摘 要：保护性耕作可以通过减少对土壤的扰动和增加作物残体的输入来增加农田土壤有机碳的储量。尽管耕作措施对土壤碳动态的影响是由土壤微生物介导的，但微生物群落特征与土壤有机碳积累速率（SAR）之间的关系尚不清楚。本研究通过长期（17年）的田间试验，研究了耕作管理对土壤性质和微生物群落特征（即多样性、组成和关键类群）的影响。结果表明，少耕+秸秆还田和免耕+秸秆覆盖促进了SOC积累量增加。微生物多样性和关键类群与保护性耕作下的SAR呈正相关。在保护性耕作措施下，微生物群落特征与SOC积累速率之间存在很强的联系，并为微生物特征对农业生态系统可持续性的贡献提供见解。
关键词：保护性耕作；碳积累；微生物群落
文 章 信 息
译名：长期保护性耕作措施下土壤微生物群落特性与有机碳累积率之间的联系
发表时间：2022年6月
期刊影响因子：6.1（2023）
第一单位：中国农业科学院农业资源与区域规划研究所
通讯单位：中国农业科学院农业资源与区域规划研究所
文 章 亮 点
1.相对于传统耕作，这两种保护性耕作方法都提高了表层土壤中的 SOC 积累率。
2.免耕与残留物覆盖促进了真菌和细菌网络的稳定性。
3.残留物掺入减少耕作促进了真菌网络的稳定性。
4.微生物多样性和关键分类群与不同实践的 SOC 积累率呈正相关。
文 章 简 介
1 研究意义
2 研究方法
该试验于山西省寿阳县的旱地农业试验站，该地为大陆性季风气候，年平均蒸发量为1700-1800 mm，年平均降水量为483 mm，年平均气温为7.4 ℃。
试验共9个小区，小区面积5 × 5 m2。采用完全随机区组设计，3次重复：( 1 ) CT-RR：常规耕作+秸秆还田。这些地块在收获后( 10月)和播种前( 4月)用犁耕至25 cm深度。在耕作之前，玉米秸秆在收获后被去除。( 2 ) RT-RI：少耕+秸秆还田。这些地块在收获后每年用犁耕一次至 25 cm深度。玉米秸秆随耕作措施被保留并掺入土壤中。( 3 )免耕+秸秆覆盖( NT-RM )。这些地块均未耕种。玉米收获后进行秸秆覆盖。每年4月采用免耕播种机播种施肥。在本研究中，RT-RI和NT-RM都被认为是保护性耕作措施。
春玉米在4月底以30 kg ha -1的密度播种，于10月进行收获。行距60 cm，株距30 cm。每个小区施肥量105 kg N ha -1yr -1(尿素)和105 kg P2O5 ha -1 yr -1 (过磷酸钙)。
土壤样本于2019年收获时（建立试验田后17年）进行取样。0-10 cm和10-25 cm处每个小区收集5个土芯，将样品按土壤层堆积，清除根部，研磨并过筛（2 mm）。
3 研究结果
3.1 土壤性质与SAR
三种处理的土壤性质不同（Table 1）。RT-RI和NT-RM均显著增加了0-10 cm土层的SOC和MBC含量，而RT-RI仅显著增加了10-25 cm土层的SOC和MBC含量。土壤硝态氮浓度在两种处理间差异显著，其高低顺序为：RT-RI > CT-RR > NT-RM。相对于RT-RI和CT-RR，NT-RM增加了土壤NH4+-N浓度。
3.2 土壤酶活性
根据群落多样性指数评估群落α多样性（Table 2）。在0-10 cm处，NT-RM相对于CT-RR和RT-RI增加了细菌和真菌群落的α多样性。然而，在10-25 cm处，与CT-RR和RT-RI相比，NT-RM细菌群落的α多样性较低。
