百年葡萄园向苹果园转化的长期生态效应：土壤结构、化学性质及生物多样性的演变轨迹

《Plant and Soil》：Long-term effects of 100 years of vineyard-to-apple orchard conversion on soil structure, chemistry, and biodiversity

本研究针对长期木本作物轮作对土壤生态系统的影响这一认知空白，选取了一个独特的农业系统（同一地块内分别在1922、1970和2016年由葡萄园转为苹果园），在排除气候土壤变异干扰下，综合运用土壤理化分析、环境DNA(eDNA)宏条形码技术、定量PCR(qPCR)及生态网络分析等方法，揭示了转化时序显著塑造了土壤质地（砂粒增加）、动物-微生物群落结构（β多样性差异显著）及关键种数量，但微生物氮循环功能因功能冗余而未受显著影响，凸显了农业历史在土壤健康评估中的长期重要性。

　　

在农业生态系统中，作物轮作是一种古老而常见的实践，被证实能够改善土壤结构、提升土壤有机碳（SOC）含量并影响氮（N）循环。然而，当前研究多聚焦于短期一年生或两年生作物的轮作效应，对于将一种长期生长的木本经济作物（如果树）转换为另一种木本作物所引发的长期土壤生态后果，我们知之甚少。这种认知空白部分源于难以找到环境条件高度相似、仅转化历史不同的对比样地。此外，现有研究多局限于土壤微生物的分类学多样性，往往忽略了土壤动物的作用以及微生物群落的功能特性。土壤动物作为关键组成部分，通过取食、传播、混合有机物和排泄营养物质，深刻影响着细菌和真菌群落的丰度与多样性。那么，当一个世纪以来，在同一片土地上，葡萄园被分批转换为苹果园，这片土地的“记忆”——即土壤的物理结构、化学性质和生命网络——会留下怎样的时光烙印？这种转换的“遗产效应”会持续多久？又会对土壤的健康与功能产生何种深远影响？

为了回答这些问题，由Rita Noto和Marco Signorini等人组成的研究团队，在意大利南蒂罗尔的阿迪杰河谷，发现了一个理想的研究对象：一片被包围在不到一公顷范围内的农地，其内部相邻的三个地块分别于1922年、1970年和2016年由葡萄园转换成了苹果园。这三个地块拥有相同的母质、土壤类型和气候条件，且由同一个家族自19世纪初以来持续管理，确保了除转换时间外，其他农业实践在种植相同作物时的一致性。这为精准探究木本作物演替的长期效应，避免因地理、土壤和气候差异带来的偏差，提供了绝佳的平台。研究人员于2021年4月从每个地块的果树行间0-20厘米表层土壤采集了样品，开展了一项多维度研究。

本研究主要运用了几项关键技术：1) 土壤理化性质常规分析，包括质地、pH、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、溶解性有机碳（DOC）及多种元素含量（采用ICP-OES，即电感耦合等离子体光学发射光谱法测定）；2) 环境DNA（eDNA）提取与高通量测序，分别针对细菌的16S rRNA基因V3-V4区、真菌的ITS2区、土壤动物及原生生物的COI基因进行扩增和Illumina MiSeq平台测序，随后进行生物信息学分析以重构群落结构；3) 定量PCR（qPCR）技术，用于定量细菌（16S rRNA基因）、真菌（ITS2区）的丰度以及氮循环关键功能基因（AOB-amoA, nifH）的拷贝数；4) 多元统计分析与生态网络构建，利用主成分分析（PCA）、约束主坐标分析（CAP）以及SPIEC-EASI算法构建跨域（细菌、真菌、动物、原生生物）共现网络，并基于网络拓扑属性（如度中心性、介数中心性）识别关键种。

