英文题目：Effects of crop rotation on sugar beet growth through improving soil physicochemical properties and microbiome

期刊名称：Industrial Crops & Products

影响因子：6.4

DOI：https://doi.org/10.1016/j.indcrop.2024.118331

该文献以缓解甜菜连作障碍为研究目标，在黑龙江哈尔滨开展为期两年的田间定位试验，设置甜菜橡胶蒲公英（TKS）轮作处理与甜菜连作对照，并配套盆栽试验，结合土壤理化检测与宏基因组测序技术，探究轮作改良土壤、促进甜菜生长的内在机制。

研究对比连作（CS）与轮作（RS）土壤的理化性质、土壤酶活性以及细菌、真菌群落结构，结果表明，甜菜橡胶蒲公英轮作能够重塑土壤微生物群落，提高放线菌门、链霉菌属等有益微生物的相对丰度，提升土壤细菌与真菌群落多样性；轮作土壤的碱解氮、速效钾、土壤有机质含量显著高于连作土壤，土壤脲酶活性明显增强。盆栽试验结果显示，轮作土壤栽培的甜菜在幼苗期、叶丛期的鲜重、干重均显著优于连作土壤栽培甜菜。冗余分析显示碱解氮、pH、有机质等理化因子是驱动土壤微生物群落变化的关键环境因子。

轮作处理下栓菌属等有机质降解类真菌丰度上升，但与磷吸收相关的根内球囊霉属丰度下降，造成土壤有效磷含量有所降低。整体证实甜菜-橡胶蒲公英轮作通过富集土壤有益微生物，改善土壤理化性质与土壤酶活性，优化根际微生态环境，进而提高甜菜生物量，有效缓解甜菜连作障碍，为甜菜可持续轮作模式提供理论参考。

本研究田间试验设置甜菜连作、甜菜橡胶蒲公英（TKS）轮作两个试验区，采用随机均匀网格设计，将试验区各自划分为20个1m²网格，随机选取3个网格采集0-15cm表层土，混匀作为一份土样，设置3次重复。土样过2mm筛去除杂质，一部分新鲜土样在低于30 ℃条件下风干，用于土壤理化性质与土壤酶活性测定，另一部分留存用于宏基因组测序分析。

同步开展配套盆栽试验，分别装填田间取回的连作土壤（CS）和轮作土壤（RS）种植甜菜，于幼苗30d、叶丛60d两个时期采集土壤与甜菜植株样品，盆栽土壤处理方式与田间保持一致。土壤总DNA交由测序公司完成提取，测序；测序原始数据经过质控、组装、基因预测、去冗余后比对Nr数据库完成物种注释。同时测定土壤pH、电导率、全氮、有效氮磷钾、有机质以及蔗糖酶、脲酶等多种土壤酶活性，后续结合SPSS、R、Canoco等软件开展多元统计分析。

（1）田间试验土壤理化与酶活性

测定田间连作土壤（CS）、TKS与轮作土壤（RS）的pH、电导率EC、全氮TN、碱解氮AN、有效磷AP、速效钾AK、和有机质SOM。研究结果表明：和连作相比，轮作土壤碱解氮、速效钾、有机质含量显著更高（图1A）。通过测定土壤蔗糖酶、脲酶、脱氢酶、碱性磷酸酶和过氧化氢酶活性；结果表明：TKS轮作后土壤脲酶活性显著高于连作；蔗糖酶、脱氢酶、碱性磷酸酶无显著差异（图1B）。

图1.连续种植土壤（CS）和轮作土壤（RS）的理化性质和酶活性。（A）实验田土壤的理化性质（B）土壤酶活性。CS是连续种植土壤组，RS是轮作土壤组。显著性基于学生t检验，*，**和***分别表示在p<0.05、p<0.01和p<0.001下的显著差异，ns表示不显著。

（2）盆栽试验结果

盆栽试验观察发现：轮作土壤栽培的甜菜长势优于连作土壤。分别在种植后30d、60d测定甜菜鲜重、干重（图2A）。30d时，轮作组甜菜干重、鲜重分别为连作组的1.5倍、1.7倍（图2B）；60d时轮作组干重、鲜重分别为连作组的1.4倍、1.6倍（图2C）。形态生长指标表明，轮作显著促进甜菜生长。

图2.在连续种植（CS）和轮作（RS）土壤条件下，盆栽甜菜的形态表型和生长参数。（A）盆栽甜菜在S和RS条件下生长30天和60天后的性状表型。（B）盆栽甜菜30天时的生长参数（包括干重和鲜重）。（C）与（B）相同，但为60天的数据。

分别测定盆栽30 d、60 d土壤理化、酶活性（图3）。30 d盆栽：轮作土壤pH、AK显著高于连作土壤（图3A）。60 d盆栽：轮作土壤pH、EC、AK、SOM显著高于连作土壤，但AP低于连作土壤（图3B）。土壤酶活性：盆栽30 d，轮作土壤脲酶、碱性磷酸酶活性显著高于连作；盆栽60 d，仅脲酶轮作组显著更高，其余酶无显著差异（图3C、3D）。

