土壤微生物多样性变化与温室气体排放动态

《Environmental Research》：Shifts in soil microbial diversity and greenhouse gas emission dynamics

　　摘要：人类活动导致的土地改造已显著改变陆地景观，影响土壤特性和微生物群落。然而，此类土地改造对温室气体排放的影响及其内在机制尚未完全明确。本研究在15年间，分多个时间点从一处新开垦的土地上采集土壤样本，并通过高通量测序技术分析其中细菌、真菌和原生生物等微生物群落的组成。研究发现，土地改造导致土壤特性发生显著变化，表现为土壤温度逐渐下降，湿度则逐渐上升。同时，在土地改造过程中温室气体排放量也明显增加。土壤中细菌的多样性在土地改造初期显著上升，之后趋于稳定；而7至9年开垦后，真菌多样性最低，原生生物多样性最高。土地改造对不同类群土壤微生物群落的影响存在差异，其中细菌的敏感度高于真菌和原生生物。此外，结构方程模型分析表明，细菌多样性直接影响二氧化碳排放，而原生生物多样性则影响甲烷和一氧化二氮的排放。土壤细菌多样性的变化主要由土地改造过程中的土壤湿度和硝酸盐含量变化驱动，而原生生物多样性则主要受总有机碳含量的调控。这些研究结果表明，优化有机质投入、促进早期植被生长以及引导水利开垦过程中的微生物群落演替，可能是减少温室气体排放、提升开垦海岸景观生态可持续性的有效策略。

引言：沿海地区的土地形成过程，包括沉积、侵蚀和堆积作用，决定了潮滩、湿地和河口等区域的景观格局，这些区域具有重要的生态意义（Li等人，2022a）。湿地和潮滩为众多水生生物、候鸟及其他野生动物提供栖息地和觅食场所（Whitfield，2020）。此外，沿海湿地还起到天然缓冲和过滤作用，有助于保护内陆地区免受洪水侵袭并改善水质（Newton等人，2020）。然而，人类活动带来的土地改造——通常是将水域或退化土地转为农业用地或城市用地——会干扰自然土地形成过程，从而带来潜在的生态风险（Zhai等人，2020）。沿海湿地被改造成城市区域或水产养殖池塘等人工景观，会导致关键栖息地减少，进而威胁生物多样性（Qu等人，2021）。此外，人类活动打破沉积物平衡还会使沿海地貌变得不稳定，加剧侵蚀和生态退化（Bozzeda等人，2023）。由于对土地的需求不断增长，全球范围内实施了大量土地开垦项目（AlQahtany等人，2022；Zhang，2023）。因此，全面了解这类项目带来的环境影响对于实施可持续措施、减轻其对开垦景观的负面影响至关重要。

全球变暖对地球上的生命构成严重威胁，其影响深远且后果灾难性（Armstrong McKay等人，2022；Ding等人，2026）。温室气体排放，主要是二氧化碳、甲烷和一氧化二氮，会加剧温室效应和全球变暖，从而带来严重的环境和经济后果（Bhatti等人，2024；Ding等人，2025a,b）。研究温室气体排放能为政策制定者、科学家及利益相关方提供重要数据和见解，有助于制定有效策略来应对气候变化及其影响（Moiceanu和Dinca，2021）。已有研究表明，沿海地区的土地开垦活动会导致大量温室气体排放，因为植被、土壤和沉积物中所储存的碳会被释放出来（Wang，2024）。此外，土壤特性和微生物过程的改变也会在土地改造过程中显著影响温室气体的排放（Philippot等人，2024）。开垦过程中形成的盐渍化土壤会影响微生物活动，进而改变甲烷和一氧化二氮等温室气体的产生与排放（Fagodiya等人，2022）。因此，有必要研究土地开垦活动产生的温室气体排放，以便量化其对气候变化的贡献、评估环境影响、制定减缓策略并推动可持续的土地利用方式（Lewis等人，2019）。

土地形成活动通过改变土壤特性、生物地球化学过程和生物多样性，显著重塑沿海生态系统，而这些因素又会影响生态系统的功能（Koloti等人，2024；Xiong等人，2023；Reis等人，2017；Li等人，2022b）。生物多样性——尤其是功能多样性——对于维持生态系统的多重功能、稳定性以及对环境变化的适应能力至关重要（Ali，2023；Ashford等人，2021；Liu等人，2022a；Wu等人，2023a）。在这一过程中，土壤微生物群落起着核心作用，它们通过甲烷循环微生物、反硝化菌、硝化菌和分解者的活动，影响甲烷、一氧化二氮和二氧化碳等关键温室气体的通量（Muhammad等人，2022；Kharitonov等人，2021；Wrage-M?nnig等人，2018；Ma等人，2021）。这些研究结果强调了将生态学理念纳入土地利用政策的重要性，以减少生态系统受损的风险。

