长期免耕条件下，覆盖作物影响了大豆根际的土壤微生物群落及生态相互作用

本研究通过长期田间试验（16年），评估了不同覆盖作物（Ruzigrass、Sunn hemp、混合及休闲地）在免耕系统中对土壤肥力、酶活性和大豆产量的影响，并利用高通量测序分析微生物群落结构及网络。结果显示，覆盖作物显著提升土壤化学属性、β-葡萄糖苷酶活性及大豆产量，其中Ruzigrass效果最显著。真菌群落结构对覆盖作物更敏感，微生物网络复杂性增加，表明覆盖作的遗留效应重塑了大豆根际微生物群，为可持续农业提供依据。

凯奥·塞萨尔·戈麦斯·弗雷塔斯（Caio César Gomes Freitas）、卡罗琳娜·罗莎·德·卡瓦略（Carolinne Rosa de Carvalho）、纳里亚内·德·安德拉德（Nariane de Andrade）、拉斐尔·利马·奥利维拉（Rafael Lima Oliveira）、维克托·卢卡斯·维埃拉·普鲁登西奥·阿劳霍（Victor Lucas Vieira Prudêncio Araújo）、费利佩·马丁斯·多·雷戈·巴罗斯（Felipe Martins do Rêgo Barros）、若昂·恩里克·多斯·桑托斯·费雷拉（João Henrique dos Santos Ferreira）、若泽·罗伯托·波特ugal（José Roberto Portugal）、卡洛斯·亚历山大·科斯塔·克鲁西奥尔（Carlos Alexandre Costa Crusciol）、费尔南多·迪尼·安德烈奥特（Fernando Dini Andreote）

巴西圣保罗大学（USP）“路易斯·德·凯罗兹”农业学院（ESALQ）土壤科学系，皮拉西卡巴市，圣保罗州

摘要

在免耕（NT）系统中采用覆盖作物是改善土壤质量和促进可持续农业发展的基本措施。然而，目前尚不完全清楚这些植物的遗留效应在后续大豆种植中对微生物群落结构的影响程度。因此，我们分析了一个为期16年的长期田间试验（2021/2022和2022/2023生长季），评估了土壤肥力、酶活性和大豆产量，以及大豆-玉米轮作系统中细菌和真菌群落的结构、多样性和组成。该研究使用高通量测序技术，评估了不同非生长季覆盖作物的影响，包括一种草本植物（Ruzigrass）、一种豆科植物（Sunn hemp）及其组合（Mix），以及不种植覆盖作物的处理（Fallow）。覆盖作物提高了土壤化学性质，增强了β-葡萄糖苷酶活性，并提高了大豆产量。我们还观察到土壤真菌群落结构的差异，以及与养分循环、植物生长促进和病原体生物控制相关的微生物类群的丰度增加。此外，网络分析显示，特别是在Ruzigrass处理中，大豆根际关键物种的结构更为复杂且发生了变化。我们的研究结果表明，覆盖作物在免耕系统中的遗留效应不仅有助于提高土壤肥力和大豆产量，还调节了微生物组，建立了与土壤质量和农业系统可持续性相关的生态相互作用。

引言

近几十年来，为了应对对可持续食品生产系统的日益增长的需求，这些系统能够保持高生产力同时减少环境影响和缓解气候变化（Webb等人，2020年；Yang等人，2024年），人们越来越重视采用保护性农业实践。在这种背景下，免耕（NT）系统因能够保持土壤结构、减少侵蚀并增强与土壤功能和作物表现相关的生态系统服务而得到广泛采用（Galdos等人，2019年；Skaalsveen等人，2019年；Wulanningtyas等人，2021年）。在与NT相关的管理策略中，非生长季使用覆盖作物起着核心作用，因为它可以增加植物多样性并改善土壤的化学、物理和生物特性（dos Santos Cordeiro等人，2021年；Nouri等人，2021年；Fiorini等人，2022年）。在热带农业生态系统中，由于高温和强降雨加速了残渣分解，将覆盖作物整合到免耕系统中对于维持系统稳定性和持续生产大豆尤为重要（Purwanto和Alam，2020年；Souza等人，2025年）。

覆盖作物可以通过减少侵蚀、增加土壤有机质（SOM）、改善养分可用性以及缓冲土壤温度和湿度波动等方式增强农业生态系统的功能（Nouri等人，2021年；Hao等人，2023年）。然而，这些益处主要通过调节生物地球化学循环的土壤微生物群落来实现（Bünemann等人，2018年），特别是执行关键生态系统功能的细菌和真菌群落（Fierer，2017年；Philippot等人，2024年）。覆盖作物通过残渣输入和根系释放的碳化合物影响土壤微生物群落，从而刺激微生物的生长和活动（Almeida等人，2020年；Cazzaniga等人，2023年）。因此，非生长季不同功能的覆盖作物预计会通过不同的残渣输入和根系分泌物模式，对土壤养分库、细胞外酶活性和微生物群落组装产生不同的调节作用（Kim等人，2020年；Fritze等人，2024年）。然而，这些不同的覆盖作物策略如何在长时间尺度上相互作用以塑造土壤细菌和真菌群落，以及这些遗留效应如何影响后续生长季的作物表现，目前仍知之甚少。

