摘要：

土壤碳（C）儲(chǔ)存是支撐人類健康和福祉的關(guān)鍵生態(tài)系統(tǒng)功能。人類驅(qū)動(dòng)的土地利用變化加速，如農(nóng)業(yè)集約化，是全球土壤C流失的主要驅(qū)動(dòng)因素。制定可持續(xù)土地利用方式，提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力，同時(shí)保護(hù)土壤C儲(chǔ)存等基本生態(tài)系統(tǒng)功能，這一點(diǎn)至關(guān)重要。土壤微生物群在調(diào)節(jié)土壤生物地球化學(xué)循環(huán)過(guò)程中具有重要作用，其中包括土壤C循環(huán)。研究土地利用強(qiáng)度對(duì)土壤微生物組的影響使我們能夠評(píng)估對(duì)長(zhǎng)期土壤C儲(chǔ)量的潛在影響。利用宏基因組DNA測(cè)序和磷脂脂肪酸分析，研究了五種不同土地利用方式在農(nóng)業(yè)景觀中土壤微生物組活性、多樣性和功能的差異。土地利用覆蓋了擾動(dòng)強(qiáng)度的梯度，包括殘余原生林、再生原生林、外來(lái)人工林、旱地牧場(chǎng)和灌溉牧場(chǎng)。發(fā)現(xiàn)了與每種土地利用相關(guān)的土壤微生物組的顯著差異，包括微生物C和氮（N）循環(huán)基因的多樣性和豐度。集約化農(nóng)用地的微生物C降解基因多樣性和豐度顯著高于集約化農(nóng)用地，而剩余原生林用地的微生物C降解基因多樣性和豐度最低。研究結(jié)果表明，集約化農(nóng)業(yè)用地可能會(huì)增加土壤微生物組礦化土壤C的功能潛力，從而可能導(dǎo)致土壤C隨著吸入的二氧化碳而更多地流失到大氣中。這項(xiàng)研究可用于支持可持續(xù)管理實(shí)踐的發(fā)展，以促進(jìn)土壤C在農(nóng)業(yè)景觀中的持久性，例如保護(hù)殘余的原生森林碎片和更多地納入再生的原生植被。

研究背景：

土壤提供對(duì)人類和環(huán)境需求至關(guān)重要的多種生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)，如提供食物和纖維、水過(guò)濾和凈化、洪水緩解、養(yǎng)分循環(huán)和溫室氣體調(diào)節(jié)。然而，土壤是一種有限的資源，在人類時(shí)間尺度上是不可再生的，并且受到生產(chǎn)力需求提高、人口增長(zhǎng)加速、工業(yè)化、城市化、農(nóng)業(yè)集約化和土地利用變化的更大壓力。這些壓力源對(duì)土壤健康的影響被認(rèn)為是一個(gè)重大的全球問(wèn)題，聯(lián)合國(guó)已經(jīng)制定了一項(xiàng)具體的可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)，重點(diǎn)是恢復(fù)退化的土地和土壤。受土壤退化影響的一個(gè)關(guān)鍵土壤功能是土壤碳固存，指的是植物或其他生物將大氣中的二氧化碳（CO₂）捕獲到土壤中，并以土壤有機(jī)碳的形式儲(chǔ)存起來(lái)。土壤碳的長(zhǎng)期儲(chǔ)存是調(diào)節(jié)全球碳循環(huán)的基礎(chǔ)，土壤儲(chǔ)存了地球上大部分陸地碳儲(chǔ)量（約80%）。認(rèn)真管理全球土壤碳儲(chǔ)量，使其發(fā)揮長(zhǎng)期凈碳匯的作用，是調(diào)節(jié)人為二氧化碳排放增加和減輕氣候變化影響的一項(xiàng)關(guān)鍵戰(zhàn)略。

