土地利用方式變化改變生物生境和資源的時空分布，對生態系統的生態過程和生態系統服務功能造成影響。連年種植和化肥、農藥的使用致使土壤微生物、小型哺乳動物和鳥類的物種多樣性和服務功能下降。以往報道大多都集中在土壤功能基因多樣性與土地利用的關系上，但從空間尺度理解這種變化有助于更有針對性地加強土壤和生態系統的管理方法。
東北地理所農田分子生態學科組科研人員采集了黑土區未開墾的自然土壤和毗鄰的農田土壤，采用宏基因組測序方法對兩種土地利用方式下的功能基因多樣性、組成和裝配過程進行了解析，以未墾殖的黑土為參比，探討了退化農田土壤驅動的功能基因群落分異與土壤養分循環的作用機制。與以往認知相悖，本研究發現農田土壤功能基因的多樣性顯著高于自然土壤，農田土壤中更豐富的功能基因多樣性有助于農田生態系統提升對環境脅迫的恢復力，而自然土壤較低的功能多樣性可能歸因于可用資源限制和物種運動限制，導致特定土壤生態過程減少(圖1)。通常認為農田管理方式下土壤生境的均一化會降低土壤微生物功能的異質性，然而我們發現農田土壤功能基因的空間異質性顯著高于自然土壤，其主要是由于農田土壤功能基因對環境和土壤因子的響應強于自然土壤。此外，自然土壤受隨機性過程影響程度高于農田土壤，導致自然土壤功能基因具有更高的相似度(圖2)。
自然土地轉化為農業用地改變了區域和空間尺度功能基因的組成，顯著增加了與不穩定性碳源利用的相關功能基因豐度，但降低了惰性碳(如木質素、纖維素)、P循環和S循環相關功能基因的豐度。研究發現自然土壤富集了ureC、napA和nrfA基因介導的氨化和異化硝酸鹽還原(DNRA)過程，促進了N固存和NO3-周轉，通過基質有效性限制了反硝化過程。農田土壤中富集了nirK、norB和nosZ基因，通過外源NO3-積累抑制細胞色素c亞硝酸鹽還原酶的合成而促進了反硝化過程，相比自然土壤導致過多溫室氣體N2O的排放(圖3)。研究發現農田土壤核心功能基因的α多樣性與自然土壤的β多樣性分別是介導多重養分循環的主要貢獻因素，表明土壤功能基因多樣性在農田土壤肥力和作物生產力的維持中起關鍵作用，而在可利用資源有限的自然生態系統，生物間進行的代謝合作在維持自然土壤生態系統功能起著至關重要的作用(圖4)。
本研究的結果挑戰了自然生態系統向農業生態系統的轉變將導致土壤和生物特性的同質化同時降低基因功能多樣性的觀點。農田土壤具有高的基因多樣性和功能基因群落異質性，是農業土壤隨機過程減弱和生境同質性降低共同作用的結果。
該研究成果近期日發表在國際環境科學與生態學領域C刊《The ISME Journal》上。東北地理所劉俊杰研究員為論文第一作者，王光華研究員為通訊作者。南京大學地理與海洋科學學院郭亞萍博士和Jonathan M. Adams教授分別為論文的共同第一和共同通訊作者。該研究得到中國科學院戰略性先導科技專項(XDA28020201. XDA28070302)、中國科學院基礎前沿科學研究計劃從0到1原始創新項目(ZDBS-LY-DQC017)等項目聯合資助。
論文信息：
Junjie Liu, Yaping Guo, Haidong Gu, Zhuxiu Liu, Xiaojing Hu, Zhenhua Yu, Yansheng Li, Lujun Li, Yueyu Sui, Jian Jin, Xiaobing Liu, Jonathan M. Adams*, Guanghua Wang*. Conversion of steppe to cropland increases spatial heterogeneity of soil. The ISME Journal. 2023. DOI: 10.1038/s41396-023-01496-9.
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41396-023-01496-9
圖1. 黑土區農田土壤和自然土壤功能基因多樣性和群落結構分布
圖2. 農田土壤和自然土壤功能基因裝配機制的DDRs和NST、NCM分析
圖3. 農田土壤和自然土壤介導的碳、氮、硫和磷循環功能基因分布特征
圖4. 農田土壤和自然土壤功能基因共現網絡及對多重養分循環的貢獻
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