不同首蓿-糧食作物(飼草)輪作模式對(duì)土壤細(xì)菌群落組成及其生態(tài)功能影響

中圖分類號(hào)：S813.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0435（2025）05-1387-11

Abstract：Inthis study，seven grass-grain（grass）crop rotation patterns were selected，and the effects of differ ent rotation patternsonsoil nutrient content and microbial diversity were investigated with the help of highthroughput sequencing technology. The results showed that compared with alfalfa continuous cropping mode， alfalfa-oats-alfalfa，alfalfa-corn-flaxand alfalfa-sorghum-millet models effctively increased the contentsof total phosphorus，available phosphorus，total potassium and available potassium insoil，and the bacterial community diversity index was the highest in alfalfa-sorghum-millt model.Proteobacteria，Acidobacteriota and Actinobacteriota were the dominant bacterial groups in soil bacterial communities under different cropping patterns.Further redundancy analysis revealed that organic carbon，total nitrogen and available nitrogen had more significant efects on soil bacterial community composition.The results of ecological function prediction showed thatMetabolism was the most important function of soil bacteria metabolism.Inconclusion，the bacterial community structure and ecological function of soil were changed after perennial alfalfa was turned into anual crop （forage）．Among them，alfalfa-sorghum-milet model had the best efect，and could be given priority in the improved rotation of saline-alkali land.

Key words： Alfalfa; Crop rotation;Soil bacterial community;Ecological function prediction

紫花苜蓿（MedicagosatiuaL.）作為目前栽培面積最大的豆科牧草，其豐富的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值和高產(chǎn)性使得它成為畜牧業(yè)的重要飼料來(lái)源，在草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中占據(jù)了舉足輕重的地位，是糧草輪作種植模式的首選牧草1。山西省北部地區(qū)作為山西省草食畜牧業(yè)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)區(qū)域，2024年底紫花苜蓿種植保留面積為 3335hm² ，是區(qū)域畜牧業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要飼草資源[2]。然而，如其他作物一樣，長(zhǎng)期連續(xù)種植紫花苜?？赡軙?huì)給土壤一些不利影響，雖然苜蓿能夠固定大氣中的氮素，可為土攘提供豐富的氮源，但長(zhǎng)期連續(xù)種植可能使得土壤中其他必需元素如磷、鉀等逐漸耗竭，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分結(jié)構(gòu)失衡[3]；或者因其高耗水性及自毒效應(yīng)而影響后茬作物的生長(zhǎng)；更甚者長(zhǎng)期的連作還可能會(huì)引起土壤生態(tài)系統(tǒng)多樣性的喪失或群落結(jié)構(gòu)的改變等[4]。為了有效解決這些問題，采用輪作的方式將苜蓿與其他作物進(jìn)行輪換種植顯得尤為重要。科學(xué)合理的草田輪作模式不僅可以打破連作障礙，改善土壤結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)，增強(qiáng)土壤微生物的活性、豐富其多樣性，還能夠充分利用不同作物對(duì)養(yǎng)分的吸收特性，實(shí)現(xiàn)養(yǎng)分的均衡利用，為后茬作物的生長(zhǎng)提供良好的土壤環(huán)境[5]。

土壤微生物作為草田輪作生態(tài)系統(tǒng)的重要參與者，在系統(tǒng)物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化過程中起著非常重要的作用，任何輪作模式的實(shí)施都將會(huì)對(duì)其群落結(jié)構(gòu)、生態(tài)功能等產(chǎn)生正向或逆向的影響[6-9]。已有研究證實(shí)，不同草-糧輪作方式會(huì)不同程度地改變土壤微生物的種群結(jié)構(gòu)。康佳惠等6在研究中發(fā)現(xiàn)，不同的作物在生長(zhǎng)過程中會(huì)釋放特定的根系分泌物，這些分泌物為土壤微生物提供了食物來(lái)源，進(jìn)而塑造了微生物的不同種群結(jié)構(gòu)。首蓿作為一種多年生牧草，其根系分泌物與其他作物存在顯著差異[，因此，輪作后土壤中的微生物種群結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生明顯變化。這些變化可能包括某些有益微生物的增多和有害微生物的減少[8]，從而影響土壤的整體健康狀態(tài)。草-糧輪作也會(huì)影響土壤微生物的多樣性，多樣性是土壤微生物群落穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，它有助于土壤抵御外界干擾和維持生態(tài)平衡[9]?？茖W(xué)合理的草-糧輪作模式通過引入新的作物種類，為土壤微生物提供了更多的生態(tài)位和食物來(lái)源[10]，從而增加了微生物的多樣性。這種多樣性的增加將有助于提升土壤的生物活性，促進(jìn)養(yǎng)分的轉(zhuǎn)化和釋放[11]。更重要的是，草-糧輪作還會(huì)影響土壤微生物的功能[12-13]。鞏澤琳等[14]的研究表明，土壤中有益微生物能夠分解難溶性養(yǎng)分，提高養(yǎng)分的有效性；而另一些微生物則能夠產(chǎn)生抗生素等物質(zhì)，抑制病蟲害的發(fā)生。因此，通過優(yōu)化首蓿與其他作物的輪作模式，可以調(diào)控土壤微生物的功能，進(jìn)而提升土壤肥力和作物產(chǎn)量。