人為驅(qū)動(dòng)的土地利用變化——這里指的是土地利用的變化和與改良土地利用相關(guān)的管理實(shí)踐（即人工施肥、灌溉、放牧），可導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)水文過(guò)程、植物和根系生物量、生物多樣性、營(yíng)養(yǎng)平衡、干擾制度和小氣候條件。這可能導(dǎo)致生態(tài)系統(tǒng)性質(zhì)的根本變化，從而改變土壤C輸入和輸出之間的平衡，導(dǎo)致土壤C儲(chǔ)量的大小和長(zhǎng)期穩(wěn)定性下降。農(nóng)業(yè)用地是全球土壤碳流失的主要驅(qū)動(dòng)因素、生物多樣性下降和溫室氣體排放源。矛盾的是，旨在提高土壤生產(chǎn)力的農(nóng)業(yè)集約化導(dǎo)致全球土壤C儲(chǔ)量和土壤生物多樣性枯竭，從而降低了土壤肥力和生產(chǎn)力。這反過(guò)來(lái)又加劇了對(duì)全球糧食安全和經(jīng)濟(jì)穩(wěn)定的威脅。盡管集約化農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的影響是巨大的，但對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的需求正在上升。到2050年，世界人口預(yù)計(jì)將達(dá)到97億，全球糧食需求將至少增加35%。與此同時(shí)，土地利用也在改變，以提供能源，這一直被認(rèn)為是一個(gè)有問(wèn)題的凈低碳結(jié)果。

了解農(nóng)業(yè)用地對(duì)土壤C循環(huán)的影響對(duì)于制定可持續(xù)土地利用做法至關(guān)重要，這些做法可以提高土壤生產(chǎn)力，同時(shí)最大限度地減少人類活動(dòng)對(duì)環(huán)境的有害影響。為了進(jìn)行綜合評(píng)估，研究土地利用強(qiáng)度如何驅(qū)動(dòng)土壤微生物群結(jié)構(gòu)和功能的變化是至關(guān)重要的。土壤微生物對(duì)土壤C的分解有重要影響，并負(fù)責(zé)土壤有機(jī)質(zhì)的礦化。土壤微生物組的多樣性和代謝活性是決定土壤碳周轉(zhuǎn)速度和隨之釋放的二氧化碳的關(guān)鍵因素。與此同時(shí)，細(xì)胞死亡后微生物壞死塊的積累是土壤C儲(chǔ)量更耐分解的主要驅(qū)動(dòng)因素?？紤]到土壤微生物組的功能二元性，土壤微生物生態(tài)生理特性隨土地利用變化的變化可以直接影響土壤C的通量和土壤C庫(kù)的長(zhǎng)期持久性。與監(jiān)測(cè)植物群落或土壤非生物特性相比，土壤微生物可以更快地適應(yīng)環(huán)境變化和壓力，作為監(jiān)測(cè)土壤健康的更敏感的生物指標(biāo)。

本研究旨在探討不同土地利用方式和干擾強(qiáng)度對(duì)農(nóng)業(yè)景觀土壤C循環(huán)動(dòng)態(tài)和土壤微生物群結(jié)構(gòu)與功能的影響。選擇了五個(gè)土地利用類別進(jìn)行調(diào)查，涵蓋了從“低”到“高”土地利用強(qiáng)度的擾動(dòng)梯度。這些土地用途，包括殘余原生林、再生原生林、外來(lái)人工林、旱地牧場(chǎng)和灌溉牧場(chǎng)。分析了不同土地利用方式對(duì)土壤理化、土壤C含量、土壤微生物群結(jié)構(gòu)和功能的影響。當(dāng)考慮與土地利用方式改變相關(guān)的植物群落覆蓋、管理方式和干擾強(qiáng)度的大規(guī)模變化時(shí)，假設(shè)：1）集約土地利用方式越密集，土壤C含量越低；2）土壤微生物生物量和基礎(chǔ)呼吸在不同土地利用方式之間存在顯著差異；3）不同土地利用方式之間微生物功能基因的多樣性、組成和豐度存在顯著差異。

研究方法：

采樣地點(diǎn)位于Kaituna和Prices Valley。在對(duì)整個(gè)地區(qū)進(jìn)行實(shí)地調(diào)查后，針對(duì)土地利用變化歷史和管理制度的五個(gè)土地利用類別進(jìn)行了調(diào)查（圖1）。土地利用類別涵蓋了從“低”到“高”強(qiáng)度的擾動(dòng)梯度，包括：1）原生森林；2）再生原生灌木（再生林）；3）外來(lái)松林（外來(lái)人工林）；4）不灌溉的羊奶牧場(chǎng)（旱地牧場(chǎng)）；5）樞紐灌溉的羊和奶牛牧場(chǎng)（灌溉牧場(chǎng)）。每個(gè)土地利用類別的重復(fù)場(chǎng)址數(shù)目（n）因可得性和可及性而異（原生森林和外來(lái)森林n = 3；灌溉牧草、旱地牧草和再生灌木N = 5）。為了在統(tǒng)計(jì)分析中考慮景觀地形的變化，每個(gè)站點(diǎn)的坡度角是從8米數(shù)字高程模型（LINZ Data Service）中提取的。根據(jù)坡度角度劃分坡度等級(jí)如下：低坡度，1至12°；中等坡度，13至25°；坡度高，超過(guò)25°。土壤取樣于2022年6月至7月進(jìn)行。在每個(gè)站點(diǎn)，在5平方米網(wǎng)格的中心和四個(gè)角標(biāo)記出五個(gè)采樣點(diǎn)。在每個(gè)采樣點(diǎn)，去除凋落物層，收集4個(gè)土芯至10 cm深度（A層），并組合成500 g復(fù)合樣品。每個(gè)站點(diǎn)采集5個(gè)土壤樣本；其中三份用于化學(xué)和生物分析，兩份用于未來(lái)研究?；氐綄?shí)驗(yàn)室后，土壤過(guò)2毫米篩，子樣品被儲(chǔ)存在?20℃或4℃，用于后續(xù)分析。

