科研 | 中国农业大学Plant and Soil：间作通过改变土壤微生物群落结构增加土壤大团聚体
编译：田秀丽，编辑：小菌菌、江舜尧。
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间作在提高体系生产力、促进土壤养分活化和作物吸收利用、改变土壤微生物群落结构等方面起到了重要作用。近来发现间作还可以改善土壤结构和化学性质，尤其在土壤团聚体和有机质方面，但其机制尚不清楚。研究人员认为作物多样性提高土壤团聚体的机制可能与土壤微生物群落结构有关。
为了探究多样性种植体系中土壤团聚体与土壤微生物群落结构之间的关系，研究人员以西北绿洲的三个始于2009年的长期定位实验为基础，以蚕豆/玉米、鹰嘴豆/玉米、大豆/玉米及油菜/玉米间作体系为研究对象，了解不同种植方式和间作模式对土壤水稳性团聚体比例、土壤微生物量和群落组成的影响，并阐明二者之间的潜在联系。
首先通过长期定位试验发现长期间作种植能够改善土壤结构，土壤水稳性大团聚体（> 2 mm）平均增加27.9%-43.8%。长期间作种植改变了土壤中真菌和细菌生物量、相对多度和群落组成。其中间作种植增加了土壤中总真菌和非菌根真菌生物量，但是对土壤细菌和菌根真菌生物量没有显著影响，且间作种植对土壤真菌细菌群落结构组成有显著影响。
进一步利用结构方程模型（SEM）构建作物多样性、土壤水稳性大团聚体和土壤微生物群落组成之间的潜在联系，发现在三个定位实验中不同土壤类型上团聚体增加的微生物途径不同。新开垦风沙土上，间作种植通过降低硝化螺旋菌（Nitrospirae）相对多度进而增强了对大团聚体形成的直接效应。中肥力土壤上，间作种植通过增加土壤中的丛枝菌根真菌生物量进而促进了对大团聚体的形成。高肥力土壤上，间作种植通过增加土壤中的粪壳菌目（Sordariales）相对多度进而促进了大团聚体的形成。
该研究发现间作通过作物物种多样性驱动土壤微生物群落结构的改变，进一步改善了土壤团聚体状况。本文揭示了不同土壤上，间作改善土壤团聚体的不同微生物途径，为长期间作种植改善土壤结构提出了新的认识。
论文ID
原名：Crop diversity facilitates soil aggregation in relation to soil microbial community composition driven by intercropping
译名：间作驱动土壤微生物群落结构改变，从而改善土壤团聚体状况
期刊：Plant and Soil
IF：3.736
发表时间：2019.1
通信作者：李隆
通信作者单位：中国农业大学资源与环境学院
实验设计
本研究基于2009年在宁夏红寺堡（新开垦土壤，试验一）、甘肃靖远（开垦20年，试验二）和甘肃武威（开垦100年以上，试验三）开始的三个长期定位试验，在试验进行的第7-8年（2015-2016年）研究间作种植增加土壤团聚体与土壤微生物群落结构的关系。试验一采用裂区试验设计，2个接种根瘤菌方式（接种和不接种根瘤菌），5种氮水平（N：0、75、150、225和300 kg ha-1），3种种植方式（蚕豆单作、玉米单作和蚕豆/玉米间作），30个处理，3次重复，共90个小区。试验二和试验三实验设计相同，均采用裂区试验设计，3个施磷水平（P：0, 40, 80 kg ha-1），9种种植方式（蚕豆/玉米、大豆/玉米、油菜/玉米、鹰嘴豆/玉米间作、蚕豆、油菜、鹰嘴豆、大豆和单作玉米），27个处理，3次重复，共计81个小区。其中在常规施氮施磷水平（225 kg ha-1 ，40 kg ha-1）进行样品的采集、分析和测定。在每年玉米收获后，采集原位土，用于土壤团聚体的测定；在蚕豆、鹰嘴豆、油菜和玉米种间相互作用最强烈时即6月中下旬时，用土钻法采集第一次0-20 cm土壤样品；在蚕豆、鹰嘴豆、油菜收获后，玉米独自生长时，与大豆相互作用最强时（8月中下旬），用土钻法采集第二次0-20 cm土壤样品，用于土壤微生物量（PLFA）和群落结构组成（16S和18S）分析。得到的数据用SAS、SPSS和R分析，并构建结构方程模型，探究物种数量（即单作与间作）如何通过影响土壤中真菌和细菌群落结构进而对土壤团聚体（> 2 mm）的改变产生影响。
