氮素研究进展：从土壤到植物，再到环境

Progress on Nitrogen Research From Soil to Plant and to the Environment

专 辑 文 章 介 绍

· 第三篇 · 

　　▎论文ID

　　Intercropping tea plantations with soybean and rapeseed enhances nitrogen fixation through shifts in soil microbial communities

　　茶园中间作大豆、油菜籽可通过改变土壤微生物群落来提高土壤固氮能力

　　发表年份：2022年

　　第一作者：钟永嘉

　　通讯作者：廖红 

　　邮箱： hliao@fafu.edu.cn

　　作者单位：福建农林大学。

　　Cite this article :

　　Yongjia ZHONG, Lini LIANG, Ruineng XU, Hanyu XU, Lili SUN, Hong LIAO. INTERCROPPING TEA PLANTATIONS WITH SOYBEAN AND RAPESEED ENHANCES NITROGEN FIXATION THROUGH SHIFTS IN SOIL MICROBIAL COMMUNITIES. Front. Agr. Sci. Eng., 2022, 9(3): 344‒355 https://doi.org/10.15302/J-FASE-2022451

· 文 章 摘 要 · 

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　　与生态友好型作物间作是提高农业可持续性的常见策略，对土壤群落大有裨益。本文研究了不同间作系统对茶园土壤细菌群落组成、多样性和潜在功能的影响。间作对土壤微生物区系有显著影响。在3种间作体系（茶-大豆、茶-油菜籽和茶-大豆-油菜籽）中，茶-大豆-油菜籽间作体系对土壤微生物群落的影响最为明显。其中，与必需矿物质养分循环相关的潜在有益菌的相对丰度在茶-大豆-油菜籽间作体系中显著增加。养分循环相关的土壤微生物功能显著增强，这与氮循环细菌相对丰度的增加相一致，其中包括伯克霍尔德菌属（Burkholderia spp.）和罗丹杆菌属（Rhodanobacter spp.）。基于此，我们提出茶园中茶树与大豆、油菜籽间作有利于土壤微生物群落的发育，有望成为茶叶生产系统中既能保证生态良好又可改善土壤质量的重要策略。

· 文 章 亮 点 · 

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　　1. 间作改变茶园土壤细菌群落结构。

　　2. 间作促进茶园土壤氮素循环。

· Graphical abstract · 

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　· 研 究 内 容 · 

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　　▎引言

　　间作是一种古老的农业实践，在主要作物品种之间种植互补作物，有增产提质的效果，可以成为可持续农业的关键组成部分。此外，间作还影响土壤微生物群落，如增加微生物多样性、碳同化和氮输入。在土壤自然酸化的背景下，土壤性质的变化通常会引起土壤微生物群落的变化。然而，与标准做法相比，生态友好做法（间作系统）对土壤微生物群落和功能的影响知之甚少。在这项研究中，我们调查并比较了不同间作系统对茶园系统中土壤微生物群的结构、组成和潜在功能能力的影响。结果表明，大豆和油菜的连续间作对茶园土壤微生物群落的组成、结构和功能的影响最大，包括能够显著提高固氮能力。

　　▎材料和方法

　　本研究实验地点在南平市武夷山燕子窠。试验设置茶-大豆（tea-soybean，IS）、茶-油菜籽（tea-rapeseed，IR）、茶-大豆-油菜籽（tea-soybean-rapeseed，ISR）三种间作制度，和不间作（control tea rows with no intercropping，IC）对照处理（图1）。油菜籽用作绿肥后约1个月，在茶行之间集中采集土壤样品，进行DNA提取、测序、16S扩增子序列分析。采用SPSS 19软件计算平均值和标准误差值，采用排列检验分析ANOSIM在群落水平上的差异，采用Duncan多重比较检验来进行显著性分析。

图1 本研究中大豆与油菜间作的试验设计

　　▎研究结果

　　间作处理不同程度地改变了土壤pH、有机质（organic matter，OM）、碱解氮（alkali-hydrolyzable nitrogen，AN）、速效磷（available phosphorus，AP）和速效钾（available potassium， AK）（表1）。通过16s rDNA扩增测序高通量评价土壤细菌群落结构。稀疏曲线显示测序深度足以覆盖样品中的大部分细菌（图2 a）。间作对土壤细菌群落丰富度有影响，但对土壤细菌群落多样性无影响（图2 b，c）。不同间作系统的细菌群落结构不同，间作处理对细菌群落有显著影响，占变异的12%（图3 a）。与IC相比，IS、IR和ISR处理均显著影响细菌群落结构（图3 a）。此外，ISR的影响更为明显。

表1 四种间作处理土壤基本化学性质

图2 四种间作制度下茶园土壤细菌群落的丰富度和多样性

图3 四种间作制度对土壤细菌群落结构的影响

　　变形菌门、绿杆菌门、拟杆菌门、酸杆菌门和放线菌门是研究茶园土壤中存在的主要细菌门，在这一水平的间作系统之间没有观察到显著差异（图4 a），这表明不同种植制度下土壤细菌群落在门分类水平上相对稳定。然而，维恩图显示特定的土壤细菌受到间作的影响。在IC、IR、IS和ISR中分别特异性检测到147、250、163和240个OUT，同时有3367个OTUs出现在所有处理中（图4 b）。

