农业管理强度驱动三个对比性土壤点位氨氧化菌的生态位分化

《Applied Soil Ecology》：Agricultural management intensity drives niche partitioning of ammonia oxidizers at three contrasting soil sites

　　

摘要

氨氧化微生物是农业氧化亚氮（N₂O）产生的重要贡献者，然而累积管理强度与氨氧化古菌（AOA）、氨氧化细菌（AOB）以及完整氨氧化菌（comammox）的丰度、群落结构和潜在活性之间的关联尚不明确。在此，我们基于六个管理变量构建了连续农业管理强度（AMI）指数，并将其应用于三个分别代表黑土、红壤和黄壤土壤的荒地和果园、农田、菜地系统。通过结合抑制剂法潜在活性测定、定量PCR和高通量测序，我们评估了氨氧化菌的丰度、群落结构和潜在活性及其对潜在N₂O生产的贡献。在每个样地内，从低AMI荒地系统到高AMI菜地系统，AOB丰度和潜在氨氧化速率一般呈增加趋势，而AOA和comammox在某些低AMI条件下对潜在氨氧化贡献更大。这些模式与较高的无机氮有效性、较低的土壤pH值以及土壤有机碳的差异有关。高AMI系统中类群3a.2的相对丰度也更高。基于抑制剂的估算表明，AOB在潜在N₂O生产中占最大比例，而AOA和comammox即使在它们对潜在氨氧化贡献较大时，对N₂O生产的贡献也较小。总体而言，AMI指数通过量化累积管理压力，补充了分类用地描述，为识别三个研究样地中与AOB功能占优和潜在N₂O生产升高相关的管理状态提供了定量框架。

引言

现代农业面临的双重挑战是在保持作物生产力的同时减少环境影响并提高资源利用效率（Sutton等，2021；Müller，2026）。然而，集约化管理实践，如过量施肥和频繁耕作，已深刻改变了陆地生态系统，加剧了土壤退化、养分淋失和温室气体（GHG）排放（Steffen等，2015）。具体而言，当矿质氮（N）投入与作物氮需求不同步时，残余无机氮会在土壤中积累并驱动硝化作用——这是土壤氮循环中的关键微生物过程，也是氧化亚氮（N₂O）生产的重要途径，而N₂O是一种全球变暖潜势几乎是CO₂300倍的强效温室气体（Prosser等，2020；Tian等，2020）。因此，深入理解控制硝化作用的微生物机制对于制定有效的温室气体缓解策略至关重要。

硝化作用的第一步也是限速步骤——氨氧化——由三个不同的微生物类群执行：氨氧化古菌（AOA）、氨氧化细菌（AOB）和完整氨氧化菌（comammox），后者独特之处在于能在单个微生物体内完成硝化作用（Daims等，2015；van Kessel等，2015）。这些类群表现出截然不同的生态生理特征，决定了它们对农业管理的响应（Lehtovirta-Morley，2018）。已有充分证据表明，AOB为富营养型微生物，在高氨环境中繁盛。因此，在氮素投入高、耕作频繁的集约化菜地中，AOB的富营养特性使其能够击败其他类群并成为硝化作用的热区（Martens-Habbena等，2009；Wang等，2023；Bi等，2024）。相比之下，AOA和comammox可能偏好寡营养条件，因此氮素可利用性低的未管理或长期休耕地通常由这些寡营养类群占优（Kits等，2017；Hink等，2018；Li等，2020；Fan等，2025）。中等强度的系统，如果园和农田，往往维持混合群落，其中AOA、AOB和comammox共存并竞争，其相对优势地位根据施肥类型和土壤pH值等因素波动（Hu等，2022；Liu等，2023a；Sun等，2024）。例如，AOA或comammox可以在果园土壤中占优，而AOB在传统施肥农田中通常起主要作用（Liu等，2023b；Gan等，2024；Zeng等，2024）。在功能上，这些类群不仅在N₂O产生潜力上存在差异，其倾向于占优的环境也有所不同。AOB通常被认为是农业土壤中N₂O排放的主要贡献者，因为它们具有较高的N₂O产率，且常被较高的无机氮有效性所偏爱。相比之下，AOA和comammox通常产生较低的N₂O产率，且往往在低氮条件下更具竞争力（Jung等，2014；Hink等，2017）。

