東北地理所在保護(hù)性耕作土壤微生物群落網(wǎng)絡(luò)及裝配機(jī)制研究取得進(jìn)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(tài)安全上具有重要地位。然而由于長期不合理的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作模式，導(dǎo)致土壤侵蝕、土壤有機(jī)質(zhì)下降、土壤養(yǎng)分和水分庫容變小，土壤退化問題嚴(yán)重。近年來，以減少耕作頻率及秸稈還田為核心的保護(hù)性耕作技術(shù)被廣泛應(yīng)用，保護(hù)性耕作通過增加外源有機(jī)物輸入、減少土壤擾動(dòng)，有效降低了土壤侵蝕強(qiáng)度，促進(jìn)了土壤有機(jī)質(zhì)的形成與穩(wěn)定，保障了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。土壤微生物是土壤-植物系統(tǒng)能量流的主要驅(qū)動(dòng)者，其通過調(diào)節(jié)土壤生物地球化學(xué)循環(huán)和植物對(duì)養(yǎng)分的吸收過程，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。因此，開展土壤微生物對(duì)耕作方式的響應(yīng)機(jī)制研究，對(duì)優(yōu)化合理耕作措施，改善土壤生態(tài)環(huán)境意義重大。
東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組和黑土有機(jī)碳與保護(hù)性耕作學(xué)科組，對(duì)免耕（NT）、少耕（RT）和傳統(tǒng)耕作（MP）處理下土壤微生物群落組成、裝配過程和分子網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析，探討了保護(hù)性耕作下黑土農(nóng)田土壤微生物群落結(jié)構(gòu)演替及發(fā)生機(jī)制對(duì)土壤質(zhì)量和作物生產(chǎn)力的影響。研究結(jié)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(tǒng)耕作MP相比，保護(hù)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(duì)豐度，但降低了具有有機(jī)質(zhì)物分解功能的Blastococcus sp., Streptomyces sp.和Sphingomonas sp.相對(duì)豐度。網(wǎng)絡(luò)分析和隨機(jī)森林分析發(fā)現(xiàn)，上述功能菌在NT和RT處理中被注釋為關(guān)鍵物種（keystone taxa），這表明保護(hù)性耕作更有助于土壤碳固定，并促進(jìn)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(xì)菌群落裝配的隨機(jī)過程，特別是同質(zhì)性擴(kuò)散（homogenizing dispersal），顯著高于NT和RT，這可能是由于MP較強(qiáng)的土壤擾動(dòng)，導(dǎo)致微生物的擴(kuò)散速率增加（圖2）。微生物分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)表明，RT較NT和MP形成更穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，且RT有助于提高關(guān)鍵物種（keystone taxa）介導(dǎo)的土壤養(yǎng)分有效性，緩解植物病原菌的生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)，而MP網(wǎng)絡(luò)中的核心物種大多為潛在的植物病原菌。結(jié)構(gòu)方差模型（SEM）分析結(jié)果顯示，MP處理引起潛在病原微生物及相互間正向關(guān)聯(lián)性作用，而RT處理具有較穩(wěn)定的微生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無效的病原菌傳播路徑減少，導(dǎo)致RT產(chǎn)量高于MP（圖3）。
相關(guān)研究成果分別發(fā)表在Agriculture, Ecosystems and Environment、Frontiers in Microbiology和Plant and Soils上。研究得到中國科學(xué)院先導(dǎo)A“黑土糧倉”科技會(huì)戰(zhàn)專項(xiàng)（XDA28070302）、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計(jì)劃項(xiàng)目（QYZDB-SSW-DQC035）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42177105）聯(lián)合資助。
圖1 不同耕作方式土壤微生物共線性網(wǎng)絡(luò)分析圖譜
圖2不同耕作方式土壤細(xì)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(guān)鍵物種影響作物產(chǎn)量的結(jié)構(gòu)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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