研究背景

在全球粮食安全与生态可持续发展的双重挑战下，马铃薯作为重要的粮食作物，其连作栽培带来的环境问题日益凸显。尤其在云南半干旱地区，马铃薯连作导致土壤肥力下降、微生物群落失衡，伴随抗生素抗性基因（ARGs）和致病相关毒力基因的富集，加剧了土壤退化和微生物污染风险。此前研究表明，连作使土壤有机碳从 31.9 g/kg 降至 15.7 g/kg，总氮从 3.7 g/kg 降至 1.6 g/kg，土壤微生物多样性显著降低，而引入牧草轮作被认为是缓解此类问题的潜在策略。

研究方法

田间实验设计：以云南昭通靖安为研究区（27°35′18″ N, 103°42′17″ E），设置 4 组处理：非马铃薯栽培（NPC，休耕 3 年对照）、马铃薯连作（CPC）、单一种植燕麦（O）、燕麦 - 豌豆混种（OP），并在花期和成熟期采集土壤样本。

土壤理化性质分析：测定 pH、有机碳（SOC）、总氮（TN）等指标。

宏基因组测序与数据分析：提取土壤 DNA，通过 Illumina HiSeq 平台测序，结合 VFDB、CARD 等数据库分析毒力基因和 ARGs 分布，利用随机森林算法和 Mantel 测试探究微生物群落与土壤性质的关联。

研究结果

土壤肥力与理化性质变化

马铃薯连作（CPC）显著降低 SOC 和 TN 含量，而牧草栽培（尤其是单种燕麦）可提升土壤氮素有效性。例如，单种燕麦在花期（OF）的 SOC 较 CPC 提高 26%，TN 提高 17%（图 1A）。

牧草轮作缓冲了土壤酸化，成熟期燕麦 - 豌豆混种（OPM）的 pH 较 CPC 提高 0.05-0.23 个单位。

微生物群落结构演变

优势菌门为变形菌门（Proteobacteria，34.6%-38.4%）和放线菌门（Actinobacteria，20.5%-36.0%），连作导致放线菌减少，而牧草栽培显著恢复了有益菌群（图 2）。

古菌群落中， Thaumarchaeota（氨氧化古菌）在牧草栽培下丰度降低 70%，可能与氮循环改善相关。

抗性基因与毒力基因分布

连作土壤中 ARGs（如编码细胞壁合成的 ZP_03284557 基因）和毒力基因（如 pilR、acrB）丰度更高，而牧草轮作（尤其燕麦 - 豌豆混种）显著降低了这些基因的表达（图 3）。例如，花期燕麦 - 豌豆混种（OPF）中，关键 ARGs 基因丰度较 CPC 降低 40%-60%。

结论与展望

牧草栽培（特别是单种燕麦）通过增加有机碳输入、优化氮循环，显著改善土壤理化性质，重塑微生物群落结构，降低 ARGs 和毒力基因风险。这为半干旱区马铃薯种植提供了 “马铃薯 - 牧草” 轮作的可持续模式。研究团队建议进一步探索牧草品种与轮作周期的优化，结合微生物组工程技术，开发靶向调控土壤抗性基因的农业管理策略，为全球半干旱区农业生态修复提供理论支撑。

参考文献：

SUN X, ABDELLAH Y A Y, WANG G, et al. Combatting environmental impacts and microbiological pollution risks in Potato cropping: Benefits of forage cultivation in a semi-arid region [J]. Resources, Environment and Sustainability, 2025, 20: 100216.