东北黑土区水田与旱地软土细菌生物地理与生活史策略的对比研究

《Agronomy》：Contrasting Bacterial Biogeography and Life-History Strategies in Paddy and Upland Mollisols of Northeast China

　　

水稻田（RS）与玉米旱地（CS）栽培下迥异的水文管理重塑了农业生态系统中的土壤细菌群落。然而，针对东北典型软土（Mollisol）区，通过大规模配对比较来解析这两种土地利用类型如何共同调控细菌生物地理格局、生活史策略及共现关联的研究仍鲜有报道。本研究利用30对地理相邻的水稻田（RS）与旱地（CS）土壤，整合高通量16S rRNA基因测序、qPCR定量、基于rrn拷贝数衍生的性状替代指标以及共现网络分析，比较了两种生境下的细菌群落特征与营养循环相关信号。相对于CS，RS具有更高的细菌α多样性、总细菌丰度与生态位宽度；两种土地利用类型均呈现显著的距离-衰减关系（DDR），且环境过滤对群落周转的控制强于地理距离。RS的NH₄⁺-N含量显著更高，而CS的NO₃^?-N、全磷（TP）、全钾（TK）与速效钾（AK）含量更高，并具有更高的多营养循环指数（MNC）。与RS中观察到的偏向r策略者的性状信号相反，CS以推测的K策略者寡营养类群为主，且CS中可检测到清晰的群落生活史性状纬度梯度，而RS中该梯度在很大程度上被氧化还原波动所掩盖。相反，CS表现出更复杂、更具凝聚力的细菌共现网络及更高的模拟稳健性，且该稳健性主要源自寡营养亚群，RS与CS之间的关键类群集合及其与多营养循环的功能联系差异显著。这些对比鲜明的群落、性状与网络特征表明，配对水田与旱地土壤之间的水文差异驱动了细菌对营养循环的差异化贡献，为软土农业生态系统中面向土地利用的土壤管理提供了微生物学依据。

研究背景方面，东北地区作为全球四大软土（Mollisol）区之一，是重要的粮食产区，水稻与玉米为该区域的主导作物，分别对应水田（RS）与旱地（CS）两种主要农业土地利用类型。相邻的RS与CS常源于相似的成土母质，其空间分布主要受局部微地形决定。然而，RS因灌水与排水循环而具有周期性的好氧-厌氧交替特征，CS则持续保持好氧状态。这一水文条件的根本差异导致土壤理化性质与生物学过程显著分异。细菌作为土壤中多样性最高、最复杂的生物类群之一，通过介导养分转化与维持生态平衡，在生物地球化学循环与土壤生产力维持中发挥不可替代的作用；因其对环境变化高度敏感，土壤细菌群落被广泛视为土地利用变化的敏感指示物。尽管已有研究揭示了土地利用方式对细菌群落的深刻影响，但来自东北软土区的证据仍然有限，尤其是基于大规模相邻配对RS-CS样品的研究匮乏，制约了对这两种土地利用类型下土壤细菌群落生物地理格局的全面理解。此外，微生物生活史策略可反映群落对不同环境条件下资源可利用性的功能适应，经典r-K选择理论为微生物生活史策略分类提供了框架：r策略者（富营养型）在营养丰富条件下表现机会性特征与快速生长，K策略者（寡营养型）则在营养匮乏条件下以缓慢生长与高效资源利用持续存在。核糖体RNA基因操纵子（rrn）拷贝数作为与养分需求和生长潜力相关的基因组性状，已被广泛用作微生物生活史策略的替代指标。同时，具有不同生活史策略的微生物通过复杂网络相互联系，影响群落组装与生态系统功能。然而，在软土区的RS与CS中，细菌生活史策略的空间格局与环境驱动因素、以及其与共现网络结构、模拟稳健性和潜在生态功能的关联仍知之甚少。为此，研究人员在东北典型软土区调查了30对相邻的RS与CS，旨在回答以下问题：（1）两种土地利用类型间土壤细菌群落的生物地理格局与环境驱动因素有何差异；（2）两种农业生境间细菌生活史策略有何差异；（3）与r策略者和K策略者相关的细菌共现网络及关键类群在RS与CS间有何差异。

