東北地理所在保護性耕作土壤微生物群落網絡及裝配機制研究取得進展
東北黑土是我國重要的土壤資源，在保障國家糧食安全和生態安全上具有重要地位。然而由于長期不合理的傳統農業耕作模式，導致土壤侵蝕、土壤有機質下降、土壤養分和水分庫容變小，土壤退化問題嚴重。近年來，以減少耕作頻率及秸稈還田為核心的保護性耕作技術被廣泛應用，保護性耕作通過增加外源有機物輸入、減少土壤擾動，有效降低了土壤侵蝕強度，促進了土壤有機質的形成與穩定，保障了農業生產可持續發展。土壤微生物是土壤-植物系統能量流的主要驅動者，其通過調節土壤生物地球化學循環和植物對養分的吸收過程，在農業生態系統中發揮重要作用。因此，開展土壤微生物對耕作方式的響應機制研究，對優化合理耕作措施，改善土壤生態環境意義重大。
東北地理與農業生態研究所農田分子生態學科組和黑土有機碳與保護性耕作學科組，對免耕（NT）、少耕（RT）和傳統耕作（MP）處理下土壤微生物群落組成、裝配過程和分子網絡結構進行解析，探討了保護性耕作下黑土農田土壤微生物群落結構演替及發生機制對土壤質量和作物生產力的影響。研究結果表明，不同耕作方式顯著改變了根際和非根際土壤微生物群落，與傳統耕作MP相比，保護性耕作NT和RT顯著增加了硝化菌Nitrosospira sp.和固氮菌Mesorhizobium sp., Bradyrhizobium sp.和Burkholderia sp.相對豐度，但降低了具有有機質物分解功能的Blastococcus sp., Streptomyces sp.和Sphingomonas sp.相對豐度。網絡分析和隨機森林分析發現，上述功能菌在NT和RT處理中被注釋為關鍵物種（keystone taxa），這表明保護性耕作更有助于土壤碳固定，并促進土壤的生物固氮和硝化作用（圖1）。
耕作方式顯著改變了土壤微生物群落的裝配過程。MP處理下細菌群落裝配的隨機過程，特別是同質性擴散（homogenizing dispersal），顯著高于NT和RT，這可能是由于MP較強的土壤擾動，導致微生物的擴散速率增加（圖2）。微生物分子生態網絡表明，RT較NT和MP形成更穩定的網絡結構，且RT有助于提高關鍵物種（keystone taxa）介導的土壤養分有效性，緩解植物病原菌的生態風險，而MP網絡中的核心物種大多為潛在的植物病原菌。結構方差模型（SEM）分析結果顯示，MP處理引起潛在病原微生物及相互間正向關聯性作用，而RT處理具有較穩定的微生物網絡結構，無效的病原菌傳播路徑減少，導致RT產量高于MP（圖3）。
相關研究成果分別發表在Agriculture, Ecosystems and Environment、Frontiers in Microbiology和Plant and Soils上。研究得到中國科學院先導A“黑土糧倉”科技會戰專項（XDA28070302）、中國科學院前沿科學重點研究計劃項目（QYZDB-SSW-DQC035）和國家自然科學基金項目（42177105）聯合資助。
圖1 不同耕作方式土壤微生物共線性網絡分析圖譜
圖2不同耕作方式土壤細菌群落裝配過程分析圖譜
圖3 不同耕作方式土壤理化與關鍵物種影響作物產量的結構模型圖譜
論文信息：
Xiaojing Hu, Aizhen Liang*, Qin Yao, Zhuxiu Liu, Zhenhua Yu, Guanghua Wang, Junjie Liu*. Ridge tillage improves soil properties, sustains diazotrophic communities, and enhances extensively cooperative interactions among diazotrophs in a Clay Loam soil. Frontiers in Microbiology. 2020, 11: 1333.
Xiaojing Hu, Junjie Liu*, Aizhen Liang, Lujun Li, Qin Yao, Zhenhua Yu, Yansheng Li, Jian Jin, Xiaobing Liu, Guanghua Wang*. Conventional and conservation tillage practices affect soil microbial co-occurrence patterns and are associated with crop yields. Agriculture, Ecosystems and Environment. 2021, 319: 107534.
Zhuxiu Liu, Haidong Gu, Aizhen Liang, Lujun Li, Qin Yao, Yanxia Xu, Junjie Liu*, Jian Jin. Xiaobing Liu, Guanghua Wang. Conservation tillage regulates the assembly, network structure and ecological function of the soil bacterial community in black soils. Plant and Soil. DOI: 10.21203/rs.3.rs-580080/v1.
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