空氣結構變化對主要糧食作物根系菌群結構及功能的影響分析

摘" 要：研究探討空氣結構變化對主要糧食作物根系微生物群落結構及功能的影響。通過設置不同氣候處理組，研究使用培養基計數和多樣性指數分析技術，測定了各處理組根系微生物的豐度和多樣性。結果顯示，在CO2升高組中，玉米根系微生物豐度為1.25×106CFU/g，菌群多樣性指數為3.67；水稻豐度為1.05×106CFU/g；小麥豐度為1.15×106CFU/g。在溫度升高組，根系微生物豐度分別記錄為1.10×106、1.00×106和1.08×106CFU/g，菌群多樣性指數為3.50、3.15和3.40。研究結果表明，空氣結構變化提高了根系微生物的豐度和多樣性，增強了其氮固定和磷溶解功能，為理解氣候變化對土壤微生物生態及糧食安全的影響提供了重要依據。

關鍵詞：根系微生物群落；氣候變化；CO2濃度升高；微生物多樣性；土壤生態功能

收稿日期：2024-10-21

作者簡介：張靜（1978—），女，副高級農藝師，研究方向：農業技術推廣。

中圖分類號：511"""""""""""""""""""""""""""""""nbsp;"" 文獻標志碼：A文章編號：1673-6737（2025）01-0032-06

Analysis of the Impact of Changes in Air Structure on the Structure and Function of Root Microbiota in Major Grain Crops

ZHANG Jing

（Agricultural Technology Extension Center of Dongchangfu District， Liaocheng Shandong 252000， China）

Abstract： Study and explore the impact of changes in air structure on the structure and function of root microbial communities in major cereal crops. By setting up different climate treatment groups and studying the use of culture medium counting and diversity index analysis techniques， the abundance and diversity of root microorganisms in each treatment group were determined. The results showed that in the CO2 elevated group， the abundance of maize root microorganisms was 1.25×106 CFU/g， and the microbial diversity index was 3.67; The abundance of rice is 1.05×106 CFU/g; The abundance of wheat is 1.15×106 CFU/g. In the temperature increasing group， the abundance of root microbiota was recorded as 1.10×106， 1.00×106， and 1.08×106 CFU/g， respectively， and the microbial diversity indices were 3.50， 3.15， and 3.40. The research results indicate that changes in air structure have increased the abundance and diversity of root microorganisms， enhanced their nitrogen fixation and phosphorus dissolution functions， and provided important evidence for understanding the impact of climate change on soil microbial ecology and food security.

Key words： Root microbial community; Climate change; CO2 concentration increased; Microbial diversity; Soil ecological function

在全球氣候變化的背景下，糧食安全問題日益受到關注[1]。氣候變化帶來的極端天氣事件、溫度升高和降水模式變化，嚴重威脅了農業生產的穩定性和可持續性[2]。根據聯合國糧農組織的報告，預計到2050年，全球糧食需求將增加70%以上，這給糧食生產帶來了巨大挑戰[3]。小麥、玉米和水稻作為全球三大主要糧食作物，它們的生長和產量受到空氣結構變化和土壤條件的顯著影響，因此深入研究這些作物在不同空氣結構變化中的響應機制，對于實現全球糧食安全目標至關重要[4-5]。盡管近年來對于氣候變化對農業影響的研究逐漸增多，但現有一些研究往往存在不足之處。首先，許多研究主要集中于單一氣候因素的影響，如高溫或高CO2濃度，而缺乏對多種環境因素交互作用的系統性考察[6]。這使得研究結果可能過于簡化，無法準確反映作物在復雜氣候條件下的實際表現。其次，部分傳統實驗多在溫室環境中進行，卻未能有效模擬真實田間條件，因而影響了研究結果的普遍適用性。與此同時，研究中往往缺乏對土壤養分變化的詳細監測，未能充分揭示土壤化學性質與作物生長之間的關系。研究的創新點在于通過設計的實驗，系統評估小麥、玉米和水稻在多種氣候條件下的聯合響應。研究不僅調節CO2濃度與溫度，還同時考察土壤的理化性質如何影響作物的生長指標。采用對照組和處理組的設計，比較不同處理對作物的根系菌群結構及功能的影響，可以更全面地反映氣候變化對農業的潛在影響。通過這種綜合性研究方法，期望能夠深化對糧食作物在氣候變化背景下的適應機制的理解，并推動可持續農業的發展。

