松嫩平原典型黑土区不同土壤类型下微生物群落分异及其生态策略研究

《Microorganisms》：Study on the Differentiation of Microbial Communities Under Different Soil Types in the Typical Black Soil Area of Songnen Plain

　　

土壤类型通过物理结构、化学性质和资源可利用性施加多层次环境过滤，从而塑造微生物群落组装。研究人员以松嫩平原典型黑土区70份样品（黑土n = 27、草甸土n = 32、棕壤n = 11）为对象，通过16S rRNA V₃–V₄（引物338F/806R）和真菌ITS1（引物ITS1F/ITS2）扩增子测序及理化分析，将棕壤（林地）与黑土和草甸土（农田）进行比较。结果表明：（1）棕壤有机碳显著高于黑土和草甸土（p < 0.05）；（2）群落沿r–K策略轴发生系统性位移：K策略者（如被孢霉门Mortierellomycota和酸杆菌门Acidobacteriota）在棕壤中占优，专攻难降解有机质分解与碳固存；r策略者（如变形菌门Proteobacteria、拟杆菌门Bacteroidota和粪壳菌科Sordariaceae）在黑土和草甸土中富集，快速利用活性碳并驱动碳释放。冗余分析识别出总有机碳和pH是驱动该位移的关键环境过滤因子。研究结果为理解土地利用对土壤微生物组的影响提供了生态策略视角，并为黑土区碳恢复和可持续管理提供依据。

土壤微生物是生物地球化学循环的核心驱动者，其群落组成、多样性与功能结构受土壤环境的物理、化学和资源条件多层次过滤。生态策略理论中的r–K二分法为理解微生物群落适应机制提供了重要范式：富营养型（r策略者）生长快、核糖体拷贝数高、偏好易降解碳源；寡营养型（K策略者）生长慢、资源利用效率高、擅长降解复杂有机质。松嫩平原黑土区是中国重要的商品粮基地，但大规模农业开垦已导致土壤有机质下降和结构退化。已有研究虽证实不同土壤类型会改变微生物群落结构，但其背后的生态选择机制尚不明确。在海伦地区，土壤类型与土地利用历史强耦合：棕壤长期处于林地覆盖，构成资源稳定但营养贫乏的“寡营养筛选环境”；黑土和草甸土多被开垦为农田，频繁耕作和施肥构成高扰动、资源脉冲输入的“富营养筛选环境”。因此，研究人员以海伦市三种代表性土壤为对象，检验r–K生态策略框架是否适用于解释不同土壤类型中微生物群落的分异，并识别驱动该分异的关键环境因子。

研究人员系统采集了70份表层（0–20 cm）土壤样品，样品来自黑龙江省海伦市（46°58′–47°52′ N，126°14′–127°45′ E），其中黑土n = 27、草甸土n = 32、棕壤n = 11。结合土壤理化性质测定、细菌16S rRNA基因V₃–V₄区与真菌ITS1区扩增子高通量测序，以及多种多变量统计方法，比较了棕壤（林地）与黑土和草甸土（农田）的微生物群落差异。结果表明，棕壤的总有机碳（TOC）和总氮（TN）显著高于农田土壤，pH略低；微生物β多样性分析显示棕壤与两种农田土壤显著分离，而黑土与草甸土群落结构相似。群落组成沿r–K策略轴明显分化：棕壤富集K策略者，如被孢霉门和酸杆菌门；农田土壤富集r策略者，如变形菌门、拟杆菌门和粪壳菌科。冗余分析（RDA）识别出总有机碳和pH是驱动这种分异的核心环境过滤因子。这些发现从生态策略角度揭示了土地利用对土壤微生物组的塑造作用，为黑土区碳恢复和可持续管理提供了理论依据。

主要关键技术方法包括：研究样品按分层随机抽样布点采集，覆盖黑土、草甸土和棕壤三种土壤类型；采用土壤理化分析测定TOC、TN、pH、电导率、Na⁺、K⁺、Cl^?等指标；利用Illumina MiSeq平台对细菌16S rRNA基因V₃–V₄区和真菌ITS1区进行扩增子测序；测序数据经质量控制与DADA2去噪获得扩增子序列变异（ASV）；采用非度量多维尺度分析（NMDS）和置换多元方差分析（PERMANOVA）评估β多样性；采用Kruskal–Wallis检验和线性判别分析效应量（LEfSe）鉴定差异丰富类群；采用冗余分析（RDA）检验环境因子与群落结构的关系；并依据已有文献将微生物门类划分为r/K策略类群。