结果
1 作物多样性种植对土壤团聚体的影响
间作中的土壤水稳性大团聚体含量（> 2 mm）显著高于单作。具体来说，相比于相应单作种植，试验一、试验二和试验三中均表现出间作种植增加土壤水稳性大团聚体含量，分别增加约38.2％，43.8％，28.2％（图1a,b,c）。而间作种植后< 2 mm 的土壤团聚体含量却显著低于相应单作种植，其中在2-0.25 mm的土壤微团聚体含量下降了约14.0%（图1d,e,f），在0.25-0.106 mm中下降了约19.5%（图1g,h,i），在< 0.106 mm 中下降了约27.2%（图1j,k,l）。这些结果表明间作种植后的土壤小团聚体逐渐向大水稳性团聚体转化，即间作种植能够促进土壤水稳性大团聚体的形成，提高土壤团聚体含量，改善土壤物理性状。
图1 试验地点（定位试验一，二和三）和种植方式（单作和间作）对土壤中> 2 mm（a, b, c）、2-0.25 mm（d, e, f）、0.25-0.106 mm（g,h, i）和< 0.106 mm（j, k, l）四个粒径团聚体的影响
2 作物多样性对土壤微生物群落的影响
土壤微生物量是大多数土壤微生物活性的中心，微生物群落结构的改变能在某种程度上反映土壤肥力，如能量流动、养分循环和有机质周转等。两年的结果发现，间作种植增加了土壤中总真菌生物量和非菌根真菌生物量（图2-1），而对土壤细菌生物量、丛枝菌根真菌生物量和放线菌生物量没有显著影响（图2-2）。
图2-1 单作和间作种植对土壤真菌生物量、非菌根真菌生物量的影响
图2-2 单作和间作种植对土壤细菌生物量、菌根真菌生物量和放线菌生物量的影响
从土壤微生物群落结构组成的角度，在三个长期定位试验中均发现单作和间作种植方式对土壤中真菌、细菌群落结构组成影响显著不同。对于真菌群落组成，两年的试验结果均可以得出第一主成分可以将单作和间作种植分开，（图3）。对于细菌群落组成，第一主成分同样可以将单作和间作种植方式显著区分开，说明种植方式，即单作和间作，对土壤中的真菌和细菌群落结构组成产生了显著影响（图3）。
图3 单作和间作种植对土壤真菌群落组成和土壤细菌群落组成的影响
此外，研究还发现间作相较于单作种植增加了土壤粪壳菌目（Sordariales,Sordariomycetes）相对多度，在三个试验中分别增加了1 4.4%-17.2%，23.9%-43.5%和6.9%-18.7%（图4）。这说明间作种植不仅改变了土壤中真菌群落结构，而且增加了土壤中的腐生类真菌的相对多度。
图4 单作和间作种植对土壤粪壳菌目相对多度的影响
3 土壤团聚体改善与土壤微生物群落结构的关系
在证实了土壤中真菌生物量和微生物群落组成受间作种植后增加或改变的现象后，进一步利用结构方程模型（SEM）探究间作和单作体系中微生物生物量和微生物群落组成对土壤大团聚体（> 2 mm）的影响（图5）。在两年的三个实验中，作物间作通过直接途径和间接途径（即Sordariales的相对多度增加）促进了土壤大团聚体含量的增加。虽然间作显著提高有机质和丛枝菌根真菌生物量，但对土壤大团聚体的增加没有显著影响。放线菌生物量和根瘤菌相对多度都对土壤大团聚体增加产生负效应（图5）。三个试验中，间作促进土壤团聚体增加的微生物种类不尽相同。在试验一中，丛枝菌根真菌相对多度促进了大团聚体的增加，而根瘤菌和Nitrospirae的相对多度减少了土壤大团聚体的含量。间作增加土壤丛枝菌根真菌生物量，但降低土壤Nitrospirae的相对多度。Nitrospirae介导的间接间作效应为负，增强了直接间作效应对土壤大团聚体的促进（图5）。在试验二中，丛枝菌根真菌生物量增加了土壤大团聚体的含量，间作增加土壤丛枝菌根真菌生物量和土壤Sordariales的相对多度。丛枝菌根真菌生物量介导的间接间作效应为正，增强了对大团聚体的直接间作效应（图5）。在试验三中，间作通过提高土壤Sordariales的相对多度和有机质含量增加了土壤中大于2mm团聚体含量。
