马达加斯加热带森林土壤微生物群落与养分循环：土地利用类型与季节变化的交互影响

这篇研究通过分析马达加斯加四种土地利用类型（树灌休耕地TSA、灌木休耕地SSA、桉树林EUC、退化地TM）和三个季节（旱季DS、雨季初期SRS、雨季末期ERS）的土壤样本，揭示了土壤微生物群落（16S rRNA和ITS测序）与养分循环（如磷矿化基因phoD、溶磷基因gcd）的动态关联。研究发现，土地利用类型显著影响土壤有机碳（SOC）、总氮（Ntot ）和碳氮比（C/N），而季节变化主导pH和有效磷（POls ）的波动，其中灌木休耕地（SSA）表现出最高的微生物活性和功能基因丰度，凸显其在生态恢复中的潜力。

　　

引言

土壤微生物在热带森林生态系统中扮演着核心角色，驱动有机质分解、养分循环（如磷P和氮N）等关键过程。然而，马达加斯加作为生物多样性热点地区，其土壤微生物对土地利用和季节变化的响应机制尚未充分研究。本研究以安德西贝热带森林为对象，探究四种土地利用类型（TSA、SSA、EUC、TM）和三个季节（DS、SRS、ERS）下土壤理化性质与微生物群落的关联，为热带生态恢复提供科学依据。

材料与方法

研究区域与采样设计
研究区位于马达加斯加东部（18°92′S, 48°41′E），年均降雨量2500 mm。土壤样本（0–10 cm深度）采集自代表不同恢复阶段的四种土地利用类型：以原生树种为主的TSA、以灌木为主的SSA、30年树龄的EUC，以及以禾草为主的退化地TM。采样覆盖旱季（2022年6月）、雨季初期（2022年12月）和雨季末期（2023年3月）。

分析方法
土壤理化指标包括pH、SOC（Walkley-Black法）、N_tot
（凯氏定氮法）、P_Ols
（Olsen法）。微生物群落通过Illumina NextSeq 1000测序16S rRNA（V4区）和ITS2区域，功能基因（如phoD、gcd、nifD）通过qPCR定量。数据采用R语言进行ANOVA、PERMANOVA和PCA分析。

结果

植被与土壤特性
TSA的植物多样性最高（Shannon指数），而TM最低。土壤质地差异显著：EUC以黏土为主，SSA为砂质黏土。季节动态显示，P_Ols
和pH在雨季初期（SRS）最高，而SOC和N_tot
在TM中含量最高，但生物有效性较低。

微生物群落动态

• 细菌：Proteobacteria（36.51–44.80%）为优势菌门，Actinobacteria在雨季丰度显著增加（p<0.001）。SSA和TSA的细菌多样性高于EUC和TM。
• 真菌：Ascomycota（52.69–66.10%）为主导，Mortierellomycota在雨季显著增多。EUC因外生菌根关联真菌丰度较高，但多样性最低。
• 功能基因：phoD和gcd基因在雨季丰度升高，SSA成为磷循环的热点区域；nifD（固氮基因）在雨季末期（ERS）达到峰值。

驱动因素
PCA分析表明，pH和P_Ols
是微生物群落分异的主要驱动力（PC1贡献率30.99%）。黏土含量与gcd、nifD基因呈负相关，而砂质土壤更利于微生物活动。

讨论

土地利用与微生物功能
灌木休耕地（SSA）的高微生物活性与其多孔结构和植被多样性相关，而EUC的单一树种导致酸性土壤（pH<5.0）和Acidobacteria富集。退化地（TM）尽管SOC和N_tot
含量高，但微生物活性受限，可能与养分锁闭有关。

季节效应的分异
细菌对水分变化的敏感性高于真菌，雨季初期（SRS）的pH上升（5.0–5.8）和P_Ols
增加显著激活了phoD和gcd基因，表明微生物在磷动员中的关键作用。

结论

本研究揭示了土地利用类型通过改变土壤理化性质（如pH、P有效性）驱动微生物群落结构，而季节降水调控功能基因表达。灌木休耕地（SSA）作为微生物活动和养分循环的热点，为热带退化生态系统的恢复提供了优选策略。未来研究需结合控制实验，进一步解析微生物功能与土壤健康的因果关系。