集成使用的塑料薄膜和秸秆覆盖技术通过优化根际代谢物以及根系与微生物之间的相互作用，提高了山区马铃薯块茎的产量

《Field Crops Research》：Integrated plastic film and straw mulching enhances potato tuber yield in mountainous regions by optimizing rhizospheric metabolites and root–microbe interactions

本研究通过两年田间试验，比较了不同覆盖措施（无覆盖、秸秆覆盖、塑料薄膜覆盖及秸秆与塑料薄膜复合覆盖）对土壤温度、根形态、微生物群落及根际代谢物的影响，发现复合覆盖显著促进马铃薯生长并提高产量，其机制涉及土壤增温、根系发育、代谢物调控及有益微生物富集的协同作用。

　　

杜康|杨新月|邓振鹏|林曦|胡梦媛|蒋瑞|郑国莲|易小平|刘迅|刘长文|王继春

中国西南大学农学与生物技术学院，重庆400715

摘要

背景

中国西南地区的马铃薯生产受到低温土壤和养分供应不足的限制。尽管覆盖物是一种广泛采用的缓解这些限制的策略，但不同覆盖方式对根际环境（特别是根系发育、土壤微生物群落和根际代谢物）的综合影响及其在产量形成中的共同作用仍不甚清楚。

方法

进行了一项为期两年的田间实验，评估了四种覆盖处理：不使用覆盖物（NM）、秸秆覆盖（PS）、塑料薄膜覆盖（PP）以及塑料薄膜和秸秆的结合覆盖（PPS）。我们全面评估了这些处理对土壤温度、根系形态、土壤养分有效性、酶活性、细菌群落组成、根际代谢物以及块茎产量的影响。

结果

PPS处理最有效地促进了马铃薯的生长和最终块茎产量，在2023年增加了22.8%，在2024年增加了45.0%。具体来说，PPS处理优化了土壤热条件，使出苗时间比NM提前了12-13天，并促进了根系发育，产生了最大的根体积和表面积。这些增强的根系特性与独特的根际代谢谱相关，包括阿拉伯糖-1,4-内酯、苹果酸和富马酸的上调。同时，PPS丰富了有益细菌类群，如伯克霍尔德氏菌目（Burkholderiales）和粘球菌目（Myxococcota），这些细菌与改变的代谢模式有很强的相关性。改良的根际环境进一步提高了土壤养分有效性，并增加了尿素酶和蔗糖酶的活性。偏最小二乘路径建模建立了一个正向调节循环：覆盖物引起的土壤温度和养分的改善增强了微生物多样性和根际代谢物，从而共同促进了养分迁移并直接提高了块茎产量。

结论

我们的研究结果表明，塑料薄膜和秸秆覆盖的结合可以通过建立一种协调机制来提高马铃薯产量，该机制通过早期土壤升温促进根系生长并刺激特定代谢物的分泌。这些代谢物随后招募了有益的微生物类群，从而提高了土壤养分有效性并增强了酶活性，最终支持了更高的块茎产量。这一明确的机制为山区马铃薯农业生态系统的可持续生产力提升提供了基础。

引言

作为世界上第四重要的粮食作物，马铃薯（Solanum tuberosum L.）是数百万小农户的主要食物来源和关键收入来源（Gebrechristos和Chen，2018；Li等人，2025b）。作为全球最大的生产国，中国在该供应链中扮演着关键角色（Wang等人，2023），特别是在其西南山区，这种作物对区域粮食安全和农村社区的生计至关重要（Qin等人，2022；Wang等人，2018）。然而，该地区的生产力一直受到西南山区独特地形和气候的阻碍，由于高海拔导致土壤温度长期偏低，陡峭的雨水冲刷坡地快速流失养分，以及脆弱土地上的侵蚀导致土壤逐渐退化（Fang等人，2023）。这些因素共同抑制了块茎的产量潜力和质量，迫切需要针对性的农艺策略来改善土壤微环境和提高资源利用效率。

覆盖物是一种广泛采用的农艺措施，用于改良土壤微环境和促进作物生长。塑料薄膜和秸秆覆盖是两种主要方法（Li等人，2018a；Li等人，2022）。塑料薄膜覆盖主要通过提高土壤温度和保持土壤湿度来发挥作用（Bu等人，2013a；Mo等人，2017；Qian等人，2023），从而加速幼苗出苗和作物成熟（Li等人，2018b）。然而，一个显著的缺点是在生长后期根区温度可能过高，这可能导致过早衰老并最终限制产量（Bu等人，2013b；Liu等人，2010）。相比之下，秸秆覆盖可以调节土壤温度极端，温暖条件下提供冷却效果（Kader等人，2017；Zhou等人，2025），寒冷时期提供保温效果（Yin等人，2020），同时改善土壤保水性（Blanco-Canqui和Lal，2007）。但其冷却效果可能会延迟作物生长（Fahad等人，2024）。因此，优化覆盖策略需要仔细考虑当地气候和作物生理特性。这对于马铃薯这种浅根块茎作物尤为重要，因为其产量对根际条件非常敏感。然而，关于覆盖物引起的土壤温度变化如何影响根系结构以及最终块茎产量的机制理解仍然不完整。