图3.连作土壤（CS）和轮作土壤（RS）的理化性质和酶活性。（A）盆栽甜菜种植30天时的理化性质。（B）盆栽甜菜种植60天时的理化性质。（C）盆栽甜菜种植30天时CS和RS土壤的酶活性。（D）盆栽甜菜种植60天时CS和RS土壤的酶活性。

（3）土壤细菌群落结构、丰度及理化性质关联

Diamond注释共检测得到32个细菌门；优势门类为变形菌门、放线菌门、硝化螺旋菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门、绿弯菌门、厚壁菌门、浮霉菌门、酸杆菌门、疣微菌门，总占比超过98%（图4A）。轮作土壤放线菌门相对丰度显著高于连作，变形菌门显著低于连作，田间两组细菌群落差异明显。

盆栽30d轮作土壤放线菌门、绿弯菌门相对丰度显著高于连作；盆栽60d轮作土壤变形菌门、放线菌门高于连作，硝化螺旋菌门、芽单胞菌门、拟杆菌门低于连作。

田间轮作土壤链霉菌属、Conexibacter、Solirubrobacter、诺卡氏菌属高于连作；鞘氨醇单胞菌属、硝化螺旋菌属低于连作。盆栽30d轮作土壤链霉菌属、伯克氏菌属、慢生根瘤菌属丰度更高，鞘氨醇单胞菌属、硝化螺旋菌属、食酸菌属更低；盆栽60d轮作土壤鞘氨醇单胞菌属、链霉菌属升高，硝化螺旋菌属下降。无论门水平还是属水平，轮作对细菌群落结构影响显著。

利用α、β多样性表征土壤细菌群落结构。田间土壤、盆栽60d土壤中，轮作组Shannon指数高于连作，Simpson指数相反，说明轮作提升土壤细菌多样性。PCoA解析β多样性，相同处理样本聚集，6组样本互相区分；第一、第二主坐标合计解释62%群落变异（R=0.4947，p=0.001）（图4B）。

Pearson相关分析，冗余分析RDA进一步解析二者关联（P<0.05）；RDA1+RDA2共解释69.71%群落变化。综合pH、EC、TN、AN、AP、AK、SOM，结果显示：AN是与细菌群落显著相关的关键环境因子（图4C）。

图4.土壤细菌丰度，主坐标分析和冗余分析。（A）连作和轮作土壤中细菌在门水平（a）和属水平（b）的相对丰度。（B）基于18个土壤样本的细菌群落主坐标分析（PCoA）图，显示连作作物（CS）和轮作作物（RS）中细菌组成的响应。（C）冗余分析(RDA)显示土壤细菌群落与土壤理化性质之间的相关性。CS-0和RS-0表示实验田中土壤细菌的相对丰度。CS-30和RS-30表示盆栽实验中30天时土壤细菌的相对丰度，CS-60和RS-60表示盆栽实验中60天时土壤细菌的相对丰度。

（4）土壤真菌群落结构、丰度及理化性质关联

土壤真菌注释得到32个门；优势真菌：子囊菌门、球囊菌门、担子菌门、壶菌门、芽枝霉门，总占比99%以上（图5A）。轮作土壤子囊菌门、担子菌门丰度更高，球囊菌门低于连作土壤；盆栽试验趋势与田间保持一致。田间两组共同优势属为根内球囊霉属、Saitoella、毛霉属；轮作土壤青霉属、Pseudotulostoma、栓菌属丰度更高。盆栽30d，轮作土壤Saitoella、Serpula丰度升高，根内球囊霉、毛霉降低；盆栽60d轮作土壤毛霉属、Komagataella丰度更高。门、属水平均表明轮作显著改变真菌群落结构。

TKS轮作后土壤Shannon指数高于连作，Simpson指数相反，轮作显著提升真菌多样性。PCoA分析β多样性，同处理样本聚类，6组样本相互区分；两个坐标轴合计解释62%群落变异（R=0.5416，p=0.001）（图5B）。

RDA解析关联关系（P<0.05）；RDA1+RDA2共解释87.04%群落变异。pH、EC、TN、AP、AK、SOM均为显著影响真菌群落的关键理化因子（图5C）。

图5.土壤真菌丰度、主坐标分析和冗余分析。（A）连作土壤和轮作土壤中真菌的相对丰度，门水平（a）和属水平（b）。（B）基于18个土壤样本的真菌群落主坐标分析（PCoA）图，显示了连作作物（CS）和轮作作物（RS）中真菌组成的反应。（C）冗余分析（RDA），显示土壤真菌群落与土壤理化性质的相关性。CS-0和RS-0表示实验田中的土壤真菌组成，CS-30和RS-30表示盆栽实验30天时的土壤真菌组成，CS-60和RS-60表示盆栽实验60天时的土壤真菌组成。