東北地理所在保護性耕作土壤微生物群落網(wǎng)絡及裝配機制研究取得進展
東北黑土是我國重要的土壤資源，在保障國家糧食安全和生態(tài)安全上具有重要地位。然而由于長期不合理的傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)耕作模式，導致土壤侵蝕、土壤有機質(zhì)下降、土壤養(yǎng)分和水分庫容變小，土壤退化問題嚴重。近年來，以減少耕作頻率及秸稈還田為核心的保護性耕作技術被廣泛應用，保護性耕作通過增加外源有機物輸入、減少土壤擾動，有效降低了土壤侵蝕強度，促進了土壤有機質(zhì)的形成與穩(wěn)定，保障了農(nóng)業(yè)生產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展。土壤微生物是土壤-植物系統(tǒng)能量流的主要驅動者，其通過調(diào)節(jié)土壤生物地球化學循環(huán)和植物對養(yǎng)分的吸收過程，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮重要作用。因此，開展土壤微生物對耕作方式的響應機制研究，對優(yōu)化合理耕作措施，改善土壤生態(tài)環(huán)境意義重大。
東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所農(nóng)田分子生態(tài)學科組和黑土有機碳與保護性耕作學科組，對免耕（NT）、少耕（RT）和傳統(tǒng)耕作（MP）處理下土壤微生物群落組成、裝配過程和分子網(wǎng)絡結構進行解析，探討了保護性耕作下黑土農(nóng)田土壤微生物群落結構演替及發(fā)生機制對土壤質(zhì)量和作物生產(chǎn)力的影響。研究結果表明，不同耕作方式顯著改變了根際和非根際土壤微生物群落，與傳統(tǒng)耕作MP相比，保護性耕作NT和RT顯著增加了硝化菌Nitrosospira sp.和固氮菌Mesorhizobium sp., Bradyrhizobium sp.和Burkholderia sp.相對豐度，但降低了具有有機質(zhì)物分解功能的Blastococcus sp., Streptomyces sp.和Sphingomonas sp.相對豐度。網(wǎng)絡分析和隨機森林分析發(fā)現(xiàn)，上述功能菌在NT和RT處理中被注釋為關鍵物種（keystone taxa），這表明保護性耕作更有助于土壤碳固定，并促進土壤的生物固氮和硝化作用（圖1）。
耕作方式顯著改變了土壤微生物群落的裝配過程。MP處理下細菌群落裝配的隨機過程，特別是同質(zhì)性擴散（homogenizing dispersal），顯著高于NT和RT，這可能是由于MP較強的土壤擾動，導致微生物的擴散速率增加（圖2）。微生物分子生態(tài)網(wǎng)絡表明，RT較NT和MP形成更穩(wěn)定的網(wǎng)絡結構，且RT有助于提高關鍵物種（keystone taxa）介導的土壤養(yǎng)分有效性，緩解植物病原菌的生態(tài)風險，而MP網(wǎng)絡中的核心物種大多為潛在的植物病原菌。結構方差模型（SEM）分析結果顯示，MP處理引起潛在病原微生物及相互間正向關聯(lián)性作用，而RT處理具有較穩(wěn)定的微生物網(wǎng)絡結構，無效的病原菌傳播路徑減少，導致RT產(chǎn)量高于MP（圖3）。
相關研究成果分別發(fā)表在Agriculture, Ecosystems and Environment、Frontiers in Microbiology和Plant and Soils上。研究得到中國科學院先導A“黑土糧倉”科技會戰(zhàn)專項（XDA28070302）、中國科學院前沿科學重點研究計劃項目（QYZDB-SSW-DQC035）和國家自然科學基金項目（42177105）聯(lián)合資助。
圖1 不同耕作方式土壤微生物共線性網(wǎng)絡分析圖譜
圖2不同耕作方式土壤細菌群落裝配過程分析圖譜
圖3 不同耕作方式土壤理化與關鍵物種影響作物產(chǎn)量的結構模型圖譜
論文信息：
Xiaojing Hu, Aizhen Liang*, Qin Yao, Zhuxiu Liu, Zhenhua Yu, Guanghua Wang, Junjie Liu*. Ridge tillage improves soil properties, sustains diazotrophic communities, and enhances extensively cooperative interactions among diazotrophs in a Clay Loam soil. Frontiers in Microbiology. 2020, 11: 1333.
Xiaojing Hu, Junjie Liu*, Aizhen Liang, Lujun Li, Qin Yao, Zhenhua Yu, Yansheng Li, Jian Jin, Xiaobing Liu, Guanghua Wang*. Conventional and conservation tillage practices affect soil microbial co-occurrence patterns and are associated with crop yields. Agriculture, Ecosystems and Environment. 2021, 319: 107534.
Zhuxiu Liu, Haidong Gu, Aizhen Liang, Lujun Li, Qin Yao, Yanxia Xu, Junjie Liu*, Jian Jin. Xiaobing Liu, Guanghua Wang. Conservation tillage regulates the assembly, network structure and ecological function of the soil bacterial community in black soils. Plant and Soil. DOI: 10.21203/rs.3.rs-580080/v1.
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