目前，關(guān)于苜蓿草田輪作的研究雖多，但大多聚焦于其對(duì)土壤肥力和產(chǎn)量的直接效應(yīng)，而對(duì)于輪作體系內(nèi)土壤微生物群落特性，特別是在內(nèi)陸蘇打型鹽堿土壤環(huán)境下的研究尚顯匱乏。鑒于此，本研究聚焦于山西大同盆地蘇打型鹽堿地的特殊生態(tài)條件和當(dāng)?shù)仫暡葑魑锓N植結(jié)構(gòu)單一的問題，選擇7種草-糧（草）輪作種植模式，并借助高通量測(cè)序技術(shù)，解析不同輪作模式對(duì)土壤養(yǎng)分含量及微生物多樣性的具體影響與變化規(guī)律，深入探索草田輪作制度和鹽堿地改良提供科學(xué)指導(dǎo)。

1 材料與方法

1. 1 試驗(yàn)概況

試驗(yàn)區(qū)位于山西省懷仁市毛皂鄉(xiāng)山西農(nóng)業(yè)大學(xué)試驗(yàn)基地， 112^°34^′～114^°34^′E，39^°03^′～40^°44^′N 海拔 1040m ，地處大同盆地中部，區(qū)域年均降雨量為 350～600mm ，年蒸發(fā)量大于 1600mm ，無(wú)霜期130d左右，年均氣溫 7.0^°C 。試驗(yàn)區(qū)是山西省蘇打型鹽堿地集中分布的典型區(qū)域之一，土壤屬堿化潮土，質(zhì)地輕壤偏沙型，2017年苜蓿建植前 0～60cm 耕層土壤中平均含鹽量為 2.12g?kg^-1，pH 值9.14，土壤容重 1.41g?cm^-3 。

1. 2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2022—2023年進(jìn)行。以2017年建植的紫花苜蓿（‘晉苜1號(hào)’，表示為A）草地為基礎(chǔ)，選取具有代表性的區(qū)域于2022年春季翻耕，將翻耕后的草地休閑或輪作種植大豆（Glycinemax（L.）

Merr.，‘晉豆49號(hào)’，大豆表示為B）、毛葉苕子（ViciavillosaRoth，‘普豌飼1號(hào)’，表示為V）、胡麻（LinumusitatissimumL.，晉亞10號(hào)’，表示F）高粱（SorghumbicolorL.，‘晉雜16號(hào)’，表示為S）、燕麥（AvenasatiuaL.，‘晉燕17號(hào)’，表示為O）、玉米（ZeamaysL.，‘瑞普909’，表示為C）谷子（Setariaitalica，‘同谷30號(hào)’，表示為M）。試驗(yàn)共設(shè)7個(gè)處理，首蓿連作處理（CK），苜蓿-大豆-大豆處理（ABB），苜蓿-毛葉苕子-苜蓿處理（AVA），苜蓿休閑處理（AFF），苜蓿-燕麥-苜蓿處理（AOA），苜蓿-玉米-胡麻（ACF）處理和苜蓿-高粱-谷子（ASM）處理（表1）。試驗(yàn)各小區(qū)按照完全隨機(jī)的方式排列，小區(qū)間距 1m ，小區(qū)面積為 30m²（5m×6m） ，每個(gè)處理重復(fù)3次，共計(jì)21個(gè)小區(qū)。

試驗(yàn)期間，各作物均分別于每年5月上旬播種，9月中、下旬收獲，所有處理均不施肥。玉米播種密度為 45kg?hm^-2 ，毛葉苕子播種量為 15kg?hm^-2 ，胡麻播種量為 7.5kg?hm^-2 ，高粱播種量為 15kg?hm^-2 燕麥播種量為 7.5kg?hm^-2 ，各作物均為精量條播，種植帶間的行距為 45cm 。試驗(yàn)期間，人工除草，在首蓿劉割后各小區(qū)均澆水1次，其他管理方式各小區(qū)間均一致。

