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GCB|全球土地利用与农业投入对土壤微生物多样性和网络结构的影响

  • 2026-10-12 16:56:55
GCB|全球土地利用与农业投入对土壤微生物多样性和网络结构的影响

题目:Soil Microbial Diversity and Network Organization Respond to Land Use and Agricultural Inputs Worldwide

期刊:Global Change Biology

影响因子:12.5/15.3 (2025/5年)

中科院/JCR分区:一区/Q1

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摘要

土壤微生物对生态系统功能至关重要,但气候与农业管理措施如何影响其多样性和群落结构,目前尚不明确。本研究以全球33个国家、不同生物群落的1921个土壤样本为对象,探究气候梯度与农业投入(如杀虫剂和化肥)如何影响原核生物和真菌群落的构建。研究发现,自然土壤与农业土壤之间存在显著差异,且微生物多样性在中等温度下达到峰值。农业活动在提升微生物多样性的同时,也显著改变了群落的物种组成。农药使用选择性抑制细菌多样性,并驱动真菌群落的组成重构,表现为外生菌根真菌的减少和腐生真菌的富集;而施肥则削弱了微生物网络的内部关联,且有机与无机肥处理间的群落分化显著。这些结果表明,气候因素与农业管理措施共同调控着土壤微生物多样性及网络结构,这对人工管理景观中的土壤健康与生态系统稳定性具有重要启示。综上所述,杀虫剂及有机/无机肥料等农业活动构成了强大的生态过滤器,重塑了全球土壤微生物群落:多样性在表观上有所提升,但群落功能却转向不互惠、碎片化和抗性降低的方向。

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主要结果

3.1 气候梯度驱动下大陆尺度微生物多样性的非线性低幅变异 (R2 = 0.09–0.21)

图1:采样点土壤微生物多样性的全球分布格局。(a)细菌/古菌(16S rRNA基因)和真菌(ITS)群落测序样本的地理分布(按经纬度标绘)。图中界线仅示意研究区域范围,不代表公认国界。(b)采样点气候变化,以年均气温与年降水量表示。(c)16S与ITS数据集香农熵随年均温的变化(拟合曲线来自广义加性模型,GAM)。(d)16S与ITS数据集香农熵随最干旱季度均温的变化(GAM)。其他生物气候变量与多样性的关系见附图S1。(e、f)16S(e)与ITS(f)数据集在主要陆地生物群落中的箱线图。生物群落类型依据样本元数据中的生态区划分,不含土地利用类别。农业土壤作为跨生物群落的土地利用类型单独分析,未纳入本图。

3.2 自然与农业土壤微生物群落和功能性状的差异

图2:土地利用对全球土壤微生物多样性与群落组成的影响。(a–b)基于主坐标分析(PCoA)的细菌/古菌(16S,a)和真菌(ITS,b)群落结构,按颜色区分自然土壤与农业土壤。(c–d)自然与农业土壤中细菌/古菌(c)和真菌(d)香农熵的箱线图。(e–f)基于ANCOM-BC分析的火山图,展示在自然或农业土壤中显著富集的属(16S rRNA基因,e;ITS,f)。星号(*)表示仅能归于更高分类级别的未描述属;灰色虚线表示调整后的显著性阈值(p-adj < 0.001)。(g–i)自然与农业土壤中真菌功能类群相对丰度箱线图:(g)植物病原菌,(h)腐生真菌,(i)外生菌根真菌。

3.3 农药施用对农业土壤微生物多样性、功能群及群落结构的影响

图3:农业活动对土壤微生物多样性、功能类群及群落组成的影响。(a)施用与未施用农药的农业土壤中细菌/古菌(16S)和真菌(ITS)群落的香农熵。(b–d)施用与未施用农药土壤中真菌功能类群的相对丰度:(b)植物病原菌,(c)外生菌根真菌,(d)腐生真菌。(e–f)基于ANCOM-BC分析的火山图,展示施用与未施用农药土壤中显著富集的属:(e)16S数据集,(f)ITS数据集。(g–j)与(a–d)相同的比较,但仅针对施用与未施用化肥的农业土壤。(k–l)施用与未施用化肥土壤中显著富集属的火山图:(k)16S,(l)ITS。(m–p)与(a–d)相同的比较,但仅针对无机肥与有机肥处理的土壤。(q–r)无机肥与有机肥处理间显著富集属的火山图:(q)16S,(r)ITS。星号(*)表示仅能归于更高分类级别的未描述属;所有火山图中的灰色虚线表示调整后的显著性阈值(p-adj < 0.001)。(a–p)箱线图中显著性标记:*p < 0.05;**p < 0.01;***p < 0.001;n.s.,不显著。

3.4 施肥对微生物群落的选择性影响及网络内聚力的削弱

图4:农业活动对土壤微生物共现网络结构的影响。(a)基于16S rRNA基因(上图)和ITS(下图)数据集推断的共现网络,对比施用与未施用农药的农业土壤。节点大小代表节点度(即该分类单元的连接数)。(b)施用与未施用化肥土壤微生物网络。(c)箱线图汇总了两组网络指标,包括聚类系数、网络密度和模块化。图中所有“施用 vs 未施用”的呈现差异显著(p < 0.001)。网络推断基于SparCC相关性(阈值 = 0.3),网络特征(聚类系数、网络密度和模块化)基于50次抽样(bootstrap)计算,详见方法部分。

3.5 有机肥与无机肥对土壤微生物群落影响的差异

图5:肥料类型对土壤微生物共现网络结构的影响。(a)基于16S rRNA基因(上图)和ITS(下图)数据集推断的共现网络,对比施用无机肥与有机肥的土壤。节点大小代表节点度(即该分类单元的连接数)。(b)箱线图汇总了两组网络特征,包括聚类系数、网络密度和模块化。***p < 0.001;n.s.,不显著。网络推断与指标计算均按方法部分描述的NetCoMi-SparCC流程执行。

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文案:姬江浩 

审核:胡旭朝

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