1" 材料與方法

1.1" 研究對象

聊城市農業科學院擁有國家、省產業技術體系試驗站共13個，包括國家現代農業產業技術體系玉米、小麥、棉花綜合試驗站3個，山東省現代農業產業技術體系玉米、小麥、花生、棉花、蔬菜、果品、耕作制度綜合試驗站7個，以及山東省現代農業產業技術體系食用菌、驢、蜂企業站3個。聊城市位于溫帶季風氣候區，具有顯著的季節變化和季風氣候特征，屬于半干旱大陸性氣候。春季干旱多風，回暖迅速，光照充足；夏季高溫多雨，雨熱同季；秋季天高氣爽，氣溫下降快；冬季寒冷干燥。年平均氣溫為13.1 ℃，1月份最冷，平均氣溫為-2.5 ℃；7月份最熱，平均氣溫為26.7 ℃。年平均降水量為578.4 mm，降水近70%集中在夏季。聊城市的土壤主要受黃河沖沉積影響，土層深厚，砂粘相間，以粉砂粒為主，凝聚性差，毛管作用強烈，土壤呈中性至微堿性，自然肥力低。土壤類型包括沙土、沙壤土、輕壤土、中壤土、重壤土和粘土等，以鹽化潮土為主。農業試驗田如圖1所示。

1.2" 試驗設計

研究設置自然對照組作為基線，保持所有環境條件在自然水平，以提供無氣候變化影響下的參照數據，包括土壤和植物生長在真實環境條件下的觀察結果。設計CO2富集組，單獨升高CO2濃度組在此組中，CO2濃度被提高至550× 10-6，以模擬當前及未來的高CO2情景，溫度保持在自然水平，施用相同的水和養分，以便清晰觀察CO2濃度變化的單獨影響。研究對高CO2環境下土壤微生物的豐度和多樣性變化進行分析，探索根際土壤的化學性質如何受到CO2影響，然后探討其對植物生長的潛在影響。第三組為溫度升高組，設置了+2 ℃的漸移位以模擬氣候變化下的高溫情景，保持與自然對照組相同的CO2濃度，通過加熱裝置保持土壤和空氣溫度的升高，確保實驗的一致性，分析溫度升高對土壤微生物活性、植物生長及根際化學性質的影響。最后，設計了CO2富集加溫組，升高該組CO2濃度和溫度同時組則同時提高CO2濃度至550×10-6并將溫度提高2 ℃，以模擬最可能的氣候變化情景，其他生長條件與對照組一致，通過系統監控確保各項環境變量的一致性，重點在于評估CO2濃度和溫度共同作用對植物生長、土壤微生物群落以及土壤化學性質的綜合影響，探討這些因素如何共同作用影響生態平衡，具體設置如表1所示。

同時，在每個實驗組中，研究者定期收集土壤和植物樣本，分析土壤的理化性質（如pH、有機碳、氮含量等），并評估土壤微生物群落結構與豐度變化，使用高通量測序技術對微生物群落進行分析。同時，記錄植物的生長指標，包括株高、葉面積、根系生物量，以了解氣候變化條件下植物的生長反應。

