在自然干旱条件下，养分代谢和微生物网络复杂性调控了亚热带人工林土壤的多功能性

《Applied Soil Ecology》：Nutrient metabolism and microbial network complexity control soil multifunctionality in subtropical plantations under natural drought

干旱胁迫通过抑制碳代谢基因丰度和降低微生物网络复杂性，削弱了紫荆属（Albizia odoratissima）树根际土壤的多功能性（SMF）。研究显示，干旱导致土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）含量下降，并减少关键功能微生物（如Pseudomonadota、Acidobacteriota）丰度，同时增强产甲烷和脱氮相关基因表达。多组学分析表明，碳代谢限制和微生物网络简化是影响SMF的主要机制。

　　该研究探讨了自然干旱条件下，南方亚热带地区刺槐（*Albizia odoratissima*）林地土壤中碳氮代谢和微生物网络复杂度如何调控土壤多功能性（SMF）。研究团队通过分析土壤理化性质、酶活性、基因丰度、微生物多样性、群落组成、共现网络以及土壤多功能性指标，揭示了自然干旱对土壤碳氮代谢和微生物群落结构的深远影响，以及这些变化如何导致土壤多功能性的下降。研究结果表明，自然干旱会减少与碳固定和降解相关的基因绝对丰度，但会增强某些氮代谢基因的丰度，从而促进二氧化碳和甲烷的排放，加强微生物的碳限制，减少土壤有机碳和总氮含量，最终导致土壤多功能性的降低。同时，自然干旱会降低*Pseudomonadota*、*Betaproteobacteria*、*Chitinophagales*、*Verrucomicrobiae*、*Silvibacterium*、*Dactylosporangium*、*Acidobacterium*和*Streptacidiphilus*等关键功能微生物的绝对丰度，但会增加*Methylocystis*、*Candidatus_sulfotelmatobacter*、*Conexibacter*、*Luteitalea*、*Alloacidobacterium*和*Candidatus_acidoferrum*等微生物的丰度，导致细菌多样性下降和真菌β多样性减少，简化微生物网络的复杂度并削弱代谢功能，从而直接减少土壤多功能性。

### 研究背景与意义

随着全球气候变化的加剧，干旱已成为影响陆地生态系统功能的重要环境压力之一。在土壤生态系统中，干旱不仅降低了土壤水分含量和pH值，还抑制了关键酶的活性，从而抑制有机质的分解和养分的释放，导致土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）含量下降，进一步降低土壤多功能性。此外，干旱还会影响关键功能基因的丰度，从而限制碳固定和降解能力，但同时促进与甲烷生成和反硝化相关的基因丰度，加剧碳氮损失，降低SOC和TN含量，最终导致土壤多功能性的直接或间接下降。

然而，尽管已有大量研究关注干旱对土壤功能的影响，但多数研究主要集中在功能基因的丰度变化上，忽视了特定功能微生物在调控这些基因表达中的关键作用。这种忽视限制了我们对干旱如何通过影响养分代谢进而调控土壤多功能性的理解。因此，本研究试图从微生物群落的视角出发，探讨干旱如何通过改变功能微生物的丰度，影响土壤的碳氮代谢和微生物网络复杂度，进而影响土壤多功能性。

### 研究方法与设计

本研究在中国广西百色市的国有岩昌林场进行，选取了典型的亚热带季风气候区，该地区在每年11月至次年2月经历明显的干旱季节。研究采用完全随机区组设计，设置四个干旱梯度：正常水分条件（CK）、轻度干旱（LD）、中度干旱（MD）和重度干旱（SD）。每个处理组在相同微生境条件下进行，以确保统计独立性。每组处理选取6株健康的刺槐树作为重复。研究通过采集根际土壤样本，分析其理化性质、酶活性、基因丰度、微生物多样性、群落组成和共现网络，进一步评估土壤多功能性。

在实验设计中，研究团队使用了高分辨率的MODIS和NOAA数据集，通过Google Earth Engine平台获取土地表温度和归一化植被指数，进而计算温度植被干旱指数，用于评估干旱强度。实验块的土壤水分含量通过烘干至恒重法测定，以确认干旱对土壤水分的直接影响。研究还通过安装聚氯乙烯（PVC）气室，测量土壤中二氧化碳和甲烷的浓度变化，同时利用生态酶学模型分析土壤微生物的碳氮磷代谢限制情况。

