农业土地利用导致撒哈拉以南非洲土壤微生物功能组成比分类组成更广泛的同质化

本研究针对撒哈拉以南非洲农业扩张导致的土壤生态问题，通过对比肯尼亚和马拉维自然地与农田的土壤微生物群落，发现农业活动使微生物功能同质化范围远超分类同质化（跨尺度达1500 km），且病原真菌丰度增加。成果发表于《Soil Biology and Biochemistry》，为土地可持续管理提供了微生物功能视角的理论依据。

　　

研究背景
撒哈拉以南非洲正面临人口激增与农业集约化的双重压力，自然生态系统向农田的转化导致土壤功能退化。土壤微生物作为生态系统的"隐形工程师"，其多样性对维持养分循环和抑制病原体至关重要。然而，农业活动通过改变土壤pH、碳氮含量等环境条件，可能引发微生物群落的同质化——即不同地区的群落结构趋于相似。更值得警惕的是，微生物功能冗余（functional redundancy）可能导致分类组成差异显著的区域仍表现出相似的功能特征。这种功能同质化是否比分类同质化范围更广？其对土壤健康的影响如何？这些问题对制定可持续土地管理策略具有深远意义。

来自北海道大学等机构的研究团队在《Soil Biology and Biochemistry》发表论文，通过对比肯尼亚和马拉维5个地点（跨度1500 km）的自然地与农田样本，结合16S rRNA（原核生物）和ITS（真菌）基因扩增测序与功能预测分析，首次揭示了农业土地利用对微生物功能与分类同质化差异的跨尺度影响。

关键技术方法
研究选取肯尼亚和马拉维5个配对站点（自然地/农田），采集表层土壤样本测定pH、碳(C)、氮(N)等理化指标。通过高通量测序获取原核生物16S rRNA和真菌ITS序列，使用PICRUSt2和FUNGuild预测功能组成。采用Bray-Curtis距离评估群落差异，通过Mantel检验分析环境因子与群落相似性的关系，并利用中性群落模型解析生态过程驱动机制。

研究结果

土壤特性变化
农田土壤普遍呈现pH降低（除Site E外）、碳含量下降（最高降幅32%）及碳氮比(C/N)降低的特征。这种一致性变化为微生物群落同质化提供了环境基础。

功能同质化的跨尺度特征
在站点内尺度（～200 m），农田中微生物分类与功能异质性（β多样性）同步下降；但在跨站点尺度（～1500 km），功能组成的同质化程度显著超过分类组成。例如，相距1500 km的农田样本功能相似性比自然样本高41%，而分类相似性仅高23%。这表明不同地理区域的微生物虽保留分类差异，却因农业选择压力趋同于相似功能谱。

环境选择与农业活动的双重驱动
土壤pH、C、N和水分主要影响站点内同质化，而农业活动本身是跨站点同质化的主导因素。中性模型分析显示，随机过程（如扩散限制）对原核生物影响更大，而真菌更受环境选择驱动，这与真菌孢子长距离扩散能力较强有关。

病原真菌的生态风险
农田中病原真菌相对丰度显著增加，可能与低pH环境抑制竞争物种有关。例如，镰刀菌属(Fusarium)在农田中的占比达到自然地的2.3倍，暗示农业扩张可能加剧土传病害风险。

结论与意义
该研究揭示了农业土地利用对土壤微生物产生"功能趋同先于分类趋同"的跨尺度效应，这一发现突破了传统以分类多样性为核心的评价框架。功能同质化的广域性意味着，即使不同地区保留独特的微生物类群，其生态系统功能可能已因农业活动趋于单一化。更值得关注的是，病原真菌的增殖提示农业集约化可能削弱土壤的天然病害抑制能力。

研究成果为土地管理提供了重要启示：在评估农业影响时，需同时监测微生物分类与功能多样性；维持土壤pH和有机质可能有助于缓解功能同质化；针对病原真菌的生态防控策略亟待加强。这项来自非洲生态前沿的实证研究，为全球可持续农业实践提供了微生物生态学理论支撑。