1.3" 糧食作物生長指標及根系菌群結構功能的測定方法

研究為了準確測定小麥、玉米和水稻三種糧食作物的生長指標，首先對生長指標的測量在作物成熟期進行，在實驗設置中的每個處理組內隨機采集植物樣本。研究選擇了株高、葉面積、根系生物量和干重等多項生長指標。在株高的測量中，研究使用測量桿從地面至植物頂部進行逐株測量，確保測量的準確性和一致性。在葉面積的測定中，采用葉面積儀，先將小麥和玉米的葉片剪下，并分別測量每片葉子的面積，通過求和得到每株植物的總葉面積。因為葉面積直接影響光能的吸收，所以這種方法能夠準確反映植物的光合作用潛力。同時，對于水稻，考慮到其在整體對比中的比例，所采樣的水稻葉片數量相對較少，以確保樣本的代表性。根際土壤樣品在水稻、玉米和小麥成熟期收集。采用抖根法，從每個試驗圈內隨機采集5株作物，小心地收集根圍0～2 mm范圍內的土壤，合并后均質化形成根際土壤樣本。共收集24個根際土壤樣本，所有土壤樣本用冰盒運送到實驗室，并通過2 mm篩除去巖石和秸稈等雜質。樣本分成三份，一份風干以分析土壤性質，一份儲存在4 ℃用于土壤酶活性分析，另一份儲存在-80 ℃直到DNA提取。隨后，將清潔的根系放入預先稱重的容器中，進行干燥處理，直至恒重，以此測定根系的干重，從而反映出根系對養分的吸收能力。對于生物量的測定，研究在各處理組中，根據需求，將一些小麥和玉米樣本植株修剪至根部，收集后進行干燥處理并稱重，以獲得每個處理組的總干重。同樣，水稻的生物量評估則相應減少，以減小其在整體研究中的影響。所有樣本至少采集三組重復樣本，確保統計分析的代表性、可靠性和有效性。小麥、玉米和水稻三種糧食作物的生長指標測定流程如圖2所示。

為了探究氣候變化對稻麥根系微生物群落的影響，研究采用了一系列的分子生物學方法來分析土壤和根系樣本中的微生物組成。首先，通過使用Power Soil DNA試劑盒從土壤樣本中提取土壤基因組DNA，并對根樣品進行表面消毒后，同樣使用該試劑盒提取根內基因組DNA，隨后利用SanPrep柱式PCR產物純化試劑盒進行DNA的純化。進一步地，通過Roche LightCycler 480系統進行實時熒光定量PCR（qPCR），定量分析了細菌16S rRNA基因和真菌ITS基因的拷貝數，以評估微生物的基因豐度。此外，利用Illumina MiSeq平臺對PCR產物進行高通量測序，并通過QIIME 2和UCHIME工具處理原始序列，將高質量序列基于97%相似性聚類為操作分類單元（OTU）。Mothur軟件被用于評估細菌和真菌群落的α-多樣性指數，包括OTU豐富度和Shannon多樣性，而主坐標分析（PCoA）基于Bray Curtis距離用于評估群落的β-多樣性。冗余分析（RDA）用于分析微生物群落與土壤性質之間的關系，而共生網絡分析則基于R軟件中的Spearman相關性，使用psych和igraph軟件包來構建網絡，分析細菌和真菌譜系之間的相互關系。

2" 氣候變化對小麥、玉米和水稻生長影響的綜合分析

研究在作物生長期間及采收后，定期測定土壤的有機碳和氮含量，了解土壤在不同處理下的變化情況。小麥在不同空氣結構條件下的生長表現如圖3所示。

如圖3所示，在對照組中，小麥最終的株高為86.3 cm，葉面積為315.20 cm2，根系干重為12.76 g，土壤有機碳含量為20.48 g/kg，總氮含量為1.52 g，土壤pH為5.85。隨著CO2濃度的升高，小麥的生長表現有所改善，CO2升高組中的株高提升至90.5 cm，葉面積增至328.15 cm2，根系干重增加到13.58 g，土壤有機碳含量達到23.17 g/kg。在溫度升高組中，小麥株高為89.0 cm，葉面積為325.40 cm2，根系干重為13.15 g，土壤有機碳含量為21.70 g/kg。而在CO2和溫度同時升高組中，小麥表現最佳，株高達到92.1 cm，葉面積為335.75 cm2，根系干重為14.10 g，土壤有機碳含量為26.43 g/kg，顯示出對雙重氣候變化條件的良好適應。玉米在不同空氣結構條件下的生長表現如圖4所示。

