间作对土壤微生物多样性和群落网络的影响

《Frontiers in Microbiology》：Effect of intercropping on soil microbial diversity and community network

　　提高土壤微生物多样性及网络稳定性的小麦-大豆间作系统研究。

　　
该研究聚焦于小麦-大豆间作系统对土壤微生物群落结构及功能的影响，通过多维度实验设计与系统分析，揭示了间作模式在调控土壤微生物多样性和网络稳定性中的关键作用。研究采用 randomized block design 在宁夏灵武地区开展田间试验，设置小麦（W）、大豆（S）及6:2小麦-大豆间作（SW）三种处理，同步采集根际（rhizosphere）和 bulk 土壤样本，结合理化性质检测与宏基因组测序技术，系统解析了不同耕作模式对土壤微生物群落的塑造机制。

**研究背景与意义**
土壤微生物作为生态系统功能的核心驱动者，其群落结构直接关联着养分循环、有机质分解及作物抗病性等关键过程。传统单作系统因养分利用单一化和生态服务功能趋近极限，已难以适应资源约束条件下的农业可持续发展需求。间作系统通过空间资源竞争与互利共生，可能重构土壤微生物网络结构并提升系统稳定性。该研究选择我国北方主粮区代表性作物组合，旨在揭示间作模式对微生物群落的动态调控效应，为构建以生物多样性为纽带的可持续耕作体系提供理论支撑。

**实验设计与技术创新**
研究采用三重复的随机区组设计，在宁夏典型旱作农业区建立试验田，通过精准调控播种密度（小麦12 cm/行，大豆30 cm/行+10 cm株距）、施肥方案（基施复合肥+追施尿素）及水分管理（4次关键期灌溉），模拟真实生产场景。采样阶段选择小麦开花期（4-6月关键生长期），同步采集根际与 bulk 土壤样本，创新性地采用“两步分离法”纯化根际土壤，有效区分了植物根系分泌物与土壤背景基质的影响。在微生物分析层面，通过16S rRNA（V3-V4区）和18S rRNA（V4区）靶向测序，结合DADA2算法实现高精度 ASV 分辨，首次在北方旱作区构建了细菌（55,605 ASVs）与真核生物（1,799 ASVs）的跨门类联合分析框架。

**核心发现与机制解析**
1. **微生物多样性响应模式**
细菌α多样性（Shannon 指数68.7%提升）显著高于真核生物（仅SW处理在属水平出现特异性物种富集）。这种差异可能与真核微生物更依赖稳定的有机质输入有关，而间作系统通过互补的根系分泌物（小麦富含碳源，大豆分泌氮磷富集物质）显著改变了根际微环境，进而选择性塑造不同微生物类群。

2. **网络拓扑特征与稳定性**
构建的共现网络显示，SW系统在细菌网络中表现出最高的正互作密度（1227条），同时通过负互作（1019条）构建冗余连接。在真核生物网络中，SW系统达到1.0的复杂度指数（细菌为0.95），且当随机移除50%节点时，剩余网络连接度（0.331）较S（0.240）和W（0.219）分别提升37.8%和51.4%。这种“复杂-稳定”的共生结构，可能源于间作系统中作物间资源竞争与互补的协同效应。

3. **理化驱动因子的靶向解析**
dbRDA分析揭示总磷（TP）、有效磷（AP）、pH及易氧化碳（EOC）是驱动细菌群落的核心因子（累计解释度45.6%）。值得注意的是，TP在SW系统中较S提升20.6%，这暗示大豆根系可能通过生物固氮作用提升土壤磷有效性。对于真核生物，EOC（易氧化碳）的解释度高达51.9%，表明间作系统通过增强有机碳周转效率，为真核微生物提供了更稳定的碳源支持。

4. **关键类群的功能分化**
细菌群落中Pseudomonadota（变形菌门）占比达32.2%-82.1%，其功能多样性受AP（有效磷）和pH显著调控。SW系统通过提升AP（较W提高15.0%）和降低pH（较S下降0.3单位），激活了以Gemmatimonadota（单细胞古菌门）为代表的产甲烷相关菌群，其LDA效应值达3.74（p<0.05）。真核生物方面，SW系统特有的Thaumatomonadida（弹杆虫纲）在LDA分析中达到4.38分值，这类鞭毛虫通过分泌胞外酶参与有机质分解，可能成为间作系统功能优化的指示生物。

**理论贡献与实践启示**
本研究首次系统揭示了北方旱作区间作模式对微生物网络复杂度与稳定性的协同调控机制：间作通过资源互馈机制（小麦提供碳骨架，大豆分泌磷活化物质）创造多维度的生态位分化，使得SW系统在细菌（Shannon指数提升68.7%）和真核生物（网络复杂度达1.0）层面均表现出超越单作的性能。这种“结构-功能”的强耦合关系，为精准调控农田微生物群落提供了理论模型——当系统复杂度（网络连接密度）与稳定性（抗干扰能力）达到最优平衡时，其功能输出效率可提升30%以上。

**局限性与未来方向**
研究存在两个显著局限：其一，样本采集集中在单一生长阶段（开花期），未能捕捉全年动态变化；其二，网络功能解析停留在结构描述层面，缺乏代谢通路与功能模块的深度关联。建议后续研究采用时间序列采样（如分蘖期、抽穗期、成熟期），结合代谢组学与碳氮循环模型，量化微生物网络结构与功能输出（如酶活性、C/N转化效率）的因果关系链。

该成果为我国《全国土壤科学与农业可持续发展规划（2023-2030）》中“构建以间作轮作为核心的低碳农田系统”提供了关键证据链。特别是在西北旱作区，SW系统通过提升TP（总磷）和AP（有效磷）的同时维持pH中性（7.8），这种“增磷-稳酸”的协同效应可能打破传统单作导致的土壤养分耗竭与酸化恶性循环，为全球半干旱农业区提供可复制的生态耕作范式。