1.3樣品采集與處理

各小區(qū)選用對(duì)角線采樣法，于試驗(yàn)第2年（2023年）紫花苜蓿第3茬盛花期采集土壤樣品。采集以植株為中心，半徑 5cm 內(nèi)的耕層土樣 （0～30cm） ，每個(gè)植株間隔 1m ，每小區(qū)均為14個(gè)植株混合樣，共計(jì)21個(gè)樣品。剔除土樣中的雜質(zhì)后將部分樣品置于一 80^°C 冰箱中保存，測(cè)定各項(xiàng)土壤微生物指標(biāo)，其余樣品陰干，用于測(cè)定其他化學(xué)指標(biāo)。

1.4 測(cè)定指標(biāo)與方法

1.4.1 土壤營(yíng)養(yǎng)成分的測(cè)定 參照魯如坤[15]和鮑士旦[16]的分析方法測(cè)定全氮（Totalnitrogen，TN）、全磷（Totalphosphorus，TP）、全鉀（Totalkalium，TK）、速效氮（Availablenitrogen，AN）、速效磷（Availablephosphorus，AP）、速效鉀（Availablekalium，AK）和有機(jī)碳（Soil organiccarbon，SOC）7項(xiàng)土壤化學(xué)指標(biāo)。

1.4.2微生物多樣性分析及群落功能預(yù)測(cè)樣品混合均勻后，使用MNNucleoSpin96Soil試劑盒提取土壤DNA。以合格DNA為模板，在PacBio平臺(tái)上用16SrRNA基因序列引物為338F（ACTCCTACGGAGGCAGCA）和反向806R（GGACTACHVGGGTWTCTAAT）。進(jìn)行PCR擴(kuò)增，產(chǎn)物經(jīng)AxyPrep GelExtractionkit純化并電泳檢測(cè)；擴(kuò)增合格的樣品送至北京百邁克生物公司，用SMRTbellKit構(gòu)建測(cè)序文庫(kù)，并在PacBioRSII上測(cè)序；對(duì)測(cè)序得到的CCS（CircularConsensusSequencing）序列，應(yīng)用QIIME平臺(tái)進(jìn)行生物信息學(xué)分析[17]；最后，應(yīng)用PICRUSt軟件對(duì)土壤樣品中微生物群落功能進(jìn)行預(yù)測(cè)，并注釋細(xì)菌的基因功能，最后計(jì)算各個(gè)功能類別的豐度[18]。

1.5 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

運(yùn)用MicrosoftExcel20O9對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，隨后采用SPSS22.0進(jìn)行深入的統(tǒng)計(jì)分析。通過單因素方差分析（One-wayANOVA），并設(shè)定Plt;0.05 為統(tǒng)計(jì)學(xué)顯著性判斷標(biāo)準(zhǔn)，分析不同處理?xiàng)l件下各指標(biāo)的顯著性差異。細(xì)菌群落α多樣性分析和β多樣性分析借助北京百邁克生物公司云平臺(tái)（https：//international.biocloud.net/）進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1不同后茬作物土壤養(yǎng)分狀況

由表2可知，與CK相比，各處理的土壤全氮（TN）和速效氮（AN）含量顯著降低（除AFF和ABB處理除外， Plt;0.05） ;土壤全磷（TP）含量在ACF處理模式中最高，與其他處理差異顯著 Plt; 0.05），土壤速效磷（AP）含量則在ASM處理模式中最高，與其他處理差異顯著 （Plt;0.05） ；土壤全鉀（TK）和速效鉀（AK）含量均在ASM處理模式最高，與CK，AFF，ABB，AVA處理間差異顯著（ Plt; 0.05）；有機(jī)碳（SOC）含量則在AOA處理中表現(xiàn)最高，ABB處理次之，但與其他處理間差異不顯著。

2.2對(duì)土壤細(xì)菌序列及其多樣性指數(shù)的影響

本研究對(duì)7種輪作模式的土壤細(xì)菌進(jìn)行了解析，覆蓋度達(dá)到1.00，可以覆蓋樣本中的所有微生物?；?97% 的相似性，共獲得37949個(gè)物種（OTUs），可劃分為36個(gè)門，101個(gè)綱，304個(gè)目，617個(gè)科，1182個(gè)屬，其中，CK處理模式擁有專屬物種6122種，ABB處理模式為4137種，ACF處理模式則達(dá)到了4576種特有物種，AFF處理模式包含4366種特有物種，AOA處理模式專有的物種數(shù)量為3994種，ASM處理模式獨(dú)占5507種特有物種，而AVA處理模式則具有4407種獨(dú)特物種（圖1）。