如圖4，在對照組中，玉米最終的株高為172.5 cm，葉面積為462.30 cm2，根系干重為18.45 g，土壤有機碳含量為19.34 g/kg。在CO2升高組中，玉米株高增至176.8 cm，葉面積提高到478.60 cm2，根系干重增加至19.11 g，土壤有機碳含量為22.01 g/kg。在溫度升高組中，玉米的株高為175.5 cm，葉面積為473.20 cm2，根系干重為19.38 g，土壤有機碳含量為20.29 g/kg。而在CO2和溫度同時升高組中，玉米在所有指標中均表現出色，株高為178.9 cm，葉面積為485.10 cm2，根系干重為19.76 g，土壤有機碳含量為26.50 g/kg。水稻在不同空氣結構條件下的生長表現如圖5所示。

如圖5，在對照組中，水稻的株高為72.1 cm，葉面積為230.55 cm2，根系干重為10.11 g，土壤有機碳含量為21.15 g/kg。在CO2升高組中，水稻株高增至75.4 cm，葉面積為235.80 cm2，根系干重增加到10.87 g，土壤有機碳含量為22.50 g/kg。在溫度升高組中，水稻的株高為73.5 cm，葉面積為228.40 cm2，根系干重為10.62 g，土壤有機碳含量為21.90 g/kg。而在CO2和溫度同時升高組中，水稻的株高達到76.0 cm，葉面積為240.10 cm2，根系干重為11.14 g，土壤有機碳含量為25.74 g/kg。空氣結構變化對糧食作物根系菌群結構及功能的影響如表2所示。

表2為空氣中CO2濃度和溫度升高對主要糧食作物根系微生物群落結構及功能的影響。結果顯示，隨著空氣結構的變化，根系微生物的豐度和多樣性均顯著提升。在CO2濃度升高的條件下，玉米根系的微生物豐度達到1.25×106CFU/g，相較于自然對照組增加了21.4%。同時，菌群多樣性指數上升至3.67，表明微生物群落的多樣性獲得增強，其中乳酸菌和真菌的比例明顯增加，功能特征也表現出較好的氮固定能力。在水稻的處理組中，CO2升高同樣帶來了根系微生物群落的顯著變化，豐度達到1.05×106CFU/g，且細菌的比例增加至45%，菌群的功能特征顯著提升。溫度升高的實驗組也出現了類似的趨勢，根系微生物豐度和多樣性都得到了改善，如小麥組根系的豐度為1.08×106CFU/g，表現出較高的氮固定和磷溶解潛力。

3" 結論

隨著全球氣候變化的加劇，空氣結構的變化對農業生產和糧食安全的影響日益受到關注。研究探討CO2濃度和溫度升高對主要糧食作物根系微生物群落結構及功能的影響，以提供理論依據和實踐指導。研究通過設置不同氣候處理組，采用培養基計數法和多樣性指數分析，對玉米、水稻和小麥的根系微生物進行測定。研究結果表明，在CO2升高組，玉米的根系微生物豐度達到了1.25×106CFU/g，菌群多樣性指數為3.67，而水稻的豐度為1.05×106CFU/g，多樣性指數為3.25，小麥的豐度為1.15×106CFU/g，多樣性指數為3.55。溫度升高組的根系微生物豐度分別為1.10×106、1.00×106和1.08×106CFU/g，對應的多樣性指數為3.50、3.15和3.40。結果顯示，空氣結構變化顯著提高了根系微生物的豐度與多樣性，且增強了其氮固定和磷溶解的功能。盡管研究初步揭示了空氣變化對微生物群落的影響，但仍然存在一些不足之處。如實驗條件下的時間跨度較短，未能全面反映長期氣候變化的影響。未來的研究應進一步探討不同氣候情景下根系微生物的響應機制，并結合田間試驗驗證結果，以便更好地理解氣候變化對農業生態系統的影響。

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