How straw returning impacts microbial-interaction-network-mediated improvements in soil multifunctionality

Resumo

Introdução: O retorno da palha é uma importante prática agrícola para melhorar a saúde do solo; contudo, o mecanismo pelo qual ele molda as características e a multifuncionalidade das comunidades microbianas da rizosfera das culturas em áreas de solo preto permanece pouco claro.
Métodos: Por meio de um experimento de campo de 3 anos, combinado com sequenciamento de alto rendimento, análise de redes de coocorrência e acoplamento de múltiplos modelos, este estudo analisou sistematicamente os efeitos de diferentes doses de retorno de palha (sem retorno, meia dose e dose completa) sobre as características e a multifuncionalidade das comunidades microbianas do solo rizosférico em áreas típicas de solo preto.
Resultados: O tratamento com meia dose aumentou significativamente a diversidade microbiana do solo, enquanto a dose completa enriqueceu significativamente grupos bacterianos como o_Rokubacteriales e f_Anaerolineaceae e grupos fúngicos como Ophiocordyceps e Gigaspora. O nitrato, o carbono orgânico, o nitrogênio e o fósforo da biomassa microbiana e a atividade da invertase foram fatores importantes para a multifuncionalidade do solo. Além disso, a análise de redes de coocorrência indicou que os nós, as arestas e o grau médio da comunidade fúngica sob meia dose aumentaram significativamente em 9,41, 15,93 e 30,13%, respectivamente, em comparação com o tratamento sem retorno de palha. Houve correlação positiva significativa entre a complexidade das redes fúngica e microbiana e o índice de multifuncionalidade do solo. A complexidade da rede microbiana é um fator-chave direto da melhoria da multifuncionalidade do solo, e a diversidade microbiana a aumenta indiretamente, regulando a complexidade da rede. Além disso, a multifuncionalidade do solo correlacionou-se positivamente com a biomassa e a produtividade de grãos.
Discussão: Este estudo elucida o mecanismo pelo qual o retorno da palha aumenta a fertilidade do solo preto por meio da regulação das redes microbianas, fornecendo base teórica e valor prático para o desenvolvimento agrícola sustentável e o aproveitamento da palha em regiões de solo preto.

Abstract

Introduction: Straw returning is an important agricultural measure for improving soil health; however, the mechanism driving how it shapes the characteristics and multifunctionality of crop rhizosphere microbial communities in black-soil areas remains unclear.
Methods: Through a 3-year field experiment, combined with high-throughput sequencing, co-occurrence network analysis, and multi-model coupling, this study systematically analyzed the effects of different straw-returning rates (no straw returning, half-dose straw returning, and full-dose straw returning) on the characteristics and multifunctionality of crop rhizosphere soil microbial communities in typical black-soil areas.
Results: The results showed that the half-dose straw-returning treatment significantly increased soil microbial diversity, whereas the full-dose straw-returning treatment significantly enriched bacterial groups such as o_Rokubacteriales and f_Anaerolineaceae and fungal groups such as Ophiocordyceps and Gigaspora. Soil nitrate nitrogen, organic carbon, microbial biomass nitrogen, microbial biomass phosphorus, and invertase activity were important factors affecting soil multifunctionality. Furthermore, co-occurrence network analysis indicated that the nodes, edges, and average degree of the fungal community under the half-dose straw-returning treatment significantly increased by 9.41, 15.93, and 30.13%, respectively, compared with those in the no-straw-returning treatment. There was a significant positive correlation between the complexity of the fungal network and microbial network and the soil multifunctional index. Additionally, microbial network complexity is a direct key factor that drives improvements in soil multifunctionality, and microbial diversity indirectly enhances soil multifunctionality by regulating microbial network complexity. Moreover, soil multifunctionality was significantly positively correlated with crop biomass and grain yield.
Discussion: This study elucidates the mechanism by which straw returning enhances black-soil fertility through the regulation of soil microbial networks, providing a theoretical basis and practical value for sustainable agricultural development and straw resource utilization in black-soil regions.