《Frontiers in Microbiology》：Effects of different rotation crops on soil physicochemical properties and microbial community structure in continuous cotton fields
編輯推薦：
本文聚焦新疆綠洲棉區長期連作導致的土壤肥力下降和微生物群落失衡問題，系統研究了棉花與花生(CPC)、大豆(CSC)、油菜(CRC)、玉米(CMC)輪作對土壤理化性質及微生物群落結構的影響。研究發現輪作能有效改善土壤有機質(SOM)、速效磷(AP)、無機氮(NH4+-N, NO3--N)含量，并降低土壤pH和電導率(EC)，其中CPC輪作方案對土壤改良效果最佳。通過高通量測序揭示輪作顯著改變了真菌和細菌的群落結構，增加了α多樣性，并顯著降低了植物病原真菌的相對豐度，提升了如Mortierella等有益菌群的豐度。冗余分析(RDA)表明土壤水分(SMC)和氮磷比(N/P)是驅動真菌群落變異的關鍵因子，而細菌群落則受N/P、pH和SOM調控。本文為通過優化輪作策略、重塑土壤微生態以實現棉花綠色可持續生產提供了堅實的實證依據。
1. 引言
新疆作為中國最重要的商品棉生產基地，長期連作棉花(CK)的現象十分普遍，由此引發了土壤養分失衡、微生物多樣性下降、土傳病害加劇等一系列土壤生態問題，成為制約該地區棉產業可持續發展的瓶頸。作物輪作作為一種有效的農藝措施，能夠通過引入不同科屬的作物，優化土壤理化性質，平衡養分利用，并重塑土壤微生物群落，從而緩解連作障礙。然而，針對新疆地區廣泛種植的豆科(Fabaceae)、十字花科(Brassiaceae)和禾本科(Poaceae)作物與棉花輪作的系統性研究仍較缺乏。本研究以持續種植30年的新疆綠洲棉田為試驗地，旨在探究：(i)不同輪作模式下土壤微生物群落組成的響應機制；(ii)何種土壤參數是驅動輪作模式下微生物群落變化的主要因素。
2. 材料與方法
試驗于2023年在新疆昌吉中國農業科學院西部中心老龍河農場試驗田進行。以連作棉花(CK)為對照，設置了棉花→花生(CPC)、棉花→大豆(CSC)、棉花→油菜(CRC)、棉花→玉米(CMC)四種輪作模式。采用單因素隨機區組設計。作物收獲后，采集0-20 cm土層土壤樣品。測定內容包括作物產量、植物氮磷吸收、干物質積累及多項土壤理化指標（如pH、EC、SOM、AP、NH4+-N、NO3--N等）與經濟效益。采用高通量擴增子測序技術分析土壤真菌(ITS1區)和細菌(16S rRNA基因V3-V4區)的群落結構、α多樣性以及功能預測（使用FUNGuild和PICRUSt2工具）。采用冗余分析(RDA)探究土壤性質與微生物群落的關系。
3. 結果
3.1 不同輪作模式對作物產量和經濟效益的影響
相較于CK，CPC、CSC和CRC處理導致作物干物質積累量、產量、總產值和凈利潤均顯著下降（降幅分別為33.47–83.55%、38.72–62.23%、34.54–55.35%和36.27–66.58%）。相反，CMC處理顯著增加了干物質積累量和產量（分別增加82.55%和31.58%）。盡管CPC處理的凈利潤較CK下降了36.27%，但其產投比與CK無顯著差異。所有輪作處理均顯著提高了植物的氮磷吸收量（增幅分別為30.09–65.66%和3.55–45.50%）。
3.2 不同輪作模式對土壤理化性質的影響
與CK相比，四種輪作模式均提高了SOM、AP、NH4+-N和NO3--N含量，同時降低了土壤pH和EC。其中，CPC和CSC處理的效果尤為突出，SOM顯著增加了9.48–10.56%，AP顯著增加了14.15–39.68%，NH4+-N和NO3--N也顯著增加。CPC處理相比其他輪作，在提升AP和NO3--N方面表現最佳。
3.3 不同輪作模式對土壤微生物操作分類單元(OTU)的影響