3.1 不同土壤类型下土壤理化性质
理化分析显示，除TOC和TN外，三种土壤在pH和电导率等指标上无显著差异。棕壤的TOC（均值3.35 g/kg）和TN（均值3.78 g/kg）显著高于黑土和草甸土，反映长期森林覆盖下有机质积累特征；棕壤pH（均值5.75）略低于黑土（5.98）和草甸土（6.19）。这说明长期林地覆盖和农业耕作主要改变了土壤碳氮库，而对pH和盐分影响较小。

3.2 微生物群落α和β多样性
α多样性分析显示，棕壤细菌群落的Shannon指数（p = 0.036）和Chao1指数（p = 0.052）低于黑土和草甸土；棕壤真菌群落的Chao1（p = 0.027）和ACE（p = 0.018）指数显著低于两种农田土壤。β多样性方面，NMDS分析显示三种土壤的微生物群落明显分离；PERMANOVA检验表明棕壤与黑土、草甸土之间差异显著（p < 0.01），而黑土与草甸土之间差异不显著（p = 0.23）。这表明土壤类型通过土地利用方式成为该区域微生物群落结构的主要影响因素。

3.3 微生物群落组成的生态策略
通过Kruskal–Wallis检验和LDA效应量分析，目水平上多种类群在三种土壤间存在显著差异。细菌群落中，变形菌门的Xanthomonadales和Burkholderiales在农田土壤中相对丰富；酸杆菌门的Acidobacteriales和Bryobacterales在棕壤中显著富集。真菌群落中，草甸土显著富集Mortierellales、Helotiales和Agaricales；黑土富集Hypocreales、Sordariales和Eurotiales；棕壤富集Glomerales、Thelephorales和Russulales等菌根真菌。这些结果说明不同土壤类型筛选出不同的微生物生态策略类群，并可能指示不同土壤环境条件。

3.4 环境因子对微生物群落的驱动效应
冗余分析表明，环境因子显著影响细菌和真菌目水平群落组成。细菌群落中，第一排序轴解释63.84%的变异，第二排序轴解释15.33%；真菌群落中，第一轴解释50.14%，第二轴解释11.28%。pH、TOC、TN、Cl^?等是主要驱动变量；蒙特卡洛置换检验证实pH、Cl^?、TOC、Na⁺等因子对群落结构的影响显著（p < 0.05）。这表明土壤碳氮含量和酸碱度是塑造微生物生态策略分异的关键环境过滤因子。

讨论部分总结了生态位分化、生态策略分化机制、多维驱动机制及管理启示。研究认为，棕壤中复杂难降解碳源、酸性微环境和长期低扰动共同维持了以K策略者为主导的微生物系统，功能上偏向碳固存；农田黑土和草甸土则因易分解碳源输入、较高pH和水盐动态改变，促进了r策略者优势，功能上偏向碳矿化和碳释放。RDA进一步揭示TOC和pH是核心环境驱动器，二者通过碳数量、碳质量与微环境的协同作用选择不同生态策略类群。此外，Cl^?和Na⁺即使在低盐条件下也可能通过持续渗透胁迫产生隐性选择压力。管理上建议施用堆肥和生物炭等稳定有机物料，采用免耕和覆盖等保护性耕作，并优化灌溉以降低次生盐渍化风险。研究也存在局限性，例如扩增子测序无法直接验证功能特征，且未对碳组分进行分级测定。

研究结论可归纳为：本研究调查了海伦市（中国松嫩平原）典型农田黑土和草甸土，以及邻近原生林棕壤，以阐明土地利用方式如何驱动微生物生态策略分化。土壤类型是理化性质和群落结构的关键决定因素：农田土壤的TOC显著低于林地土壤，pH高于林地土壤。这些环境差异驱动了群落沿r/K轴的清晰分离——棕壤以被孢霉门和酸杆菌门为主，代表专攻难降解有机质分解和碳固存的K策略群落；黑土和草甸土富集变形菌门、拟杆菌门和粪壳菌科，构成擅长快速利用活性碳并释放碳的r策略群落。TOC生物可利用性和pH是决定两种策略竞争优势的核心环境过滤器。鉴于当地冷干气候，建议采用免耕或30–35 cm深松配合秸秆覆盖等保护性耕作，以减少团聚体破坏和有机质暴露；但此类措施需长期实施（≥5年）才能显著改变r/K比例，短期（1–2年）效果可能可以忽略。这些发现为可持续土壤管理提供了理论依据，并为后续机制研究奠定了基础。