圖1 采樣地

主要研究結(jié)果：

1、土壤物理化學(xué)性質(zhì)

土地利用是pH、有效磷、水分含量（%）、C/N比、AMN/TN比、總%C和基礎(chǔ)呼吸差異的重要因素（表1）。不同土地利用類別之間，不穩(wěn)定C和總%N無(wú)顯著差異。雖然土地利用顯著地解釋了不同地點(diǎn)之間有效磷和基礎(chǔ)呼吸的差異，但在土地利用類別之間沒有發(fā)現(xiàn)顯著的兩兩差異（圖2）。

表1 土壤理化性質(zhì)、PLFA總生物量、BR/MB比和PLFA微生物群相對(duì)豐度的固定效應(yīng)的線性混合效應(yīng)模型偏差表

總%C值以再生灌木最高（5.31±0.94），其次為原生林（4.97±1.32）、外來(lái)林（4.43±1.72）、灌溉林（4.10±0.67）和旱地草地（3.39±0.74）。盡管總%C隨土地利用類型的不同而有顯著差異，但只有旱地草地和再生灌木具有顯著差異（圖2）。總%C的值與不穩(wěn)定C、總%N、C/N比和基礎(chǔ)呼吸具有顯著的正相關(guān)（Spearman’s rho≥0.5）；同時(shí)也與%Gram-P和%放線菌具有顯著的負(fù)相關(guān)（Spearman 's rho≤- 0.5）（圖3）。

與其他土地利用方式相比，外來(lái)森林土壤的pH值、氨氮/總氮比、水分含量、有效磷和基礎(chǔ)呼吸值最低（圖2）。相反，外來(lái)森林土壤的碳氮比最高，尤其是與灌溉和旱地牧場(chǎng)相比。與外來(lái)森林一樣，再生灌木土壤的水分含量非常低，AMN/TN比低，C/N比高（圖2）。再生灌木土壤的總%C和基礎(chǔ)呼吸值最高。與外來(lái)森林和再生灌木土壤一樣，原生森林土壤的C/N比也很高。此外，原生森林土壤的水分含量、氨氮/全氮比和pH值最高。灌溉草地土壤的水分含量、氨氮/全氮比和pH與原生森林相似（圖2）。

與原始森林不同，灌溉草地土壤的C/N比非常低，是所有土地利用類別中最低的。同樣，旱地牧場(chǎng)土壤的C/N比也非常低，總%C和基礎(chǔ)呼吸也最低（圖2）。灌溉牧場(chǎng)和旱地牧場(chǎng)的有效P值都很高，旱地牧場(chǎng)的有效P值尤其高。旱地牧場(chǎng)的有效P表現(xiàn)出很大程度的組內(nèi)變化，這可能是兩兩檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)不同土地利用方式之間具有非統(tǒng)計(jì)顯著性的原因。在不同的草場(chǎng)上觀察到的高組內(nèi)有效磷變化可能是一種管理效應(yīng)，即不同領(lǐng)域人工肥料投入差異的標(biāo)志。

圖2  pH、Olsen P、水分含量、總C、活性C、全N、C/N比、AMN/TN比和基礎(chǔ)呼吸的平均±95% CI值。沒有相同字母的組在5%顯著性水平上通過(guò)Tukey檢驗(yàn)確定顯著差異。

圖3 土壤性質(zhì)與總%C含量相關(guān)性分析。

2、磷脂脂肪酸譜

外來(lái)森林土壤的總PLFA生物量（“微生物生物量”）最低，與原生森林、灌溉牧場(chǎng)和再生灌木相比尤其低（圖4）。然而，與所有其他土地利用相比，外來(lái)森林土壤的真菌、F/B比率和放線菌的百分比也非常高。原生森林土壤具有最高的微生物生物量，同時(shí)也具有最低的% Gram-P和GP/ GN比率（圖4）。

