稻田轮作增产背后的“微生物密码” | 科技前线

水稻是全球半数以上人口的主粮。在亚热带稻作区，轮作是广泛采用的可持续集约化策略，能够提升作物产量。然而，这种产量提升是否与生态系统功能存在“此消彼长”的权衡关系，以及其背后潜在的土壤微生物机制，目前尚不明确。

近期，中国科学院成都生物研究所研究团队，以安宁河流域稻田为研究对象，整合高通量测序和宏基因组等组学多维度分析，系统揭示了轮作通过重塑土壤微生物群落影响稻田生产力和生态功能的内在机制，为优化亚热带稻田管理策略提供了科学支撑。

▲安宁河谷轮作微生物组装—功能基因影响生产—生态权衡机制

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轮作强化微生物

群落组装空间结构性

研究采集45个稻田样本（15个单作、30个轮作），依据相对丰度将微生物物种划分为丰富（>0.1%）、中等和稀有（<0.01%）三个类别。结合距离衰减关系、中性群落模型分析发现，轮作系统中微生物群落相似度随地理距离下降的趋势更显著，群落构建更偏离中性模型，表明轮作增强了环境筛选作用，让微生物空间分布更具规律。

通过多样性分析、变异分解分析等方法，量化环境因子影响后发现，轮作与单作的微生物群落可清晰区分，轮作系统中土壤因子对群落变异的解释力远高于单作，其中土壤有机碳是最关键的驱动因子，证实轮作通过改变土壤环境强化了微生物筛选。

02

揭秘“增产功臣”

轮作系统的微生物网络更复杂、更稳定。优势类群中的变形菌门与稀有类群中的子囊菌门，其丰度与水稻产量呈显著正相关。此外，与碳氧化、固氮、磷矿化相关的功能基因丰度也与产量呈正相关。

那么，谁才是轮作增产背后的“微生物功臣”？研究发现，土壤中那些数量极少的稀有微生物，就像一支精锐的“特种部队”。它们虽然数量不多，却掌握着维持土壤健康、促进作物生长的关键“技能”，对轮作增产的贡献远超其数量比例。

03

“增产”与“生态”

权衡之道

轮作使水稻产量平均提升17.18%，但86%的样点出现生态功能下降，不过仍有14%的样点实现“产量—多功能性双赢”，且两者呈中等正相关。

这表明权衡增产和生态并非不可避免，通过精准管理有望实现协同提升。结构方程模型也揭示了，种植系统通过影响微生物群落间接调控产量和生态多功能性，土壤水分对产量有显著正向影响。

这项研究深化了“土壤—微生物—生态系统功能”相互作用的理论认知，为亚热带稻作区通过调控土壤有机碳、保护核心微生物类群，设计“增产与生态可持续协同”的稻田管理策略提供了实践指导。

论文链接：

http://doi.org/10.1111/1365-2664.70262

来源：中国科学院成都生物研究所

责任编辑：梁春雨