《Science of The Total Environment》：Strong soil functional recovery under nature-based management despite limited prokaryotic community restructuring in Mediterranean olive groves
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在地中海农业生态系统中，土壤退化问题尤为突出，特别是在经历数十年集约耕作、除草剂使用及有限有机投入的油橄榄园中，土壤有机碳（SOC）流失、养分有效性下降及微生物丰度降低等问题严重威胁生态系统服务功能与油橄榄生产的可持续性。欧盟土壤战略2030及《土壤监测法》等
在地中海农业生态系统中，土壤退化问题尤为突出，特别是在经历数十年集约耕作、除草剂使用及有限有机投入的油橄榄园中，土壤有机碳（SOC）流失、养分有效性下降及微生物丰度降低等问题严重威胁生态系统服务功能与油橄榄生产的可持续性。欧盟土壤战略2030及《土壤监测法》等政策框架强调恢复土壤健康并推广兼具环境与农艺效益的管理实践。基于自然的解决方案（NBS），包括覆盖作物、有机改良、减少土壤扰动及残体循环利用，已被视为提升土壤功能同时维持生产力的有效策略。大量证据表明，这些措施可迅速增强地中海油橄榄园土壤的酶活性、微生物呼吸、养分循环及其他生物指标。然而，土壤功能的改善是否必然伴随微生物群落结构的显著变化，仍是未解的关键问题。本研究采用五组匹配的NBS-传统管理（CON）农场对及邻近森林土壤作为生态参照，评估长期NBS管理下土壤功能恢复与原核群落响应。研究假设：（i）长期NBS管理将改善土壤健康，特别是生物介导的性质与过程，并促进向森林参照条件的趋同；（ii）NBS下的功能恢复将强于原核群落组成的变化，导致微生物功能响应与分类结构之间的部分解耦；（iii）原核群落组成与土壤类型、土壤有机质（SOM）及pH等基础土壤条件的关系强于与管理措施的关系。配对农场设计旨在控制研究区域内的土壤与立地异质性，森林土壤作为评估功能恢复方向与相对幅度的生态基准。研究量化了NBS相对于CON管理及森林参照条件下关键土壤理化与生物指标的变化，并利用16S rRNA基因扩增子测序（V3-V4区）表征原核群落多样性与组成，通过置换多元方差分析（PERMANOVA）、基于距离的冗余分析（dbRDA）及变异划分分析（VPA）解析管理与主要成土因素对群落组成的相对关联。结果表明，NBS管理显著提升了土壤有机质（OM）（+1.83%，p=0.025）、全氮（TN）（+0.09%，p=0.03）、基础呼吸（BR）（+35.6 μg C-CO2 g?1 day?1，p=0.02）及潜在可矿化氮（PMN）（+17.6 μg N-NH4+ g?1，p=0.04），NBS:CON比值分别达3.06、2.29、3.20和2.16。然而，原核群落α多样性（科水平丰富度、Shannon指数、Simpson指数）在NBS与CON之间无显著差异，β多样性（Bray-Curtis与Jaccard相似性）亦未显示管理驱动的群落组成分化。PERMANOVA分析表明，土壤类型而非管理措施显著解释群落组成变异。VPA进一步证实，土壤类型与SOM对原核群落组成的解释量高于管理措施。功能恢复指数显示，NBS土壤在多种酶活性（碱性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、芳基硫酸酯酶）、脱氢酶活性及群落水平生理谱（CLPP）指标上向森林参照条件显著趋近，部分指标恢复度超过100%。综上，长期NBS管理可在地中海油橄榄园中实现显著的土壤功能恢复，且无需大幅重组原核群落分类结构，功能指标在监测土壤恢复方面优于分类学指标。
一、研究背景与科学问题
土壤退化是地中海农业生态系统面临的严峻挑战，尤其在经历数十年集约耕作、除草剂使用和有限有机投入的油橄榄园中，土壤有机碳（SOC）流失、养分有效性下降和微生物丰度降低等问题日益突出，严重损害养分循环、水分调节和碳封存等关键生态系统服务，威胁油橄榄生产的可持续性。欧盟土壤战略2030和《土壤监测法》等政策框架明确要求恢复土壤健康并推广兼顾环境与农艺效益的管理实践。基于自然的解决方案（NBS），包括覆盖作物、有机改良、减少土壤扰动和残体循环利用，已被证明能快速提升地中海油橄榄园土壤的酶活性、微生物呼吸和养分循环等生物指标。然而，一个核心科学问题悬而未决：土壤功能的恢复是否必须伴随微生物群落结构的实质性重组？由于土壤微生物群落具有显著的功能冗余性，不同分类群可能执行相似的生态功能，加之强成土因子（如高碳酸盐含量、碱性pH、异质土壤质地）的环境过滤作用，功能恢复可能发生在相对稳定的分类框架内。此外，16S rRNA基因测序仅表征原核群落结构，无法直接解析功能基因谱系，可能低估生物学相关的功能差异。因此，本研究旨在以自然或半自然森林土壤为生态参照，评估长期NBS管理下土壤功能恢复程度与原核群落响应，并解析管理与主要成土因素对群落组成的相对贡献。
二、研究设计与主要技术方法
