土地利用遗留效应驱动泰国北部轮作烧垦土壤微生物群落重构与养分循环功能演化

《Microbial Ecology》：Land-use legacies shape soil microbial communities and nutrient cycling functions in rotational shifting cultivation fields of Northern Thailand

本研究针对热带高地农业系统中土地利用历史（特别是轮作烧垦RSC与长期休耕CF）对土壤微生物群落及生物地球化学功能的影响机制这一未解难题，采用宏基因组测序技术，揭示了RSC土壤中硝化菌（如Nitrosocosmicus）和固氮类群（如Streptomyces）富集，且硝化基因（amoCB、nxrB）与固氮基因（nifD、nifK）表达增强，凸显其氮素获取与保留潜力；而CF土壤则以反硝化基因（norB、narJ）高表达为特征，暗示氮素气态损失风险。研究为热带山地农业生态系统的可持续管理提供了微生物学依据。

　　

在东南亚热带高地，传统的轮作烧垦（Rotational Shifting Cultivation, RSC）农业系统面临着人口压力下休耕期缩短、土壤退化加剧的挑战。尽管RSC在可持续管理下能维持土壤肥力，但高强度土地利用如何影响驱动关键养分循环的土壤微生物群落，仍是一个亟待阐明的科学问题。与此相对，长期休耕（Continuously Fallow, CF）系统通过自然演替促进生态恢复，但其微生物机制在热带环境中研究薄弱。以往研究多依赖16S rRNA扩增子测序，难以全面解析功能基因谱。为此，研究人员在泰国北部选取RSC（5年休耕后重新烧垦种植）和CF（连续休耕7年）样地，利用宏基因组测序技术，深入探究了土地利用遗留效应如何塑造土壤微生物的群落结构、功能基因及代谢途径。

研究采用宏基因组鸟枪法测序（shotgun metagenomic sequencing）对土壤样本进行检测，通过Kraken 2和Bracken进行物种分类注释，利用DIAMOND比对功能基因数据库（如NCycDB、PCycDB），并通过COG和KEGG数据库进行功能注释，结合统计学分析揭示群落差异与环境因子的关联。

土壤理化性质

RSC样地土壤pH更接近中性（6.45），有效磷（avail. P）、交换性钙（exch. Ca）和总氮（Total N）含量显著高于CF样地（pH 5.14），反映烧垦后养分短期提升。

微生物群落结构与多样性

RSC土壤微生物物种丰富度和香农指数均高于CF，且主坐标分析（PCoA）显示两类群落显著分离。

微生物分类谱

细菌群落中，RSC以Streptomyces（29.68%）、Nocardioides（13.75%）和Nostoc（13.46%）为主，CF则以Bradyrhizobium（45.42%）为优势菌属。古菌群落中，RSC富集氨氧化古菌Nitrosocosmicus，CF则以Halobaculum和Methanosarcina为主。真核生物中，CF真菌多样性高（如Russula），RSC中水稻（Oryza）DNA残留显著。

功能基因谱

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  氮循环：RSC中硝化基因（amoC_B、nxrB）和固氮基因（nifD、nifK）富集；CF中反硝化基因（norB、narJ）和同化硝酸盐还原基因（nasB）高表达。
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  磷循环：RSC中碱性磷酸酶基因（phoX）和甘油代谢基因（glpQ）丰度更高。
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  硫循环：CF中硫氧化基因（soxZ、soxD、soxC）显著富集。
  

功能潜能分析

COG分类显示，氨基酸转运代谢、能量产生与转换在两类土壤中均占主导。KEGG通路中，RSC在ABC转运蛋白和氧化磷酸化通路上更活跃，CF则强化了糖酵解和脂肪酸代谢。

本研究证实，土地利用遗留效应深刻影响土壤微生物群落结构与功能。RSC通过扰动促进养分循环相关微生物与基因的富集，增强氮磷转化能力；CF则趋向保守代谢策略，以硫氧化和反硝化为特征。研究为热带农业生态系统中土壤健康管理和养分循环调控提供了微生物学依据，发表于《Microbial Ecology》。