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应用454测序技术分析种植制度对黑垆土微生物多样性的影响

本站小编 Free考研考试/2021-12-26

蔡艳1,2, 郝明德1,3,*, 张丽琼1, 臧逸飞1, 何晓雁1
1西北农林科技大学资源环境学院, 陕西杨凌712100

2四川农业大学资源环境学院, 四川成都611130

3西北农林科技大学水土保持研究所, 陕西杨凌712100

* 通讯作者(Corresponding author): 郝明德, E-mail: mdhao@ms.iswc.ac.cn, Tel: 029-87012322 第一作者联系方式: E-mail: caiyya@126.com, Tel: 028-86291371
收稿日期:2014-12-19 基金:本研究由国家科技支撑计划重大项目(2011BAD31B01)和宁夏农业综合开发科技推广项目(NTKJ-2013-03-1)资助;

摘要研究典型种植制度对旱地黑垆土微生物多样性的影响, 对优化旱地作物种植制度、发挥土壤潜在肥力、实现土壤资源可持续利用有着重要的意义。通过27年长期定位试验, 采用454测序技术分析了黄土高原旱作地区不同种植制度下黑垆土细菌、真菌多样性的变化情况。结果表明, 不施肥低营养胁迫下, 细菌多样性表现为粮豆轮作>小麦连作>裸地>苜蓿连作, 真菌多样性表现为小麦连作≈苜蓿连作>裸地>粮豆轮作。施氮、磷肥条件下, 粮草长周期轮作(苜蓿→苜蓿→苜蓿→苜蓿→马铃薯→小麦→小麦→小麦+苜蓿)中土壤微生物多样性大致表现出先降低后增加的趋势, 第4年苜蓿或苜蓿茬后第1年小麦微生物Chao指数和Shannon指数最低, 苜蓿茬后第2年小麦微生物多样性最高, 细菌Chao指数和真菌Shannon指数比连作小麦高22.0%和79.2%; 粮草短周期轮作(红豆草→小麦→小麦+红豆草)中土壤微生物多样性大致呈现增加趋势, 至红豆草茬后第2年小麦土壤微生物多样性达到最高, 真菌Chao指数和Shannon指数均分别比连作小麦高50.8%和51.0%。黄土高原旱地区黑垆土采取粮食作物与豆科作物轮作可提高土壤微生物多样性。

关键词:454测序; 高通量测序; 旱地土壤; 微生物多样性; 种植制度
Effect of Cropping Systems on Microbial Diversity in Black Loessial Soil Tested by 454 Sequencing Technology
CAI Yan1,2, HAO Ming-De1,3,*, ZHANG Li-Qiong1, ZANG Yi-Fei1, HE Xiao-Yan1
1 College of Natural Resources and Environment, Northwest A&F University, Yangling 712100, China

2 College of Resources and Environment, Sichuan Agricultural University, Chengdu 611130, China

3 Institute of Soil and Water Conservation, Northwest A&F University, Yangling 712100, China


AbstractIt has important significance on optimizing dryland cropping systems, mining the soil potential fertility and achieving the sustainable use of soil resources that we study the influence of cropping systems on soil microbial diversity in typical arid areas. In the long-term experiment lasted 27 years, we analyzed the diversity changes of bacteria and fungi in black loessial soil under different cropping systems in Loess Plateau using 454 sequencing technology. The results showed that bacterial diversity showed wheat-pea rotation>continuous wheat>fallow land>continuous alfalfa, and fungal diversity showed continuous wheat≈continuous alfalfa>fallow land>wheat-pea rotation under low nutritional stress with no fertilization. In the conditions of application of nitrogen fertilizer and phosphorus fertilizer, microbial diversity generally showed an decreasing and then increasing trend in long-period rotation of wheat-alfalfa (alfalfa→alfalfa→alfalfa→alfalfa→potato→wheat→wheat→wheat, eight years as a rotation period); Chao index and Shannon index of the 4th year alfalfa or the 1st year wheat were the lowest, and those of the 2nd year wheat were the maximum, with the bacteria Chao index and fungi Shannon index of 22.0% and 79.2% higher than those of continuous wheat, respectively. Microbial diversity generally showed an increasing trend in short-period rotation of wheat-sainfoin (sainfoin→wheat→wheat, three years as a rotation period), and that of the 2nd year wheat after sainfoin was the maximum, with fungi Chao index and Shannon index of 50.8% and 51.0% higher than that of continuous wheat respectively. Wheat-forage legumes rotation could improve the microbial diversity significantly in Loess dryland areas.