研究采用配对农场观测设计，在西班牙哈恩省和格拉纳达省选取五组NBS-CON匹配农场对（共10个油橄榄农场，每组配对农场相距约50米，以最小化土壤气候条件差异）及两个天然森林参考样地。NBS管理已实施8-12年，涵盖自生覆盖作物、牲畜整合、堆肥油橄榄果渣/粪肥施用及粉碎修剪残体覆盖等组合措施。土壤采样于四月进行，每个农场随机选取三个采样点，采集0-30厘米土层样品，每个农场另取三个复合样品用于原核群落分析。主要技术方法包括：（1）土壤理化性质分析（SOC采用重铬酸钾-硫酸消化法，全氮采用凯氏消化法，pH、CaCO3当量、有效磷、阳离子交换容量（CEC）、质地、容重及水分特征曲线等）；（2）土壤酶活性测定（碱性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶、芳基硫酸酯酶采用对硝基苯酚底物法，脱氢酶采用氯化三苯基四氮唑（TTC）还原法）；（3）微生物过程指标（潜在可矿化氮（PMN）、潜在硝化速率（NP）、基础呼吸（BR）采用碱液吸收法）；（4）群落水平生理谱（CLPP）分析采用Biolog EcoPlates?，计算平均孔颜色变化率（AWCD）、丰富度（S）和Shannon多样性指数（H′）；（5）16S rRNA基因V3-V4区扩增子测序（Illumina NovaSeq PE250平台），经DADA2流程去噪生成扩增子序列变异（ASV），基于SILVA v138.1数据库进行分类学注释；（6）统计分析采用线性混合效应模型（lmer）、置换多元方差分析（PERMANOVA，999次置换且限制在配对位置内）、基于距离的冗余分析（dbRDA）和变异划分分析（VPA），恢复指数通过非参数自助抽样（10,000次迭代）量化不确定性。
三、研究结果
3.1 理化性质与一般微生物过程
NBS土壤在多个生物地球化学功能指标上显著优于CON土壤。有机质（OM）从CON的0.89%升至NBS的2.72%（NBS:CON=3.06，p=0.025），全氮（TN）从0.07%升至0.16%（NBS:CON=2.29，p=0.03），基础呼吸（BR）从16.2增至51.8 μg C-CO2 g?1 day?1（NBS:CON=3.20，p=0.02），潜在可矿化氮（PMN）从15.2增至32.7 μg N-NH4+ g?1（NBS:CON=2.16，p=0.04）。pH、CEC、持水量、碳酸盐含量和容重在管理间无显著差异。森林参照土壤在多数变量上显示最高均值，NBS:FOREST比值表明NBS土壤已接近森林水平（OM为0.55，BR为0.79，TN为0.53）。
3.2 酶活性与微生物功能恢复
NBS管理显著提升了碱性磷酸酶、β-葡萄糖苷酶和芳基硫酸酯酶活性及脱氢酶活性，酶活性的几何均值在NBS土壤中显著高于CON。基于森林-CON差值归一化的恢复指数显示，NBS土壤在多种酶活性上向森林参照条件显著趋近，部分指标恢复度超过100%，表明NBS管理不仅恢复了退化土壤的功能，部分指标甚至超过森林参照水平。
3.3 群落水平生理谱（CLPP）
NBS土壤的AWCD、底物丰富度（S）和Shannon多样性指数（H′）均显著高于CON土壤，表明NBS管理增强了微生物群落对多种碳源的整体代谢活性和底物利用多样性。按碳源类别分组分析显示，碳水化合物、羧酸、聚合物、氨基酸及胺/酰胺类的AWCD在NBS土壤中均呈增加趋势。
3.4 原核群落多样性与组成
科水平α多样性指标（丰富度、Shannon指数、Simpson指数）在NBS与CON之间无显著差异。β多样性分析（Bray-Curtis与Jaccard相似性）显示，NBS与CON农场间的群落组成相似性与NBS与森林间的相似性无显著差异，管理未驱动群落组成的明显分化。PERMANOVA分析表明，土壤类型（钙积维形土 vs. 钙积薄层土）显著解释群落组成变异，而管理措施未达显著水平。
3.5 管理与成土因素对群落组成的相对关联
dbRDA分析显示，土壤理化性质（特别是SOM、pH、CaCO3当量和质地）与原核群落组成显著相关。VPA结果表明，土壤类型与SOM对群落组成的解释量高于管理措施，管理仅解释较小比例的变异。与氮循环相关的推定类群（硝化菌、反硝化菌、共生固氮菌和自由固氮菌）的相对丰度在NBS与CON间未显示一致的显著差异。
四、讨论与结论
本研究证实了长期NBS管理在地中海油橄榄园中实现强土壤功能恢复的能力，酶活性、微生物代谢和碳源利用谱向森林参照条件显著趋近，且功能恢复发生在原核群落分类组成相对稳定的框架内。功能恢复与分类结构之间的部分解耦可归因于土壤微生物群落的功能冗余性，即不同分类群可执行相似的生态功能，加之强成土因子（土壤类型、SOM、pH）的环境过滤作用限制了群落对管理的响应。研究强调，功能指标（酶活性、呼吸、养分循环过程、CLPP）在监测土壤恢复方面优于分类学指标，因其对管理响应更敏感且与生态系统服务直接相关。研究结论指出，将功能恢复相对于生态参照的量化与微生物群落表征相结合，可为土壤恢复评估提供比单一方法更全面的视角。该研究发表于《Science of The Total Environment》，为地中海油橄榄园土壤健康监测和恢复实践提供了重要的科学依据。
