《Frontiers in Agronomy》：The stabilizing effect of water-drought rotation on soil microbial communities: potential for resisting obstacles in continuous cropping
编辑推荐：
本研究通过三年田间实验，揭示烟草-水稻轮作通过重塑土壤细菌群落互作网络（co-occurrence network）和强化确定性装配过程（βNTI<-2），显著抑制硝化细菌功能（nitrifying bacteria）并降低病原菌丰度变异，从而缓解连作障碍（continuous cropping obstacles）。该发现为农业微生态调控提供了理论依据。
引言
集约化单一种植模式通常导致土壤化学性质恶化、酶活性降低、土传病害累积以及自毒物质富集，这一系列问题被统称为连作障碍。作物轮作作为一项重要的农业实践，能够通过提升酶活性、增加微生物多样性和改善土壤结构来显著增强土壤微生态健康。本研究通过为期三年的田间试验，系统比较烟草连作与烟草-水稻轮作两种模式，旨在从微生物群落结构、组装过程和功能特征三个维度揭示轮作缓解连作障碍的微生态机制。
材料与方法
试验在湖南省常宁市进行，设置烟草连作与烟草-水稻轮作两种处理，每个处理五个重复。在试验第三年的烟草生长季，分别于根系伸展期、旺盛生长期和成熟期采集土壤样品。测定土壤pH、总氮（TN）、碱解氮（HN）、总磷（TP）、有效磷（AP）、总钾（TK）、有效钾（AK）和有机质（SOC）等理化指标。采用Illumina NovaSeq平台对细菌16S rRNA基因V3-V4区进行高通量测序，利用QIIME2和DADA2流程进行ASVs（Amplicon Sequence Variants）分析。通过βNTI（β-nearest taxon index）和βMNTD（β-mean nearest taxon distance）评估群落组装过程，并利用SparCC算法构建微生物共现网络。
结果
土壤理化性质分析表明，种植模式对土壤总氮、碱解氮、有效磷、pH和有机质有显著影响，而采样时间主要影响有效钾和有机质。尽管两种模式下的细菌α多样性（包括丰富度、Shannon指数和Chao1指数）无显著差异，但基于ASV水平的PCoA分析显示其群落结构存在显著分离（Anosim R = 0.459, P = 0.001）。优势菌门为变形菌门（Proteobacteria）、酸杆菌门（Acidobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）。随机森林模型识别出ASV380、ASV129和ASV116等关键ASVs。
群落组装过程分析显示，两种模式下βNTI值均小于-2，表明确定性过程占主导地位。然而，仅在轮作系统中，βMNTD和βNTI与土壤有效氮、有效磷、有效钾和pH呈显著相关，而在连作系统中未发现此类关联。网络拓扑分析进一步揭示，轮作系统具有更复杂的共现网络结构，节点数更多，但传递性（transitivity）和平均度（average degree）较低，并鉴定出22个连接器类群（connector taxa）。模块分析表明，模块1、2、4和6与pH呈正相关，其中变形菌门为优势菌门。
功能预测（FAPROTAX）表明，轮作系统显著抑制了硝化细菌和亚硝酸盐氧化细菌的丰度，而连作系统富集了暗硫化氧化细菌（dark sulfide-oxidizing bacteria）。尽管两种系统间植物病原菌总体丰度无显著差异，但连作系统在烟草旺盛生长期表现出较高的病原菌丰度变异。Mantel检验显示，土壤总磷显著影响碳氮循环相关微生物群落，且细菌群落组成和功能均与土壤pH密切相关。
讨论
本研究发现，尽管轮作未显著改变土壤细菌α多样性和多数理化性质，但通过周期性干湿交替创造了高度异质的土壤环境，驱动了微生物群落的系统演替。这种动态变化体现为βMNTD的显著升高，反映了需氧/厌氧和嗜酸/嗜碱等功能 distant 类群随种植周期的交替演替，有助于维持微生物功能多样性，从而增强生态系统稳定性。确定性过程在两种模式下均占主导，但轮作系统中其相对贡献降低，可能与淹水条件改善生境连通性和减缓有机质分解有关。
轮作系统形成的稀疏化、模块化网络结构被认为是群落稳定的标志。这种结构变化可能与水分 regime 和根系分泌物（如水稻的有机酸/酚类与烟草的生物碱）的交替变化驱动的细菌群落持续重构有关。值得注意的是，轮作并未显著降低土壤病原菌绝对丰度，但有效降低了其空间变异性，表明轮作主要通过增强群落稳定性而非直接清除病原菌来缓解连作障碍。连作系统在旺盛生长期病原菌的高变异则提示了局部病害爆发的潜在风险。
结论
烟草-水稻轮作主要通过重塑土壤细菌群落组成和互作网络来缓解连作障碍，而非依赖α多样性或土壤化学性质的广泛改变。轮作增强了通过关键类群连接的微生物网络复杂性，强化了与土壤养分有效性相关的确定性组装过程，功能上抑制了硝化作用，并降低了关键生长阶段病原菌的空间变异性。这些发现阐明了轮作实践调控土壤微生态机制，为可持续农业管理提供了重要见解。