Keyword:The 454 sequencing; High-throughput sequencing; Dry land soil; Microbial diversity; Cropping system
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土壤微生物是使土壤具有生命力的主要成分, 与土壤肥力和土壤健康有着密切关系, 在土壤形成与发育、物质转化和能量传递等过程中发挥着重要作用, 是评价土壤肥力的重要指标之一[1]。土壤微生物多样性指土壤生态系统中所有的微生物种类、它们拥有的基因以及这些微生物与环境之间相互作用的多样化程度[2]。土壤微生物多样性的研究方法很多, 但传统的筛选培养方法仅限于对环境中极少部分可培养微生物类群的研究[3], 常规分子生物学手段, 如PCR-DGGE、RFLP和RAPD等方法亦因操作复杂、实验周期长、成本高、痕量微生物检测困难等因素无法达到深入分析的目的。高通量测序技术无需构建克隆, 且通量高, 可以大量构建基因信息库进行比较分析, 使高效、全面认识土壤微生物成为可能。该技术自2006年问世以来, 已广泛应用于植物学、动物学、医学及极端环境微生物研究[4, 5, 6]。其中454测序技术因序列读长最长, 目前在土壤微生物多样性研究中应用最广泛[7, 8, 9, 10]
黑垆土是我国黄土高原地区形成的主要地带性耕作土壤之一, 广泛分布在渭北、宁南、陇东和陇中、晋西北地区, 集中分布在黄土旱塬区, 一直是黄土高原重要的农业生产和优质农产品基地, 在黄土高原地区粮食安全中具有重要地位[11]。许多****大量研究了黄土旱作区黑垆土上施肥和种植制度对土壤养分积累、作物产量和品质效应、水分利用效率及土壤环境效应等方面的影响[12, 13, 14, 15, 16, 17], 但结合现代分子生物学手段对其土壤微生物多样性的研究尚属空白。本文研究黄土旱地区不同施肥措施下种植制度对黑垆土微生物多样性的影响, 以期对该地区优化作物种植制度, 实现土壤资源可持续利用提供理论依据。
1 材料与方法1.1 试验概况试验地位于陕西省长武县十里铺村塬面旱地, 地处黄土高原中南部, 农业生产完全依赖天然降水, 属典型的旱作农业区, 一年一熟。多年平均降水量为578.5 mm, 其中7月至9月降水量占年总量的57%左右; 年平均气温9.3℃, 年日照时数2230 h。
试验开始于1984年, 供试土壤为黏化黑垆土, 母质是深厚的中壤质马兰黄土, 全剖面土质均匀疏松, 通透性好, 肥力中等。起始时土壤耕层含有机质10.50 g kg-1、全氮0.80 g kg-1、碱解氮37 mg kg-1、有效磷3.0 mg kg-1、速效钾129 mg kg-1, pH 8.4。
试验设16个处理, 包括4个不施肥处理, 即裸地, 小麦连作, 苜蓿连作, 粮豆轮作(豌豆→ 小麦→ 小麦+糜子); 12个施氮、磷肥处理, 即小麦连作, 粮草长周期轮作(苜蓿→ 苜蓿→ 苜蓿→ 苜蓿→ 马铃薯→ 小麦→ 小麦→ 小麦+苜蓿), 粮草短周期轮作(红豆草→ 小麦→ 小麦+红豆草)。
小区长10.26 m, 宽6.5 m, 面积66.69 m2。每个处理3次重复, 随机区组排列。年施肥量为N 120 kg hm-2, P2O5 60 kg hm-2, 所施氮肥为尿素, 磷肥为过磷酸钙, 于作物播前将肥料撒施地表后耕翻入土, 田间管理同大田。
1.2 土壤样品采集与处理定位试验27年, 即2011年8月底采集土样(土样基本性质见表1)。使用不锈钢取土器, 在每个小区采用5点S形法采集0~15 cm土层, 3个试验小区土样组成混合样, 四分法保留约500 g。鲜土去除植物残体, 过2 mm筛后保存于-80℃, 用于微生物多样性分析。
表1
Table 1
表1(Table 1)
表1 供试土样基本性质 Table 1 Basic properties of the tested soil samples
处理
Treatment
有机质
Organic matter
(g kg-1)
全氮
Total nitrogen
(g kg-1)
碱解氮
Alkaline hydrolysis nitrogen
(mg kg-1)
有效磷
Available phosphorus
(mg kg-1)
速效钾
Available potassium
(mg kg-1)
不施肥No fertilization
裸地Fallow land12.400.85418.3185
小麦连作Continuous wheat12.680.87383.1161
苜蓿连作Continuous alfalfa29.872.051293.5239
粮豆轮作Wheat-pea rotation11.860.84392.8150
施氮磷肥Application of nitrogen fertilizer and phosphorus fertilizer
粮草长周期轮作
Long-period rotation of wheat-alfalfa
第1年苜蓿 Alfalfa planted in the first year14.871.075613.1135
第2年苜蓿 Alfalfa planted in the second year15.271.08574.6128
第3年苜蓿 Alfalfa planted in the third year16.181.20636.0140
第4年苜蓿 Alfalfa planted in the fourth year17.481.25695.3168
马铃薯Potato16.391.22635.2164
第1年小麦 Wheat planted in the first year16.041.156010.2151
第2年小麦 Wheat planted in the second year15.251.12546.6126
第3年小麦 Wheat planted in the third year15.631.08596.4123
粮草短周期轮作
Short-period rotation of wheat-sainfoin
红豆草Sainfoin17.441.236822.6152
第1年小麦 Wheat planted in the first year17.591.126322.1139
第2年小麦 Wheat planted in the second year17.111.196214.2144
小麦连作Continuous wheat15.211.06509.8138