此外，研究采用宏基因组测序技术，分析根际土壤中的功能基因及其微生物群落组成。通过非冗余基因集（CD-HIT）和基因预测工具（MetaGene），研究团队构建了功能基因的丰度谱，并利用Diamond软件进行功能基因与非冗余蛋白数据库（NR）的比对分析。同时，研究还通过MetaBAT2和GTDB-Tk等工具进行宏基因组拼接和分类，以获得高质量的基因组组装（MAGs）并评估其在微生物群落中的作用。

### 研究结果与分析

#### 1. 土壤多功能性与养分限制的变化

研究发现，随着干旱程度的增加，土壤pH值、有机碳（SOC）和溶解有机碳（DOC）含量显著下降，同时微生物生物量碳（MBC）和微生物生物量氮（MBN）也减少。这些变化表明，自然干旱降低了土壤的养分循环能力，从而削弱了土壤多功能性。具体而言，轻度干旱（LD）导致SOC减少45.47%，中度干旱（MD）减少14.33%，重度干旱（SD）减少33.73%。同样，总氮（TN）含量在LD、MD和SD处理组中分别减少了36.84%、10.53%和26.32%。这些结果说明，自然干旱对土壤碳氮代谢产生了显著的负面影响，进而导致土壤多功能性的下降。

同时，研究发现，土壤多功能性（SMF）与碳氮磷代谢限制指数（VT）存在显著负相关，表明碳氮磷代谢限制是影响土壤多功能性的关键因素。在轻度和中度干旱条件下，土壤微生物的碳限制增强，而氮限制则有所缓解。这一现象可能与微生物群落结构的调整有关，即某些氮代谢功能微生物的丰度增加，从而提升了氮的可利用性。

#### 2. 功能基因丰度的变化

在功能基因方面，研究发现，干旱条件下与碳代谢相关的基因丰度显著下降，而与氮代谢相关的基因丰度则有所上升。例如，在轻度、中度和重度干旱处理组中，与碳固定和降解相关的基因如*acnB*（三羧酸循环）、*ppc*（还原柠檬酸循环）、*mdh*（还原柠檬酸循环）、*abfA*（半纤维素降解）、*amyA*（纤维素降解）和*bglX*（纤维素降解）的丰度分别下降了79.53%、74.79%、77.24%、20.56%、22.93%、34.91%、37.37%、20.50%和49.85%。这些变化表明，干旱抑制了碳代谢相关的基因表达，降低了土壤的碳输入能力，从而影响SOC和SMF。

相反，与氮代谢相关的基因如*nifH*（固氮）、*amoA*（硝化）、*norB*（反硝化）、*nosZ*（反硝化）、*nirA*（同化性氮还原）和*ureB*（氨化）的丰度在干旱条件下显著增加。这表明干旱可能通过促进氮代谢功能微生物的增殖，增强土壤中氮的转化能力，从而在一定程度上缓解氮限制。然而，这种增强的氮代谢能力并未能有效提升土壤多功能性，反而可能因氮的过度消耗导致土壤氮含量下降。

#### 3. 微生物群落组成的变化

在微生物群落组成方面，研究发现干旱显著降低了某些功能微生物的丰度，如*Pseudomonadota*、*Betaproteobacteria*、*Chitinophagales*、*Verrucomicrobiae*、*Silvibacterium*、*Dactylosporangium*、*Acidobacterium*和*Streptacidiphilus*，这些微生物通常与碳代谢功能相关。与此同时，干旱增强了*Methylocystis*、*Candidatus_sulfotelmatobacter*、*Conexibacter*、*Luteitalea*、*Alloacidobacterium*和*Candidatus_acidoferrum*等与氮代谢相关的微生物的丰度，表明干旱条件下氮代谢微生物可能在某些方面更具优势。