此外，原生森林土壤具有較低的真菌百分比和較低的F/B比率，與觀察到的放牧和灌溉牧場(chǎng)相同。在所有土地利用中，再生灌木土壤的微生物生物量第二高，BR/MB比最高，特別是與旱地牧場(chǎng)相比。此外，再生灌木土壤的真菌和F/B比非常高，真核生物百分比最高，同時(shí)放線菌百分比最低。灌溉草地的一個(gè)顯著特征是真菌百分比和F/B比較低，這在原生森林和旱地牧場(chǎng)中表現(xiàn)出相似的值（圖4）。灌溉牧場(chǎng)土壤的放線菌百分比最高，與旱地牧場(chǎng)和外來(lái)森林的放線菌百分比相同。灌溉牧草的微生物生物量和% Gram-N也顯著高于外來(lái)森林和旱地牧草;同時(shí)GP/GN比和%Gram-P顯著降低。與其他土地利用方式相比，灌溉草地土壤的微生物生物量、GP/GN比、% Gram-P、% Gram-N、%真核生物和BR/MB比處于中值范圍。旱地牧場(chǎng)土壤的微生物生物量次之，BR/MB比和%真核生物也最低。此外，與灌溉草地和原生林一樣，旱地草地的真菌和F/B比也很低，放線菌的比例很高。旱地牧草的GP/GN比和% Gram-N均高于灌溉牧草、原生林和更新灌叢。

% Gram-N與土壤pH、AMN/TN比和水分含量呈顯著正相關(guān)（表2）。% Gram-P與AMN/TN比、總%N和基礎(chǔ)呼吸呈顯著負(fù)相關(guān)。GP/GN比與pH、AMN/TN比、水分含量和基礎(chǔ)呼吸呈顯著負(fù)相關(guān)。%放線菌與總%C、C/N比、F/B與C/N呈顯著正相關(guān)，與含水率呈顯著負(fù)相關(guān)。真菌%與AMN/TN、水分含量呈顯著負(fù)相關(guān)，與C/N呈顯著正相關(guān)。

圖4 各土地利用方式下PLFA總生物量、PLFA生物標(biāo)志物組%豐度和BR/MB比值的平均值±95% CI值。

表2 土壤性質(zhì)與PLFA微生物群豐度之間的Spearman秩相關(guān)系數(shù)。

3、原核生物宏基因組組裝基因組（MAGs）的恢復(fù)

所有MAGs的平均基因組完整性和污染程度分別為84.1%和2.8%（圖5）。不同土地利用的MAG平均估計(jì)基因組大小（3.32 Mbp）幾乎沒有變化，其值從原生森林的2.79 Mbp到灌溉牧場(chǎng)的3.54 Mbp。所有MAGs的平均N50組大小為0.02 Mbp。原始森林的平均值為0.012 Mbp，外來(lái)森林的平均值為0.023 Mbp。

圖5 采用質(zhì)量統(tǒng)計(jì)的平均值±SD值評(píng)價(jià)每一土地利用中恢復(fù)的原核生物MAGs

4、微生物功能基因的多樣性

C降解基因的Chao1豐富度和Shannon多樣性在不同土地利用類型間存在顯著差異。原生森林和再生灌木土壤C退化基因的Chao1豐富度顯著低于灌溉和旱地牧場(chǎng)土壤（圖6）。此外，原生森林土壤C退化基因的Shannon多樣性顯著低于其他土地利用；在不同土地利用方式下，氮循環(huán)基因的Chao1豐富度和Shannon多樣性均無(wú)顯著差異。土壤理化性質(zhì)與C降解和N循環(huán)基因的Chao1豐富度和Shannon多樣性沒有明顯的相關(guān)性（表3）。

原生森林土壤的C降解基因和N循環(huán)基因組成與其他四種土地利用方式有顯著差異（圖7）。此外，外來(lái)森林和再生灌木土壤的C降解基因組成與灌溉牧草相比也有顯著差異。灌溉草地和旱地草地氮素循環(huán)基因組成與外來(lái)林、更新灌叢和原生林有顯著差異。灌溉草地與旱地草地、再生灌叢與外來(lái)林的C降解和N循環(huán)基因組成無(wú)顯著差異。

