《Frontiers in Microbiology》：Effects of legume-wheat rotation patterns on wheat yield, quality, and soil microbial community in the North China Plain
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本研究系统评估了华北平原小麦-玉米（WM）、小麦-花生（WP）及小麦-大豆（WS）三种轮作模式对小麦产量、品质、土壤理化性质及微生物群落的影响。结果显示，豆科轮作（尤其WP模式）可通过提升土壤全氮（TN）、有效磷（AP）等养分含量，增强氮（NAG、LAP）、磷（ALP）循环酶活性，并塑造更稳定复杂的真菌共生网络，最终使小麦产量年均提升10.7%，湿面筋含量提高27.4%。本研究表明，豆科轮作，特别是小麦-花生模式，是一种通过优化土壤微生物功能实现小麦可持续生产的有效策略。
引言
华北平原作为我国重要的小麦主产区，长期依赖小麦-玉米（W-M）轮作及高量化肥农药投入，导致土壤质量退化、环境问题凸显。将豆科作物纳入轮作体系被视为一种能维持作物生产力并缓解土壤与环境问题的潜力途径。豆科作物的核心优势在于其生物固氮能力，通过与根瘤菌共生，将大气氮转化为植物可利用形态。豆科残体富含氮、磷、糖类和蛋白质，且碳氮比（C/N）低，能促进快速分解，驱动养分循环，从而提升后茬作物的养分吸收与系统稳定性。然而，不同豆科-小麦轮作模式如何通过调控土壤微生物群落及酶活性来影响小麦产量与品质的机制尚不明确。
材料与方法
本项长期田间试验始于2018年，地点位于山东省农业科学院综合实验基地。试验采用随机区组设计，设置三种轮作系统：小麦-玉米（WM）、小麦-花生（WP）和小麦-大豆（WS）。各处理施肥方案一致，耕作管理等遵循常规方法。于2019至2021年每年小麦成熟期测定产量，并于2021年3月（小麦拔节期）和6月（成熟期）采集0-20 cm土层土壤样品。测定土壤理化性质，包括铵态氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、全氮（TN）、有效磷（AP）、速效钾（AK）、pH、土壤有机碳（SOC）和土壤含水量（SWC）。测定与碳循环（BX、CBH）、氮循环（NAG、LAP）及磷循环（ALP）相关的土壤胞外酶活性。小麦籽粒品质指标（粗蛋白、湿面筋含量及沉降值）于成熟期测定。采用可持续产量指数（SYI）评估产量稳定性。通过高通量测序分析土壤细菌（16S rRNA V3-V4区）和真菌（ITS1区）群落，并构建微生物共现网络。采用方差分析、Mantel检验及偏最小二乘路径模型（PLS-PM）进行统计分析。
结果
产量与品质
与WM相比，WP在所有三年均显著提高了小麦产量，三年平均增产10.7%。WS在2020和2021年也显著增产，两年平均比WM高6.1%。豆科轮作，尤其是WP，也显著提升了小麦品质指标。三年平均来看，WP使粗蛋白含量提高9.2%，湿面筋含量提高27.4%，沉降值提高21.6%。WS对品质的提升作用相对较小且不稳定。
土壤理化性质
与WM相比，豆科作物轮作显著改变了多项土壤理化性质。WP显著提高了NH4+-N（3月增加24.7%，6月增加9.2%）和NO3--N（分别增加21.3%和19.5%）含量。WS也在3月提高了NO3--N含量（增加10.8%）。两种豆科轮作均导致TN含量升高，其中WP在3月和6月分别比WM高出24.0%和20.6%。WP在两个季节使AP提高11.3-14.9%，但AK和SOC在各轮作模式间无显著差异。值得注意的是，WP和WS均导致土壤pH低于WM。在土壤水分方面，WP维持了显著更高的SWC，比WM在3月和6月分别高出5.8%和12.7%。
土壤酶活性
与WM相比，豆科轮作显著刺激了氮循环和磷循环相关酶活性。在3月，WP和WS的LAP活性分别比WM高11.0%和6.2%，NAG活性分别高14.1%和8.4%。这种增强趋势在6月同样存在。对于磷循环，3月两种豆科系统的ALP活性也均高于WM。相比之下，WM系统表现出更高的碳循环酶活性。
