume 12 Issue 2

· 第十六篇 ·

▎论文ID

Faba bean enhances soil multifunctionality through shaping rhizosphere microbial communities in legume-cereal crop rotations

蚕豆通过重塑根际微生物群落在稻豆轮作中提升土壤多功能性

文章类型：Research Article

发表年份：2025年

第一作者：陈义轩

通讯作者：祝贞科

Email: zhuzhenke@nbu.edu.cn

作者单位：宁波大学农产品质量安全全国重点实验室

Cite this article :

Yixuan CHEN, Zhijie DONG, Yu WANG, Qiong LIU, Kailu ZHANG, Ruohan YIN, Jianping Chen, Tida GE, Zhenke ZHU. Faba bean enhances soil multifunctionality through shaping rhizosphere microbial communities in legume-cereal crop rotations. Front. Agr. Sci. Eng., 2025, 12(2): 406–421 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2025604

· 文 章 摘 要 ·

轮作是一种有益且可持续的农业措施，有助于为小农户创造更多机会。本研究调查了中国常见的八种轮作方式对土壤理化性质与微生物群落的影响。其中，蚕豆 (Vicia faba) 轮作显著提高了土壤含水量、总碳、总氮、总磷和有机碳含量，增幅分别为 29.1%、40.9%、55.9%、18.9% 和 61.6%，相较于其他轮作模式更具优势。同时，蚕豆轮作还提升了土壤微生物生物量和土壤呼吸速率，其对土壤性质的影响效应也显著大于其他轮作。此外，蚕豆轮作下微生物群落的丰富度和多样性显著提高。脱硫杆菌门 (Desulfobacterota) 和浮霉菌门 (Planctomycetota) 与土壤多功能性呈显著正相关。蚕豆轮作有助于改善土壤肥力和水分利用效率，为微生物生长提供了有利的生态位。通过增强微生物活性与营养矿化潜力，轮作进一步强化了豆科植物与微生物的互作，从而提升了蚕豆轮作体系中的养分循环效率，潜在地改善了土壤性质。

· 文 章 亮 点 ·

1. 以蚕豆为基础的轮作有利于改善土壤理化性质。

2. 豆科植物种类与区域差异显著影响土壤性质的变化。

3. 在蚕豆轮作中，脱硫杆菌门和浮霉菌门显著富集。

4. 共现网络分析揭示了不同的关键OTUs和豆科敏感OTUs。

· Graphical abstract ·

· 研 究 内 容 ·

土壤是农业和生态系统功能的基础，维系着植物生长、养分循环和微生物栖息。然而，近年来人类活动和气候变化引发的土壤退化问题日益加剧，如侵蚀、养分耗竭和有机质流失等，严重威胁着土壤健康与农业可持续性。为此，科学合理的土壤管理措施，如轮作、养分调控和土壤监测等，被广泛应用于提升土壤质量和生态系统服务功能。豆科作物轮作因其独特的生态功能受到广泛关注。豆科植物通过与固氮微生物形成共生关系，可显著降低化肥需求，提升土壤氮素供给与有机质含量，促进有益微生物生长，改善土壤结构与肥力。

当前研究多集中于单一豆科作物轮作效应，缺乏对不同豆科轮作体系在土壤健康提升机制方面的系统比较。因此，本研究采集中国多个地区的豆科轮作土壤样品，旨在比较不同豆科轮作对土壤理化性质与微生物群落的影响特征，揭示其调控土壤健康的关键微生物机制，为优化轮作结构、提升土壤多功能性和作物生产力提供理论支撑。

本研究评估了不同豆科轮作体系下的土壤理化性质与土壤多功能性，发现蚕豆轮作在提升土壤水分、碳氮磷养分及微生物活性方面表现最优。混合效应模型和随机森林分析显示，豆科种类和区域是影响土壤特性的主要因子，而气候则与土壤总碳 (TC)、微生物生物量碳氮 (MBC、MBN)、酶活性 (BG、CBH) 和总磷 (TP) 等指标相关。蚕豆轮作下土壤多功能性显著高于其他轮作 (图1)。微生物活性高、呼吸强度大和团聚体形成能力强可能解释了蚕豆轮作中土壤养分的提升 (图2)。这说明蚕豆可促进有机氮与磷的矿化，并有助于稳定土壤有机碳 (SOC)。

