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02 英文题目：Altering microbial community for improving soil properties and agricultural sustainability during a 10-year maize-green manure intercropping in Northwest China 中文题目：西北地区玉米/绿肥间作10年通过改变微生物群落从而改善土壤特性和农业可持续性 期刊名称：Journal of Environmental Management（2021年影响因子8.91） 发表年份：2022年 第一作者: Ruxangul Ablimit, Weikun Li, Jiudong Zhang 通讯作者：安黎哲, 陈勇 作者单位：兰州大学  Highlights 1. 与单作相比，间作绿肥显著提高土壤pH值、养分含量和酶活性，并显著降低潜在植物病原菌的相对丰度，确保了玉米在长期连作条件下的高产和稳定。 2. 由于绿肥的额外产出，间作相比单作增加了56.39%的经济效益。 3. 本研究中微生物可以分为四个主要的生态簇。其中，模块#2为土壤核心生态簇，富含多种植物根际促生菌和丛枝菌根真菌。
研究背景 由于中国西北部拥有丰富的光、热资源，适合农业发展，因此，该地区成为中国最大的制种玉米产区。然而，中国西北地区的年降雨量和土壤氮含量较低，使得其无法满足日益增长的玉米需求。因此，当地通过集约化模式过度灌溉和高施肥率来确保玉米高产，造成自然资源的浪费和环境污染。玉米/豆科作物间作可以减少氮肥用量，提高产量和土地利用效率。同时，绿肥因为不含重金属、抗生素、激素或其他残留危害，是最清洁的有机资源之一。其被用作后续作物的营养源和土壤微生物群落的改良剂，以提高作物质量和产量。但是，以往的研究大多侧重于土壤肥力和作物产量，而对土壤微生物的分布、不同间作下的动态及其功能知之甚少。 土壤微生物可以调节养分循环，促进植物生长，控制害虫和病原体，缓解有利于作物生产的非生物胁迫。在微生物群落中，关键物种（Keystone taxa）可以推动微生物群落的组成。这些关键物种的高度相连，可能在组织土壤微生物群落结构方面发挥独特和关键作用，并对生态系统过程产生影响。同时，植物根际促生菌（PGPR）是植物根际的有益微生物，能产生促进植物生长所需的激素，或通过分泌抗生素和氢氰酸预防植物病害。 本研究基于2009年在甘肃省农业科学院玉米试验田进行的长期间作试验，探究不同绿肥管理模式对玉米产量、土壤性质、土壤微生物群落分布和微生物功能的影响；确定微生物关键物种（主要包括PGPR），在绿肥管理下可以提高土壤肥力并推动农业可持续发展；并明晰理化因子、微生物群落和产量之间的关系。以期这为高效施肥和农业可持续发展提供了理论依据，为探索适宜的绿肥管理模式和提高绿肥利用效率提供现实意义。   研究方法 该试验在中国甘肃省武威市甘肃农业科学院实验站进行（38°37ʹN, 102°40ʹE）。该地区位于中温带内陆干旱沙漠地区（海拔1504 m），年降雨量约150 mm，年蒸散量为2021 mm，年平均温度为7.7 °C，无霜期约150天，年日照时数3023小时，年总太阳辐射140–158 kJ/cm，≥10 °C有效积温共3016°C。试验地为灌溉沙漠土壤，含有机质（SOM）20.4 g/kg、全氮（TN）1.36 g/kg、全磷（TP）0.43 g/kg、全钾（TK） 20.91 g/kg、硝态氮（NO3--N） 12.85 mg/kg、铵态氮（NH4+-N） 0.39 mg/kg、有效磷（AP） 17.92 mg/kg和有效钾（AK） 121 mg/kg。 试验分为5个处理：玉米单作、玉米/甜豌豆根茬间作、玉米/甜豌豆绿肥间作、玉米/麻豌豆根茬间作、玉米/麻豌豆绿肥间作。“根茬间作”是将地上部分切掉，但留下根茬。地上部分（茎、叶和籽粒产量）作为经济产量的一部分进行测定。而“绿肥间作”处理是将绿肥（整株）犁入土壤，除了玉米产量外，该处理没有收获其他农产品。 试验采用完全随机区组设计，3个重复，每个小区的面积为19.8 m2（5.5×3.6 m）。施肥量为N 375 kg/ha（30%为基肥，拔节期30%追肥，大喇叭口期40%追肥）和P2O5 150 kg/ha。所有处理玉米均采用82500 株/公顷的播种密度和相同的灌溉措施。
