喀斯特土壤类型与土地利用对细菌群落多样性、共现网络、组装过程及功能潜力的差异化影响：石灰岩与红壤中多样性-网络复杂性解耦

《Ecological Indicators》：Soil bacterial communities and co-occurrence patterns across soil types and land uses in a typical karst region of Southwest China

　　

土壤类型与细菌群落的关联较土地利用更为密切。石灰岩土壤具有更高的细菌多样性，但其网络较红壤更简单。均质选择（homogeneous selection）和异质选择（heterogeneous selection）分别主导石灰岩土壤和红壤。有效磷（available phosphorus, AP）与微生物网络复杂性呈正相关。红壤富集运动性（motility）和竞争（competition）途径，而石灰岩土壤有利于氮循环（nitrogen cycling）。

研究背景与问题：土壤微生物是陆地生物多样性的关键组分，驱动全球生物地球化学循环。细菌参与氮循环（nitrogen cycling）、碳循环和磷循环，并受土壤理化性质和土地管理实践影响。喀斯特景观以可溶性碳酸盐岩为特征，在中国西南广泛分布，土壤浅薄、钙含量高，石灰岩土偏碱，红壤偏酸，易发生石漠化。已有研究多分别关注土壤类型或土地利用对微生物的影响，但内在地球化学过滤和外在人为干扰如何共同调控细菌群落组成、多样性、共现网络、群落组装和功能策略仍不清楚。研究人员在桂北喀斯特地区比较石灰岩土（limestone soil, L）和红壤（red soil, R），以及天然林（natural forest, F）、桉树人工林（eucalyptus plantation, E）、柑橘园（citrus orchard, O）和稻田（paddy field, P），检验土壤类型是否较土地利用更强地塑造细菌群落，并形成不同网络结构、组装机制和功能策略。

关键技术方法：研究以中国西南广西桂林市灵川县喀斯特地区为样本队列来源，选取石灰岩土和红壤两种土壤类型，各3个采样点，每点设置天然林、桉树人工林、柑橘园和稻田四种土地利用，共24个样地。测定土壤理化性质，提取DNA并扩增16S rRNA基因（16S ribosomal RNA gene）V4区，使用Illumina MiSeq测序；以QIIME 2和DADA2生成扩增子序列变体（amplicon sequence variants, ASVs），SILVA 138注释；用PICRUSt2和FAPROTAX预测功能；采用方差分析、非度量多维尺度分析（non-metric multidimensional scaling, NMDS）、置换多元方差分析（permutational multivariate analysis of variance, PERMANOVA）、线性判别分析效应量（linear discriminant analysis effect size, LEfSe）、共现网络、β最近种间指数（beta nearest taxon index, βNTI）、中性群落模型（neutral community model, NCM）、冗余分析（redundancy analysis, RDA）和偏最小二乘路径模型（partial least squares path modeling, PLS-PM）分析。

研究结果：
3.1 土壤理化特征：通过方差分析，石灰岩土pH、总有机碳（total organic carbon, TOC）、总磷（total phosphorus, TP）、总钙（total calcium, TCa）较高，红壤NH₄⁺和有效磷（available phosphorus, AP）较高；NO₃^?在石灰岩土较高；总铝（total aluminum, TAl）无显著差异。
3.2 细菌群落多样性：通过16S rRNA基因测序、α多样性、稀释曲线、NMDS和PERMANOVA，石灰岩土细菌α多样性高于红壤，LE、LF和LO高于对应红壤；团聚体尺寸无显著影响。土壤类型是群落结构主变异轴，土地利用在两种土壤内也有显著影响。
3.3 细菌群落组成：通过门和属水平相对丰度分析，Proteobacteria、Acidobacteriota和Actinobacteriota为主要门；红壤Proteobacteria、Bacteroidota和Gemmatimonadota较高；石灰岩土Actinobacteriota、Planctomycetota、Verrucomicrobia和Myxococcota较高；土地利用也改变组成。
3.4 细菌群落差异与关键类群：通过Venn图和LEfSe，石灰岩土核心ASVs多于红壤，八类生境共有核心更少；LEfSe识别不同土地利用和土壤类型的生物标志物，如石灰岩土LE富集Alphaproteobacteria，LF富集Rokubacteriales等，红壤RP富集Nitrospirota等。
3.5 共现模式：通过共现网络构建与拓扑分析，红壤网络节点、边、平均度和密度高于石灰岩土，网络更复杂；石灰岩土LE网络最简单，LF和LP较复杂；正相关为主，模块化高，LO模块化最高。
3.6 组装过程：通过NCM和βNTI，石灰岩土NCM拟合较高、迁移率较高；石灰岩土以均质选择为主，LP以异质选择为主；红壤以异质选择为主；稻田随机过程贡献较高。
3.7 环境驱动：通过RDA、相关分析和PLS-PM，pH解释最多，AP、阳离子交换容量（cation exchange capacity, CEC）、TP、TCa和TOC等显著；α多样性与pH、TP、CEC、TCa和MBC/TOC正相关，与NH₄⁺等负相关；网络边和节点与pH、TOC和TCa负相关，与AP正相关；PLS-PM表明土壤类型直接影响强于土地利用。
3.8 功能潜力：通过FAPROTAX和PICRUSt2，红壤富集纤维素分解、胞内寄生、运动、趋化、次级代谢；石灰岩土富集硝酸盐还原等氮循环；稻田富集厌氧代谢、发酵、硫酸盐呼吸；光合在RO和RP高，氨氧化和硝化在LE和LO高，固氮在RP高。

讨论部分总结：4.1 土壤类型建立主要生态背景，pH、钙和磷固定等决定群落组成和多样性，土地利用为次级调节。4.2 土壤类型调控网络复杂性和组装：红壤环境压力可能促进更复杂共现网络和异质选择；石灰岩土较宽松，表现为均质选择和更高迁移；AP正相关网络连接，可能与磷限制和肥料缓解有关。4.3 功能预测提示红壤资源获取和竞争潜力，石灰岩土氮转化；但该功能为预测假设，需直接功能方法验证。

结论翻译：本研究提供了喀斯特土壤中对比性成土条件和土地利用实践如何与细菌群落组织相关联的综合视角。在所调查的生境中，土壤类型与对比性的理化条件相关，且在这些土壤环境内，细菌群落在不同土地利用系统间也存在差异。重要的是，细菌多样性和共现网络复杂性并非平行变化。石灰岩土壤支持更高的细菌多样性，而酸性红壤表现出更复杂的共现网络。这种解耦，连同对比性的群落组装模式，表明细菌群落在不同地球化学约束下可能以不同方式组织。此外，有效磷成为与网络连接性正相关的独特养分驱动因子，表明磷有效性可能是喀斯特生物群系中与微生物网络扩展相关的重要资源因子。预测功能谱也提示对比性的生态倾向，红壤群落显示更大的资源获取、运动性和竞争性状潜力，而石灰岩土壤群落与氮转化更密切相关。尽管这些功能模式需要直接功能方法进一步验证，综合证据揭示了采样环境中群落组成、推断组装过程、网络组织和预测功能潜力的变异。这些发现强调，在评估土地利用效应并为脆弱喀斯特生态系统制定土壤特异性管理和恢复策略时，需要考虑土壤地球化学条件以及管理实践和立地特征。