商业马铃薯田土壤真菌群落空间分布对土壤特性与地形特征的响应机制研究

本研究通过高密度采样与地统计分析，揭示了农业景观尺度下土壤真菌群落的空间异质性规律。研究发现子囊菌门（Ascomycota）、担子菌门（Basidiomycota）和被孢霉门（Mortierellomycota）呈现43-92米的中强空间自相关性，其变异主要受土壤有机碳（SOC）、pH值和坡度曲率驱动（解释度达15%-16%），而地形特征通过影响土壤属性间接调控群落组装。该研究为精准农业管理提供了微生物地理学理论依据。

　　

引言

土壤真菌群落在农业生态系统中承担着养分循环、有机质分解和土壤团聚等关键功能，其空间分布规律对农业可持续生产具有重要意义。以往研究多关注大尺度地理格局，而对农业管理尺度（10-100米）的空间变异机制认知不足。本研究基于1100米长的马铃薯田采样断面（83个点位），综合运用地统计学、分子生态学和生物信息学方法，首次系统解析了土壤特性与地形特征对真菌群落空间分异的耦合驱动机制。

材料与方法

研究区域位于加拿大新不伦瑞克省的商业化马铃薯田，土壤类型为锈色灰化土（Rustic Podzols）。采用分层随机采样法布设采样点，测定土壤pH、有机碳（SOC）、可氧化碳（POX-C）等理化指标，结合无人机航测获取坡度、曲率等地形参数。通过ITS2区高通量测序获取真菌群落数据，使用磷脂脂肪酸（PLFA）分析量化真菌生物量，并借助FUNGuild进行功能群划分。采用半方差分析、Mantel检验和方差分解等统计方法解析空间自相关性与驱动因子。

结果

群落组成与环境响应

测序共获得1310个真菌ASV，子囊菌门（66.8%）、担子菌门（17.7%）和被孢霉门（8.0%）为优势菌门。地统计学分析显示主要菌门具有中强空间依赖性（自相关范围33.9-91.9米），与土壤pH（48米）和地形特征（45-54米）的自相关尺度相近。方差分解表明土壤性质（15.5%）和空间距离（16.0%）是解释真菌群落变异的主导因素，地形特征单独解释8.1%。具体而言，子囊菌门与pH（r=-0.45）、SOC（r=-0.55）呈负相关，而担子菌门和被孢霉门与这些指标正相关。在属水平上，青霉属（Penicillium）在低SOC低pH环境富集，被孢霉属（Mortierella）则偏好高SOC高pH生境。

功能群与多样性格局

Saprotrophs（19.9%）、pathotrophs（10.3%）和symbiotrophs（4.0%）是主要功能群。Saprotrophs的香农多样性指数与pH（R²=0.08）和POX-C（R²=0.09）存在二次回归关系。值得注意的是，群落丰富度与SOC（r=0.53）和碳氮比（r=0.50）正相关，但均匀度和香农指数无显著空间自相关性。

微生物生物量空间特征

PLFA分析显示丛枝菌根真菌（AMF）生物量与pH（r=0.43）、SOC（r=0.43）正相关，且具有强空间依赖性（自相关范围55.8米）。而总真菌生物量和真菌/细菌比均未表现出显著空间格局或环境相关性。

讨论

本研究揭示了农业田间尺度真菌群落的空间分异主要受土壤属性（特别是pH和有机质）的调控，地形特征通过改变土壤水热条件和物质运移间接影响微生物栖息环境。与细菌群落显著受pH驱动不同（Neupane et al. 2019），真菌群落表现出更复杂的响应机制：群落组成变化主要体现为ASV种类的更替而非数量变化，功能群对环境因子的响应也存在分化。这种空间变异规律对精准农业管理具有重要启示，例如基于地形-土壤-微生物互作关系制定分区管理策略可优化土壤生态功能。

结论

商业马铃薯田真菌群落存在显著的空间自组织现象，其空间格局由土壤特性、地形特征和空间距离共同塑造。研究创新性地揭示了农业管理尺度下微生物地理学规律，为理解土壤生物互作机制和制定生态农业措施提供了理论依据。未来研究需结合多组学技术和长期动态监测，深入解析真菌群落空间变异的生态功能效应。