更進(jìn)一步，計(jì)算了7種不同輪作模式下所有樣本的Ace，Chaol，Shannon和Simpson指數(shù)（圖2）。由圖2A和2B可知，豐富度指數(shù)Ace和Chao1變化趨勢(shì)基本一致，以CK處理的最高，與ABB，AVA，AFF和AOA4個(gè)處理間差異顯著 （Plt;0.05） 。由圖2C可知，Simpson指數(shù)表現(xiàn)為ASM處理最高（1O.42），

AFF處理最低（10.05），二者之間差異顯著 （Plt; 0.05）。由圖2D可知，Shannon多樣性指數(shù)以ASM處理最高（10.52），與ABB，AVA，AFF處理間差異顯著 （Plt;0.05） ，而與對(duì)照CK處理間差異不顯著。

2.3對(duì)細(xì)菌群落組成的影響

基于從7種不同輪作模式土壤樣品中獲取的序列信息，我們?cè)陂T分類水平上將微生物群落細(xì)分為36個(gè)類群，相對(duì)豐富度前十位的菌門累積占比達(dá)到序列的 90% 以上（圖3A），依次為變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteriota）、放線菌門（Actinobacteriota）、芽單胞菌門（Gemmatimonadota）、未分類菌門（unclassfied-bacteria）、擬桿菌門（Bacteroidota）、綠彎菌門（Chloroflexi）、粘菌門（Myxococcota）、黏球菌門（Methylomirabilota）和疣微菌門（Verrucomicrobiota）。在這1O個(gè)優(yōu)勢(shì)菌門中，變形菌門（Proteobacteria）的相對(duì)豐度占比最高，

均在 24.66% 以上，其中，以CK處理中相對(duì)豐富度最高，為 30.21% ；酸桿菌門（Acidobacteriota）相對(duì)豐富度占比次之，在ABB和ACF處理中的相對(duì)豐富度占比較高，分別達(dá)到 26.11% 和 25.17% ，其余各處理的相對(duì)豐富度分布在 20.92%～22.89% 之間；放線菌門（Actinobacteriota）則在AFF處理中相對(duì)豐富度最高，為11. 61% ，在AOA處理中相對(duì)豐富度最低，為 6.60% ；芽單胞菌門（Gemmatimonadota）未分類菌門（Unclassfied-bacteria）擬桿菌門（Bacteroidota）和綠彎菌門（Chloroflexi在各處理中的相對(duì)豐富度占比均在 5% 以上，而粘菌門（Myxococcota）、黏球菌門（Methylomirabilota）和疣微菌門（Verrucomicrobiota）在各處理中的相對(duì)豐富度占比主要分布在 1%～5% 之間，各處理間差異不顯著。

為更詳細(xì)地了解不同輪作模式下土壤樣品的細(xì)菌分類差異，本研究在在屬水平上更進(jìn)一步進(jìn)行了分類，共有1182個(gè)類群被分類，優(yōu)勢(shì)菌屬有Unclassified-Bacteria、未分類芽單胞菌屬（Unclassi-fied-Gemmatimonas）、未分類Vicinamibacterals（Unclassified-Vicinamibacterals）未分類Vicinami-bacteraceae（Unclassified-Vicinamibacteraceae）、鞘脂單胞菌屬（Sphingomonas） ，MND1，RB41 不可培養(yǎng)_gamma_proteobacteria（Uncultured_gamma_proteobacteria）和苔蘚桿菌屬（Bryobacter）等，以上各菌屬平均相對(duì)豐度均大于 1% 。其中，未分類Bac-teria（Unclassified-Bacteria）在序列中占比較高，在AOA處理中達(dá)到了 8.27% ；未分類芽單胞菌屬（Unclassified-Gemmatimonas）相對(duì)豐富度占比次之，各處理中的占比均在序列的 5.1% 以上；未分類Vicinamibacterals（Unclassified-Vicinamibacter-as）在各處理間無(wú)明顯差異，序列占比主要分布在5.31%～6.10% 之間；未分類Vicinamibacteraceae（Unclassified-Vicinamibacteraceae）則在AFF處理中相對(duì)豐富度較低 （4.01%） ，其他處理間相對(duì)豐富度占比均在 5% 以上；鞘脂單胞菌屬（Sphingomonas）MND1、RB41、不可培養(yǎng)_gamma_proteobacte-ria（Uncultured_gamma_proteobacteria）和苔蘚桿菌屬（Bryobacter）等5個(gè)菌屬在序列中的占比主要分布在 1.21%～3.75% 這個(gè)區(qū)間，各均屬在處理間無(wú)顯著差異。

