土地管理方式与坡位调控土壤热特性并影响微生物生物量与群落组成的作用机制

本研究针对不同土地管理措施（放牧、非放牧饲草、作物轮作）与坡位对土壤热特性及微生物群落的影响展开系统性分析，发现非放牧管理显著提高土壤有机碳含量、热容量及微生物总量，尤其在坡脚区域表现突出。该研究首次建立原位土壤热参数（如热导率λ、热容CV）与微生物群落组成的直接关联，为气候变化背景下农业土壤健康管理提供了重要的理论与技术依据。

　　

随着全球气候变化加剧和人口快速增长，农业土地利用方式与土壤生态系统功能之间的调控关系已成为研究热点。土地管理措施如放牧、非放牧饲草种植和作物轮作等，不仅影响土壤结构和养分循环，还可能通过改变土壤热特性进一步调控微生物群落组成与功能。然而，目前关于不同坡位地形条件下土壤热参数（如热导率、热容、热扩散率等）如何影响微生物生物量及群落多样性的研究仍较为缺乏。尤其是在边际土地上，经济压力常导致生产者更倾向于选择经济效益高但可能损害土壤健康的土地利用方式，因此亟需从热调控与微生物响应角度为可持续农业实践提供科学依据。

为此，研究人员在美国田纳西州穆尔弗里斯伯罗的一处南向坡地开展了为期12年的田间试验，系统比较了三种土地管理方式——轮作放牧（Graz）、非放牧饲草管理（NoGr）和玉米-大豆轮作（Crop）在五个坡位（山顶、肩坡、背坡、脚坡和趾坡）上对土壤理化性质、热特性参数及微生物生物量与群落组成的影响。研究采用原位测量技术（如KD2 Pro热脉冲传感器测定热参数、TDR 350测定土壤含水量）结合室内分析（磷脂脂肪酸PLFA分析用于微生物群落表征）等方法，构建了土壤热特性与微生物功能的关联模型。

土壤理化与热特性结果表明，NoGr处理显著提高了土壤有机碳（SOC）、水分含量（??）和磷含量，而Crop处理则导致较高的土壤温度和钾含量。坡位效应也十分显著，趾坡和脚坡因沉积作用具有更高的SOC、总氮（TN）和微生物生物量，而背坡由于侵蚀作用各项指标均较低。土壤热特性方面，NoGr处理表现出较高的热容（C_V）和热阻率（ρ），说明其在缓冲温度波动方面更具优势。

微生物生物量与群落组成分析显示，NoGr处理下的总微生物生物量比Graz和Crop分别高出22%和317%，总PLFAs、丛枝菌根真菌（AMF）、革兰氏阳性（Gr+）与阴性（Gr-）菌、真菌和放线菌均显著高于其他处理。趾坡位置因较好的水热条件和养分富集，微生物生物量及多样性最高。通过微生物比率分析（如真菌:细菌F:B、革兰阳性:阴性Gr+:Gr-、单不饱和:多不饱和PLFA等）进一步发现，NoGr和Graz处理有助于维持更健康的微生物群落结构和更低的环境胁迫水平。

研究还通过Pearson相关性分析揭示了土壤热特性与微生物群落间的密切关系。总体微生物生物量与土壤温度呈显著负相关，而在NoGr处理下，微生物生物量与热容（C_V）呈强正相关，在Crop处理下则与热导率（λ）关系更密切。这表明，NoGr管理通过提高土壤热缓冲能力，为微生物创造了更稳定的生存环境。

该研究首次在原位条件下建立了土壤热特性与微生物群落组成的直接联系，证实了热调控在微生物生态功能中的重要作用。NoGr管理在提升土壤有机碳、水分和热容量的同时，显著增强了微生物生物量及多样性，尤其在坡地下部沉积区效果更为明显。这一发现对指导边际土地可持续利用、缓解气候变化对农业生态的负面影响具有重要实践意义。未来研究可进一步拓展到不同坡向、更多土地管理类型的比较，以深化对土壤热-微生物互作机制的理解。论文已发表在《CATENA》期刊。