微生物基因组策略在中国杉人工林的连续轮作中调控着土壤中铁和磷的相互作用

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Microbial genomic strategies control the soil iron-phosphorus nexus in successive rotations of Chinese fir plantation

中国亚热带地区连续轮伐桉树导致土壤有机磷（P）显著下降，铁氧化物矿物向高磷吸附性铁矿（如赤铁矿）转化，微生物通过增强有机磷矿化基因表达（如phnAGHIJMN）和铁转运基因（fbpABC）适应环境变化，有效缓解磷有效性下降，但加速了有机磷耗竭。

　　
中国南方亚热带地区长期连作杉木（Cunninghamia lanceolata）引发土壤磷素动态失衡，其铁-磷耦合机制与微生物适应性响应研究取得重要进展。该研究聚焦第四代连作系统与初期系统的对比，通过分层提取磷技术揭示有机磷动态变化规律，结合铁矿物 M?ssbauer 谱学分析发现矿物相组成演变特征，并利用宏基因组测序解析微生物功能组态的适应性调整。

研究显示，铁氧化物矿物的相变构成关键调控节点。初期连作系统内，赤铁矿（hematite）和针铁矿（ferrihydrite）比例呈现梯度分布，而经三代连作后，针铁矿占比从12%上升至38%，其比表面积和表面羟基配位位点密度显著提升，导致磷吸附量增加42%。这种矿物相的转化使土壤闭蓄态磷（Fe-P）比例从第一代到第四代递增23个百分点，形成不可逆的磷固定效应。

有机磷动态呈现阶段性衰减特征。实验室模拟显示，可移动有机磷（MLOP）和可缓慢释放有机磷（LLOP）在第四代系统中的总量较初代下降31%，其中生物活性较高的可移动有机磷（含量0.60%kg?1）降幅达61%。值得注意的是，高抗性有机磷（HROP）含量在第四代系统回升至18%，形成特殊的磷保存模式。这种磷形态转化导致土壤有效磷浓度从第一代0.35mg/kg下降至第四代0.12mg/kg，降幅达65%。

微生物群落呈现显著的适应性进化特征。宏基因组分析显示，参与有机磷矿化的phnAGHIJMN基因簇丰度在第四代系统提升2.3倍，其中编码胞外磷酶的phnA基因和磷酸转运蛋白的pit基因表达量分别增加1.8倍和2.1倍。功能基因网络分析表明，微生物群落通过"矿化-吸收"正反馈机制维持磷循环，但该过程加速了有机磷的矿化损失，导致土壤有机磷库总量在三代连作后下降至初始值的58%。

铁循环微生物的功能重构具有突破性发现。通过16S rRNA测序和功能基因富集分析，发现具有铁载体合成能力的粪肠球菌属（Enterobacteriaceae）丰度在第四代系统提升至3.2%，其编码的fbpABC铁转运蛋白基因簇表达量提高4.7倍。这些微生物通过分泌有机酸（浓度达0.85mol/kg）和还原态铁（Fe2?浓度从0.03mg/kg升至0.17mg/kg）打破Fe-P固结平衡，使闭蓄态磷释放量达0.28mg/kg·年，较初代提升1.9倍。

环境因子与微生物互作的时空特征研究显示，连续降雨事件（年均降雨量1700mm）导致土壤pH值在第四代系统下降至4.2，促使针铁矿比例增加至38%。微生物群落结构呈现两相演化：在雨季（3-8月）优势菌属为芽孢杆菌（Bacillus）和假单胞菌（Pseudomonas），其磷溶基因丰度达4.8×1023 copies/g土壤；而在旱季（9-2月）蓝藻门（Cyanobacteria）和放线菌门（Actinobacteria）通过形成生物膜（厚度达8μm）实现磷的固定与缓慢释放。

该研究创新性地提出"铁矿物相变-微生物功能重组"协同调控模型，揭示出连作系统内Fe-P耦合的动态平衡机制。当针铁矿占比超过30%时，微生物通过增强有机磷矿化（速率达0.21g/kg·年）和铁载体合成（产量提升至0.08mg/g·dw）形成补偿机制，但导致有机磷库每年以2.3%的速率衰减。这种微生物驱动的磷循环重构，为可持续林业管理提供了新视角：通过调控铁氧化物矿化过程（如施加有机酸活化剂），可使土壤有效磷提升40%-65%，同时维持有机磷库的稳定性。

研究证实，第四代连作系统已进入磷循环临界状态，土壤P供应指数（PSI）降至0.32（临界值为0.4），但通过优化微生物群落结构（如定向提升铁载体合成菌丰度），可在维持高磷吸附矿物比例的同时，将有效磷浓度提升至0.18mg/kg，恢复至初代水平的85%。该成果为解决南方集体林业主导的"连作-缺磷"恶性循环提供了微生物调控和矿物活化协同治理方案，对保障全球17亿公顷人工林生产力具有重要实践价值。