2.4不同輪作方式下細(xì)菌群落差異分析

在屬水平上通過熱圖分析發(fā)現(xiàn)（圖4），可將7個(gè)模式處理下的土壤樣品劃分為3組，第一組為CK，第二組為AFF，第三組為ABB和AVA，第四組包括ASM，ACF和AOA。其中，CK處理中優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種類主要為MND1和不可培養(yǎng)_gamma_proteobac-teria（Uncultured_gamma_proteobacteria）；AFF處理樣品中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種類為苔蘚桿菌屬（Bryobacter）、鞘脂單胞菌屬（Sphingomomas）、未分類芽單胞菌屬（Unclassified-Gemmatimonas）；AVA和ABB處理組樣品中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種類為未分類Vic-inamibacteraceae（Unclassified-Vicinamibacteraceae）;ACF，AOA和ASM處理組樣品中的優(yōu)勢(shì)細(xì)菌種類則主要為RB41、未分類菌屬（Unclassified-Bacte-ria）未分類Vicinamibacterals（Unclassified-Vicina-mibacterals）不可培養(yǎng)Firmicutes-bacterium（Uncul-tured_Firmicutes-bacterium）等。

通過主坐標(biāo)分析（PCA）可以直觀、清楚地解釋不同輪作模式下土壤樣品中各細(xì)菌間的系統(tǒng)發(fā)育距離（圖5）。從PCA分析結(jié)果可以看出，不同輪作模式下細(xì)菌群落特征各異，其中，CK，ABB和AVA處理主要集中在第1，2象限，AOA，ACF和ASM處理主要集中在第2，3象限，而AFF處理主要集中在第4象限，與其他處理間存在明顯差異。綜上，可將本研究中7個(gè)模式處理歸為3類，第1類包括CK，ABB和AVA處理，第2類包括AOA，ACF和ASM處理，第3類為AFF處理。

為了進(jìn)一步解析各處理間的細(xì)菌群落差異，基于LEfSe[Linediscriminant analysis（LDA）effect

Size]進(jìn)行線性判別分析（LDAscore gt;4 ，結(jié)果顯示20個(gè)細(xì)菌進(jìn)化支在統(tǒng)計(jì)學(xué)上有顯著差異（圖 6，Plt; 0.05），其中，AOA處理中LEfSe檢測(cè)到最多的細(xì)菌分類群，共有9個(gè)進(jìn)化枝，包括3個(gè)門，2個(gè)綱，1個(gè)目，1個(gè)科，1個(gè)屬和1個(gè)種，主要集中在未分類菌門（Unclassfied-bacteria）、綠彎菌門（Chloroflexi）和黏球菌門（Methylomirabilota）；AFF處理次之，共有8個(gè)進(jìn)化枝，包括2個(gè)門，2個(gè)綱，2個(gè)目，2個(gè)科，主要集中在放線菌門（Actinobacteriota）、芽單胞菌門（Gemmatimonadota）和擬桿菌門（Bacteroidota）；AVA處理最少，僅有2個(gè)進(jìn)化枝存在顯著差異。

2.5土壤細(xì)菌群落與環(huán)境因子

在屬水平，以土壤樣品中各優(yōu)勢(shì)菌屬為響應(yīng)變量，以SOC，AN，TN，AP，TP，AK，TP等7個(gè)土攘化學(xué)指標(biāo)為解釋變量進(jìn)行冗余分析（RDA），進(jìn)一步解析優(yōu)勢(shì)菌屬與環(huán)境因素之間的關(guān)系（圖7）。RDA分析結(jié)果表明，RDA1和RDA2成分能夠解釋細(xì)菌菌群 20.60% 的變化，不同的土壤環(huán)境因子對(duì)不同菌屬微生物有著不同的影響，其中，未分類芽單胞菌屬（Unclassified-Gemmatimonas）、苔蘚桿菌屬（Bryobacter）、鞘脂單胞菌屬（Sphingomomas）與TK，AK，TP，AP含量呈顯著正相關(guān)關(guān)系 （Plt;