表1 供试土样基本性质 Table 1 Basic properties of the tested soil samples

1.3 土壤微生物多样性分析1.3.1 土壤总DNA的提取 取0.50 g土样, 使用OMEGA公司生产的E.Z.N.A Soil DNA试剂盒按说明书抽提并纯化土壤微生物基因组DNA。
1.3.2 PCR扩增
(1) 细菌PCR扩增
将纯化后的基因组DNA作为PCR的模板, 采用细菌16S rRNA V1~V3区具有特征性的引物对27F和553R扩增[18], 其序列分别为27F (5′ -AGAGT TTGATCCTGGCTCAG-3′ )和533R (5′ -TTACCGCGG CTGCTGGCAC-3′ ), 由上海美吉生物医药科技有限公司合成, 同时在前引物5′ 端添加Barcode序列区分样品。反应体系含: 5 × FastPfu缓冲液4.0 μ L、2.5 mmol L-1 dNTPs 2 μ L、正向引物(5 μ mol L-1) 0.4 μ L、反向引物(5 μ mol L-1) 0.4 μ L、FastPfu聚合酶0.4 μ L、模板DNA 10 ng, 补ddH2O至20 μ L。反应程序为95℃预变性2 min, 95℃变性30 s, 55℃退火30 s, 72℃延伸30 s, 25个循环后, 72℃ 延伸5 min, 保持10℃直到反应完成。每个样品3次重复, 将同一样品的PCR产物混合后用2%琼脂糖凝胶电泳检测, 使用AxyPrepDNA凝胶回收试剂盒(AXYGEN公司)切胶回收PCR产物, Tris-HCl洗脱, 2%琼脂糖凝胶电泳检测。
(2) 真菌PCR扩增
采用真菌18S rRNA具有特征性的引物对ITS1和ITS4扩增[19, 20], 其序列分别为ITS1 (5′ -TCCGT AGGTGAACCTGCGG-3′ ), ITS4 (5′ -TCCTCCGCTTA TTGATATGC-3′ )。反应体系含5 × FastPfu缓冲液4 μ L、2.5 mmol L-1 dNTPs 2 μ L、正向引物(5 μ mol L-1) 0.8 μ L、反向引物(5 μ mol L-1) 0.8 μ L、FastPfu聚合酶0.4 μ L、模板DNA 10 ng, 补ddH2O至20 μ L。反应程序为: 95℃预变性2 min, 95℃变性30 s, 53℃退火30 s, 72℃延伸30 s, 32个循环后, 72℃延伸5 min, 10℃直到反应完成。其他方法同细菌PCR扩增。
1.3.3 Roche Genomo Sequencer FLX+上机测序
由上海美吉生物医药科技有限公司完成。试剂采用Roche GS FLX + Sequencing Method Manual_XLR70 kit。
1.3.4 生物信息分析方法 使用mothur软件完成[21]。分析流程如下。
(1) 有效序列数据分析 通过Barcode区分各样品的测序数据, 生成不含Barcode的各样品测序序列。
(2) 优化数据分析 ①保留引物的错配数在2个以内的序列; ②去除序列末端的后引物的接头序列、多碱基N、polyA/T尾巴及低质量碱基; ③去除长度短于200 bp, 模糊碱基数大于0、序列平均质量低于25的序列。共获得320 003条优化序列; 其中细菌231 937条, 每个土样7473~9514条; 真菌88 066条, 每个土样2624~9347条。
(3) OUT (Operational Taxonomic Units)聚类分析 主要步骤为①提取非重复序列; ②与silva库(http://www.arb-silva.de/)(silva SSU111版)中的aligned (16S/18S, SSU)核糖体序列数据库比对, 比对方法为kmer searching[22]; ③使用UCHIME方法检测并去除Chimeric序列; ④计算比对对齐后的序列间非校正配对距离; ⑤使用最远邻近法聚类生成OTU。共获得86 639个OTU; 其中细菌83 392个, 每个土样3225~6736个; 真菌3447个, 每个土样167~280个。
(4) 丰富度指数和多样性指数计算 选取Chao指数和Shannon指数反映微生物多样性。

