中国西南山区土壤微生物功能组成对种植模式变化和农田废弃的响应

《Applied Soil Ecology》：Soil microbial functional composition in response to planting pattern shifts and farmland abandonment in mountainous Southwest China

种植模式转变对贵州隆江土壤微生物多样性和功能的影响研究。通过分析水稻田（RR、RRW）、废弃地（A）和旱地（P、PC、PW、PTT）的细菌和真菌α/β多样性、群落结构及功能，发现水稻田微生物α多样性最高（细菌降低19.9–56.5%，真菌降低39.6–55.5%），且网络复杂性显著高于废弃地和旱地。功能上，水稻田以发酵菌为主，废弃地富集异养菌和固氮菌，旱地以化学异养菌和硝酸盐代谢菌为主。土壤pH和团粒结构（GMD）是主要驱动因素，磷含量影响真菌群落。共生真菌、固氮菌和好氧异养菌是模式转变的最敏感指标。

　　在西南地区，特别是贵州省的山区，农田的种植模式正在经历显著的变化，大量的稻田被转变为旱地或被遗弃。这一变化对当地土壤微生物群落的生态影响尚未完全明确。本研究在贵州省榕江县的典型种植模式下，对土壤细菌和真菌的多样性、群落结构、功能组成及网络复杂性进行了深入分析，揭示了不同种植模式对土壤微生物群落的深远影响。

随着人口增长和对健康饮食的需求，干地经济作物的种植需求显著增加。传统的水稻种植逐渐被高经济回报的经济作物替代，如蔬菜和水果。在2015年至2023年间，贵州省的稻田种植面积减少了19%，而蔬菜和果园的面积则分别增加了37%和134%。这一趋势反映了农业结构的深刻变化，同时也带来了土壤环境的改变。由于山地地形的限制，以及劳动力外流的影响，大约有10%的耕地被遗弃。这种变化不仅改变了土地利用方式，也对土壤生态系统产生了影响。

土壤微生物在农业生态系统的运行中扮演着至关重要的角色。它们不仅参与有机质的分解，还在碳、氮、磷等元素的循环中发挥关键作用。此外，微生物还影响土壤团聚体的稳定性，控制土壤病害的发生。微生物群落对环境变化高度敏感，因此常被视为土壤健康的重要指标。在水稻向旱地或遗弃地转化的过程中，微生物的生物量和多样性都会受到影响。遗弃地由于缺乏外部资源输入，如肥料、有机质和水资源，微生物的多样性显著下降。同时，由于土壤扰动减少，微生物的网络结构也会发生改变。

本研究选取了七种典型的种植模式，包括一种遗弃地（A）、两种稻田系统（RR和RRW）以及四种旱地经济作物系统（P、PC、PW和PTT）。在每种种植模式下，选取了五个代表性地块，并在每个地块中心划分了10×10米的样方，采集了五个土壤柱状样本进行分析。研究还测量了土壤的理化性质，如pH值、土壤结构、有机质含量、氮磷含量等，以全面评估种植模式对土壤环境的影响。

通过高通量测序技术，研究分析了土壤微生物群落的多样性、组成和功能特性。结果表明，遗弃地的α多样性显著低于稻田和旱地，而旱地的α多样性也低于稻田。同时，β多样性在不同种植模式之间存在显著差异，这反映了微生物群落的结构变化。研究进一步揭示了不同种植模式对微生物群落功能组成的影响，例如，遗弃地富含寡营养型微生物（如酸杆菌门和子囊菌门），而旱地则更多地富集了需营养型微生物（如变形菌门、厚壁菌门和放线菌门）。

土壤微生物的共现网络分析显示，稻田的网络复杂性高于遗弃地和旱地。这表明，稻田土壤微生物之间的相互作用更为复杂，而遗弃地和旱地的微生物网络则较为简单。网络复杂性的变化可能与土壤理化性质的变化有关，如pH值和土壤团聚体大小（GMD）。此外，土壤磷含量对真菌群落的影响尤为显著，影响了真菌的功能组成。

研究还通过随机森林分析和偏最小二乘路径建模（PLS-PM）揭示了土壤理化性质和微生物群落变化之间的关系。结果表明，共生真菌、固氮菌和好氧异养菌是种植模式变化的最强微生物指标，它们对土壤磷含量的变化尤为敏感。这些微生物的功能组成能够有效反映种植模式的转变，并在土壤健康监测和可持续农业管理中具有重要应用价值。

综上所述，本研究揭示了种植模式变化对土壤微生物群落的深远影响，不仅改变了微生物的多样性，还重塑了其功能组成和网络结构。这些变化可能对土壤生态系统的稳定性产生负面影响。因此，了解这些变化的机制，对于制定有效的农业管理策略和保护土壤生态系统具有重要意义。未来的研究应进一步扩展样本的地理覆盖范围，并考虑不同作物生长阶段对土壤微生物的影响，以更全面地评估种植模式变化的生态效应。