土壤理化分析

结果表明，土壤质地随转化时间发生了显著变化，从1922年地块的砂质壤土逐渐转变为2016年地块的壤质砂土，具体表现为砂粒含量显著增加，而粉粒和粘粒含量相应下降。土壤化学性质也呈现出与转化时间相关的差异。主成分分析（PCA）显示，1922年和2016年转化的地块在土壤化学组成上差异显著，而1970年转化的地块处于中间状态。值得注意的是，铜（Cu）和镉（Cd）等重金属含量在所有地块均高于欧盟土壤平均水平，这是过去葡萄栽培中使用铜基杀菌剂的历史遗留证据。其含量呈“V”形变化，在1970年转化的地块最低，可能与当时普遍采用的深翻耕（约40厘米）和全田旋耕有关。此外，硫（S）含量在最近转化的地块（2016年）最高，而pH、钾（K）、钠（Na）和钴（Co）则沿转化梯度（从早到晚）显著降低。

Alpha和Beta多样性

α多样性（丰富度和香农指数）分析显示，细菌和动物/原生生物的丰富度在不同转化时间点存在显著差异，而真菌丰富度无显著变化。香农指数在细菌和真菌群落中表现出显著差异。更重要的是，β多样性分析（通过CAP和NMDS）表明，细菌、真菌、动物和原生生物的群落结构根据转化时间清晰地分为三个不同的组群。这种β多样性的差异主要（约70%）由物种替换所驱动，而非丰富度差异或相似性变化。土壤质地（砂粒含量）、pH、TOC、P、S、Fe、Cu、Cd等是驱动群落分异的主要环境因子。

生态网络

跨域（细菌、真菌、动物、原生生物）共现网络分析揭示了不同转化时间点土壤生物互作关系的差异。尽管三个网络共享307个操作分类单元（OTUs），但它们之间的相互作用（连接边）仅有4个是共有的，表明群落互作具有高度的情境依赖性。网络拓扑结构参数（如平均度、模块性）在不同地块间存在差异，1970年转化的地块网络具有更高的平均连接度。关键种（定义为网络中同时具有高连接度和高介数中心性的节点）的数量从1922年地块的55个下降到2016年地块的32个。细菌在所有地块都是关键种的主要来源，但真菌关键种的数量随转化时间推移而减少，动物和原生生物关键种也有所减少。

微生物功能：氮循环

通过qPCR对氮循环功能基因（AOB-amoA用于细菌氨氧化，nifH用于固氮）的定量分析发现，这些基因的丰度在不同转化时间的地块间没有显著差异。负责反硝化作用的narG基因在所有样本中均未检测到。这表明，尽管微生物群落结构发生了显著变化，但与氮循环相关的微生物功能由于群落内部存在较高的功能冗余而得以维持。

研究结论与意义

本研究得出结论：将近一个世纪前的葡萄园向苹果园的转化，在土壤中留下了清晰可辨的物理、化学和生物“遗产”。转化时间点显著影响了土壤质地（砂粒增加）、土壤化学性质（如重金属含量、pH）以及土壤细菌、真菌、动物和原生生物群落的β多样性，这种差异主要由物种替换驱动。生态网络结构和关键种的数量与组成也随转化历史而变化。然而，与氮循环相关的微生物功能却未受显著影响，这很可能得益于微生物群落内部的高功能冗余性，即不同物种可能执行着相似的功能，从而在群落结构发生变化时维持了生态系统功能的稳定。

这项发表在《Plant and Soil》上的研究具有重要的意义。它首次在严格控制的相似环境条件下，揭示了从一种长期木本作物向另一种长期木本作物转化可对土壤生态系统产生持续数十载甚至百年的深远影响。研究强调了在评估土壤农业管理措施时，充分考虑长期农业历史的必要性。过去的土地利用方式，即使是百年前的行为，依然在塑造着地下的生物多样性格局。这一认识对于制定可持续的农业土地管理策略、理解农业生态系统的长期演变以及保护土壤生物资源提供了关键的科学依据。它不仅提醒我们关注当前的管理措施，也要求我们将目光投向土地承载的深厚历史，因为土壤，确实拥有长久的记忆。