凌恩客户文献|《ISME》解析土壤侵蚀对微生物群落结构以及网络功能复杂性影响

土壤侵蚀会导致土地退化，但侵蚀对土壤微生物群落和多种土壤功能的影响仍不清楚，这阻碍了我们评估侵蚀对土壤生态系统真正的影响能力以及恢复侵蚀环境的能力。近日，凌恩生物客户西北农林科技大学在Nature子刊中科院一区《The ISME Journal》（IF=10.302）期刊发表题为“Erosion reduces soil microbial diversity, network complexity and multifunctionality”的研究论文，本文研究了土壤质地和气候形成对比的两个地点的土壤侵蚀对微生物群落的影响。

文章标题：Erosion reduces soil microbial diversity, network complexity and multifunctionality

发表时间：2021年3月

发表期刊：The ISME Journal

影响因子：10.302

实验设计

研究试验地点选择了陕西富县和黑龙江嫩江，即黄土高原地区和东北黑土地区两个站点。每个站点选择两个坡度，每个坡度设置四个取样位置，即非侵蚀（E0），轻度侵蚀（EL），中度侵蚀（EM）或重度侵蚀（EH），分别代表不同的土壤侵蚀强度。2017年取样，获得48个土壤样本。同时检测土壤样本的理化性质，包括土壤湿度、pH、有机碳、TC、TP等13个理化因子。

研究结果

1、土壤营养特征和多功能性

土壤侵蚀导致两个地方的土壤营养特性发生重大变化，并降低了土壤的多功能性；然而，嫩江地区的侵蚀作用比富县地区更大。

图1 微生物Alpha多样性与环境因子之间相关性

2、土壤微生物多样性及其对多功能性的贡献

侵蚀导致嫩江的土壤微生物多样性显着下降，比富县的土壤受到的影响更大。在这两个地点，侵蚀地块的Shannon，ACE和观察到的物种数量均显着低于非侵蚀地块。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有关。

图2 富县和嫩江受土壤侵蚀影响的土壤细菌与Alpha多样性的关系

3、微生物群落组成及功能

CPCoA微生物群落根据土壤侵蚀强度而强烈地聚在一起，这分别解释了嫩江和富县地区总变异的~16%和21%。这些结果表明土壤侵蚀严重影响了地下微生物。

两个站点土壤中的微生物群落主要由变形杆菌，嗜酸菌，拟杆菌和芽孢杆菌门组成，约占所有已鉴定门水平的85%。侵蚀显着降低了嫩江地区的变形菌门和芽单胞菌门的相对丰度以及富县地区的拟杆菌门的相对丰度。

图3 富县和嫩江站点受土壤侵蚀影响的土壤细菌群落组成（a-c-e：富县；b-d-f：嫩江）

使用FAPROTAX（原核生物分类群功能注释）注释，将特定的细菌进化枝分类为功能组。确定了属于四个N循环功能组的六个细菌家族，即好氧氨氧化（Nitrososphaeraceae）、好氧亚硝酸盐氧化（Nitrospiraceae）、反硝化（Hyphomicrobiaceae）和固氮（Beijerinckiaceae、Acetobacteraceae、Rhodospirillaceae）。土壤侵蚀显着增加了富县地区Acetobacteraceae和嫩江地区Beijerinckiaceae丰度。此外，这两个家族的丰度与土壤多功能性呈负相关。相比之下，此处鉴定的N循环细菌丰度并未受到侵蚀的显著影响。

图4 富县和嫩江土壤中氮循环细菌醋酸杆菌科和北耶林科（科水平）的相对丰度以及土壤多功能性与这些细菌丰度的关系 。

4、土壤微生物网络的复杂性

每个地点的土壤细菌群落网络显示出不同的共生模式。在这里，我们使用节点（node）、边数（edge）、介数（betweenness）和分类度（assortativity degree）来评估土壤微生物网络的复杂性，节点和边数越高，介数和分类度越小，代表网络复杂度越大。在这两个地点，侵蚀地块的介数和分类性高于非侵蚀地块，而节点和边数较低，这种影响随着侵蚀强度的增加而增加。结果表明，土壤侵蚀影响了微生物的联系，从而降低了土壤微生物群落网络的复杂性。此外，网络复杂性的变化与土壤多功能性（MF）密切相关。

图5 富县和嫩江土壤细菌群落网络图

网络分析确定了在嫩江地区的keystone OTUs为Actinomycetales和Acidimicrobiales（均为放线菌纲），富县keystone OTUs为Solirubrobacterales（嗜热菌纲）。Solirubrobacterales相对丰度与土壤多功能性（MF）呈正相关，在富县其丰度随土壤侵蚀强度而降低；放线菌纲OTUs的相对丰度随着土壤侵蚀强度的增加而增加，并且与嫩江地区的MF呈负相关；酸性微生物纲目OTUs既不受侵蚀强度的影响，也不与任一地点的MF相关。

图6 富县和嫩江受土壤侵蚀影响的keystone类群的相对丰度

5、土壤微生物群落与理化因子相关性

侵蚀地块中某些细菌科的相对丰度显着低于非侵蚀地块（例如富县地区的Chitinophagaceae, Gaiellaceae等；嫩江地区的Comamonadaceae, Haliangiaceae等），这种响应模式可能是由于这些菌群依赖于较高水平的土壤水分和养分。此外，我们发现在两个地点侵蚀地块的固氮细菌显著增加，可能是由于侵蚀后可以用氮减少，整体环境有利于固氮细菌。这些结果表明，侵蚀后细菌组成的变化与土壤条件的反应密切相关。

图7 RDA分析富县和嫩江优势菌门相对丰度与土壤性质的关系

本文研究结果对于理解土壤侵蚀对土壤微生物群落结构和功能的影响以及土壤退化与特定土壤微生物群的关系具有重要意义，在恢复退化土壤时应考虑两方面的改进。未来的研究需要研究退化土壤微生物群落和功能恢复来如何应对土壤侵蚀的预防措施和缓解策略。

参考文献：

Erosion reduces soil microbial diversity, network complexity and multifunctionality. 

doi: 10.1038/s41396-021-00913-1