其中, Sobs为实际观测到的OTU数; n1为只含有一条序列的OTU数目; n2为只含有2条序列的OTU数目。

其中, Sobs为实际测量出的OTU数目; ni为含有i条序列的OTU数目; N为所有的序列数。

2 结果与分析2.1 不施肥条件下种植制度对旱地黑垆土微生物多样性的影响长期不施肥且连续种植作物后, 作物对有效养分的选择性吸收导致土壤不同程度贫瘠化, 同时不同作物通过根系活动或残留根茬对土壤微生物产生不同影响。Chao指数是用来估计群落中物种总数的指数, Shannon指数是用来估算样品中物种多样性的指数。不施肥条件下, 旱地黑垆土微生物多样性见图1。细菌多样性表现为粮豆轮作> 小麦连作> 裸地> 苜蓿连作, 说明低营养胁迫下采取粮豆轮作最有利于提高细菌多样性, 其Chao指数比裸地高54.1%, Shannon指数也比裸地高0.37。连续种植小麦后土壤细菌Chao指数与裸地相当, 但Shannon指数提高0.12, 表明其细菌组成发生了变化。连续种植苜蓿后细菌Chao指数反而下降10.9%。
不施肥条件下, 旱地黑垆土真菌多样性表现为小麦连作≈ 苜蓿连作> 裸地> 粮豆轮作(图1), 说明低营养胁迫下连作比轮作更有利于提高真菌多样性。小麦连作真菌Chao指数比裸地提高10.3%, 小麦连作和苜蓿连作真菌Shannon指数比裸地高19.9%和35.8%, 粮豆轮作真菌Chao指数反而比裸地下降10.9%。
图1
Fig. 1
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图1 不施肥下种植制度对旱地黑垆土微生物多样性的影响CK: 裸地; CW: 小麦连作; CA: 苜蓿连作; WP: 粮豆轮作。Fig. 1 Effect of cropping systems on microbial diversity in dryland soil without fertilizingCK: fallow land; CW: continuous wheat; CA: continuous alfalfa; WP: wheat-pea rotation.


