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【Nature Food】中国农业生态系统亚表层土壤微生物群落及其功能对全球变化的抵抗力低于表层土壤

  • 2026-10-11 07:15:58
【Nature Food】中国农业生态系统亚表层土壤微生物群落及其功能对全球变化的抵抗力低于表层土壤

题目:Agricultural subsoil microbiomes and functions exhibit lower resistance to global change than topsoils in Chinese agroecosystems

译名:中国农业生态系统亚表层土壤微生物群落及其功能对全球变化的抵抗力低于表层土壤

第一作者:Ziheng Peng

通讯作者:焦硕教授

期刊:Nature Food

5年影响因子:23.6

第一单位:西北农林科技大学

在线发表时间:2025.1.3

DOI:https://doi.org/10.1038/s43016-024-01106-7

研究亮点

1.亚表层土与表层土壤相比,在物种多样性、群落组成、微生物网络和生态系统功能复杂性方面的变化更大。

2.微生物相互接种实验排除了亚表层土壤物理化学环境对稳定性的潜在干扰,将亚表层微生物引入表层土壤会显著降低其功能稳定性,表明微生物群落的自身演化特征是决定土壤抗逆性的关键。

研究背景

       土壤是陆地生态系统的功能核心,不仅供给植物生长,还维持了全球较高的生物多样性和大量的碳库。然而,过去关于土壤生态系统抗逆性的研究大多集中在表层土壤,而占据全球土壤有机碳、氮、磷储量近一半的亚表层土壤却往往被忽视。随着全球气候变暖、干旱加剧以及深耕等人类活动导致的污染物淋溶,亚表层土壤正面临前所未有的环境压力。由于亚表层土壤环境相对稳定,受外界影响波动的频率较低,推测其微生物群落及其生态功能对突发性环境变化的敏感性可能远高于表层土壤。进一步评估并对比不同土层的抗逆性,对于预测未来气候变化下农业生产的可持续性和农作物产量具有重要意义。

研究方案

       研究结合了田间试验、微宇宙试验和微生物互换试验,分析了表层土壤(0-20 cm)和亚表层土壤(20-40 cm)在升温、养分富集及其组合干扰下的生态抗性。研究包括以下内容:

田间试验:从热带到温带的广泛气候梯度,中国40个农业地点收集了田间样本。针对单一站点开展了涉及10种全球变化因子(干旱、微塑料、抗生素、重金属等)的多因子试验,开展长达84天、采样7次的野外原位试验来观测微生物群落的时间稳定性。

微宇宙试验:通过微宇宙试验模拟了增温(+5°C)和养分富集(氮肥添加)及其复合影响,评估土壤生物多样性、群落结构及功能的抗逆性。

微生物互换试验:将表层和次表层的微生物分别接种到灭菌后的对方土壤中,通过功能阻力指数评价微生物群落对生态抗逆性的直接贡献。

研究结果

      通过对全国40个站点的调查发现,亚表层微生物的物种丰富度、群落结构及物种间交互作用均表现出更为显著的变化。随着扰动因子数量的增加,亚表层的群落抗逆性指数下降幅度远超表层。此外,野外原位实验显示,亚表层土壤在自然环境波动下的稳定性较低,其微生物多样性和群落组成的变化程度显著高于表层。

       土壤总物种丰富度与多样性抗逆性、群落抗逆性及功能抗逆性之间均存在显著的正相关关系。在表层土壤中,这种效应表现出饱和现象,表明高多样性能够有效缓冲环境压力。相比之下,亚表层土壤由于初始生物多样性较低,其抗逆性对多样性的依赖更为线性且敏感。

       微生物相互接种试验证明微生物群落本身决定了土壤的功能抗逆性。将亚表层微生物引入表层环境会显著降低其功能稳定性,而表层微生物则表现出更强的抗逆能力。说明表层微生物在长期多变的表层土壤环境中演化出了更具韧性的生理特性。

总结与展望

      研究揭示了亚表层土壤在应对环境变化时的生态系统抵抗力减弱,强调土壤生物多样性在农业生态系统应对环境变化和维持生态功能中的关键作用。未来的研究应倾向于采用更少侵入的原位观测技术,探讨不同作物种类及其根系分泌物如何调节亚表层土壤微生物的抗逆性。

编辑丨吕付泽

监制丨何丽兵

审核丨王超群

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