除了改变物理微环境外，覆盖措施还深刻影响土壤养分循环和酶活性（Hai等人，2015；Li等人，2025a；Ma等人，2019）。塑料薄膜覆盖通常会加速有机物矿化，并在短期内显著增加土壤养分的有效性（Zhang等人，2023）。然而，这种加速的养分周转也可能导致土壤养分的淋失和总养分池的逐渐减少（Zhang等人，2014）。相比之下，秸秆覆盖有助于持续向土壤中输入有机物质，已被证明可以显著提高土壤有机质和有效养分的浓度（Ma等人，2019；Wei等人，2015；Zhang等人，2016）。此外，秸秆覆盖还促进了长期土壤肥力，并刺激了参与养分循环的关键酶的活性，如尿素酶和蔗糖酶（Liu等人，2024；Zhao等人，2019）。此外，使用塑料薄膜覆盖在短期内可以增加细菌的数量和多样性（Li等人，2004；Zhang等人，2019），但随着时间的推移也可能抑制真菌群落并导致微生物同质化（Munoz等人，2015；Qin等人，2016）。相比之下，秸秆覆盖通过提供丰富的碳源来促进微生物多样性（Banerjee等人，2016；Prendergast-Miller等人，2014；Zhang等人，2017），增加了参与分解的某些细菌群体的数量（Li等人，2021b；Wang等人，2021；Wu等人，2023；Zhang等人，2021），并增加了与碳和氮循环相关的功能基因的流行度。尽管有这些宝贵的见解，但迄今为止大多数研究都是单独考察土壤养分、酶和微生物群落的。迄今为止，关于不同覆盖方式如何调节山区马铃薯栽培中土壤养分、酶活性和微生物群落多样性的相互关联动态的系统性和机制性研究仍然有限。

鉴于覆盖物引起的土壤物理化学性质的变化不可避免地会影响植物根系，根际作为植物与土壤之间相互作用的重要界面。在这种情况下，根际代谢物作为关键介质，塑造了微生物群落的结构和功能（Gargallo-Garriga等人，2018；van Dam和Bouwmeester，2016；Vives-Peris等人，2020）。覆盖措施改变了根际环境，进而调节根系发育和根际代谢物（Chang等人，2024；Lian等人，2024）。现有关于塑料薄膜和秸秆覆盖的研究记录了它们对棉花（Zha等人，2022）、玉米（Li等人，2020；Lian等人，2024）以及其他多种作物的影响（Chang等人，2024；Li等人，2023）。这两种覆盖方式对根系结构和根际代谢物的影响不同：塑料薄膜覆盖提高了土壤温度和湿度，促进了更深的根系生长并改善了生理活性，而秸秆覆盖改善了土壤结构和养分循环，增加了表土根密度并促进了有益代谢物的释放。然而，在山区马铃薯栽培的背景下，直接将覆盖物改变的根际代谢物与特定的微生物功能群变化联系起来，进而与养分迁移和产量形成联系起来的综合分析尚完全缺乏。

因此，我们建立了四种不同的覆盖方式（图S1），旨在系统地阐明不同覆盖方式如何调节马铃薯生产中土壤、根系和微生物之间的关系。我们的研究是首次系统地剖析山区马铃薯系统中不同覆盖方式下的根际调控途径。我们假设：（1）不同的覆盖处理通过改变根际微环境和根系结构来差异性地提高马铃薯产量；（2）这些产量效应是由覆盖物引起的根际代谢变化及其随后与土壤微生物群落的相互作用共同介导的。我们希望我们的研究能为提高中国西南山区马铃薯生产力提供理论基础和实际策略。

部分内容

植物材料和实验设计

2023年至2024年，在中国重庆市巫溪县的建山镇（31°25′N，108°50′E）进行了田间研究。该地点海拔980米，以充足的阳光和平均年温度18°C而闻名。实验地点的土壤类型为沙壤土，肥力相对稳定。两年中土壤表层20厘米的初始特性如下

土壤温度和出苗率

与NM处理相比，所有覆盖处理在马铃薯生长季节都提高了平均每日土壤温度（图1A）。2023年生长季节，NM、PS、PP和PPS的平均每日土壤温度分别为15.2°C、15.8°C和17.6°C。与NM相比，PS、PP和PPS处理分别使平均土壤温度提高了0.6°C、2.6°C和2.4°C。同样，在2024年生长季节，记录的

讨论

我们的研究首次阐明了不同覆盖方式通过综合改变根际微环境、根系结构、根际代谢物和土壤微生物群落来提高马铃薯块茎产量的机制。我们的结果为提高中国西南山区马铃薯栽培提供了科学基础。

结论

我们的研究表明，塑料薄膜和秸秆的结合覆盖（PPS）策略通过协同优化根际环境显著提高了马铃薯产量。通过独特地结合塑料薄膜的早期土壤升温优势和秸秆的后期温度调节及土壤肥力改善，PPS策略显著加速了幼苗出苗，促进了植物生长，维持了根系活性，并实现了最高的产量。

CRediT作者贡献声明

易小平：撰写 – 审稿与编辑。郑国莲：方法学、正式分析。林曦：数据管理、正式分析、调查、方法学。蒋瑞：撰写 – 审稿与编辑、正式分析。邓振鹏：概念化、数据管理、正式分析、方法学。胡梦媛：方法学、正式分析。杨新月：撰写 – 审稿与编辑、正式分析。杜康：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、正式分析、数据管理。王继春：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了重庆市自然科学基金（CSTB2024NSCQ-MSX1188；CSTB2024NSCQ-MSX0647）；西南大学基本研究基金（SWU-KQ23006）；重庆市农业农村委员会种子产业‘马铃薯科学与企业联盟专项计划’（2021–2025）；重庆市现代农业产业技术体系马铃薯创新团队专项计划（CQMAITS2023–4）的支持。