从Zi-Pi图中，我们发现在RT-RI下，6个细菌节点沉入“模块枢纽”，4个节点沉入“连接器”（Fig.4A）。放线菌门、酸杆菌门、拟杆菌门、绿杆菌门、芽单胞菌门和变形菌门被鉴定为关键细菌分类群。
与CT-RR（47%）相比，RT-RI（55%）和NT-RM（49%）下的真菌相互作用通过更多的负面联系。使用Zi-Pi图，我们分别在CT-RR和NT-RM下将2和4个真菌节点分类为“模块枢纽”，将5和0个节点分类为“连接器”（Fig.4B）。子囊菌门、担子菌门、球囊菌门、被孢霉门和蔷薇菌门的菌丝体被鉴定为关键真菌类群。表3进一步总结了这些集线器和连接器的更多详细信息。
3.4.SAR与土壤微生物群落特征的相关性
4 讨论
与CT-RR相比，RT-RI提高了两种土壤深度的SAR，而NT-RM增加了0-10 cm的SAR。这些研究表明，与传统耕作相比，保留残留物的保护性耕作措施促进了有机碳的固定，特别是在表层土壤中。由于高频土壤干扰，常规耕作通常会增加土壤有机碳的分解，并通过清除残留物减少土壤碳的输入。
在10 ~ 25 cm土层，RT-RI处理的SAR高于NT-RM处理，这可能是由于RT - RI处理下的残留物通过耕作处理混合到整个土壤剖面，从而刺激了下层土壤中C和N的积累。同样，在10 ~ 25 cm土层，SOC、TN、NO3-- N和MBC含量在3个处理间均表现出与SAR相同的变化趋势。
研究发现，17年的耕作措施显著影响了0-10 cm的细菌和真菌多样性（NT-RM > RT-RI = CT-RR）。在NT-RM下，0-10 cm土层的土壤碳输入高于RT-RI和CT-RR，前者通过耕作处理将相似量的残留物分布在更大的土壤深度范围内，后者去除了残留物。此外，NT-RM在几年内相对于RT-RI和CT-RR增加了土壤湿度，这反过来又可能促进土壤微生物多样性。
与其他两种处理相比，NT-RM增加了表层中偏好富营养环境的变形杆菌，这种反应可能是由对纤维素水解很重要的α-变形菌驱动的。事实上，相对于CT-RR和RT-RI，NT-RM增加了α变形菌的相对丰度和纤维素酶活性。相对于RT-RI和NT-RM，CT-RR下放线菌门丰度的增加。与保护性农业相比，传统做法下放线菌的相对丰度更高。这一结果可能与保护性耕作增加了不稳定碳的浓度，从而降低了放线菌的丰度有关。此外，RT-RI和NT-RM显著提高了拟杆菌的相对丰度。这些研究表明，拟杆菌的丰度随着秸秆还田的增加而增加。关于真菌，相对于CT-RR和NT-RM，RT-RI增加了两个土壤深度的子囊菌门，而在NT-RM下，担子菌门在表层显著富集。
细菌和真菌多样性分别与NT-RM和RT-RI下的SAR显著正相关。在保护性耕作实践中添加残留物会增加土壤C和N含量和微生物代谢活性，从而增加土壤微生物多样性。然而，微生物多样性不仅对碳输入的增加做出反应，还可能促进土壤碳积累。Keystone分类群在土壤微生物网络中发挥着独特的作用，一些微生物分类群的功能与土壤碳动态高度相关。研究结果表明细菌和真菌的关键OTU与SAR之间存在显著相关性。这种显著的相关性可能反映了微生物坏死体的积累有助于SOC的长期储存。
研究表明RT - RI和NT - RM较CT - RR显著提高了0 - 10 cm土层的SAR。网络分析表明，NT - RM比常规措施形成了更稳定的细菌网络，RT - RI和NT - RM产生了更稳定的真菌网络。此外，一些细菌和真菌的关键类群和微生物多样性与土壤有机碳累积速率呈正相关。
本期分享来自2024级草学专业硕士研究生彭东超