土壤微生物群落组成
韦恩图分析显示，3月份所有三种轮作模式共享的核心细菌ASVs数量（1056个）高于6月（630个），表明早期生长阶段的微生物组更为保守。在3月，WP拥有最多的独特细菌ASVs（989个）。真菌群落也表现出类似规律，但WP在两个季节都拥有较少的独特真菌ASVs。
在门水平上，豆科轮作（特别是WP）在两种采样季节均持续增加了酸杆菌门（Acidobacteria）和绿弯菌门（Chloroflexi）的相对丰度。例如，WP处理下Acidobacteria的丰度在3月和6月分别达到20.34%和20.21%，高于WM（分别为14.58%和13.68%）。放线菌门（Actinobacteria）的相对丰度在豆科系统中降低。子囊菌门（Ascomycota）是真菌群落的优势门，其丰度表现出明显的阶段性和处理特异性变化。与WM相比，6月份两种豆科轮作处理（WP和WS）的子囊菌门丰度均下降，而所有处理中担子菌门（Basidiomycota）的相对丰度在6月均一致升高。
土壤微生物群落多样性
对于细菌群落，轮作模式的影响具有季节性。3月采样时，三种轮作模式间的细菌丰富度（Chao1）和多样性（Shannon）无显著差异。但到6月，出现了明确的层次结构，两个指数均表现为WS > WP > WM。真菌群落的响应模式则不同。在3月，WP的真菌丰富度和多样性均显著低于WM和WS，但这些差异在6月消失，所有系统维持了相似的α多样性水平。PCoA分析显示，三种轮作系统显著塑造了细菌和真菌群落结构，在两个采样季节均导致明显分离。
土壤微生物共现网络分析
在细菌网络中，豆科轮作（WP和WS）比WM表现出更大但更稀疏的网络结构。其中，WP网络节点数最多，但边数最少，模块性最高，表明群落结构最稳定。在真菌网络中，豆科轮作（WP和WS）极大地增加了网络的复杂性，具有更高的平均度、更多的链接以及更大比例的正负相互作用。同时，这些更复杂的网络表现出更低的模块性和更短的平均路径距离。值得注意的是，WP具有最高的平均聚类系数，表明其真菌群落内部形成了联系更紧密的集群。
相关性分析
Mantel检验分析表明，小麦产量和品质与土壤pH、TN、NAG和ALP等关键土壤变量显著相关。细菌群落结构与SOC、AP、SWC、LAP和NAG显著相关。真菌群落则与大多数土壤因子密切相关。
PLS-PM分析
偏最小二乘路径模型（PLS-PM）分析揭示了驱动作物性能的关键路径。土壤酶活性对作物性能的直接正向效应最强，是决定最终作物性能的最关键直接因素。土壤性质作为系统中最基本的驱动因子，显著促进了微生物群落的组装。微生物群落的改善进一步显著提高了土壤酶活性。总体而言，土壤性质不仅直接增强作物性能，更重要的是通过一个关键的间接路径施加了更强大的影响：土壤性质首先影响微生物群落，进而改变土壤酶活性。这表明微生物群落和土壤酶活性在该系统中扮演着至关重要的中介角色。
讨论
豆科轮作对土壤理化性质及生物性质的影响
豆科作物不仅通过生物固氮满足自身氮需求，还通过根系分泌物及残体分解为后茬作物提供氮源，本研究中WP对NH4+-N和NO3--N的提升尤为显著。花生秸秆碳氮比低，有利于残体分解和净氮矿化。WP还显著提高了后续小麦季的土壤含水量和有效磷水平。土壤pH的降低可能归因于豆科根系分泌有机酸以活化磷。本研究未发现SOC含量的显著差异，可能因为3年试验期过短。土壤胞外酶活性谱的变化揭示了不同轮作系统下微生物养分获取策略的根本转变。WM系统因投入高C/N比的秸秆，导致微生物分解过程中氮受限，从而优先合成碳循环酶。相反，豆科轮作引入的低C/N比残体富含氮，极大地刺激了微生物活性，微生物群落战略性地上调了氮磷循环酶活性，以从土壤有机质中矿化这些关键养分。
豆科轮作对土壤微生物群落组成及网络特征的影响