在97%相似度水平下，共鑒定出2579個真菌OTU和20710個細菌OTU。維恩圖分析顯示，各處理間共享的核心OTU比例很�。ㄕ婢�0.58%，細菌1.99%），而每種輪作模式都擁有大量特有的OTU，表明輪作顯著改變了微生物的物種豐富度。
3.4 不同輪作模式對微生物豐富度和多樣性的影響
所有輪作處理均顯著提高了土壤真菌和細菌群落的α多樣性指數（ACE指數、Chao1指數和Shannon指數）。其中，CPC和CSC處理對提升細菌豐富度（ACE和Chao1指數）的效果尤為顯著。
3.5 輪作對土壤微生物相對豐度的影響
在真菌群落中，子囊菌門(Ascomycota)和擔子菌門(Basidiomycota)為優勢門。相較于CK，CPC處理顯著降低了子囊菌門、未分類真菌等的相對豐度，同時顯著提高了擔子菌門和被孢霉門(Mortierellomycota)的豐度（分別提高17.15%和52.37%）。在屬水平上，CPC處理顯著提高了被孢霉屬(Mortierella)、枝孢屬(Cladosporium)等的豐度，同時降低了鐮刀菌屬(Fusarium)的豐度。
在細菌群落中，相較于CK，CPC處理顯著提高了變形菌門(Proteobacteria)、放線菌門(Actinobacteriota)、芽單胞菌門(Gemmatimonadota)和厚壁菌門(Firmicutes)的相對豐度。CRC處理則顯著提高了擬桿菌門(Bacteroidota)的豐度。
3.6 不同輪作下土壤性質與微生物群落的RDA分析
RDA表明，土壤理化性質是驅動微生物群落結構變異的關鍵因素。對于真菌群落，土壤水分(SMC)和氮磷比(N/P)是關鍵驅動因子；對于細菌群落，則主要受N/P、pH和SOM調控。例如，SOM和SMC與子囊菌門、被孢霉門等呈顯著正相關。
3.7 不同輪作對土壤微生物富集情況的顯著影響
LEfSe分析揭示了不同輪作處理下具有顯著差異的微生物類群。例如，在CPC處理下，芽孢桿菌科(Bacillaceae)、芽孢桿菌屬(Bacillus)等有益細菌類群被顯著富集。
3.8 不同輪作下微生物功能的預測
基于FUNGuild的功能預測顯示，相較于CK，所有輪作處理均顯著降低了植物病原真菌的相對豐度，其中CPC處理降低幅度最大（36.80%）。同時，輪作處理顯著提高了內生真菌和糞生腐生真菌的相對豐度。
基于PICRUSt2的細菌功能預測表明，“代謝”是所有處理中最主要的功能類別。與CK相比，CPC處理在整體代謝、氨基酸代謝、碳水化合物代謝和膜轉運相關基因的相對豐度上表現出較高的水平。
3.9 不同輪作系統棉田土壤理化性質、微生物群落與作物產量的關聯分析
皮爾遜相關性分析顯示，作物干物質積累(DM)、產量(Yield)、氮吸收(N uptake)和磷吸收(P uptake)與SOM、AP、NH4+-N、NO3--N呈顯著正相關，與EC呈負相關。這些指標也與真菌和細菌的α多樣性指數（如ACE、Chao1、Shannon）呈顯著正相關。此外，它們與子囊菌門、擔子菌門、變形菌門、放線菌門等有益微生物門類的豐度呈正相關，而與壺菌門(Chytridiomycota)等呈負相關。
4. 討論與結論
本研究表明，作物輪作是緩解棉田連作障礙的有效策略。它通過改良土壤理化性質（如增加SOM、AP，降低pH和EC），重塑土壤微生物群落結構（提高多樣性，富集如被孢霉屬、放線菌門等有益菌群，抑制鐮刀菌屬等病原菌），并優化微生物生態功能（降低病原菌功能，增強養分代謝功能），從而為后茬作物創造更健康的土壤環境。在四種輪作模式中，棉花→花生(CPC)輪作方案在改善土壤肥力、優化微生物群落結構及功能方面展現出最佳的綜合效益，盡管其短期經濟效益有所下降，但從改善土壤健康和可持續生產的角度來看具有重要價值。研究結果為綠洲棉區設計可持續種植策略、通過微生物群落調控提升土壤生產力提供了重要的理論與實踐依據。未來的研究需關注輪作的長期效應、更深土層微生物的響應以及微生物功能預測的實證驗證。
