调控氧化还原电位与淹水时长对农田土壤微生物群落结构与生物量的影响机制

本研究通过控制氧化还原电位(EH)和淹水时长，揭示了其对农田土壤微生物群落组成、生物量及呼吸途径的调控机制。研究发现100 mV与400 mV的EH差异导致微生物群落显著分化，Mn还原与硝化作用分别主导不同EH条件下的能量代谢。该成果为极端气候下土壤微生物响应机制提供理论依据，发表于《Soil Security》。

　　

随着气候变化导致极端天气事件频发，农田土壤面临更频繁的淹水和干旱胁迫。这种水文变化会显著改变土壤氧化还原电位(E_H)，进而影响微生物驱动的关键生物地球化学循环过程。然而，目前关于E_H如何调控淹水土壤中微生物群落组成和功能的机制仍不明确。德国伍珀塔尔大学Felizitas Boie团队在《Soil Security》发表的研究，通过精确控制E_H的实验体系，首次系统阐明了E_H与淹水时长对微生物群落的协同影响。

研究采用自动化生物地球化学微宇宙系统，将具有滞水特性的农田土壤(Eutric Stagnosol)在1:8土水比下分别维持100、300、400和550 mV（pH 7标准化值）的稳定E_H长达646小时。通过磷脂脂肪酸(PLFA)分析和16S/18S rRNA基因定量PCR(qPCR)测定微生物生物量与群落结构，同步监测NO₃^-、Mn、Fe等电子受体及DOC、TDN等溶解态养分的动态变化。

微生物生物量与淹水时长的关系

PLFA_tot在100-300 mV显著高于400-550 mV，与"能量净产率越高生物量越低"的理论吻合。细菌基因拷贝数(10¹⁰/g)始终高于真菌(10⁷/g)和古菌(10⁹/g)，且在100 mV最低。基因拷贝数随淹水时长下降，反映碳源消耗导致的生长受限。

E_H驱动的群落结构分异

PCA分析显示PC1(62.5%方差)明确区分100 mV与400/550 mV的群落：

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  100 mV：单不饱和脂肪酸GNB(16:1ω7c等)和"疑似真菌"PLFA 18:1ω9c富集，与Mn还原(DOC:Mn强相关)和低能量产率相关

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  400-550 mV：环丙烷GNB(cy17:0等)、放线菌(10Me16:0)和AMF(16:1ω5c)占优，对应硝化作用(NO₃^--N增加95%)

电子受体利用的E_H阈值

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  ≥400 mV：O₂还原主导，伴随硝化作用(NO₃^--N>5 mg/L)

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  300 mV：反硝化作用使NO₃^--N降至0.39 mg/L

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  100 mV：Mn还原导致溶解Mn达110 μg/L，Fe浓度同步升高

环境变量的解释力

方差分解显示：

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  "养分"(NO₃^--N、Mn、Cl^-)单独解释31.4%群落变异

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  E_H直接贡献9.1%，与养分互作贡献11.8%

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  淹水时长主要通过释放Cl^-/P等微生物残体组分影响群落

该研究首次量化了E_H对淹水土壤微生物的调控强度，揭示Mn还原菌群在低E_H下的生态位优势。成果为预测气候变化下土壤功能稳定性提供了关键参数，建立的E_H-群落响应模型可指导农业排水管理。未来需结合宏基因组学进一步解析功能基因的E_H适应机制。