以往研究将分类用地类型与氨氧化菌群落的结构和功能联系起来（Lu等，2018；Fan等，2025）。然而，分类标签可能将多种管理实践捆绑在一起，无法量化累积管理压力。分配到同一类别的两个地块在施肥量、灌溉、农药施用或耕作频率上可能不同，而不同类别之间也可能在一个或多个管理要素上重叠。因此，定量强度指数可以通过保留管理实践综合强度的信息来补充用地分类，已被证明在解释生态系统功能变化方面非常有用（Allan等，2015），最近也被应用于河流系统中的氨氧化菌（Tan等，2024b）。然而，类似的连续框架很少被应用于农业土壤。剩余的问题是：在对比性土壤环境中，氨氧化菌的生态位分化是否沿着量化的农业管理强度（AMI）梯度一致地变化。

为弥补这些不足，我们从长期管理记录中构建了定量AMI指数，并将其应用于三个具有对比性土壤环境的样地的四个用地类别。我们假设：（i）AMI指数能够捕捉样地内氨氧化菌生态位分化的变异；（ii）AOA、AOB和comammox丰度及潜在活性沿AMI梯度的变化与土壤理化性质的差异相关；（iii）氨氧化菌生态位分化的转变与潜在N₂O生产的差异相关。为检验这些假设，我们将抑制剂法潜在活性测定与qPCR和高通量测序相结合，并采用在结构方程模型（SEM）框架内拟合的探索性观测变量路径模型来总结管理强度、土壤性质、氨氧化菌群落结构和潜在N₂O生产之间的假设关联。

章节摘要

样地描述与土壤采样

所有土壤样品均于2024年4月采集自中国三个长期农业样地，每个样地代表一种对比性土壤环境：黑龙江省的黑土（黑土）样地、湖南省的红壤（红土）样地以及重庆市的黄壤（紫土）样地。土壤根据美国农业部土壤分类系统进行分类（Soil Survey Staff，2022）。关于样地位置、坐标、用地类别和优势植物的详细信息如下——

农业管理强度对土壤基本理化性质的影响

在每个研究样地内，不同用地类别之间的土壤理化性质差异显著（P < 0.05；表S2）。相对于荒地，农田和菜地土壤的pH值通常更低，无机氮有效性更高。在黑土样地，农田和菜地土壤的pH值分别比荒地土壤（pH 7.92）低0.83和1.54个单位。在黄壤样地，菜地土壤pH值为5.17，比荒地土壤（pH 6.81）低1.64个单位。在红壤样地——

沿农业管理强度梯度的氨氧化菌生态位分化

AMI指数通过将施肥投入、耕作、灌溉和农药施用整合为累积管理压力的连续度量，补充了分类用地分类。在观测到的AMI梯度范围内，AOB丰度和潜在活性一般随着管理强度增加而向集约化菜地系统升高，而AOA和comammox在某些低AMI条件下仍然重要。这一模式表明，累积管理强度可以揭示——

结论

总之，AMI指数提供了一种累积管理压力的连续度量，补充了分类用地描述。在三个研究样地中，AMI增加通常与AOB功能占优的转变相关，而AOA和comammox在某些低AMI条件下仍然重要。这些变化伴随着较高的无机氮有效性、较低的土壤pH值以及土壤有机碳（SOC）的差异，表明管理强度与当地土——

CRediT作者贡献声明

曾宇： 撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，调查，正式分析，数据整理，概念化。谭彻： 可视化，调查，数据整理。尹畅： 撰写——审阅与编辑，可视化，正式分析，数据整理。王小忠： 撰写——审阅与编辑，方法论。高洪生： 撰写——审阅与编辑，方法论。彭华： 撰写——审阅与编辑，方法论。梁永超： 撰写——审阅与编辑，项目——

利益冲突声明

作者声明，他们不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作由中国国家重点研发计划（2023YFD1900601）和中央高校基本科研业务费（226-2025-00040）共同资助。

曾宇|谭彻|尹畅|王小忠|高洪生|彭华|梁永超

教育部环境与生态修复重点实验室，浙江大学环境与资源学院，杭州，310058，中国