研究揭示：土壤侵蚀如何影响微生物多样性和土壤多功能性

研究揭示：土壤侵蚀如何影响微生物多样性和土壤多功能性

土壤侵蚀是全球面临的重大环境问题之一，它不仅会导致土地退化，还会影响土壤微生物群落的多样性和功能。来自西北农林科技大学的研究团队在《The ISME Journal》上发表了一篇重要研究，揭示了土壤侵蚀对微生物多样性和土壤多功能性的影响机制。

研究背景与意义

土壤侵蚀是土壤健康和可持续发展所面临的最大挑战之一。频繁的人类活动和极端气候事件加速了土壤侵蚀。侵蚀影响了占世界陆地面积84%的土地，是全世界超过三分之一的土壤退化的重要诱因。据预测，到2050年，退化将增加90%，严重威胁人类福祉。

土壤微生物群落是生态系统和土壤生态过程的基础，可以驱动能量流动和质量通量，调节人为干扰和环境变化对土壤生态系统的影响。土壤微生物的组成、结构和功能对土壤环境变化极为敏感。通过影响温室气体排放以及碳和养分循环，土壤微生物会产生重要的环境效应。

研究方法与地点

为研究土壤侵蚀引起的土壤多功能性和微生物特性的变化，研究人员选择了陕西省富县和黑龙江省嫩江两个试验点，分别代表了我国黄土高原和东北黑土区这两个重要的土壤侵蚀区。全国超半数的水土流失发生在这两个地区。

在每个地点，研究人员选择了四种侵蚀强度的地块构成侵蚀梯度：未侵蚀（E0）、轻度侵蚀（EL）、中度侵蚀（EM）和重度侵蚀（EH）。通过测定土壤微生物群落的多样性、组成和网络复杂性在不同侵蚀强度样地之间的差异，评估了土壤微生物群落对侵蚀的响应。

研究发现

土壤质量与多功能性

土壤侵蚀导致两个地点的土壤性质发生了显著变化，并降低了土壤多功能性。侵蚀对嫩江地区的影响更强。受侵蚀样地的土壤有机碳和总氮含量、有效养分、微生物碳和氮含量以及土壤含水量均低于未侵蚀样地。在嫩江，受侵蚀样地净矿化有机碳和氮低于未侵蚀样地。土壤侵蚀与多种土壤参数呈显著负相关，侵蚀样地的土壤多功能性较低。

图1. 土壤侵蚀对土壤细菌α多样的影响及其与土壤多功能性的关系。

土壤微生物多样性及其对多功能性的贡献

侵蚀导致土壤微生物多样性显著下降，相比于富县，嫩江受到的影响更大。在两个地点，受侵蚀样地的香农指数、ACE和物种数都显著低于未侵蚀样地。土壤微生物多样性与土壤多功能性呈显著正相关，也与大多数土壤特性呈正相关。因此，受侵蚀土壤中微生物多样性的丧失与土壤生态系统功能的下降密切相关。

土壤微生物组成

两个地点土壤中的微生物群落主要由变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、拟杆菌门和芽单胞菌门组成，约占所有已鉴定菌门相对多度的85%。侵蚀显著降低了嫩江变形菌和芽单胞菌以及富县的拟杆菌的相对多度。嫩江放线菌数量显著增加，富县略有减少。相比之下，富县的酸杆菌多度显著增加，但嫩江站点略有减少。

图2. 土壤侵蚀对土壤细菌群落组成的影响

在科水平上，富县和嫩江分别有57-63%和29-41%的细菌没有被鉴定出来。因此，本研究首先关注相对多度大于1%的细菌科对土壤侵蚀的响应，这种响应因地点而异。在富县，侵蚀导致甲壳纲、盖藻科、梭杆菌科、诺卡氏菌科的多度显著降低，对其他成员没有影响。在嫩江，侵蚀导致丛毛单胞菌科、石决明科和诺卡氏菌科的多度显著降低，而酸杆菌科和弗兰克氏菌科的多度显著增加，对其他分类成员没有影响。

土壤微生物网络复杂性

每个地点的土壤细菌网络显示出不同的共现模式。本文采用节点数、边数、介数和匹配度等网络拓扑参数来评估土壤微生物网络的复杂性，节点数和边数越高，介数和匹配度越小，说明土壤微生物网络的复杂性越大。在两个地点，侵蚀样地的介数和匹配度均高于未侵蚀样地，而节点数和边数均低于未侵蚀样地。此外，这种影响随着侵蚀强度的增加而增加。这些结果有力地证明，土壤侵蚀影响了微生物群落，从而降低了土壤微生物网络的复杂性。此外，网络复杂性的变化与土壤的多功能性有很强的相关性。

图3. 土壤细菌的共生模式及其与土壤多功能性的关系

通过网络分析，确定了嫩江核心OTUs是放线菌和酸杆菌，而富县核心OTUs属于土壤杆菌。土壤杆菌的相对多度与土壤多功能性呈正相关，且随着富县土壤侵蚀强度的增加而降低，但在嫩江则没有降低。放线菌的相对多度随着土壤侵蚀强度的增加而增加，且在嫩江与土壤多功能性呈负相关，而在富县则不相关。酸杆菌既不受侵蚀的影响，也不与土壤多功能性相关。

研究结论与启示

本研究在两个土壤质地、气候和侵蚀历史不同的地点开展，发现侵蚀导致土壤生物多样性和多功能性的持续下降。土壤侵蚀不仅降低了微生物多样性和土壤多功能性，还影响了微生物群落的复杂性和关键类群。研究结果表明，即使在明显不同的地点，土壤微生物群落对侵蚀的响应也是类似的。这一发现对于理解土壤侵蚀对生态环境的影响具有重要意义，也为土壤生态系统的保护和修复提供了科学依据。

本文原文来自mimazi.net