《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Forage-crop rotation enhances soil microbial diversity and network stability under precipitation variability in rain-fed agroecosystems
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研究显示，苜蓿-小麦轮作系统在降水波动下显著提升土壤微生物多样性、网络复杂性和稳定性，其机制涉及地上生物量增加和土壤硝酸盐氮减少的耦合作用。
关同同|沈玉英|倪红|薛冉|张彦
兰州大学畜牧农业科学技术学院，中国兰州730020
摘要
降水的变化对依赖雨水的农业生态系统造成了显著的压力，在这些系统中，土壤微生物群落在维持农业生态系统的多功能性方面发挥着关键作用。饲草-作物轮作被认为是一种通过促进功能冗余的微生物物种来增强农业生态系统稳定性的有效策略。然而，饲草-作物轮作如何重塑微生物群落结构以缓冲降水变化的机制仍不甚明了。为了解决这一空白，我们研究了在四种不同的降水条件下（正常降水、降水减少30%、降水增加30%），一种为期四年的饲草-作物轮作系统（小麦-小麦-小麦-小麦，WWWW；小麦-小麦-苜蓿-苜蓿，WWAA）对典型雨水农业区土壤有效养分和微生物群落的影响。结果表明，与WWWW系统相比，WWAA轮作显著增加了地上生物量以及土壤易氧化有机碳含量（分别增加了8.26%和27.68%），同时降低了土壤有效磷、硝酸盐氮和水分含量（分别减少了14.52%、17.02%和10.45%）。WWAA轮作还显著改变了微生物群落的组成，丰富了Proteobacteria、Nitrospirota和Bacteroidota的数量，同时减少了Acidobacteriota的数量。在降水变化的情况下（DP和IP），WWWW系统的细菌α多样性（通过Ace指数衡量）相对正常降水下降了9.09%-10.70%，而在WWAA轮作系统中则增加了8.54%。此外，WWAA轮作在降水变化条件下增强了微生物网络的复杂性（边数、正边比率、模块性和真菌节点数）和稳定性。结构方程建模显示，降水变化是土壤微生物群落的主要负面驱动因素，而饲草-作物轮作则通过地上生物量和土壤硝酸盐氮产生了直接和间接的正面影响。总体而言，这些发现表明，将饲草作物纳入轮作系统可以通过促进土壤微生物群落的多样性、结构复杂性和功能稳定性来增强农业生态系统的韧性，从而在降水变化的压力下保护微生物过程。
引言
降水变化的特点是年平均干旱持续时间更长、平均降水量更高以及轻度降雨事件的频率降低（Lambert等人，2008年；Pendergrass等人，2017年；Giorgi等人，2019年），这对农业生态系统的稳定性构成了重大威胁，尤其是在全球气候变化背景下依赖雨水的农业地区（Crowther等人，2016年；Yuan等人，2021年）。土壤微生物群落通常被视为土壤的活跃生物引擎，在缓冲生态系统免受环境干扰方面发挥着关键作用（Delgado-Baquerizo等人，2016年；Fierer，2017年；van Der Heijden等人，2008年；Wagg等人，2019年）。然而，广泛的农业集约化严重侵蚀了微生物的多样性和功能稳定性（Tsiafouli等人，2015年；Banerjee等人，2019年；Kaloterakis等人，2025年）。因此，开发在降水变化日益增加的情况下稳定这些脆弱微生物群落的策略已成为可持续农业的关键优先事项。
仅依赖分类丰富度或数量无法全面了解微生物群落对环境变化的响应。一个更全面的视角需要一个多维框架，整合多样性、组成和生态相互作用，而不仅仅依赖于单一指标（Locey和Lennon，2016年）。在这方面，共现网络分析通过揭示环境压力下微生物相互作用如何支撑群落稳定性和生态系统功能，提供了超越传统多样性测量的独特见解（Wagg等人，2019年）。降水变化通过引起两个关键非生物驱动因素的显著波动来影响农业生态系统：土壤水分可用性和养分扩散（Yang等人，2021b）。这些非生物变化对微生物群落产生双重影响。一方面，严重的水分胁迫和养分限制作为强烈的环境过滤器，直接排除了敏感的微生物类群，降低了微生物的α多样性（Hendershot等人，2017年）；另一方面，这种波动同时重塑了存活物种之间的生态关系。虽然充足的水分可以刺激微生物的代谢活动并促进复杂的相互作用网络（de Vries等人，2018年），但极端的降水变化往往会破坏这些相互作用，导致网络复杂性的崩溃（Yuan等人，2021年）。因此，阐明降水变化如何调节土壤非生物条件，进而影响微生物群落的整体结构和功能的级联联系，对于理解和增强依赖雨水的农业生态系统的韧性至关重要。
