《Journal of Agronomy and Crop Science》：In-Field Evaluation of Triticum spelta and Triticum aestivum Performance Under Contrasting Irrigation Regimes and Farming Systems: Impact on Yield, Grain Quality and Soil Microbiota
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本文系统评估了斯佩尔特小麦（Triticum spelta）与普通小麦（Triticum aestivum）在常规与有机耕作、灌溉与雨养条件下的农艺性状、抗氧化能力及土壤微生物群落响应。研究发现斯佩尔特小麦在水分胁迫下表现出更强的抗逆性（如维持产量、提升抗氧化能力），而有机耕作虽富集了氮循环相关微生物（如Nitrosococcaceae SZB85），但受限于氮素供应导致产量显著降低（57%–85%）。研究为干旱地区推广抗旱作物及优化土壤微生物管理提供了理论依据。
1 引言
干旱是影响全球作物产量的主要非生物胁迫因素。有机农业实践被报道可增强土壤健康与微生物多样性，进而影响作物生长与产量。斯佩尔特小麦（Triticum spelta）作为普通小麦（Triticum aestivum）的古老近缘种，因其抗旱性被视为潜在替代作物。然而，其在水分限制条件下于不同耕作系统中的农艺及微生物响应尚不明确。本研究通过田间试验，比较了常规与有机耕作下灌溉与雨养环境中斯佩尔特小麦与普通小麦的表现。结果表明，斯佩尔特小麦在雨养条件下表现出更强的抗旱性，能维持产量、千粒重，并具有更高的抗氧化能力；而普通小麦在雨养条件下产量下降17%，但仍比斯佩尔特小麦高229%。有机耕作导致斯佩尔特小麦和普通小麦产量分别降低57%–85%和77%–85%，这与较低的氮素有效性相关，并引发籽粒碳氮比（C/N）升高，表明营养品质降低。土壤微生物群落分析显示，耕作方式是解释微生物群落结构差异的主要因素，灌溉制度次之。具体而言，有机耕作促进了参与氮循环和有机物降解的土壤细菌微生物（如Nitrosococcaceae SZB85、Thermomicrobiaceae、Actinomycetospora）的富集，但这并未增加氮素有效性或促进作物产量。此外，在雨养条件下（尤其是常规土壤中），潜在病原菌Ustilago maydis增加，而小麦和斯佩尔特小麦同时招募了有益菌Chrysosporium pseudomerdarium。在经历水分限制的有机土壤中，也观察到有益微生物如Paraphoma radicina和Rhizopus arrhizus的增加。本研究强调了斯佩尔特小麦在干旱地区作为抗旱替代作物的潜力，同时揭示了有机耕作在产量方面的局限性。
2 材料与方法
2.1 植物材料与生长条件
试验在西班牙巴斯克地区NEIKER研究所的实验田进行。斯佩尔特小麦（品种Franckenkorn）与普通小麦（品种Florence Aurora）于2022年2月10日播种，8月18日收获（生育期189天）。试验设置常规与有机耕作两种模式，每种耕作下分灌溉（I）与雨养（R）处理，形成四种处理组合：常规灌溉（CI）、常规雨养（CR）、有机灌溉（OI）、有机雨养（OR）。每个处理设4次重复，共32个小区。有机田自2017年开始转型，2020年获欧盟有机认证。2022年生长季平均温度14.27°C，相对湿度75%，降水量229.9 mm，较2020–2024年均值偏暖干。土壤基础性状显示有机田有效阳离子交换量（52.7 meq/100 mL）、氧化性有机质（3.10%）等高于常规田。常规田播种前施用除草剂TALLIT Super与Biathlon 4D，并在Z10期（一叶期）和Z29-31期（分蘖末期至拔节初期）分别追施NPK肥（8-15-15）与NAC27；有机田仅通过柔性耙控制杂草，未施肥。