2.2 施氮、磷肥下轮作对旱地黑垆土微生物多样性的影响2.2.1 粮草长周期轮作中不同茬口土壤微生物多样性 常规施肥条件下, 种植制度对土壤微生物的影响主要通过植物的选择性吸收和根系活动来实现。一般认为, 轮作比连作更有利于作物生长, 但对轮作周期中各茬口的微生物组成多样性知之甚少。从图2可以看出, 在施氮、磷肥条件下, 旱地粮草长周期轮作中不同茬口微生物多样性表现出较大差异性。在8年轮作周期中, 随着苜蓿种植时间延长, 土壤细菌物种数呈现先小幅增加后明显降低的趋势, 至第1年小麦茬(AW1)细菌Chao指数降到最低, 分别比第1年苜蓿茬(A1)和第2年苜蓿茬(A2)减少13.4%和14.4%。但至第2年小麦茬(AW2)细菌Chao指数升至最高, 达14 287, 比AW1高23.4%。各茬口细菌物种组成多样性变化趋势与物种数大致相似, A4 (第4年苜蓿茬)和AW1细菌Shannon指数最低, 仅7.79和7.85, AW2细菌Shannon指数最高, 达8.09。与连作小麦土壤(Chao指数为11 713, Shannon指数为7.87)相比, 粮草长周期轮作AW2和AW3 (第3年小麦茬)细菌多样性均有不同程度提高, 但AW1细菌多样性稍低于连作小麦。
图2
Fig. 2
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图2 粮草长周期轮作中不同茬口土壤微生物多样性A1: 第1年苜蓿; A2: 第2年苜蓿; A3: 第3年苜蓿; A4: 第4年苜蓿; P: 马铃薯; AW1: 第1年小麦; AW2: 第2年小麦; AW3: 第3年小麦。Fig. 2 Microbial diversity in different stubble fields in long-period rotation of wheat-alfalfaA1: alfalfa planted in the first year; A2: alfalfa planted in the second year; A3: alfalfa planted in the third year; A4: alfalfa planted in the fourth year; P: potato; AW1: wheat planted in the first year; AW2: wheat planted in the second year; AW3: wheat planted in the third year.

在施氮、磷肥条件下, 粮草长周期轮作中茬口对土壤真菌多样性的影响程度大于细菌。从图2可以看出, 种植苜蓿的4年里, 真菌多样性变化剧烈, A1真菌Chao指数最高, 至A2最低, 降幅达35.3%; 各茬苜蓿真菌Shannon指数排序为A2 (3.96) > A1 (3.51) > A3 (2.66) > A4 (1.51), A3 (第3年苜蓿)和A4真菌Shannon指数较A2分别降低32.8%和57.0%。种植苜蓿后马铃薯茬及小麦茬真菌Chao指数相差不明显, 但真菌Shannon指数大致呈现出逐年增加的趋势, AW2和AW3真菌Shannon指数分别达到最高(4.30)或次高(4.04), 表现出丰富的组成多样性。与连作小麦(Chao指数为301, Shannon指数为2.40)相比, 粮草长周期轮作各茬小麦真菌Chao指数提高9.3%~21.9%, Shannon指数提高36.7%~79.2%, 说明施氮、磷肥条件下粮草长周期轮作可明显提高小麦土壤真菌多样性。
2.2.2 粮草短周期轮作中不同茬口微生物多样性
红豆草被誉为“ 牧草皇后” , 在我国西北和华北地区畜牧业发展中颇受重视, 其与小麦短周期轮作是黄土旱塬区比较常见的栽培方式。从图3可以看出, 施氮磷肥条件下, 粮草短周期轮作中各茬口对土壤细菌多样性的影响程度大于真菌。细菌多样性指数均表现为第2年小麦茬(SW2) > 第1年小麦茬(SW1) > 红豆草茬(S), SW2细菌Chao指数比S提高14.6%。值得注意的是, 虽然种植红豆草后小麦土壤细菌多样性提高, 但仍与连作小麦大致相当, 明显低于粮草长周期轮作中AW2和AW3。真菌多样性表现为SW2> SW1≈ S。与连作小麦相比, 粮草短周期轮作中小麦真菌多样性明显提高, 其Chao指数和Shannon指数分别比连作小麦提高27.9%~50.8%和14.6%~50.8%, 且真菌Chao指数比粮草长周期轮作中各茬小麦增加4.9%~38.0%。
图3
Fig. 3
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图3 粮草短周期轮作中不同茬口土壤微生物多样性S: 红豆草; SW1: 第1年小麦; SW2: 第2年小麦。Fig. 3 Microbial diversity in different stubble fields in short-period rotation of wheat-sainfoinS: sainfoin; SW1: wheat planted in the first year; SW2: wheat planted in the second year.