图1 (a) 蚕豆与其它豆科轮作土壤性质的方差分析；(b) 蚕豆与其它豆科轮作土壤健康指数；(c) 土壤健康指数与豆科作物种类的线性相关分析。

图2 (a) 不同豆科轮作的土壤性质效应量分析和 (b) 随机森林分析，(c) 土壤性质与豆科轮作之间Person相关热图以及其与预测因子重要性的关系。

豆科轮作是应对气候变化的智慧农业措施，能显著提高土壤微生物活性和多样性。本研究中，蚕豆与菜豆 (Phaseolus vulgaris) 轮作α-多样性较高，说明其能创造有利的微生物生境，提升土壤质量 (图3)。然而，与蚕豆相比，菜豆轮作对土壤功能的改善幅度较小。菌门水平上，主导群落包括放线菌门 (Actinobacteria)、变形菌门 (Proteobacteria)、绿弯菌门 (Chloroflexi)、酸杆菌门 (Acidobacteria) 和浮霉菌门，但轮作之间无显著差异 (图4)。

图3 (a)不同豆科轮作下土壤细菌和真菌的α 多样性；(b) 进行基于 Bray-Curtis距离的细菌；(c) 真菌群落组成主坐标分析。

图4 不同豆科轮作下土壤 (a) 细菌和 (b) 真菌水平的群落组成。

共现网络分析揭示了蚕豆轮作中关键菌门如脱硫杆菌门、浮霉菌门和MBNT15等在微生物互作中的核心作用。其中，大豆轮作中MBNT15、硝化螺旋菌门 (Nitrospirota) 等与氮相关功能群显著富集，表现出更强的氮循环潜力和网络复杂性 (图5)。

图5 (a) 共现网络分析；(b) 环境因子与微生物群落的Spearman相关性分析及Mantel检验；(c) 随机森林分析土壤性质与细菌；(d) 真菌群落的预测因子重要性及Pearson相关性热图。

随机森林与线性回归分析表明，脱硫杆菌门与有效磷、磷酶活性呈正相关，浮霉菌门与氮素利用指标 (如NAG) 和可利用氮显著相关，MBNT15则与SOC、MBC等多项功能性指标密切相关 (图6)。在蚕豆轮作中，这些关键菌门丰度显著高于菜豆轮作，显示其在养分矿化与植物促生中发挥重要作用。相反，在红小豆轮作中，浮霉菌门丰度显著下降，土壤SOC、TN、TP和Olsen-P含量也较低，提示其可能在豆类相关养分循环中具有重要调控作用。

图6 (a) 不同轮作体系中对豆科轮作敏感OTUs差异共现网络分析；(b) 轮作敏感模块中细菌的累积相对丰度；(c) 豆科轮作敏感 OTUs 的分类组成；(d) 基于Bray-Curtis距离豆科轮作敏感OTUs的主坐标分析；(e) 豆科轮作敏感OTUs与环境因子之间Mantel检验。

· 结 论 与 展 望 ·

本研究有助于深化对豆科植物与其相关微生物群落之间复杂互作关系的理解，揭示了以蚕豆为基础的轮作体系对土壤多功能性的潜在影响。研究发现，蚕豆轮作在一定程度上改善了土壤物理性质和养分含量，但其效果受区域与气候条件的影响。此外，蚕豆轮作显著提高了脱硫杆菌门和浮霉菌门的丰度以及微生物活性，这可能在其促进土壤多功能性中发挥了关键作用。这些结果丰富了我们对蚕豆轮作下微生物组与土壤多功能性互作机制的认识，表明豆科轮作，尤其是蚕豆轮作，有助于推动可持续农业实践，并为制定提升土壤质量与生态系统服务的轮作策略提供理论支持。

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