2.2 农艺性状测定
在Z75-92期（收获前约1个月）测定株高（Height）；收获期（Z99）计算单位面积产量（Yield），并测定百粒重（100-grain weight）。
2.3 碳氮比、抗氧化能力与酚类物质测定
籽粒经粉碎后，使用元素分析仪（FlashEA 1112）测定碳（C）、氮（N）含量并计算C/N比。抗氧化能力通过FRAP法测定，酚类含量采用Folin-Ciocalteu法以没食子酸当量表示。
2.4 统计分析
使用SPSS 28.0进行三因素ANOVA分析，比较物种、灌溉制度、耕作方式及其互作对各项指标的影响，Duncan检验进行多重比较（p < 0.05视为显著）。作图使用GraphPad Prism 8.2.1。
2.5 土壤微生物群落特征分析
每小区取3个0–15 cm土层根际土壤样本，混合后-20°C保存。采用DNeasy PowerLyzer PowerSoil Kit提取DNA，分别扩增细菌16S rRNA基因V3-V4区（引物341F/805R）和真菌ITS2区（引物fITS7/ITS4），Illumina MiSeq平台测序（2×300 bp）。QIIME 2流程进行质控、去噪和ASV生成，Silva 132（细菌）和UNITE v8（真菌）数据库进行物种注释。Alpha多样性（Observed OTUs、Shannon指数）和Beta多样性（Bray-Curtis、Jaccard距离）分析在QIIME 2中完成，LEfSe分析识别差异微生物类群（LDA > 2）。
3 结果
3.1 常规耕作下小麦与斯佩尔特小麦在不同灌溉制度中的表现比较
在常规灌溉（CI）下，斯佩尔特小麦株高（77 cm）显著高于普通小麦（47 cm），但产量（2.08 t/ha）显著低于普通小麦（8.51 t/ha）。转为雨养（CR）后，两种作物株高均增加（小麦+17.55%，斯佩尔特+15.62%），但普通小麦产量下降至7.06 t/ha，斯佩尔特产量稳定（2.15 t/ha）。百粒重在CI下无物种间差异（约3.48 g），CR使普通小麦百粒重降低12.87%，斯佩尔特无显著变化。生理指标方面，普通小麦籽粒酚类含量（5.47 μmol GA/g DW）高于斯佩尔特（4.60 μmol GA/g DW），CR使普通小麦酚类下降12.5%，斯佩尔特无变化。抗氧化能力在CI下无物种差异，CR使普通小麦降低12.93%，斯佩尔特提升10.30%。籽粒C/N比在普通小麦（22）显著高于斯佩尔特（16.5），灌溉制度无影响。
3.2 有机耕作下小麦与斯佩尔特小麦跨灌溉制度的性能比较
有机耕作使两种作物株高降低63%–64%。产量在有机灌溉（OI）与有机雨养（OR）下均显著下降，普通小麦降幅77.92%–84.66%，斯佩尔特降幅57.37%–79.49%。有机耕作显著影响酚类含量与C/N比，但不影响抗氧化能力。OI下普通小麦与斯佩尔特小麦C/N比分别增加30.67%与36.92%；OR下斯佩尔特C/N比较OI进一步升高13.15%。斯佩尔特在OI与OR下酚类含量显著增加（OI下达5.63 μmol GA/g DW）。普通小麦抗氧化能力在OI下较CI降低，斯佩尔特在OI与OR下与CI、CR趋势相似。
3.3 不同灌溉制度下小麦与斯佩尔特小麦的土壤微生物群落分析
