长期多重除草剂胁迫对黑土区农田生态系统土壤微生物群落及养分循环的跨域影响研究

针对东北黑土区长期除草剂残留对农田生态系统微生物组的复合影响，中国科学院土壤研究所团队通过多场景对比研究，首次揭示羟基阿特拉津等代谢物对土壤真菌多样性(32.91%解释度)及氮循环功能基因的显著干扰，为农田生态安全预警和可持续管理提供理论依据。

　　

在东北广袤的黑土地上，除草剂如同看不见的"农业双刃剑"——虽然保障了粮食产量，却悄然改变着土壤生态系统的微妙平衡。最新数据显示，中国东北地区土壤中除草剂残留浓度跨度惊人（0.31-1558.13?μg/kg），其中65.02%的农地存在潜在污染风险。更令人担忧的是，这些化学物质不仅直接影响作物生长，还可能通过改变土壤微生物的"地下社交网络"，干扰至关重要的碳氮循环过程，最终威胁粮食安全。

面对这一严峻挑战，中国科学院南京土壤研究所土壤与可持续农业国家重点实验室的研究团队开展了一项开创性研究。他们选取东北黑土区三种典型土地利用类型（连续耕作30年的玉米田、转型3年的新防护林、以及40年未施药的成熟防护林），首次系统评估了9种除草剂及其3种代谢产物对土壤多营养级微生物组的复合影响。这项发表在《Agriculture, Ecosystems & Environment》的重要成果，揭示了除草剂残留如何重塑土壤"生命网络"的奥秘。

研究团队运用高通量测序技术解析微生物群落结构，结合qPCR定量功能基因，并采用超高效液相色谱-串联质谱(UHPLC-MS/MS)精准测定除草剂残留。通过构建结构方程模型，量化了不同驱动因子对微生物组的相对贡献。

【除草剂含量及其与土壤性质的关系】
数据显示玉米田除草剂总浓度最高（133.63?μg/kg），显著高于新防护林（63.19?μg/kg）和成熟防护林（45.17?μg/kg）。阿特拉津及其代谢物羟基阿特拉津构成主要残留组分，后者在成熟防护林中的检出证实了除草剂的环境迁移能力。

【除草剂残留对土壤酶活性的影响】
玉米田中β-葡萄糖苷酶活性降低42.7%，揭示除草剂对碳循环关键酶的抑制作用。酸性磷酸酶活性与有机磷除草剂含量呈显著负相关，表明养分转化过程受阻。

【微生物群落响应机制】
真菌多样性对除草剂残留的敏感性（32.91%解释度）远超土壤理化性质（18.05%）。羟基阿特拉津被鉴定为最关键干扰因子，可使子囊菌门相对丰度降低27.3%。细菌群落中，参与氮循环的硝化螺旋菌门(Nitrospirae)丰度与除草剂残留呈显著负相关。

【功能基因调控网络】
除草剂通过改变细菌群落结构，间接导致固氮基因(nifH)和亚硝酸盐还原基因(nirK)表达量下降达35.8%，这可能是造成黑土区农田氮素利用效率降低的潜在原因。

这项研究首次绘制了东北黑土区除草剂残留-微生物组-生态功能的相互作用图谱，证实即使远离施药区的防护林也难逃除草剂的环境影响。特别值得注意的是，代谢产物羟基阿特拉津的环境风险被严重低估，其对真菌群落的特异性干扰可能引发级联生态效应。研究成果为建立基于微生物指标的农田生态风险预警体系提供了科学依据，对实现"藏粮于地"战略目标具有重要实践价值。未来研究需重点关注除草剂代谢产物的长期生态效应，以及基于微生物调控的农田生态修复技术开发。