结果与讨论 1. 土壤理化性质 与单作相比，间作显著提高了土壤pH值，TP含量，NH4+-N和AK（p < 0.05）。与单作相比，玉米/甜豌豆绿肥间作、玉米/麻豌豆根茬间作和玉米/麻豌豆绿肥间作的TC（总碳）含量显著增加（p < 0.05）。与单作相比，根茬间作（SPR和TPR）的AP含量略有下降，绿肥间作（SPG和TPG）的AP含量显著增加（p < 0.05）。此外，绿肥间作的AP和TC含量显著高于根茬间作（p < 0.05）。各处理间土壤电导率（EC）无显著差异。 表1. 不同绿肥处理对土壤理化性质的影响
无论是根茬还是绿肥处理均对玉米产量无显著影响。与单作相比，绿肥根茬间作提高了经济效益。玉米/麻豌豆根茬间作的经济效益比单作高56.39%，该模式经济效益最高（43278 元/ha）（表2）。因此，根茬处理比绿肥处理带来更多的副产品和更大的经济效益。 表2. 玉米与绿肥间作对经济效益、牧草和作物产量的影响（2009-2019年）
与单作相比，间作显著增加了土壤微生物量碳（MBC）和土壤微生物量氮（MBN）（p < 0.05）。然而，绿肥间作对过氧化氢酶活性无显著影响。相比之下，绿肥间作下的脲酶、磷酸酶和蔗糖酶活性高于单作（表3）。 表3. 不同绿肥处理间作玉米对土壤微生物生物量和酶活性的影响
与单作相比，不同绿肥间作玉米提高了细菌和古菌的丰富度和Chao指数，但对真菌无显著影响。与间作麻豌豆相比，间作甜豌豆增加了古菌的丰富度和Chao指数。然而，所有处理对细菌、真菌和古菌的Shannon指数均无显著影响，但显著增加了系统发育多样性（PD）（表4）。系统发育多样性较高的土壤微生物群落稳定性和生物多样性之间呈现更稳定的正相关关系。间作后PD的增加表明，长期间作绿肥稳定了土壤微生物群落，维持了作物产量。 细菌、真菌和古菌群落在不同间作处理之间存在差异（图1）。与豆科作物（甜豌豆和麻豌豆）间作增加了变形菌门、拟杆菌门、厚壁菌门和芽单胞菌门的相对丰度；然而，降低了酸杆菌门、绿弯菌门、放线菌门的相对丰度。变形菌门和酸杆菌门的相对丰度与土壤养分状况相关。 表4. 不同类型绿肥间作玉米对土壤微生物α多样性的影响
5. 各生态簇的土壤微生物群落组成 生态网络用于识别相互正相关并可能共享环境偏好和功能潜力的微生物类群。土壤微生物被分为四个主要生态簇（模块#0-3（图3A）），由大量共生的古菌、细菌和真菌类群组成（图3B）。在所有处理中，模块#0和#3的相对丰度与玉米单作的相对丰富度无显著差异（表5）。在所有间作处理中，与单作相比，模块#2的相对丰度均显著增加。 模块#2的细菌与真菌比最高，土壤微生物相对丰度与土壤pH、NO3--N、NH4+-N和AK显著正相关。模块#2包括古菌GW 2011科（0.69%）；真菌，球囊菌科（1.52%）、丛赤壳科（1.52%）和小被孢菌科（0.91%）；细菌，酸杆菌门（7.47%）、变形菌门（6.66%）、绿弯菌门（5.03%）和放线菌门（3.73%）。
表5 不同绿肥间作对主要生态簇中土壤微生物相对丰度的影响
不同绿肥间作处理影响功能群丰度。大约60%的真菌OTU被分配到不同的功能组。此外，真菌根据其取食方式分为三类（病理营养菌、共生营养菌和腐生营养菌）。真菌FUNGuild功能注释结果表示，间作增加了腐生菌、丛枝菌根真菌和内菌根真菌的相对丰度，并降低了植物和动物病原菌群的相对丰度（图4）。 长期间作会导致土壤微生物群落结构和功能发生显著变化，可能会抑制低响应性微生物群落，并控制潜在植物病原体的相对丰度。在本研究中，模块#2包含多种潜在的植物病原体。长期使用无机肥料的单作中潜在植物病原微生物的相对丰度高于间作，进而引发植物病害，造成作物减产。
7. 结构方程模型 SEM分析表明，间作通过改变土壤微生物对土壤性质、pH值和酶活性产生影响。土壤养分可用性的增加可能与土壤pH和EA的增加有关（图5）。因此，推测了间作通过土壤微生物和生化机制增加土壤氮素。当玉米与绿肥间作时，模块#2和丛枝菌根真菌（AMF）增加，表明土壤中的核心功能微生物可能增加了土壤pH值和养分含量。土壤微生物产生胞外酶，其活性将土壤中的资源可用性、微生物群落结构和养分周转联系起来。 
结论
在本研究中，绿肥显著提高了土壤pH值、养分含量和酶活性；并且，与单作相比，间作降低了潜在植物病原菌的相对丰度，因此确保了长期种植下的玉米高产稳产。此外，与单作相比，绿肥的农副产品（茎叶）带来了56.39%的经济效益。长期间作增加了有益微生物的数量和土壤肥力，减少了潜在的病原体危害，并确保了长期保持玉米高产。本研究证实了长期使用绿肥可以提高土壤肥力、农民收入、保持作物产量和农业可持续发展。 文章链接 原文链接： https:///10.1016/j.jenvman.2022.115859 |
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