3 讨论土壤微生物多样性与表层植被变化有很大关系, 因为植物凋落物或残留物中碳氮的生化组成及可利用程度和养分含量是影响土壤微生物多样性的主要因素[23, 24]。Navarro-Noya等[8]认为, 小麦-玉米等禾本科作物轮作及连作不会影响其细菌的丰富度和多样性, 但Sul等[9]和Acosta-Martí nez等[25]分别发现, 冬季栽培豌豆及采取棉花-小麦-玉米轮作比连作更有利于提高土壤细菌多样性, 吴凤芝等[26]也证明黄瓜与小麦和大豆轮作可显著提高土壤微生物多样性, 说明不同种植制度使土壤温度、湿度等环境因素及土壤微生物可利用的营养发生了不同变化[16, 27], 对其中微生物多样性的影响程度也不完全相同。
不施肥低营养胁迫条件下, 土壤缺乏微生物生长所需碳源和矿质元素, 抑制其多样性。连续种植苜蓿后, 土壤有机质、全氮含量分别增加140.9%和141.2%, 碱解氮和速效钾等有效养分含量分别增加214.6%和29.2%, 与陈磊等[13]研究结果一致, 这将有利于提高土壤微生物多样性; 但连续种植苜蓿会加速土壤水分[13, 16]和磷素的耗竭[28], 降低土壤微生物多样性。连续种植小麦后, 虽然有助于改善旱地土壤水分状况[13, 16], 但土壤有效养分含量减少, 会对部分微生物生长产生抑制作用。长期粮豆轮作不仅可丰富土壤有机质和氮素[27], 还可利用轮作优势恢复旱地土壤水分, 故可明显提高旱地土壤细菌多样性。粮豆轮作土壤真菌多样性不及作物连作, 可能与低营养胁迫下微生物之间竞争有限的营养有很大关系[29]
在施氮磷化肥条件下, 粮草长周期轮作中细菌和真菌多样性均大致表现出先降低后增加的趋势, 第4年苜蓿茬及种植苜蓿后第1年小麦茬土壤微生物多样性较低, 可能仍与连续种植苜蓿后土壤干燥化加剧[13, 16], 不利于微生物生长繁殖有关。苜蓿茬后种植小麦, 土壤水分逐渐恢复[13, 16], 至第2年小麦茬土壤微生物多样性最高, 且明显高于连作小麦, 此时最有利于发挥土壤潜在肥力, 协调植物养分供应, 提高作物产量和品质[14, 15]。Sul等[9]认为, 有机碳是造成土壤微生物多样性差异的主要因素。种植红豆草更有利于土壤有机质累积[27], 故其后细菌、真菌多样性大致呈现出增加的趋势, 至红豆草茬后第2年小麦土壤微生物多样性达到最高。值得一提的是, 苜蓿和红豆草虽均为豆科牧草, 但苜蓿对后茬小麦土壤细菌多样性的提升作用较明显, 红豆草则对真菌效果更突出, 生产上可适当考虑以多茬轮作模式提高土壤微生物多样性, 进而提高土壤养分转化效率。
樊军等[30]采用稀释平板法测定种植制度对旱地土壤微生物菌群的影响, 发现低营养条件下土壤可培养微生物表现为小麦连作> 粮豆轮作> 裸地> 苜蓿连作, 粮草短周期轮作中红豆草> 第1年小麦> 第2年小麦, 与本文研究结果不一致。由于人类可培养的微生物数量大约仅占土壤微生物总数1%左右[3], 我们认为本研究结果更能真实反映种植制度对旱地土壤微生物的影响状况。还应该进一步利用测序结果对微生物进行分类研究, 并结合土壤管理措施及理化性质, 充分揭示黄土旱塬区典型种植制度对土壤微生物类群尤其是功能微生物类群的影响。
4 结论不施肥低营养胁迫下, 粮豆轮作有利于提高细菌多样性, 苜蓿连作和小麦连作则有利于提高真菌多样性。施肥条件下, 粮草长周期轮作有利于提高小麦土壤微生物多样性, 苜蓿茬后第2年小麦微生物多样性最丰富; 粮草短周期轮作则有利于提高小麦土壤真菌多样性, 红豆草茬后第2年小麦真菌多样性最丰富。
The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。


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