从3月到6月，核心细菌和真菌ASVs数量的减少表明，随着小麦生长和根系分泌物变化，土壤微生物群落经历了从相对普遍的遗留群落向更具选择性、更特异的根际群落的演替过程。豆科轮作改变了关键微生物门的相对丰度。WP和WS持续增加了寡营养型细菌（如Acidobacteria和Chloroflexi）的丰度。豆科作物通过固氮和留下易分解残体，为这些细菌创造了有利环境。在真菌群落中，3月份花生促进而大豆抑制了子囊菌门，可能与根系分泌物化学差异有关。到了6月，两种豆科轮作均抑制了子囊菌门，而WM保持其高丰度，这可能与豆科轮作的高氮环境抑制了某些分解高C/N比有机物的腐生子囊菌有关。所有处理中担子菌门丰度在6月一致增加，表明在小麦生长后期，随着易分解碳源的消耗，土壤微生物群落的代谢优先性转向分解更顽固的植物物质。
共现网络分析进一步揭示了不同轮作方案如何塑造微生物群落结构。对于细菌网络，WP具有最高的节点数但最少的边和最高的模块性，暗示其群落虽物种丰富，但种间相互作用相对脆弱或直接。在资源丰富的环境中，复杂性较低的微生物网络仍可能表现出较高的功能冗余。对于真菌网络，豆科轮作极大地增加了网络的复杂性、连通性和效率。WP具有最高的平均聚类系数，表明其真菌群落内部形成了联系更紧密、生态位重叠的集群。这种复杂且高度连接的真菌网络通常被认为具有更强的抵抗力、恢复力以及更高的养分循环效率，这可能是豆科轮作增强土壤健康和功能的关键机制之一。
豆科轮作对小麦产量和品质的影响
产量和品质的提升直接源于养分有效性的改善。作为小麦产量的主要限制因素，氮也是籽粒蛋白质和面筋积累的基本构建块。豆科轮作留下的氮遗产，表现为TN、NH4+-N和NO3--N水平的升高，为观测到的蛋白质和面筋含量激增提供了物质基础。同时，豆科轮作增加了土壤磷的有效性，而磷对能量转移和籽粒灌浆至关重要。Mantel检验分析进一步证实了该机制，确定TN、土壤pH和AP是与小麦产量和品质显著相关的关键环境驱动因子。
其次，土壤酶活性的战略性转变催化了土壤养分向植物可用形态的转化。Mantel检验确定小麦品质与氮、磷获取酶活性之间存在强正相关。这表明豆科诱导的这些特定酶的上调有效加速了有机氮和磷的矿化，使养分供应与小麦关键发育阶段的需求相匹配。WP在产量和品质上优于WS，部分归因于花生残茬对这些酶活性和养分水平的提升幅度更大。
土壤微生物生态系统的稳定性可能在维持高生产力方面发挥了间接但重要的作用。WP培育了具有更高复杂性和连通性的真菌网络。强大的真菌网络通常与改善的养分运输效率和增强的作物对环境胁迫的恢复力有关。结合在豆科轮作中观测到的更高土壤含水量，这创造了一个更具缓冲性和支持性的土壤环境，确保了小麦作物即使在变化的季节条件下也能充分发挥其产量和品质潜力。
土壤性质、微生物群落、土壤酶活性与作物性能的关系
PLS-PM模型阐明，土壤酶活性是直接影响作物性能的首要因素。作为物质循环和养分转化的催化剂，土壤酶控制着有机质分解和养分矿化的效率，从而确保植物有效养分的持续供应。因此，轮作系统间的性能差异很大程度上可归因于土壤酶活性的这些变化。
此外，模型描绘了轮作系统影响作物性能的一个关键间接途径。这个级联反应始于土壤理化性质，它塑造了微生物群落，随后调节土壤酶活性，并最终影响作物性能。不同的轮作模式，特别是豆科的引入，通过根系分泌物、凋落物输入和生物固氮等过程改变了土壤理化性质。这些性质然后选择性地构建了土壤微生物群落。作为土壤酶的主要生产者，微生物群落的具体组成和功能最终决定了酶活性的整体水平。值得注意的是，虽然土壤理化性质对作物性能有显著的直接影响，但其通过微生物群落和土壤酶活性介导的间接影响被证明更为重要。这表明微生物群落及其酶功能是该系统中的关键中介变量，是连接土壤环境与作物产出的主要纽带。
结论
本研究证明，与小麦-玉米轮作相比，将豆科作物（特别是花生）纳入小麦轮作体系能显著提高小麦产量和品质。小麦-花生轮作效果最佳，可实现10.7%的增产和27.4%的湿面筋含量提升。这些益处源于土壤健康的整体改善，豆科作物通过增强养分循环酶活性和培育更复杂、更具恢复力的真菌网络，增加了氮的有效性并活化了磷。因此，小麦-花生轮作提供了一种优化作物生产力和土壤生态系统功能的可持续策略。
