热带豆科牧草与自然草对番石榴园砖红壤微生物群落及土壤健康的改良效应比较研究

《BMC Plant Biology》：Comparison between tropical legumes and natural grasses in improving tropical rainforest soil health: a case study in guava (Psidium Guajava L.) orchards

为解决热带果园砖红壤酸瘦化导致的微生物群落失衡问题，中国热带农业科学院南亚热带作物研究所团队比较了圭亚那柱花草(Stylosanthes guianensis)两个品种(Reyan No.2/Ubon)与自然草(N)对0-40 cm土层微生物多样性(16S rDNA分析)及养分的影响。研究发现自然草处理使表层SOC提升49%，总氮增加56%，并显著改变β-多样性，证实草生栽培能通过调控Chloroflexi/Proteobacteria等优势菌门重构微生物群落，为热带果园土壤改良提供理论依据。

　　

在热带农业生态系统中，砖红壤(latosol)因高温多雨导致的强烈淋溶作用，普遍面临pH值低、有机质匮乏等挑战。这类土壤中，铁氧化物成为主导化合物，而钙、镁等必需阳离子严重流失，给果园可持续管理带来巨大压力。传统清耕(CK)虽能短期控制杂草，却加剧了土壤退化。近年来，果园生草栽培作为20世纪中叶兴起的可持续管理模式，被证实能改善土壤结构、提升有机碳(SOC)储量，但其对热带果园特有微生物群落的影响机制尚不明确。

中国热带农业科学院南亚热带作物研究所的Xiaoping Zang、Kai Li等科研人员，在广东湛江番石榴(Psidium guajava L.cv Pearl)园开展了一项开创性研究。他们比较了两种圭亚那柱花草(Stylosanthes guianensis cv. Reyan No.2和cv. Ubon)与自然草(Eleusine indica等)对0-20 cm和20-40 cm土层微生物群落的影响。这项研究通过高通量测序技术揭示了草生栽培如何重塑砖红壤微生物网络，相关成果发表在《BMC Plant Biology》上。

研究团队采用16S rDNA V3-V4区扩增与Illumina Hiseq2500测序技术，对4种处理(E/F/N/CK)的土壤样本进行微生物多样性分析。通过QIIME流程进行OTU聚类，利用RDP分类器结合SILVA数据库进行物种注释，并采用Chao1/Shannon指数评估α-多样性，加权/非加权UniFrac距离分析β-多样性。同时测定土壤pH、SOC及氮磷钾含量，通过PCA分析揭示微生物群落与环境因子的关联。

研究结果呈现多重突破：

1. 土壤基础特性：自然草处理使表层SOC提升49%(1.58 vs 1.01 g kg^-1)，亚表层提升42%，总氮增幅达56-59%，显著高于豆科牧草处理。

2. OTU分布特征：共获得17,231个OTU，包含17,165种细菌和66种古菌。自然草与Ubon处理显著增加表层微生物丰富度(Chao1指数)，而Reyan No.2处理在亚表层表现更优。

3. 群落结构变化：在门水平上，Chloroflexi(28.6-34.1%)、Proteobacteria(18.3-22.7%)和Acidobacteria(12.4-15.8%)为优势菌群。自然草处理显著降低表层Chloroflexi相对丰度，但提升亚表层5.3个百分点。

4. α/β多样性分析：Shannon指数显示草生栽培显著提升微生物均匀性(p<0.01)。Adonis分析表明自然草使亚表层β-多样性提升37%，而Ubon处理在表层降低微生物群落异质性。

5. 环境因子关联：PCA分析证实SOC与Shannon指数(r=0.82)、总氮(r=0.79)呈显著正相关，说明碳氮循环协同驱动微生物群落重构。

这项研究首次系统阐明了热带果园草生栽培对砖红壤微生物组的深度影响机制。研究发现自然草通过根系分泌物和凋落物输入，创造了更复杂的碳源矩阵，使亚表层Acidobacteriaceae相对丰度提升19%，这与其在寡营养环境中的适应性密切相关。值得注意的是，豆科牧草处理虽在氮固定方面具有优势，但其微生物群落改造效果弱于多物种共生的自然草系统，这一发现为热带果园生草品种选择提供了新视角。

从应用角度看，研究证实草生栽培能通过"根系-微生物-土壤"三方互作，有效缓解砖红壤酸瘦化问题。特别是自然草处理形成的Planctomycetaceae(3.2-4.7%)和Gemmatimonadaceae(2.1-3.4%)功能菌群富集，可能增强土壤磷活化效率。该成果不仅为热带果园可持续管理提供了理论支撑，也为退化土壤的生物修复开辟了新思路。未来研究可进一步解析特定微生物类群(如Acidothermus)在碳氮转化中的功能基因表达，以优化草生栽培的生态效益。