农业生产制度对土壤微生物群落结构和功能的长期影响研究

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微生物是土壤过程的核心驱动力，深入了解农业管理实践如何影响土壤微生物组对于可持续粮食生产系统的发展至关重要。

来源：土壤健康与耕地可持续利用公号（2021年2月25日）

01分享论文信息

原名：Long-term effects of agricultural production systems on structure and function of the soil microbial community

译名：农业生产制度对土壤微生物群落结构和功能的长期影响研究

原文地址：

https://doi.org/10.1016/j.apsoil.2019.103387

发表期刊：Applied Soil Ecology

发表年份：2020年

通讯作者：Trond Maukon Henriksen

通讯作者单位：挪威生物经济研究所

02亮点

1、种植制度对两种作物的细菌和真菌群落结构都有影响。

2、包括LEY和有机肥在轮作中，微生物数量和-生物量增加，酶活性增加。

3、与传统管理相比，有机管理不影响结果。

4、 种植系统不影响微生物多样性或细菌和真菌丰富度。

5、 耕作对土壤微生物指标的影响不如有机投入重要。

03 文章简介

微生物是土壤过程的核心驱动力，深入了解农业管理实践如何影响土壤微生物组对于可持续粮食生产系统的发展至关重要。文章的研究目的是探讨有机和常规种植制度对土壤细菌和真菌数量、群落结构及其联合功能的长期影响。研究者对挪威东南部所采集的样品进行了一系列微生物分析，试验包括6种不同耕作方式的作物轮作、土壤耕作、无机肥料、牛浆和沼渣沼液。通过提取土壤微生物C、N和土壤DNA(细菌16S rRNA和真菌rRNA内部转录间隔区)分析土壤微生物数量。测定了群落结构，并采用未加权对组法评价了细菌和真菌群落的亲缘关系。丰富度和多样性的估计是基于从DNA测序的独特操作分类单元的数量，微生物组合的功能是通过酶测定测定。

04研究区域

 研究区域为一个大型种植系统实验研究中心，位于挪威东南部。气候为湿润大陆性气候，年平均降水量600毫米，年平均气温3.6°，生长季为12.0°C。试验区主要土壤类群为内生形成土，以壤土和粉砂为主，表土中砂、粉砂、粘粒含量分别为47%、35%和18%。

05分析方法

采用方差分析和邓肯检验，对土壤参数、MBC和MBN、土壤酶活性和拷贝数进行了显著性差异分析。采用Mantel检验和Spearman相关系数分析了细菌和真菌群落结构在门水平、细菌和真菌DNA提取量、微生物多样性和土壤特征之间的相关性。这些统计分析是使用Windows(18.0版)的服务解决方案(Service Solutions, SPSS)统计包进行的。在0.05概率水平上认为差异显著。为了比较样本间微生物群落的相对差异，从每个样本中随机选取细菌亚群13941条序列和真菌亚群28100条序列。

06结论与讨论

结果表明，土地适宜性、土地连续性和土地稳定性之间存在矛盾。任何一个子目标函数值的提高都是以牺牲其他两个子目标函数值为代价的。根据具体的决策目标分配相应的权系数ρ1、ρ2和ρ3，得到更满意的划定方案。

随着时间的推移，这些系统的对比管理明显地导致了细菌和真菌群落结构以及微生物群功能的变化。土壤微生物生物量、微生物丰度、微生物群落结构、微生物物种丰富度和多样性以及酶的含量各不相同。本研究中的实验并不是特别适合调查单一因素的影响。它的设计反映了所包括的每个系统生产中所涉及的所有作物、处理和操作的总结性效果。这些信息在评估整个种植体系的恢复力和可持续性时非常有价值。尽管如此，还是可以对个人因素的影响进行一些比较。

与CA1系统相比，CA2系统表现出较高的SOM，较高的细菌16S rRNA基因拷贝数和真菌ITS基因拷贝数，不同的细菌和真菌群落结构和较高的转化酶和脲酶活性。作者认为这是由于有机物质输入量增加所致。常规耕地CA1系统的微生物量和活性特别低。这是一个反映农业经营长期影响的参考系统，是该地区在20世纪80年代的典型表现。然而，挪威东南部很大一部分耕地仍然采用类似的管理方式，完全以粮食为主的轮作，年耕，仅使用无机肥料，去除秸秆残茬，轮作中不种植覆盖物，也不通过废弃物回收碳。这些地区的土壤有机质在稳步下降，全球许多地区也在发生这样的变化，土壤C储量似乎在下降，因为土壤有机质(SOM)分解超过了新鲜有机物的输入。这无疑会影响土壤质量，例如土壤长期输送植物养分的能力和提供稳定的土壤结构的能力，最终必须通过增加肥料的投入加以抵消。由于可能需要几十年才能恢复失去的索姆，这是一个我们必须尽快解决的问题。作者推测，不利的土壤结构来自于有机质输入不足，无法维持微生物群落的正常功能。

管理影响了土壤中细菌和真菌的结构、数量和功能。然而，在本文实验的时间范围内，微生物的物种丰富度和多样性并没有被管理系统改变太多。这意味着，在本研究的情况下，土壤对变化的反应可能仍然是完整的，不管处理。另一方面，SOM CA1治疗明显下降，与低水平的微生物C和酶活性较低，表明该系统缺乏有机的输入，并显示适当的衬底的重要性之外提供一个运作良好的微生物群落和安全的土壤结构和生育能力。

随着权重ρ2和ρ3的增加，对应于实验的连续性和稳定性，一致性目标引导粒子找到空间浓度形成的区域，并逐渐产生更明显的浓度效应。稳定目标使选定区域逐渐远离城镇和城镇外围的道路，减少了因城镇重新扩张而占用土地的可能性。

PSO算法具有很强的空间搜索能力和全局优化能力，能够解决多目标问题。结合GIS的空间处理能力，减少了人工干预，提高了工作效率，具有较强的可操作性，为永久性基本农田划界成果和质量提供了良好的保障。

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