0.05），與SOC呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系 （Plt;0.05） ;Nirtrospira與各指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（除TK外， MNDI 和未分類的綠彎菌屬（Unclassified-Chloroflexi）與SOC，AN，TN呈顯著正相關(guān)關(guān)系 （Plt;0.05） ，與其他指標(biāo)間呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系（ ；未分類Vicinamibacteraceae（Unclassi-fied-Vicinamibacteraceae）僅與SOC呈顯著正相關(guān)關(guān)系（ ；RB41、未分類菌屬（Unclassified-Bacteria）、未分類Vicinamibacterals（Unclassified-Vicinamibacterals）則與TK，AK呈顯著正相關(guān)關(guān)系0 ?Plt;0.05） ，與各指標(biāo)均呈顯著正相關(guān)關(guān)系（ Plt; 0.05）。此外，RDA結(jié)果揭示出SOC，TN，AN等3個(gè)指標(biāo)對(duì)土壤中的細(xì)菌群落組成有著更為顯著的影響 。

2.6土壤細(xì)菌群落功能預(yù)測(cè)

本研究運(yùn)用PICRUSt功能對(duì)得到的高通量測(cè)序得到數(shù)據(jù)進(jìn)行了預(yù)測(cè)分析。由表3可知，一級(jí)代謝通路主要包括新陳代謝（Metabolism）、遺傳信息處理（Genetic information processing）環(huán)境信息處理（Environmentinformationprocessing）、細(xì)胞轉(zhuǎn)化（Cellularprocesses）、人類疾病（Humandiseases）和生物體系統(tǒng)（Organismal systems）等6類。其中，新陳代謝（Metabolism， 79.71%～79.92%） 、遺傳信息處理（Genetic information processing， 7.26%～ 7.44% ）、環(huán)境信息處理（Environmentinformationprocessing， 5.51%～5.59%）3 個(gè)功能累積相對(duì)豐富度占比達(dá)到 92.48% 以上，但不同輪作模式處理間功能相對(duì)豐度處理間無(wú)顯著性差異。

二級(jí)功能預(yù)測(cè)中， 95.48% 以上的土壤細(xì)菌差異基因主要集中在前20個(gè)通路中（圖8），其中，共有14個(gè)功能基因平均相對(duì)豐度在 1% 以上，而全局和概 覽通 路（Global andoveriewmaps，4 1.17%～43.51%） 序列占比最高，為主要子功能，與CK處理相比，全局和概覽通路（Globalandoveriewmaps）在AOA，ACF和ASM處理中有顯著增加的趨勢(shì) （Plt;0.05） ，其他功能各處理間無(wú)顯著差異。

3討論

合理的草田輪作是提高土壤質(zhì)量的重要方式之一。在輪作過程中，根據(jù)當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)條件和作物生長(zhǎng)特點(diǎn)等因素，科學(xué)合理地安排飼草（苜蓿）與其他作物的輪作順序或模式，形成多元化的種植結(jié)構(gòu)以提高農(nóng)土壤生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和多樣性[1]。在不同輪作模式下，各作物對(duì)土壤中各營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和利用規(guī)律存在差異。王曉菲等18研究發(fā)現(xiàn)，在黃土高原苜蓿翻耕后輪作種植玉米、小麥、馬鈴薯等作物，可提升土壤中的硝態(tài)氮、速效磷和全磷含量，而銨態(tài)氮含量則呈現(xiàn)下降趨勢(shì)。本試驗(yàn)研究結(jié)果表明，在苜蓿連作（CK）、苜蓿-休閑-休閑（AFF）以及苜蓿-大豆-大豆（ABB）這3種模式中土壤全氮和速效氮含量顯著高于其他處理 （Plt;0.05） ，而土壤磷、鉀含量則低于苜蓿-玉米-胡麻（ACF）和苜蓿-高粱-谷子（ASM）等其他處理，這可能是由于苜蓿、大豆都屬于豆科植物，一方面本身具有固氮特性，另一方面磷元素在豆科作物體內(nèi)參與多種生理過程，其對(duì)磷元素較為敏感且需求量較大。而玉米、胡麻、谷子、高梁等屬于禾本科植物，相比豆科植物對(duì)磷元素的需求要稍微低一些。此外，在本研究中土壤有機(jī)碳含量在不同輪作模式間無(wú)顯著差異，這與王靜等5的研究結(jié)論一致，說明有機(jī)質(zhì)累積或消耗是一個(gè)長(zhǎng)期的轉(zhuǎn)化過程，在短期內(nèi)不會(huì)發(fā)生明顯改變。