尽管已经明确覆盖作物会影响土壤微生物群落（Cazzaniga等人，2023年），但关于长期暴露于不同功能特征的覆盖作物如何改变主要作物根际细菌和真菌群落的结构、多样性和相互作用模式的证据仍然有限。鉴于根际招募的微生物群落对植物发育有重要影响（Chepsergon和Moleleki，2023年），这一差距尤为重要。此外，根际是受栽培植物影响最大的土壤区域，其微生物群落普遍认为受到宿主植物基因型的影响（Dessaux等人，2016年；Philippot等人，2013年）。重要的是，在土壤-微生物-根际相互作用中，土壤可以被视为一个微生物种子库（Philippot等人，2013年），这表明覆盖作物在非生长季塑造土壤微生物组的能力可能通过决定哪些微生物组合在长期免耕系统中被招募和建立在大豆根际，从而产生更广泛的生态后果。

为了解决这些知识空白，我们进行了一项为期16年的长期田间试验，以评估不同非生长季覆盖作物（一种草本植物Urochloa ruziziensis、一种豆科植物Crotalaria spectabilis及其混合物）如何影响免耕条件下大豆根际的土壤生化性质、微生物群落结构和组成以及微生物相互作用网络。我们假设：（i）具有不同功能特征的覆盖作物会差异性地调节土壤养分库和细胞外酶活性，在大豆根际的影响更为显著；（ii）这些土壤生化条件的变化会选择性塑造大豆根际细菌和真菌群落的结构和组成，其中真菌群落对覆盖作物管理的响应更为强烈；（iii）长期的覆盖作物管理会对大豆根际的生态相互作用产生遗留效应，通过重构由管理历史塑造的微生物相互作用网络和关键物种。

实验地点描述和实验设计

实验区域位于巴西圣保罗州博图卡图（Botucatu），坐标为22° 83′ 3″ S, 48° 42′ 64″ W，海拔765米，属于2006年建立的长期田间试验的一部分，并在GLTEN元数据门户（GLTEN）中有记录。该土壤被归类为粘质典型Haplorthox类型（Staff，2014年）。在实验建立之前（2006年），在0–0.2米深度测量了土壤化学性质。土壤的有机质含量为18.2克/分米³，pH（CaCl₂）为4.2。

大豆产量

在第二生长季，Ruzigrass处理的产量高于不种植覆盖作物的处理（Fallow）（图1）（p < 5%）。在第一生长季，所有非生长季覆盖作物处理都使大豆产量增加了近1兆克/公顷。

土壤酶活性

在两个采样年份中，三种分析的酶在根际土壤中的活性均高于 bulk 土壤（图2，图3）。在第一生长季，芳基硫酸酯酶的活性在各处理间没有差异。

讨论

覆盖作物对土壤性质和作物表现的积极影响已有充分文献记载，尤其是在免耕系统中（Wulanningtyas等人，2021年；Jayaraman等人，2024年；Souza等人，2025年）。在我们的长期试验中，不同覆盖作物种类对土壤养分库产生了差异性影响，大多数化学性质相对于不种植覆盖作物的处理有所改善，从而提高了Ruzigrass处理下的大豆产量。

结论

这项长期田间研究表明，非生长季的覆盖作物在免耕条件下对土壤生化性质和大豆根际微生物组具有持久影响。具有不同功能特征的覆盖作物会差异性地调节土壤养分库和酶活性，其中根际的反应更为明显。这些生化变化会选择性地塑造微生物群落，其中真菌群落结构对覆盖作物类型的敏感性更高。

CRediT作者贡献声明

费利佩·马丁斯·多·雷戈·巴罗斯（Felipe Martins do Rêgo Barros）：撰写 – 审稿与编辑、验证、研究。若昂·恩里克·多斯·桑托斯·费雷拉（João Henrique dos Santos Ferreira）：撰写 – 审稿与编辑、方法论、概念化。若泽·罗伯托·波特ugal（José Roberto Portugal）：撰写 – 审稿与编辑、方法论、概念化。卡罗琳娜·罗莎·德·卡瓦略（Carolinne Rosa de Carvalho）：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、研究、正式分析、数据管理。纳里亚内·德·安德拉德（Nariane de Andrade）：撰写 – 审稿与编辑、验证、方法论、研究。拉斐尔·利马·奥利维拉（Rafael Lima Oliveira）：

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

我们感谢圣保罗大学热带农业碳研究中心（CCARBON）的支持，该中心得到了圣保罗研究基金会（FAPESP）的资助（项目编号2021/10573–4）。我们还要感谢巴西国家研究委员会（CNPq）对FDA的资助（项目编号308611/2021–7），以及Carlos Alexandre Costa Crusciol（项目编号310535/2021-2）、Capes（项目编号88887.612699/2021–00）、Agrisus基金会（项目编号3196/22）和Fealq（项目编号1488）对博士研究提供的资助。