扰动土壤生态系统中微生物群落结构的预测因子与组装过程研究：以加拿大阿尔伯塔矿区土壤储存为例

本研究针对矿区土壤储存后微生物群落重建机制不明的问题，通过分析加拿大阿尔伯塔油砂矿区0.5-28年储存土壤的微生物β多样性，结合零模型框架揭示了环境因子仅解释约1/5的群落变异，而随机过程（同质化扩散、扩散限制和漂变）主导群落组装。该成果为土壤修复的微生物调控策略提供了理论依据，发表于《Ecological Indicators》。

　　

在面临全球矿区生态修复的挑战中，土壤储存（stockpiling）作为法律强制要求的表层土保存手段，其微生物群落的恢复轨迹始终是科学界和工程实践的难点。传统观点认为极端物理化学条件会强化环境过滤作用，但加拿大阿尔伯塔大学的研究团队通过长达28年的土壤储存时序研究，颠覆性地揭示了随机过程对微生物组装的关键影响。

研究团队采集了加拿大阿尔伯塔省两个油砂矿区（CNRL Horizon和Wolf Lake）不同储存年限（0.5-28年）和深度（0-300 cm）的土壤样本，结合参考土壤进行对比分析。通过Illumina MiSeq平台对16S rRNA基因V4区和ITS2区测序，获得14,071个细菌ASV（扩增子序列变异）、102个古菌ASV和7,483个真菌ASV。采用Sloan中性模型、系统发育信号分析和Stegen零模型框架，首次在矿区储存土壤中量化了五种生态组装过程的相对贡献。

微生物群落差异与指示物种
Bray-Curtis和UNIFRAC分析显示储存土壤与参考土壤微生物群落显著分化。Verrucomicrobia和Basidiomycota作为寡营养型菌群与原生植被正相关，而Proteobacteria和Ascomycota等富营养型菌群与非本土植物、土壤养分升高显著关联。共现网络分析揭示储存土壤中微生物互作复杂度提升，关键类群从参考土壤的担子菌转变为变形菌门。

环境因子的有限解释力
典型对应分析（CCA）显示，碳氮含量、黏土比例等环境因子仅解释13-17%的群落变异。深层土壤（>80 cm）中团聚体尺寸取代养分成为主要驱动因素，表明储存土壤的环境异质性随深度加剧。

随机过程的主导地位
零模型分析显示：

1. 细菌群落受同质化扩散（年轻储存堆）和扩散限制（28年储存堆）主导；
2. 真菌群落主要受漂变驱动，其稀有类群（<0.1%相对丰度）更易受同质化扩散影响；
3. 古菌以同质化扩散为主要组装力。值得注意的是，参考土壤同样呈现随机过程主导，暗示储存改变了过程强度而非类型。

功能群差异机制
FUNGuild功能预测显示：腐生真菌受漂变主导，而菌根真菌受扩散控制。细菌的生态位宽度显著大于真菌和古菌（p<0.05），反映其更强的环境适应能力。

这项研究首次系统论证了矿区储存土壤微生物组装的"随机性优先"规律，为生态修复提供了新视角：

1. 实践意义：筛选出Verrucomicrobia等作为土壤恢复的指示类群，提出调控扩散过程可能比改善环境过滤更有效；
2. 理论突破：修正了"极端环境必导致确定性主导"的经典认知，揭示机械扰动通过改变微生物扩散格局驱动群落演化；
3. 方法创新：整合βNMTD（β-平均最近分类单元距离）和RCBray（Bray-Curtis基于Raup-Crick）的多模型框架，为土壤微生物生态研究提供范式。

该成果对理解人为扰动生态系统的恢复阈值具有里程碑意义，其揭示的"微生物组装随机性梯度"可能普遍存在于各类受干扰生境中。未来研究可进一步结合宏基因组学解析功能基因的组装机制，为精准生态修复提供分子靶点。