在真菌群落中，干旱显著降低了β多样性，但对α多样性影响较小。这可能与真菌在干旱条件下通过形成菌丝网络来维持其代谢功能有关。然而，干旱还降低了*Ascomycota*、*Mucoromycota*和*Basidiomycota*等主要真菌类群的丰度，这可能削弱了真菌对土壤有机质的分解能力，从而影响土壤多功能性。

#### 4. 微生物网络复杂度的变化

研究还通过构建微生物共现网络，分析了干旱对微生物网络复杂度的影响。结果显示，干旱显著降低了细菌和真菌共现网络的节点数、边数和网络密度，表明干旱简化了微生物网络的复杂度。这种简化可能削弱了微生物之间的协同作用，导致代谢功能模块的表达减少，从而影响土壤多功能性。

此外，研究发现，碳代谢基因在细菌网络复杂度中占主导地位，而氮代谢基因则在一定程度上影响了网络结构。这一结果进一步表明，碳代谢和氮代谢功能微生物在维持土壤多功能性方面具有重要作用，其丰度变化可能直接影响土壤的代谢能力。

#### 5. 土壤多功能性的驱动因素

通过部分最小二乘路径模型（PLS-PM）分析，研究团队发现碳代谢和微生物网络复杂度是影响土壤多功能性的主要因素。碳代谢功能的下降降低了SOC和TN含量，而微生物网络复杂度的简化则削弱了微生物的代谢能力。这两者的综合作用最终导致土壤多功能性的显著降低。

研究还发现，某些功能微生物如*Candidatus_acidoferrum*、*Methylocystis*和*Conexibacter*在干旱条件下表现出显著的丰度变化，这些微生物可能在调控土壤碳氮代谢中发挥关键作用。此外，研究还发现，土壤微生物的多样性变化与SMF存在显著相关性，表明微生物多样性是土壤多功能性的关键驱动因素之一。

### 讨论与启示

本研究揭示了自然干旱如何通过影响土壤碳氮代谢和微生物网络复杂度，进而降低土壤多功能性。研究发现，干旱不仅减少了与碳固定和降解相关的基因丰度，还促进了与氮代谢相关的基因表达，从而导致碳氮损失。这种变化可能与微生物群落结构的调整有关，即某些功能微生物的丰度增加，而其他关键功能微生物的丰度下降，进而影响土壤的代谢能力。

此外，研究还发现，干旱显著降低了细菌多样性，但对真菌多样性影响较小。这一现象可能与真菌在干旱条件下的适应性有关，即真菌通过形成菌丝网络来维持其代谢功能。然而，这种适应性可能不足以完全抵消干旱对土壤多功能性的负面影响。

在微生物网络复杂度方面，研究发现干旱简化了微生物网络结构，降低了节点数和边数，从而削弱了微生物之间的协同作用。这种简化可能影响了土壤中多个代谢模块的表达，包括发酵、几丁质降解、纤维素降解和芳香化合物降解等，最终导致土壤多功能性的下降。

本研究还构建了结构方程模型（GOF=0.6443），揭示了碳代谢和微生物网络复杂度在干旱条件下对土壤多功能性的直接和间接影响。研究结果表明，碳代谢功能的下降直接降低了SOC和TN含量，而微生物网络复杂度的简化则进一步削弱了土壤的代谢能力，最终导致土壤多功能性的降低。

### 结论与展望

本研究的结果表明，自然干旱通过影响土壤碳氮代谢和微生物网络复杂度，显著降低了刺槐林地土壤的多功能性。这一机制不仅揭示了干旱对土壤功能的复杂调控作用，还为亚热带地区林业生态系统的管理提供了科学依据。然而，本研究的一个局限性在于未直接测量根系分泌物，而根系分泌物在调控土壤养分代谢、微生物功能和生态系统多功能性方面具有重要作用，尤其是在干旱条件下。因此，未来的研究应进一步探讨根系分泌物与微生物群落之间的相互作用，以更全面地理解干旱如何影响土壤多功能性。

综上所述，自然干旱对土壤功能的影响不仅限于直接的物理环境变化，还涉及微生物群落结构和功能的动态调整。通过深入理解这些机制，可以为应对气候变化带来的生态压力提供理论支持和实践指导。