圖6 各土地利用類型C循環(huán)基因和N循環(huán)基因的Chao1豐富度和Shannon多樣性的平均值±95% CI值。

圖7 各土地利用類型C循環(huán)基因和N循環(huán)基因的NMDS圖

表3 土壤性質(zhì)與微生物C降解基因和微生物N循環(huán)基因α多樣性之間的Spearman秩相關(guān)系數(shù)。

5、微生物功能基因的差異豐度分析

所有C降解基因的總豐度在不同土地利用方式間差異顯著。原始森林土壤有顯著降低大量的C降解基因相比,所有其他四個(gè)土地使用（圖8）。沒有共享的土壤理化性質(zhì)很強(qiáng)的相關(guān)性與C降解基因的豐度。當(dāng)C降解基因分組根據(jù)C形式，有顯著差異基因的豐度與纖維素的降解，半纖維素，內(nèi)半纖維素、幾丁質(zhì)和淀粉。與其他土地利用方式相比，原始森林土壤中所有這些C形態(tài)的基因豐度較低。雖然不顯著，但與其他三種土地利用相比，再生灌木和外來(lái)森林的幾種硝酸鹽還原基因（即narH，napA，napB），亞硝酸鹽還原基因（即nirK）和氨氧化基因（即amoA，amoB）的豐度較低（圖9）。

圖8 按土壤C形態(tài)分組的土地利用C循環(huán)基因歸一化對(duì)數(shù)豐度的平均值±SE值。

圖9 按N循環(huán)途徑分組的不同土地利用方式N循環(huán)基因歸一化對(duì)數(shù)豐度的平均值±SE值。

6、隨機(jī)森林分類模型

該模型的分類準(zhǔn)確率為0.95（kappa統(tǒng)計(jì)量為0.93）。不同土地利用類型的分類精度分別為：原生林100%、更新灌叢96.7%、灌溉牧草100%、旱地牧草100%、外來(lái)林75%。原生森林土壤的主要分類特征為高含水量（8.15%）、高基因豐度（7.99%，硝酸鹽還原）、nxrA （7.17%；亞硝酸鹽氧化），nxrB（6.57%；亞硝酸鹽氧化）和nrfA（7.10%；narG（7.41%）和nirB（7.67%）基因豐度較低；C降解基因如β-木糖苷酶（7.77%；半纖維素降解）和支鏈淀粉酶（7.14%；淀粉降解）。高碳氮比和低含水率分別占8.47%和9.84%，是灌木再生土壤分類的關(guān)鍵特征。再生灌木土壤的其他主要特征包括β-木糖苷酶豐度較低（10.16%；半纖維素降解），支鏈淀粉酶（7.23%；淀粉降解）；%放線菌（7.08%）和N循環(huán)基因（6.50%）。外來(lái)森林土壤最顯著的特征是高GP/GN（12.07%）、高% Gram-P（10.05%）、高C/N（7.59%）、低土壤水分和AMN/ TN(6.94%和6.93%)（圖10）。幾丁質(zhì)降解，β-木糖苷酶（8.26%；半纖維素降解），narG（8.07%；低C/N(6.99%)的預(yù)測(cè)精度最高。同樣，低C/N（10.47%）的預(yù)測(cè)精度較高，β-木糖苷酶基因豐度較高（10.87%；內(nèi)半纖維素降解)，支鏈淀粉酶（9.71%；淀粉降解），narH （8.51%；硝酸鹽還原）。

圖10 平均降低精度（MDA）最高的前15種土壤性質(zhì)（%）。

結(jié)論：

土地利用強(qiáng)度的變化在農(nóng)業(yè)景觀中產(chǎn)生了土壤微生物功能基因的多樣性和組成的顯著變化。值得注意的是，農(nóng)業(yè)用地強(qiáng)度與微生物c降解基因的多樣性和豐度顯著增加相關(guān)。殘余原生林和再生原生林的土壤微生物C降解基因多樣性和豐度最低，土壤C含量最高。這表明，與農(nóng)業(yè)用地相關(guān)的土壤微生物群可能具有增加的礦化土壤C的功能能力，這可能導(dǎo)致土壤C隨著吸入二氧化碳而更多地流失到大氣中。制定可持續(xù)的土地利用做法，最大限度地減少土壤C的流失，促進(jìn)土壤C庫(kù)的持久性，是提高土壤生產(chǎn)力和減輕氣候變化影響的重要工具。本研究結(jié)果可用于支持旨在增強(qiáng)土壤C庫(kù)在農(nóng)業(yè)景觀中的持久性的土地管理決策，例如保護(hù)剩余的原生森林碎片和更多地納入再生的原生植被。