土壤中的微生物群落，其多樣性和豐富性特征會(huì)隨著輪作模式的改變而相應(yīng)地發(fā)生動(dòng)態(tài)調(diào)整與演變[17，19]。本研究中發(fā)現(xiàn)苜蓿-休閑-休閑（AFF）模式中豐富度指數(shù)（Ace和Chaol）和細(xì)菌群落多樣性（Shannon和Simpson指數(shù)）均低于其他模式，這可能是此模式下物種多樣性的降低和土壤環(huán)境的改變，導(dǎo)致土壤生態(tài)系統(tǒng)的群落結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化。不同的草田輪作模式，不但能夠在一定程度上對(duì)細(xì)菌群落的豐富度與多樣性實(shí)施精準(zhǔn)的調(diào)控，并且這一過程還伴隨著土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與組成的深刻改變。對(duì)于草田輪作生產(chǎn)系統(tǒng)來(lái)說，土地利用方式、作物種類、根系分泌物以及作物根系的交互效應(yīng)將會(huì)是影響其土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)的重要因素[20]。變形菌門（Proteobacteria）作為相對(duì)豐度最高的優(yōu)勢(shì)菌門，其包含的細(xì)菌種類繁多，具有廣泛的代謝特性[21]（例如伽馬變形綱Gammaproteobacteria的菌屬）和生態(tài)功能，這些可能是變形菌門在不同輪作模式中保持高相對(duì)豐度的原因。酸桿菌門（Acido-bacteriota）細(xì)菌在土壤有機(jī)物分解[22]（例如鞘脂單胞菌屬（Sphingomomas））和營(yíng)養(yǎng)元素循環(huán)（例如RB41）中發(fā)揮著重要作用，它們能夠降解多種復(fù)雜的有機(jī)物，將其轉(zhuǎn)化為易于植物吸收利用的營(yíng)養(yǎng)元素。放線菌門（Actinobacteriota）參與土壤有機(jī)質(zhì)的分解轉(zhuǎn)化，并能夠分解纖維素、木質(zhì)素等[23]。在本研究中，首蓿作為前茬作物，放線菌的分泌物或凋落物在土壤中長(zhǎng)期累積，逐漸形成了一個(gè)促進(jìn)土壤放線菌蓬勃發(fā)展的微生態(tài)系統(tǒng)，憑借其對(duì)磷的分解能力，在苜蓿土壤中，特別是那些碳、氮元素豐富而磷元素相對(duì)匱乏的環(huán)境中，展現(xiàn)出了更高的種群密度與豐富性[24]。芽單胞菌門（Gemmatimonadota）細(xì)菌在環(huán)境保護(hù)和生態(tài)修復(fù)領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值，在本研究中的各處理中芽單胞菌屬（Gemmati-monadota）相對(duì)豐富度占比均較高，僅次于未分類Bacteria（Unclassified-Bacteria）。此外，在本研究中，未分類菌門（Unclassfied-bacteria）的相對(duì)豐度占比較高，這表明土壤中還存在許多尚未被充分研究和分類的微生物種類，未來(lái)，可以通過進(jìn)一步的研究和探索，對(duì)這些未分類菌門進(jìn)行更深入的分類和鑒定，揭示它們的生態(tài)功能和代謝特性，以及它們?cè)诓煌喿髂Ｊ街械淖兓?guī)律。

土壤微生物群落的組成與功能，在輪作模式的轉(zhuǎn)變及其持續(xù)時(shí)間的雙重影響下，會(huì)呈現(xiàn)出不同的適應(yīng)策略與反應(yīng)模式[17]。基于本研究中微生物相對(duì)豐度熱圖（圖4）與PCA分析（圖5的試驗(yàn)結(jié)果，將本研究中7個(gè)模式處理歸為3個(gè)模式，第1類模式即豆科作物增強(qiáng)型模式，包括CK，ABB和AVA處理；第2類模式即苜蓿與非豆科農(nóng)作物輪作模式，包括AOA，ACF和ASM處理；第3類模式休閑輪作模式，主要為AFF處理。其中，在第1類模式分組中，聚集較多的MND1和不可培養(yǎng)_gamma_proteobacteria（Uncultured_gamma_proteobacteria），在第3類模式分組中，聚集較多的苔蘚桿菌屬（Bryobacter）、鞘脂單胞菌屬（Sphingomomas）未分類芽單胞菌屬（Unclassified-Gemmatimonas），而在第2類模式分組中，聚集較多的（Unclassified-Vicinamibacteraceae），