在技术方法上，研究人员采集30对地理相邻的RS与CS土壤（每点4个50 m×50 m样方，每样方10个0–15 cm土芯混合为复合样品，共240份），测定土壤理化性质与气候变量；采用高通量16S rRNA基因扩增子测序（515F/907R引物，Illumina MiSeq平台）表征细菌群落组成与多样性，qPCR定量16S rRNA基因总丰度，基于rrnDB数据库计算群落加权rrn拷贝数推断生活史策略；并构建Spearman相关共现网络，结合节点与边移除模拟评估网络稳健性，通过Sloan中性群落模型评估随机过程贡献，计算生态位宽度与多营养循环指数（MNC），并采用随机森林回归识别影响养分循环的关键微生物类群。

研究结果方面，第一，关于细菌群落生物地理格局与环境驱动因素：CS的TP、TK、NO₃^?-N与AK含量显著高于RS，而RS的NH₄⁺-N显著更高，土壤pH、总碳（TC）、溶解性有机碳（DOC）、全氮（TN）与速效磷（AP）在两类土地利用间无显著差异；RS的细菌α多样性（Shannon多样性与ASV丰富度）显著高于CS，RS细菌丰富度随纬度显著正相关而CS显著负相关，Shannon多样性在两类土壤中均与纬度无显著相关；RS的16S rRNA基因总拷贝数显著高于CS且两者均随纬度增加而增加；PCoA表明RS与CS细菌群落结构显著分异；群落相异性与地理距离和环境距离均呈显著正相关，且环境距离的相关性强于地理距离；RS生态位宽度显著高于CS；CS的MNC显著高于RS；土壤pH是两类土壤细菌α与β多样性的首要影响因子。第二，关于细菌生活史策略：RS的群落rrn拷贝数显著高于CS，而Oligo/Copio比值显著低于CS；在门水平，Alphaproteobacteria、Actinomycetota、Acidobacteriota等优势寡营养类群在CS显著富集，Gammaproteobacteria与Bacteroidota等优势富营养类群在RS显著富集；在CS中，群落rrn拷贝数随纬度增加显著下降，Oligo/Copio比值随纬度显著上升，寡营养细菌相对丰度随纬度显著增加而富营养细菌显著下降，而RS中上述指标均与纬度无显著线性相关；RS中富营养细菌生态位宽度显著大于寡营养细菌，且富营养细菌比例随生态位宽度增加而显著上升，CS中则无此差异。第三，关于细菌共现网络：CS网络节点与边数、平均度与网络密度均高于RS，正关联在两类网络中均占主导；CS的正凝聚力显著高于RS；节点与边移除模拟显示CS在各移除策略下均维持更高的网络效率与自然连通性；寡营养亚网络在两类土壤中均大于富营养亚网络，CS寡营养亚网络的规模、平均度与密度显著高于RS，且RS与CS的网络稳健性差异主要体现在寡营养亚网络；RS中鉴定出寡营养亚网络关键ASV 28个、富营养亚网络11个，CS中分别为93个与7个；RS中富营养关键类群丰度与MNC显著正相关，CS中则显著负相关；随机森林表明RS网络中仅Bacillota与Gemmatimonadota为MNC的显著预测因子，而CS网络包含Chloroflexota、Acidobacteriota、Actinomycetota、Planctomycetota、Bacillota与Gammaproteobacteria等更广泛的显著贡献类群。

