稻田輪作增產背后的“微生物密碼” | 科技前線

水稻是全球半數以上人口的主糧。在亞熱帶稻作區，輪作是廣泛采用的可持續集約化策略，能夠提升作物產量。然而，這種產量提升是否與生態系統功能存在“此消彼長”的權衡關系，以及其背后潛在的土壤微生物機制，目前尚不明確。

近期，中國科學院成都生物研究所研究團隊，以安寧河流域稻田為研究對象，整合高通量測序和宏基因組等組學多維度分析，系統揭示了輪作通過重塑土壤微生物群落影響稻田生產力和生態功能的內在機制，為優化亞熱帶稻田管理策略提供了科學支撐。

▲安寧河谷輪作微生物組裝—功能基因影響生產—生態權衡機制

01

輪作強化微生物

群落組裝空間結構性

研究采集45個稻田樣本（15個單作、30個輪作），依據相對豐度將微生物物種劃分為豐富（>0.1%）、中等和稀有（<0.01%）三個類別。結合距離衰減關系、中性群落模型分析發現，輪作系統中微生物群落相似度隨地理距離下降的趨勢更顯著，群落構建更偏離中性模型，表明輪作增強了環境篩選作用，讓微生物空間分布更具規律。

通過多樣性分析、變異分解分析等方法，量化環境因子影響后發現，輪作與單作的微生物群落可清晰區分，輪作系統中土壤因子對群落變異的解釋力遠高于單作，其中土壤有機碳是最關鍵的驅動因子，證實輪作通過改變土壤環境強化了微生物篩選。

02

揭秘“增產功臣”

輪作系統的微生物網絡更復雜、更穩定。優勢類群中的變形菌門與稀有類群中的子囊菌門，其豐度與水稻產量呈顯著正相關。此外，與碳氧化、固氮、磷礦化相關的功能基因豐度也與產量呈正相關。

那么，誰才是輪作增產背后的“微生物功臣”？研究發現，土壤中那些數量極少的稀有微生物，就像一支精銳的“特種部隊”。它們雖然數量不多，卻掌握著維持土壤健康、促進作物生長的關鍵“技能”，對輪作增產的貢獻遠超其數量比例。

03

“增產”與“生態”

權衡之道

輪作使水稻產量平均提升17.18%，但86%的樣點出現生態功能下降，不過仍有14%的樣點實現“產量—多功能性雙贏”，且兩者呈中等正相關。

這表明權衡增產和生態并非不可避免，通過精準管理有望實現協同提升。結構方程模型也揭示了，種植系統通過影響微生物群落間接調控產量和生態多功能性，土壤水分對產量有顯著正向影響。

這項研究深化了“土壤—微生物—生態系統功能”相互作用的理論認知，為亞熱帶稻作區通過調控土壤有機碳、保護核心微生物類群，設計“增產與生態可持續協同”的稻田管理策略提供了實踐指導。

論文鏈接：

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

來源：中國科學院成都生物研究所

責任編輯：梁春雨