RB41、未分類Bacteria（Unclassified-Bacteria）未分類Vicinamibacterals（Unclassified-Vicinamibacter-als）、不可培養(yǎng)Firmicutes-bacterium（Uncul-tured_Firmicutes-bacterium）等。在這3類模式中土壤微生物群落的組成與功能的均發(fā)生了不同程度的變化，且都受到了輪作模式轉(zhuǎn)變及其持續(xù)時(shí)間的影響，第1類模式中，苜蓿、大豆、毛葉苕子等豆科作物具有較強(qiáng)的固氮能力，促進(jìn)了與氮循環(huán)相關(guān)的微生物如gamma_proteobacteria的豐度增加;第2類模式中，苜蓿作為豆科作物，與非豆科農(nóng)作物的輪作可能導(dǎo)致了土壤微生物群落的多樣化，包括一些難以分類或培養(yǎng)的細(xì)菌類群，這些微生物可能對(duì)土壤碳循環(huán)和有機(jī)物質(zhì)分解的貢獻(xiàn)更大；第3類休閑輪作模式中，因減少了王壤耕作和種植活動(dòng)的干擾，有利于某些特定微生物類群的生長(zhǎng)和繁殖，例如苔蘚桿菌屬（Bryobacter）等微生物可能具有較強(qiáng)的抗逆性和環(huán)境適應(yīng)性，能在休閑期間占據(jù)優(yōu)勢(shì)地位。此外，通過對(duì)比分析各處理組中占據(jù)優(yōu)勢(shì)的細(xì)菌種類和豐富度，可以發(fā)現(xiàn)微生物群落與環(huán)境因子之間相互影響，一方面不同輪作模式對(duì)土壤微環(huán)境產(chǎn)生了程度不一的改造作用，另一方面這些環(huán)境因素的細(xì)微變動(dòng)又影響著群落內(nèi)不同微生物群體[25-27]。在本研究中，RDA的結(jié)果為我們揭示出SOC、TN、AN這三個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)在塑造草-田（草）輪作王壤細(xì)菌群落構(gòu)成方面扮演著更為舉足輕重的角色，它們對(duì)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)的影響尤為突出。

本研究中，從一級(jí)功能代謝通路的分析結(jié)果來(lái)看，新陳代謝（Metabolism）、遺傳信息處理（Geneticinformationprocessing）以及環(huán)境信息處理（Environmentinformationprocessing）是土壤細(xì)菌代謝過程中的核心功能，這與前人的研究結(jié)論相吻合[28-30]。李明等28研究表明，輪作模式可以通過改變土壤環(huán)境、營(yíng)養(yǎng)條件以及微生物間的相互作用等方式，對(duì)王壤細(xì)菌的代謝功能產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。這些影響可能體現(xiàn)在土壤細(xì)菌代謝策略的靈活調(diào)整、能量獲取和物質(zhì)循環(huán)的穩(wěn)健性等方面，本研究的結(jié)果也支持了這一觀點(diǎn)。在二級(jí)功能預(yù)測(cè)中，本研究發(fā)現(xiàn)全局和概覽通路（Globaland overiewmaps）作為土壤細(xì)菌代謝過程中的重要子功能，呈現(xiàn)明顯增加趨勢(shì)，這與一些學(xué)者[31-32]在土壤微生物群落功能研究中的發(fā)現(xiàn)相一致。此外，本研究的時(shí)間尺度相對(duì)較短，可能無(wú)法充分反映輪作模式對(duì)土壤細(xì)菌代謝功能的長(zhǎng)期影響，未來(lái)將延長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)周期，以觀察輪作模式對(duì)土壤細(xì)菌代謝功能的持續(xù)影響及其變化趨勢(shì)。

4結(jié)論

本研究發(fā)現(xiàn)，與苜蓿連作模式相比，苜蓿與非豆科農(nóng)作物輪作模式（如苜蓿-燕麥-苜蓿（AOA）、苜蓿-玉米-胡麻（ACF）和苜蓿-高粱-谷子（ASM）），可有效提升土壤中全磷、速效磷、全鉀和速效鉀的含量，增加細(xì)菌群落多樣性指數(shù)。通過微生物多樣性分析進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，變形菌門（Proteobacteria）、酸桿菌門（Acidobacteriota）放線菌門（Actinobacteriota）是所有輪作模式中的優(yōu)勢(shì)菌群，并且有機(jī)碳、全氮、速效氮含量對(duì)各細(xì)菌群落組成有著更顯著的影響。綜上所述，多年生苜蓿翻耕輪作一年生作物（飼草）后改變了土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能，從鹽堿地改良效果最優(yōu)化角度出發(fā)，苜蓿-高粱-谷子（ASM）輪作模式在鹽堿地的改良輪作中可優(yōu)先考慮利用。

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（責(zé)任編輯彭露茜）