长期CO2 浓度升高与增温对稻田细菌群落网络复杂性及功能代谢的协同调控机制

为揭示气候变化下CO2 与温度协同作用对土壤微生物的影响，中国科学院团队通过长期田间试验发现，CO2 升高（500 ppm）和增温（+2 °C）虽未改变细菌α多样性，但显著重塑群落结构（如Actinobacteria增加17.5%），并通过SOC（土壤有机碳）、pH等环境因子驱动网络复杂性变化。该研究发表于《Applied Soil Ecology》，为预测农业生态系统功能响应提供了关键理论依据。

　　

全球气候变化的核心特征——大气CO₂
浓度升高与气温上升，正深刻影响着陆地生态系统的碳循环过程。稻田作为中国25%耕地的核心组成部分，其土壤微生物群落对维持土壤肥力和作物产量至关重要。然而，现有研究多聚焦单一气候因子，对CO₂
与增温的交互作用如何调控细菌群落结构、网络复杂性及功能代谢仍存在显著认知空白。更关键的是，微生物互作网络的响应机制长期被忽视，而这对预测生态系统稳定性至关重要。

针对这一科学问题，中国科学院团队在江苏常熟水稻-小麦轮作系统开展了长达十年的田间试验，通过开顶室（OTC）模拟CO₂
富集（500 ppm）与红外加热器实现增温（+2 °C），结合高通量测序、共现网络分析和COG（基因同源簇）功能预测等技术，系统解析了多因子气候胁迫下细菌群落的适应策略。

关键方法
研究采用三阶段采样设计（分蘖期、抽穗期、成熟期），通过16S rRNA基因测序分析细菌群落结构，利用MENA构建共现网络评估复杂性指标（如平均度、聚类系数），结合环境因子（pH、SOC、TN等）的冗余分析（RDA）揭示驱动机制，并通过PICRUSt2预测代谢功能变化。

研究结果

1. 细菌群落结构对环境因子的差异化响应
尽管α多样性无显著变化，CO₂
升高使Actinobacteria相对丰度增加17.5%，而Chloroflexi降低15.1%，且效应强于增温。RDA分析表明，SOC、pH、TN（总氮）和AN（有效氮）是驱动群落重构的关键变量，其中CO₂
通过降低pH（4.8%）和提升SOC（29.8%）间接调控微生物组成。

2. 网络复杂性的拮抗效应
增温显著提升网络平均度（反映节点连接数）和聚类系数，表明细菌竞争增强；但CO₂
升高抵消了这一效应，使网络简化。交互作用分析显示，CO₂
通过抑制增温对SOC的促进作用（交互项P<0.001），削弱了微生物的资源竞争压力。

3. 代谢功能的重编程
CO₂
升高显著上调翻译后修饰、细胞周期相关COG功能，但下调转录和次级代谢合成通路。这种“资源优先分配给生长而非防御”的模式，暗示微生物可能通过代谢效率优化适应碳资源增加的环境。

结论与意义
该研究首次阐明长期CO₂
与增温通过“环境因子-网络拓扑-功能代谢”三级联反应调控稻田细菌群落的机制：增温增强微生物竞争，而CO₂
通过资源输入缓和竞争压力，但导致功能单一化。这一发现为预测农业生态系统在气候变化下的微生物反馈提供了新视角，尤其警示CO₂
可能通过简化网络削弱土壤生态系统的恢复力。未来需关注这种简化对氮循环等关键功能的长期影响，为适应性农业管理提供科学依据。