讨论部分总结如下：土地利用类型与相邻RS与CS中迥异的细菌群落相关联，RS较高的α多样性与总丰度可能与其较高的有机质含量及周期性淹水-排水形成的异质氧化还原环境有关，而土壤pH虽在两类土壤间无显著差异，却是与群落结构关联最强的环境因子，表明其他环境因素亦参与群落分异；两类土壤均存在显著的距离-衰减关系且环境过滤强于地理距离，中性模型拟合良好，RS的迁移率估计值较高，与水稻土中扩散限制较弱相一致。rrn替代指标提示RS中推测的r关联性状更普遍、CS中推测的K关联性状更普遍，这可能反映由水分管理塑造的资源动态与氧化还原波动，而非仅由总体养分有效性决定；CS中rrn拷贝数与Oligo/Copio比值的纬度格局与温度梯度及资源供应窗口相关，而RS中持续的厌氧微生境与剧烈氧化还原波动可能削弱或掩盖该纬度信号；需强调rrn拷贝数为细菌生长潜力的间接替代指标，r/K推断应视为群落水平的生活史倾向而非确定的生理分类。推测的寡营养关联网络在CS中表现出更高的复杂性与稳健性，CS网络更复杂可能与其K策略类群比例较高有关，K策略者优先维持持久种群与协作性代谢物交换；两类网络均以正关联为主，CS正关联比例与正凝聚力更高，与“饥饿游戏”假说及胁迫梯度假说相一致；寡营养亚网络在两类土壤中均较大，CS寡营养亚网络近乎RS的两倍且稳健性更高，表明CS更高的模拟稳健性集中于寡营养亚网络；关键类群与MNC的关系在RS（正）与CS（负）间的差异反映了r策略者功能作用的情境依赖性。研究局限性包括：单时间点采样无法捕捉r/K策略者的时间动态，采样仅限0–15 cm表层，rrn拷贝数与共现网络推断为间接替代而非直接生理证据，MNC反映养分有效性而非直接测定的养分循环速率，未来需结合生育期时序采样与多组学验证，并整合地上作物表现评估水旱管理对地下多营养互作与农业可持续性的共同影响。

研究结论部分翻译如下：在东北典型软土区的集约化农业生态系统中，相邻配对的水稻田（RS）与旱地（CS）在由迥异水文状况驱动的细菌生物地理、生活史策略与类群间关联方面表现出显著分异，土壤pH是两类土地利用类型中细菌群落共同的压倒性环境过滤因子。相对于CS，RS具有更高的细菌α多样性、总细菌丰度与生态位宽度。两种土地利用类型均呈现明显的距离-衰减格局，表明环境过滤对群落周转的控制强于地理距离。在群落性状分异方面，RS偏向r策略者相关性状，表现为更高的群落加权rrn拷贝数与更低的Oligo/Copio比值，而推测的K策略者相关性状在CS中占主导。细菌生活史策略与土壤养分性质相关，RS中rrn拷贝数与DOC正相关、与pH负相关，而CS中Oligo/Copio比值与DOC和pH正相关、与MNC负相关。富营养细菌在RS中具有更宽的生态位，但在CS旱地条件下未获得相当的生态位优势。在共现格局方面，CS表现出比RS更复杂、更具凝聚力且模拟稳健性更高的网络，且该更高的模拟稳健性主要源自寡营养细菌亚群。关键类群集合以及核心微生物与MNC之间的功能联系在RS与CS间亦差异显著。本研究受单时间点采样及微生物性状与互作的间接推断所限，未来研究应结合跨物候期的时序采样与多组学验证所推断的养分循环性状。总体而言，这些发现凸显了水稻田与旱地管理下迥异的细菌生物地理格局、生活史性状与网络关联，为理解东北软土中微生物对土壤养分条件的响应提供了见解。水稻田与旱地软土间对比鲜明的细菌生活史倾向，凸显了制定考虑微生物资源利用特征的管理策略的潜力，未来研究应评估有针对性地调整水分管理与养分投入能否促进有益微生物功能并改善软土农业生态系统的土壤可持续性。