東北黑土是我國重要的土壤資源，在保障國家糧食安全和生態(tài)安全上具有重要地位。然而由于長(cháng)期不合理的傳統農業(yè)耕作模式，導致土壤侵蝕、土壤有機質(zhì)下降、土壤養分和水分庫容變小，土壤退化問(wèn)題嚴重。近年來(lái)，以減少耕作頻率及秸稈還田為核心的保護性耕作技術(shù)被廣泛應用，保護性耕作通過(guò)增加外源有機物輸入、減少土壤擾動(dòng)，有效降低了土壤侵蝕強度，促進(jìn)了土壤有機質(zhì)的形成與穩定，保障了農業(yè)生產(chǎn)可持續發(fā)展。土壤微生物是土壤-植物系統能量流的主要驅動(dòng)者，其通過(guò)調節土壤生物地球化學(xué)循環(huán)和植物對養分的吸收過(guò)程，在農業(yè)生態(tài)系統中發(fā)揮重要作用。因此，開(kāi)展土壤微生物對耕作方式的響應機制研究，對優(yōu)化合理耕作措施，改善土壤生態(tài)環(huán)境意義重大。 

　　東北地理與農業(yè)生態(tài)研究所農田分子生態(tài)學(xué)科組和黑土有機碳與保護性耕作學(xué)科組，對免耕（NT）、少耕（RT）和傳統耕作（MP）處理下土壤微生物群落組成、裝配過(guò)程和分子網(wǎng)絡(luò )結構進(jìn)行解析，探討了保護性耕作下黑土農田土壤微生物群落結構演替及發(fā)生機制對土壤質(zhì)量和作物生產(chǎn)力的影響。研究結果表明，不同耕作方式顯著(zhù)改變了根際和非根際土壤微生物群落，與傳統耕作MP相比，保護性耕作NT和RT顯著(zhù)增加了硝化菌Nitrosospira sp.和固氮菌Mesorhizobium sp., Bradyrhizobium sp.和Burkholderia sp.相對豐度，但降低了具有有機質(zhì)物分解功能的Blastococcus sp., Streptomyces sp.和Sphingomonas sp.相對豐度。網(wǎng)絡(luò )分析和隨機森林分析發(fā)現，上述功能菌在NT和RT處理中被注釋為關(guān)鍵物種（keystone taxa），這表明保護性耕作更有助于土壤碳固定，并促進(jìn)土壤的生物固氮和硝化作用（圖1）。 

　　耕作方式顯著(zhù)改變了土壤微生物群落的裝配過(guò)程。MP處理下細菌群落裝配的隨機過(guò)程，特別是同質(zhì)性擴散（homogenizing dispersal），顯著(zhù)高于NT和RT，這可能是由于MP較強的土壤擾動(dòng)，導致微生物的擴散速率增加（圖2）。微生物分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò )表明，RT較NT和MP形成更穩定的網(wǎng)絡(luò )結構，且RT有助于提高關(guān)鍵物種（keystone taxa）介導的土壤養分有效性，緩解植物病原菌的生態(tài)風(fēng)險，而MP網(wǎng)絡(luò )中的核心物種大多為潛在的植物病原菌。結構方差模型（SEM）分析結果顯示，MP處理引起潛在病原微生物及相互間正向關(guān)聯(lián)性作用，而RT處理具有較穩定的微生物網(wǎng)絡(luò )結構，無(wú)效的病原菌傳播路徑減少，導致RT產(chǎn)量高于MP（圖3）。 

　　相關(guān)研究成果分別發(fā)表在Agriculture, Ecosystems and Environment、Frontiers in Microbiology和Plant and Soils上。研究得到中國科學(xué)院先導A“黑土糧倉”科技會(huì )戰專(zhuān)項（XDA28070302）、中國科學(xué)院前沿科學(xué)重點(diǎn)研究計劃項目（QYZDB-SSW-DQC035）和國家自然科學(xué)基金項目（42177105）聯(lián)合資助。 

圖1 不同耕作方式土壤微生物共線(xiàn)性網(wǎng)絡(luò )分析圖譜

圖2不同耕作方式土壤細菌群落裝配過(guò)程分析圖譜

圖3 不同耕作方式土壤理化與關(guān)鍵物種影響作物產(chǎn)量的結構模型圖譜   

　　論文信息： 

　　Xiaojing Hu, Aizhen Liang*, Qin Yao, Zhuxiu Liu, Zhenhua Yu, Guanghua Wang, Junjie Liu*. Ridge tillage improves soil properties, sustains diazotrophic communities, and enhances extensively cooperative interactions among diazotrophs in a Clay Loam soil. Frontiers in Microbiology. 2020, 11: 1333. 

　　Xiaojing Hu, Junjie Liu*, Aizhen Liang, Lujun Li, Qin Yao, Zhenhua Yu, Yansheng Li, Jian Jin, Xiaobing Liu, Guanghua Wang*. Conventional and conservation tillage practices affect soil microbial co-occurrence patterns and are associated with crop yields. Agriculture, Ecosystems and Environment. 2021, 319: 107534. 

　　Zhuxiu Liu, Haidong Gu, Aizhen Liang, Lujun Li, Qin Yao, Yanxia Xu, Junjie Liu*, Jian Jin. Xiaobing Liu, Guanghua Wang. Conservation tillage regulates the assembly, network structure and ecological function of the soil bacterial community in black soils. Plant and Soil. DOI: 10.21203/rs.3.rs-580080/v1.