图5 单作和间作体系中土壤微生物生物量和相对多度对土壤大团聚体（> 2 mm）影响的结构方程模型
综上所述，我们的研究证明，间作种植能够增加土壤水稳性团聚体含量（27.9%-43.8%），改善土壤结构。同时间作种植还能提高土壤中总真菌和非菌根真菌生物量，及粪壳菌目相对多度。而微生物群落结构的改变与土壤团聚体的增加密切相关。在低肥力、中肥力和高肥力土壤上对水稳性团聚体的形成起到促进作用的主要微生物分别为Nitrospirae丰度、丛枝菌根真菌生物量和Sordariales丰度。揭示不同土壤类型下改善团聚体的不同微生物途径，为长期间作种植改善土壤结构的机制提出了新的观点和见解。
讨论
本研究发现，间作种植条件下土壤水稳性大团聚体的含量显著增加，同时在土壤微生物群落结构的测定中得到土壤中部分真菌（丛枝菌根真菌、腐生真菌）和细菌（如：硝化螺旋菌）随着土壤水稳性大团聚体的变化而改变。因此，土壤微生物群落结构在土壤团聚体的形成和稳定中起着关键作用。对于土壤真菌而言，真菌的分泌物粘结作用、菌丝缠绕作用和较强的环境适应性是真菌促进团聚体形成和稳定的重要原因。在本研究中发现真菌中的丛枝菌根真菌和腐生真菌（粪壳菌目多度）的增加与土壤水稳性大团聚体的提高直接相关，说明丛枝菌根真菌和腐生真菌的分泌物及菌丝的缠绕可能是土壤水稳性大团聚体增加的关键因素。
腐生真菌广泛分布在土壤中，并且以其高物种丰富度和丰度而著称。最近的研究表明土壤腐生真菌在土壤团聚体形成和稳定中的重要作用。在本研究中，土壤粪壳菌目（Sordariales）的相对多度与土壤大团聚体含量（>2 mm）呈显著正相关（图5），可能是调节土壤大团聚体（> 2 mm）形成和稳定的关键土壤微生物。前人研究发现，粪壳菌目具有分解植物茎，叶或树皮的能力，属于腐生真菌群落。我们的结果也表明，与单作相比，间作增加了土壤粪壳菌目的相对多度，并且与土壤水稳性大团聚体呈显著正相关。因此，我们推测土壤腐生真菌，尤其是粪壳菌目多度，是改善土壤物理结构的关键微生物，但还需进一步进行多年实验才能得到十分确切的结果。
对于土壤细菌而言，细菌的分泌物粘结作用和调节其他微生物的活性作用是细菌促进土壤微团聚体形成的重要原因。相关研究表明，矿物质氮的添加对团聚体具有显著但负面的影响。硝化细菌如Nitrospirae通过硝化和反硝化过程减少约50%可利用的土壤氮。因此，Nitrospirae相对多度的降低可能促进土壤团聚体的形成。在本研究中我们发现了类似的结果，即在长期定位试验一中土壤硝化螺旋菌的多度与土壤大团聚体的含量呈现显著的负相关，说明硝化螺旋菌多度的下降可能降低了对土壤大团聚体的破坏作用，进而促进了土壤中的大团聚体的增加。
总之，经过两年在三个试验地点的研究，试验结果支持间作种植增加了土壤大团聚体（> 2 mm）的含量。其原因可能是因为土壤中Sordariales相对丰度的增加、丛枝菌根真菌生物量增加或Nitrospirae相对丰度的减少，这可能与不同土壤类型有关。
评论
本文以西北地区三个土壤肥力条件下的间作种植为研究对象，发现作物多样性增加土壤团聚体的不同土壤微生物途径。研究结果证明连续间作7-8年能够增加大于2 mm土壤水稳性团聚体含量，小团聚体含量降低，土壤小团聚体转化为更多大水稳性团聚体。通过PLFA和高通量测序的方法测定土壤中微生物量和群落结构组成的变化，发现真菌细菌群落结构在影响土壤团聚体形成中起到重要作用，但在不同肥力土壤中土壤团聚体形成的微生物途径不尽相同。其中在低肥力土壤上受土壤中细菌Nitrospirae丰度的影响，在中等肥力土壤上受到真菌丛枝菌根真菌生物量的影响，在高肥力土壤上团聚体受到Sordariales丰度影响较大。本文在三个长期定位实验长期的间作条件下探究种植方式对土壤水稳性团聚体比例、土壤微生物量和群落组成的影响，并试图理解种植方式、土壤团聚体及土壤微生物群落结构之间的内在联系。有关间作改善土壤水稳性团聚体的微生物途径至今还鲜见报道，研究结果为长期间作种植改善土壤结构过程的理解，为生物多样性维持生态系统功能的机制提供了新的认识。
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