边际农田转化种植芒草（Miscanthus）增强华北土壤硫循环：微生物群落重构与硫有效性提升机制研究

本研究系统揭示了长期（10–15年）将农田转为芒草种植对土壤硫循环的深刻影响。结果表明，芒草种植显著提高土壤硫酸盐（SO42?）、全硫（TS）和有效硫（AS）含量，降低土壤pH，并重塑了以放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）为主导的微生物群落结构。研究进一步通过功能基因分析证实，芒草系统通过促进硫氧化酶（如soxB）活性和耦合氮硫循环，显著增强了硫的生物地球化学过程，为边际土地生态修复与可持续生物能源作物栽培提供了理论依据和实践指导。

　　

引言

芒草（Miscanthus）作为一种多年生C₄植物，具有高光合效率、高生物量产出和强抗逆性等特点，被广泛认为是理想的能源作物。其在生态方面可改善土壤结构、增强碳固存能力，并减少对化肥和农药的依赖。近年来，随着中国边际农田生态退化问题的加剧，将这类土地转为芒草种植已成为农业可持续发展的重要策略。然而，长期芒草种植对土壤硫循环及相关微生物群落的影响尚不明确。

硫是植物必需营养元素，参与蛋白质合成和抗氧化系统构建，并与碳、氮循环紧密耦合。不同生态系统（如森林、草原和农田）的硫循环特征存在显著差异。芒草作为一种独特的栽培系统，其低投入、高耐受和高生产力的特性可能对硫的生物地球化学过程产生特异性影响。本研究通过分析15年芒草种植对土壤硫有效性、微生物群落结构及功能的影响，旨在揭示其驱动机制和生态意义。

材料与方法

研究地点位于北京市小汤山镇，气候属暖温带半湿润季风气候，土壤类型为壤土。实验设置四种土地利用类型：裸地（长期无植被）、传统农田（冬小麦-夏玉米轮作）、10年芒草（Miscanthus×giganteus）地和15年芒草（Miscanthus sacchariflorus）地。每个类型设三个生物学重复，土壤样品采集深度为0–10 cm。

测定指标包括土壤pH、全硫（TS）、有效硫（AS）、硫酸盐（SO₄^2?）、土壤湿度（SM）和阳离子交换容量（CEC）。采用Illumina MiSeq平台对16S rRNA基因V3–V4区及硫循环功能基因（dsrB和soxB）进行测序，并通过生物信息学分析微生物群落多样性、结构和功能。统计方法包括主坐标分析（PCoA）、冗余分析（RDA）和方差分析（ANOVA）。

结果与分析

芒草种植提高土壤硫有效性并降低pH

研究发现，15年芒草种植地（Mis）的土壤SO₄^2?含量最高（0.034 g·kg^?1），显著高于裸地和农田。全硫（TS）和有效硫（AS）在芒草种植地也显著积累，其中AS含量在Mis地达到最高（156.37%增幅）。同时，芒草种植显著降低土壤pH（降幅8.83%），而农田因长期石灰施用呈现较高pH（7.85）。这些变化表明芒草通过根际酸化促进硫的活化和转化。

土地利用类型重构微生物多样性及组成

PCoA分析显示，芒草种植地与裸地和农田的微生物群落结构存在显著差异（PERMANOVA p=0.001）。芒草系统以放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）为优势菌群，其相对丰度显著高于其他土地利用类型。Ace指数分析表明农田微生物多样性最高，芒草系统因长期稳定覆盖而呈现较低的多样性但更高的功能特异性。

土壤环境因子驱动微生物硫转化功能

功能基因表达分析发现，芒草种植显著提升多种硫代谢关键酶的活性，包括ATP硫酸化酶（2.7.7.4）、亚硫酸盐脱氢酶（1.8.1.2）和固醇22-羟化酶（1.14.145）。这些酶参与硫酸盐活化、有机硫矿化和硫氧化过程。相关分析表明，硫氧化功能菌（如Bradyrhizobium和Sphingomonas）的丰度与土壤TS、AS呈正相关，与pH呈负相关。

冗余分析（RDA）进一步证实，全氮（TN）是驱动微生物群落结构和功能变化的核心因子（p<0.01），其与硫有效性指标（TS、AS、SO₄^2?）呈正相关，与pH、CEC和SM呈负相关。这表明氮硫循环存在紧密耦合，芒草系统通过提升氮水平间接强化了硫的生物地球化学过程。

讨论

芒草种植通过输入凋落物和根分泌物降低土壤pH，促进硫从有机形态向无机形态（如SO₄^2?）转化。其深厚的根系和多年生特性有助于减少硫淋失并增强硫固存。微生物群落分析表明，放线菌和变形菌作为关键功能类群，在硫氧化和有机硫矿化中发挥核心作用。此外，芒草系统通过提升土壤有机质和氮含量，为硫代谢微生物提供了有利的生存环境。

本研究首次揭示长期芒草种植对土壤硫循环的促进作用，但其具体机制（如根分泌物化学成分的影响）仍需进一步探究。未来研究可整合多组学技术，深入解析硫循环的微生物驱动机制及与其他元素循环的交互作用。

结论

长期芒草种植显著提升土壤硫有效性，降低pH，并重塑了以放线菌和变形菌为主导的微生物群落结构。氮硫耦合效应是驱动硫循环增强的核心机制。该研究为边际农田的生态修复提供了理论支持，并表明芒草种植无需额外施用硫肥即可维持土壤硫平衡，兼具生态与经济价值。