東北地理所在土壤剖面微生物驅(qū)動的碳氮磷循環(huán)耦合過程方面取得新進展
不同生態(tài)系統(tǒng)中的土壤微生物群落組成和多樣性特征被廣泛報道，目前需要探索的一個關(guān)鍵問題是，如何將這些微生物類群與生態(tài)系統(tǒng)功能進行關(guān)聯(lián)。近年來，宏基因組測序技術(shù)對揭示土壤微生物驅(qū)動的生物地球化學(xué)過程提供了技術(shù)支撐。然而，目前宏基因組學(xué)研究大多專注于表層土壤，而深層土壤中的微生物群落或許對土壤長期碳固存具有重要影響。因此，要充分了解土壤生態(tài)系統(tǒng)功能，對深層土壤微生物群落功能特征的研究不可忽視。
黑土是寶貴的土壤資源，在我國土壤分類系統(tǒng)中被命名為均腐土綱（Isohumosols），根據(jù)水分狀況進一步劃分為干潤（Ustic）和濕潤（Udic）均腐土亞綱。東北地理所農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組研究人員基于土壤剖面診斷層特征采集的干潤和濕潤均腐土樣本，利用宏基因組測序技術(shù)，對均腐土剖面微生物介導(dǎo)的碳、氮和磷循環(huán)過程基因的耦合關(guān)系進行了系統(tǒng)分析。結(jié)果表明均腐土剖面微生物功能基因多樣性受均腐土亞綱分類和診斷層的顯著影響，功能基因多樣性和微生物在屬水平上的多樣性呈顯著正相關(guān)關(guān)系（圖1）。冗余分析（RDA）和隨機森林模型（RF）表明土壤pH對微生物功能基因的影響最大，其次是碳質(zhì)量（CQI，圖2）。相比母質(zhì)層（C層）土壤，腐殖質(zhì)層（Ah層）土壤的氮礦化和不穩(wěn)定碳降解相關(guān)基因的相對豐度顯著增加，而土壤惰性碳降解、反硝化作用和磷循環(huán)相關(guān)基因的相對豐度顯著降低（圖3）。網(wǎng)絡(luò)分析結(jié)果表明，相比腐殖質(zhì)層，母質(zhì)層土壤的微生物功能基因相互作用更加緊密，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性更高。本研究結(jié)果為特定微生物類群介導(dǎo)的生物地球化學(xué)循環(huán)耦合過程的潛在機制提供了新見解。
研究成果近期發(fā)表于國際期刊《Science of the Total Environment》上。東北地理所農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)科組特別研究助理劉株秀為論文的第一作者，劉俊杰和王光華研究員為通訊作者。研究得到國家自然科學(xué)基金（41977202）和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項（XDA28020201）的資助。
圖1 干潤和濕潤均腐土剖面微生物功能基因多樣性的變化及其與物種分類多樣性的相關(guān)性
圖2 冗余分析（RDA）和隨機森林模型（RF）揭示土壤性質(zhì)對微生物功能基因的影響
圖3 均腐土剖面碳氮磷循環(huán)相關(guān)基因相對豐度的變化及耦合關(guān)系
論文信息如下：
Liu Z X, Gu H D, Yao Q, Jiao F, Hu X J, Liu J J*, Jin J, Liu X B, Wang G H*. Soil pH and carbon quality index regulate the biogeochemical cycle couplings of carbon, nitrogen and phosphorus in agricultural Isohumosols. Science of the Total Environment, 2024, 922: 171269.
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