作物轮作是通过影响地下生物多样性来提高资源利用效率和稳定生态系统生产力的核心农业策略（Li等人，2024年；Yang等人，2024c）。然而，现有的大部分证据都来自在相对稳定的环境降水量条件下进行的传统谷物轮作系统（Bowles等人，2020年；Wu等人，2025年）。目前尚不清楚这些益处，特别是其背后的微生物机制，是否适用于在降水变化加剧的依赖雨水的农业生态系统中进行的饲草-作物轮作系统。与传统谷物单一种植不同，饲草-豆科作物轮作引入了不同的生态驱动因素：它们的特点是生物量积累旺盛、根系沉积的氮含量高（Fustec等人，2010年）以及持续的地面覆盖。这种独特的输入创造了异质的资源生态位，预计可以促进微生物生态位的分化，并支持更复杂、功能冗余的群落的形成（Tiemann等人，2015年；Liu等人，2023年）。然而，在依赖雨水的农业生态系统中，降水变化的加剧往往会导致植物-微生物相互作用的脱节，形成一种限制这些生物效益的压力屏障。因此，一个核心的科学问题是：由饲草-作物轮作所培养的强大微生物结构能否抵御极端水文波动带来的强烈环境过滤？基于这一观点，我们假设饲草-作物轮作通过调节连接土壤水分动态、养分可用性和作物生物量的相互关联途径，减轻了降水变化的不稳定效应，从而促进了具有更高多样性和更强网络稳定性的更坚韧的微生物群落。
在这种情况下，我们在中国的黄土高原进行了一项为期四年的现场降水操控实验，以模拟小麦（Triticum aestivum L.）-苜蓿（Medicago sativa L.）轮作系统中的局部降水变化。根据当地的历史气象数据（1961-2019年的年降水量年变化系数超过20%），使用雨棚将降水量增加了或减少了30%。此外，还评估了土壤的基本物理化学性质、16S核糖体RNA（16S）和内部转录间隔区（ITS）的高通量测序，以表征土壤细菌和真菌群落。本研究定量分析了群落多样性、复杂性和共现网络的稳定性，以及土壤微生物群的组装过程。本研究的目标是：（1）评估饲草-作物轮作在降水变化条件下对土壤微生物多样性和网络稳定性的影响；（2）阐明饲草-作物轮作通过植物-土壤途径调节微生物群落的潜在机制。
实验地点和田间设计描述
实验在中国甘肃省庆阳草原农业生态系统内的国家野外科学观测和研究站进行（E107°51′，N35°40′，海拔1297米）。该地区具有典型的温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温为9.5°C，年平均降水量为535毫米（图S1）。值得注意的是，超过60%的降水量集中在7月至9月之间。
地上生物量和土壤有效养分
WWWW和WWAA轮作的年农业生物量（AG biomass）都随着降水量的增加而增加（表1）。与WWWW系统相比，WWAA轮作在2023-2024年的所有降水处理中显著提高了农业生物量（P < 0.05）。因此，WWAA系统实现了最高的总农业生物量（46807 kg·ha?1），远高于WWWW系统（43234 kg·ha?1）。作物轮作、降水变化及其相互作用显著影响了这一结果（P < 0.05）。饲草-作物轮作增加了土壤易分解碳，但耗尽了有效磷和水分
土壤总养分，包括有机碳、总氮和总磷，表现出较高的生物地球化学稳定性，在应对农业管理措施或外部环境因素时没有显著短期变化。因此，测定对这些因素敏感的有效养分可以提供有关土壤养分状况动态变化的见解。引入苜蓿（WWAA）显著增加了土壤易分解碳。结论
这项研究是少数几项研究降水变化条件下饲草-作物轮作系统对土壤微生物群落影响的现场操控实验之一。我们的发现表明，苜蓿-小麦轮作系统显著增加了土壤活性有机碳含量，推动了向富营养型群落的转变（表现为Proteobacteria、Nitrospirota、Bacteroidota的增加），同时减少了贫营养型谱系的数量（例如）。
CRediT作者贡献声明
倪红：写作 - 审稿与编辑、调查、数据分析。薛冉：写作 - 审稿与编辑、调查、数据分析。张彦：写作 - 审稿与编辑、监督、概念化。关同同：写作 - 审稿与编辑、初稿撰写、可视化、数据分析、数据管理、概念化。沈玉英：写作 - 审稿与编辑、资源协调、项目管理、资金筹集。
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竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了国家重点研发计划（2022YFD1300803，2024YFD1301101）、国家自然科学基金（31872416）和中央政府地方科技发展引导基金（项目编号24ZYQA049）的支持。同时得到了草业改良与草原农业生态系统国家重点实验室（兰州大学，HL2025IGB02）的资助。