灌溉条件下两物种土壤真菌Alpha多样性相似，但斯佩尔特细菌Shannon多样性更高（10.25 vs. 9.66）。物种间微生物群落组成无显著差异，优势菌门/纲重叠（真菌：Eurotiomycetes、Glomeromycetes等；细菌：Chloroflexi、Verrucomicrobiae等）。灌溉制度对微生物多样性和组成有显著影响：常规雨养（CR）下斯佩尔特细菌多样性和真菌均匀度显著低于灌溉处理；有机雨养（OR）下细菌Shannon多样性（小麦）显著低于OI。耕作方式是微生物群落结构分异的主因（PERMANOVA p < 0.05），灌溉制度为次要因素。NMDS分析显示C/N比、酚类与有机处理正相关，株高、产量与常规处理正相关。LEfSe分析识别出各处理下的标志微生物：常规灌溉（CI）富集Pirellula、Claroideoglomus等；常规雨养（CR）富集Geminicoccaceae、Ustilago maydis、Chrysosporium pseudomerdarium等；有机灌溉（OI）富集Nitrosococcaceae SZB85、Stachybotrys chartarum等；有机雨养（OR）富集Blastocatellaceae、Rhizopus arrhizus、Paraphoma radicina等。
4 讨论
4.1 灌溉条件下斯佩尔特小麦优先分配资源于株高，而普通小麦侧重籽粒生产
在常规灌溉下，斯佩尔特小麦将更多资源分配给营养生长（株高77 cm），普通小麦则优先籽粒生产（产量8.51 t/ha）。这与现代小麦育种中半矮化品种的“绿色革命”策略一致，旨在减少株高、提高产量抗倒伏。但两物种百粒重无差异，表明育种提升了普通小麦的籽粒数而非籽粒灌浆。斯佩尔特小麦较低的C/N比提示其籽粒蛋白质含量更高，营养品质可能优于普通小麦。
4.2 常规雨养下斯佩尔特小麦表现出改良的资源分配、产量稳定性及抗氧化响应，但土壤微生物多样性降低
雨养促使两物种株高增加，可能为干旱逃避策略。普通小麦产量与百粒重显著下降，斯佩尔特则保持稳定，且抗氧化能力提升12.93%，表明其具更强抗旱生理机制。斯佩尔特在雨养下叶片衰老延迟，支持了延长的灌浆期。然而，其产量（2.15 t/ha）仍显著低于普通小麦（7.06 t/ha）。土壤微生物方面，雨养降低了斯佩尔特土壤细菌与真菌多样性，可能与其在胁迫下减少根系分泌物投入、重分配资源至抗氧化合成有关。CR下富集的Geminicoccaceae（耐盐相关）与Chrysosporium pseudomerdarium（促生菌）可能助作物应对干旱，但病原菌Ustilago maydis同时增加，反映水分胁迫下微生物群落结构的权衡。
4.3 有机耕作降低谷物产量与品质，并调节小麦与斯佩尔特小麦的土壤微生物多样性及结构
有机耕作导致两物种产量大幅下降（小麦57%–85%，斯佩尔特77%–85%），且籽粒C/N比升高，表明蛋白质含量降低。尽管有机土壤富集了Nitrosococcaceae SZB85（氨氧化）、Thermomicrobiaceae（硝化）等有益菌，但缺乏外源有机肥输入导致氮素供应不足，限制了作物生长与微生物多样性。有机灌溉（OI）下细菌与真菌多样性均低于常规灌溉（CI），可能与植物生物量低、根系分泌物少相关。雨养条件下，水分限制成为微生物活动的主要限制因子，使有机与常规土壤微生物多样性差异减小。真菌群落中，有机雨养（OR）下Paraphoma radicina（ dark septate endophyte）与Rhizopus arrhizus的富集可能有助于作物抗旱。然而，有机系统的微生物调控未能抵消低氮胁迫，突显了土壤健康与短期产量之间的平衡难题。
5 结论
斯佩尔特小麦在干旱条件下展现出优于普通小麦的抗逆性（维持产量、提升抗氧化活性），且籽粒具有较低C/N比，营养品质潜在更优。有机耕作虽富集了氮循环相关微生物，但受限于土壤氮素有效性，导致产量显著下降。耕作方式是驱动土壤微生物群落结构分异的主因。斯佩尔特小麦的抗旱特性与维持品质的能力使其成为干旱地区育种与可持续农业的潜在候选作物，但需通过育种提高其产量潜力。研究强调了在气候变化背景下，结合作物抗逆性管理与土壤微生物调控对保障粮食安全的重要性。