土地形成活动会显著改变土壤微生物群落的组成和稳定性（McKinley，2019）。以往将自然沿海湿地与新开垦土地进行比较的研究普遍发现，由于栖息地受到破坏以及环境发生剧烈变化，开垦初期微生物多样性会下降（Chen等人，2023）。此后，根据所采取的管理措施和环境条件不同，生态演替可能会恢复甚至提高微生物多样性（Coban等人，2022）。此外，土地形成活动还会显著改变土壤特性，如土壤温度、水分状况、养分含量和pH值（Piotrowska-D?ugosz等人，2022）。这些变化会改变土壤微生物的多样性，进而可能影响生态系统的功能（Philippot等人，2024）。例如，土壤温度和湿度的变化会影响微生物的代谢速率和群落结构，从而导致微生物类群的分布和多样性发生变化（Wu等人，2017）。同样，土壤pH值的波动可能会让某些微生物更具优势，进而降低微生物多样性，影响分解速率和养分可用性等关键生态系统功能（Zhang等人，2023）。尽管人们已经认识到微生物群落在生态修复和可持续性中的作用（Zhang等人，2024），但我们对土地形成如何随时间影响这些群落的理解仍不完整。现有研究大多关注土地形成的短期影响，而关于开垦过程中及之后的长期生态动态的研究则相对较少（Liang等人，2023）。此外，虽然研究多集中在细菌群落上，但对于真菌和原生生物等其他微生物对土地形成的反应，目前了解仍然有限（Song等人，2023）。

基于以上考虑，本研究旨在通过高通量测序技术，阐明新开垦土地上细菌、真菌和原生生物等土壤微生物群落的时间动态变化。同时，结合详细的土壤化学分析，我们试图揭示土地形成过程中土壤特性、微生物多样性和温室气体排放之间的复杂关系。本研究主要回答三个问题：首先，土地形成及环境因素变化如何影响土壤微生物多样性；其次，不同微生物类群对这些影响的响应程度是否存在差异；第三，这些影响与温室气体排放之间有何关联。这些研究结果将有助于更深入地理解土地形成带来的生态后果，并为减少温室气体排放提供相应策略。

研究区域：本研究在长江口东岸的横沙岛进行，该岛的地理坐标介于东经121°58′至122°20′、北纬31°36′至31°51′之间（图1a）。该地区属于亚热带季风气候，季节变化明显。年平均气温在11.5至15.4℃之间，年降水量约为1100毫米，其中70%至80%的降水集中在夏季。根据FAO土壤分类标准，该沿海地区的主要土壤类型为……

土地形成对土壤参数的影响：本研究分析了不同开垦时长土壤中的11项参数（图2）。研究发现，随着开垦时长的增加，土壤温度逐渐下降，而土壤湿度则总体呈上升趋势（图2a）。相比之下，土壤pH值仅在少数几个开垦阶段存在显著差异；而土壤容重在两两比较中差异较小，尽管整体呈现上升趋势。

讨论：了解土地形成过程中土壤微生物群落的演替规律，对于确保开垦土地的长期可持续性至关重要。土壤微生物——包括细菌、真菌和原生生物——具有不同的生态功能，且对环境变化的反应也各不相同（Hassani等人，2018）。我们的研究显示，微生物多样性受开垦时长的显著影响。在初期阶段，细菌多样性明显增加，这可能是由于……

结论：本研究发现在15年的时间序列中，土地形成显著改变了0–10厘米表层土壤的物理化学性质、微生物多样性以及温室气体排放情况。在表层土壤（0–10厘米）中，土地形成主要通过影响土壤湿度和硝酸盐含量来改变细菌多样性。这是由于土壤湿度和硝酸盐含量的变化，使得随着土地形成的推进，细菌多样性随之增加……

作者贡献说明：王凤义：数据可视化、验证、研究工作；焦继珍：研究工作；李芳祥：监督、研究工作；丁永成：验证、软件使用；沙晨燕：软件使用、方法设计、研究工作、资金申请、数据分析、概念构建；王强：初稿撰写、研究工作、数据分析。

未引用参考文献：Slamet等人，2018；Wu等人，2022；Zhang等人，2024。

利益冲突声明：作者声明不存在任何利益冲突。

数据可用性声明：本研究生成的数据可在合理请求下从对应作者处获取。

利益冲突声明：? 作者声明不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。

致谢：本研究得到了上海市科学技术委员会科技创新计划的资助（项目编号23DZ1202702和22DZ1202702）。

王强|沙晨燕|王凤义|李芳祥|焦继珍|丁永成
中国上海200241，华东师范大学生态与环境科学学院