长期玉米-大豆轮作：对大豆产量、土壤微生物群及氮循环的影响

《Frontiers in Plant Science》：Long-term maize-soybean crop rotation: impacts on soybean yield, soil microbiota and nitrogen dynamics

长期玉米-大豆轮作结合氮肥管理显著影响土壤氮素形态、微生物群落结构及酶活性，促进有益菌（如Gemmatimonas、Rhodanobacter、Mrakia）增殖，增强尿素酶和蛋白酶活性，减少氮素流失，提升大豆产量及氮利用效率。

　　土壤氮素是影响大豆生长和产量的关键营养物质，因此，深入理解氮素变化模式与土壤微生物群落以及氮循环中关键酶行为之间的复杂联系，对于提高农业可持续性具有重要意义。本研究通过11年的轮作定位实验，结合对大豆成熟期三年（2020-2022）的土壤微环境变化测量，系统分析了轮作对土壤氮素形态、酶活性及微生物群落结构的影响，揭示了轮作与氮素管理对土壤氮素动态和微生物功能的深远影响。

在研究中发现，长期轮作和氮肥施用显著提升了土壤中九种氮素组分的含量，增幅范围从2.16%到108.34%。某些特定微生物如*Gemmatimonas*、*Rhodanobacter*和*Mrakia*能够有效提升土壤氮素含量，并与土壤尿酶和蛋白酶活性形成正向促进关系。相反，*Blastococcus*和*Fusarium*则加剧了土壤氮素的流失。这些结果表明，不同微生物群落对氮素的转化路径存在显著差异，从而影响了土壤氮素的循环过程。同时，轮作引起的无机氮和总有机氮变化显著提高了土壤微生物群落的丰度，但降低了其多样性。

土壤氮素的变化不仅影响植物的营养吸收，也与土壤的理化性质密切相关。土壤pH值和有机质含量在轮作条件下呈现上升趋势，而电导率、总磷、总钾、有效磷和有效钾则有所下降。这反映了轮作对土壤微环境的积极调控作用，提升了土壤的养分保持能力。值得注意的是，氮肥的施用对土壤pH和有机质含量具有抑制作用，表明氮素管理对土壤生态平衡至关重要。

研究进一步探讨了土壤中关键酶的活性变化，如尿酶（SU）、蛋白酶（SP）和硝酸盐还原酶（SNR）。在轮作条件下，这些酶的活性显著增强，特别是在施氮的MS1处理中，其活性增幅达到3.95%至29.64%。这说明轮作促进了土壤氮素转化过程中的关键酶活性，从而改善了氮素的可用性。然而，轮作同时抑制了硝酸盐还原酶的活性，减少了氮素的损失，表明轮作对氮素的固定和循环具有积极作用。

在微生物群落结构方面，轮作显著增加了土壤细菌的相对丰度，而降低了真菌的相对丰度。这种变化可能与轮作条件下土壤理化性质的改善有关，如pH值和有机质含量的上升，为细菌提供了更有利的生存环境。真菌群落中，*Mrakia*和*Heterocephalacria*等菌群在轮作条件下表现出较高的丰度，而*Chaetomium*和*Fusarium*则相对减少。*Mrakia*等真菌具有促进氮素积累的作用，同时与土壤尿酶和蛋白酶活性呈正相关，有助于提高氮素的利用率。相比之下，*Blastococcus*和*Fusarium*则与氮素损失呈正相关，可能通过促进硝酸盐还原等过程导致氮素流失。

通过主成分分析（PCA）和共现网络模型，研究进一步揭示了土壤微生物群落与氮素形态之间的复杂关系。轮作显著提升了土壤微生物群落的互作网络复杂度，增加了连接数，表明轮作促进了微生物间的协同作用。然而，随着轮作年限的增加，微生物群落的多样性逐渐降低，这可能是由于优势菌群的扩张导致竞争关系的减弱。此外，土壤氮素形态的变化对微生物群落的组成和功能产生了深远影响，不同氮素形态与微生物种类之间的关系呈现明显的正负相关性，揭示了微生物在氮素转化中的关键作用。

本研究还通过结构方程模型（SEM）分析了轮作和氮肥对土壤微生物群落功能的影响。结果表明，轮作和氮肥施用显著提升了土壤总氮和总有机氮的含量，但同时也降低了微生物群落的多样性。这可能是因为氮肥的施用改变了土壤的理化条件，从而影响了微生物的生存环境。此外，土壤氮素形态对微生物群落的组成和功能具有显著影响，其中总有机氮和总无机氮的含量变化与微生物群落的丰度和功能密切相关。

研究结果表明，长期轮作和氮肥管理能够有效提升土壤氮素含量和作物产量，通过促进微生物群落的氮素转化功能。然而，氮肥的过量施用可能导致氮素利用效率低下，土壤结构退化以及生态环境的污染。因此，建立绿色可持续的轮作模式对于减少氮肥投入、提高氮素利用效率、改善作物质量和产量具有重要意义。此外，研究还强调了微生物在氮素循环中的关键作用，特别是某些特定微生物如*Gemmatimonas*、*Rhodanobacter*和*Mrakia*能够有效提升土壤氮素含量，而*Fusarium*和*Blastococcus*则可能加剧氮素流失。

综上所述，本研究揭示了轮作和氮肥管理对土壤氮素动态、微生物群落结构和酶活性的显著影响。这些发现为优化轮作系统、提升土壤氮素利用效率提供了科学依据，同时也为微生物肥料和生物防治策略的开发提供了理论支持。未来的研究应进一步验证这些微生物与氮素转化之间的因果关系，以期在农业实践中实现更高效的氮素管理。