图4 四种间作制度对土壤细菌群落组成的影响

　　对细菌群落内的共生分析表明，与大豆间作、IR或ISR增加了共生网络的连通性，在网络内形成了聚集的细菌模块。IC、IS、IR和ISR处理的节点数和连接数分别为172和917、189和1191、186和1161、187和1338（图5）。此外，IC、IR、IS、和ISR的平均网络度分别为10.6、12.5、12.6和14.3。模块分析表明，IC、IR、IS和ISR网络中分别存在两个、三个、四个和四个模块。此外，IC、IR、IS和ISR网络的平均权重度分别为4.77、8.87、6.79和10.9（图5）。这些结果表明，间作网络的复杂性高于对照，间作影响茶园土壤中土壤细菌的细菌共生网络。

图5 间作促进了不同微生物网络的建立，四种间作制度下茶园土壤细菌共生网络比较

　　与不同植物间作或使用不同的间作策略显著影响了土壤中特定微生物的相对丰度（图6）。与对照样地中的相对丰度相比，IS处理中纤线杆菌目（Ktedonobacterales）、氯酸杆菌（Chloracidobacteria）、芽单胞菌目（Gemmatimonadales）和微杆菌科（Microbacteriacea）的相对丰度均显著增加（图5 a），IR处理中罗河杆菌（Rhodanobacter）、链状菌门（Streptphyta）和全噬菌纲（Holophagae）的相对丰度显著增加（图6 b），ISR处理的伯克霍尔德菌（Burkholderia）、黄单胞菌科（Xanthomonadaceae）、鞘脂单胞菌科（Sphingomonadaceae）、细球菌科（Micrococcaceae）、全噬菌纲（Holophagae）和丛毛单胞菌科（Comamonadaceae），以及其他变形菌门的细菌都变得更加丰富（图6 c）。

图6 四种间作体系的生物标记物。利用LEfSe分析方法对四种间作体系中被鉴定为差异显著的细菌进行比较，并以IS与IC（a）、IR与IC（b）、ISR与对照（c）处理的显著生物标记细菌的LDA值表示

　　与氮循环相关的功能基因发生了不同程度的变化（图7 a-f）。尤其是固氮基因、硝化基因、硝酸盐还原基因和硝酸盐反硝化基因的丰度均在ISR组显著增加，亚硝酸盐氧化基因在IR处理中显著增加。此外，硫酸盐氧化基因在ISR处理中也显著增加，并且在铁呼吸过程中未观察到显著变化（图7 g，h）。综合来看，这些结果表明间作不仅改变了土壤细菌群落，而且促进了与土壤养分循环相关的潜在功能。

图7 四种间作模式土壤微生物功能变化，以及不同种植制度下潜在养分循环基因的比较

　　▎讨论

　　大豆间作对土壤细菌群落整体丰度的影响可以忽略不计，并且没有观察到细菌多样性的显著变化。试验中的田间条件导致大豆收获和土壤取样之间出现延迟，这可能掩盖了仅与大豆间作的影响。此外，在具有最高土壤有机质含量的ISR处理中，AN含量最低，这可能是由于ISR中细菌丰度较高，因此矿化氮可能被细菌或被茶树吸收。

　　仅间作油菜籽可促进红杆菌属的产生，红杆菌属耐酸菌，可栖息在有机质含量高的土壤和大豆、番茄和人参的根际。罗河杆菌属（Rhodanobacter）种群也被证明对根腐真菌病原体腐皮镰孢霉菌（Fusarium solani）具有拮抗作用，并且可能参与氮循环过程。盐厌氧菌目（Halanaerobiales）就其本身而言可能涉及钾代谢，而属于酸杆菌门的全噬菌纲（Holophagae）成员可能参与硫代谢。相比单独与大豆或油菜籽进行间作，ISR处理可能会显著增加间作系统的积极效应，因为该处理会影响有助于养分循环和植物防御的微生物丰度。大豆-油菜轮作间作也可能随着土壤中细菌组成的变化而影响细菌的功能，促进土壤养分循环，这可能是由于微生物促进的反馈循环在ISR处理中显著增加。

　　间作增加了土壤细菌的潜在相互作用网络，可能对土壤健康和作物生产力产生有益影响。鉴于微生物群落在分类学的门水平上具有相对稳定性，未来可进一步研究在共现网络中各要素随着时间推移是否具有稳定性。

　　▎结论

　　大豆、油菜间作和大豆-油菜轮作对茶园土壤细菌群落组成有不同程度的影响。许多潜在有益微生物的相对丰度显著增加，表明大豆和油菜与茶树间作可能是一种维持土壤健康和促进茶园可持续生产的有前景的策略。

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