ISME：侵蚀降低了土壤微生物的多样性、网络复杂性和多功能性

原文信息

原文标题：Erosion reduces soil microbial diversity, network complexity and multifunctionality

发表期刊：The ISME Journal

影响因子：10.302

发表时间：2021.03

第一作者：Liping Qiu、Qian Zhang、Hansong Zhu

通讯作者：Xiaorong Wei

第一单位：西北农林科技大学

论文链接：

https://doi.org/10.1038/s41396-021-00913-1

编 译：刘开放 云南大学生态与环境学院

摘要

土壤侵蚀会导致土地退化，但侵蚀对土壤微生物和土壤功能性的影响尚知之甚少。这对于评估侵蚀对土壤生态系统服务的影响，以及侵蚀生态系统的恢复造成了严重阻碍。本研究评估了侵蚀对两个地点土壤微生物群落的影响。研究发现，与未受侵蚀样地相比，受侵蚀影响样地的微生物网络复杂性更低，微生物类群之间的联系也更少。土壤侵蚀也改变了微生物群落的组成：变形菌、拟杆菌和芽单胞菌等优势门的相对多度降低。相比之下，侵蚀导致一些氮循环相关细菌科的相对多度增加，如醋杆菌科和拜叶林克氏菌科。微生物群落特征的变化与侵蚀引起的土壤多功能性变化显著相关。综上所述，土壤侵蚀对土壤微生物多样性和多功能性具有显著的负面影响。

引言

土壤侵蚀是土壤健康和可持续发展所面临的最大挑战之一。频繁的人类活动和极端气候事件加速了土壤侵蚀。侵蚀影响了占世界陆地面积84%的土地，是全世界超过三分之一的土壤退化的重要诱因。据预测，到2050年，退化将增加90%，严重威胁人类福祉。表层土壤和养分是微生物的栖息地和土壤生态系统服务的基础，侵蚀导致肥沃的表层土和养分流失，进而导致生产力下降。据估测，土壤侵蚀将导致作物产量损失50%以上。此外，通过影响温室气体和农业污染物的排放，土壤侵蚀对环境产生了深远的影响。鉴于其对全球可持续发展的影响，联合国发起了“防止土壤侵蚀，拯救我们的未来”的倡议，作为2019年世界土壤日的主题。

多种生态系统功能是同时进行，而非单独发生的。因此，生态系统功能的多角度系统解析将提高我们对土壤生态系统服务以及这些服务对生物多样性和环境变化响应的理解。土壤微生物群落是生态系统和土壤生态过程的基础，可以驱动能量流动和质量通量，调节人为干扰和环境变化对土壤生态系统的影响。土壤微生物的组成、结构和功能对土壤环境变化极为敏感。通过影响温室气体排放以及碳和养分循环，土壤微生物会产生重要的环境效应。鉴于土壤微生物多样性对生态系统多功能性的重要性，在研究陆地生态系统对侵蚀的响应机制时，必须考虑土壤微生物多样性。

土壤微生物多样性极为丰富，在1克土壤中有成千上万的物种，而多样性通常不足以理解微生物的功能。通过共现网路可以检测微生物个体之间的联系，它们的功能组可以揭示基于资源可用性和环境异质性的生态关系。虽然共现网路分析不能全面指征生物之间的关联，但它可以有助于理解微生物的复杂性以及这种复杂性如何随着环境因素而变化，以及理解微生物如何对生态系统功能产生影响。网络分析还可以揭示一些微生物类群为什么经常共同出现，或者某些微生物类群对于维持网络结构的重要性。共现网路的复杂性可以通过网络性质来评估，如度、聚类系数和模块化，这些性质指征了操纵分类单元之间的连通性。揭示土壤微生物多样性是如何随着土壤侵蚀而变化是尤为重要的。最近的研究表明，网络连接对微生物群落的稳定性和生态系统的多功能性具有重要意义。此外，核心微生物分类群是高度关联的分类群，无论其在空间和时间上的多度如何，它们都会对微生物群落的结构和功能产生重大影响。这些分类群增加了群落间的生物联系，并且可以作为群落变化的重要指征。由于主要分类群的缺失会对网络连通性产生负面影响，因此跨侵蚀等级识别此类分类群可以深入了解侵蚀的影响，进而明确侵蚀对微生物功能和生态系统多功能性产生影响的机制。

土壤微生物群落的组成和功能受土壤非生物特性的调节，如pH、土壤质地、养分含量和可用水含量，这些特性对土壤侵蚀很敏感。侵蚀通过改变自然土壤性质和移除植被保护对微生物生物量、多度和组成产生负面影响。反过来，所有这些变化可能会改变土壤养分和土壤功能。尽管它们十分重要，但土壤侵蚀和由侵蚀引起的土壤退化对微生物的结构和功能以及它们之间联系的影响仍远未被研究透彻。为了恢复被侵蚀的环境，我们必须加强对侵蚀和相关土壤退化引起的生物和非生物变化的理解。

通过测定土壤微生物群落的多样性、组成和网络复杂性在不同侵蚀强度样地之间的差异，本研究评估了土壤微生物群落对侵蚀的响应。确定了侵蚀引起的微生物群落变化与土壤多功能性的关系。本研究假设侵蚀会对土壤微生物多样性和网络复杂性产生负面影响。为验证这一假设，本研究在气候、土壤条件差异极为显著的两个开展了独立研究，以确定不同环境中的响应是否相似。该研究在黑龙江省嫩江和中国陕西省富县进行。这两个地点相距2500公里，代表了两个不同情况的土壤侵蚀区。在这两个地点，我们选择了四种侵蚀强度的地块构成侵蚀梯度。

在每个地点，我们测量了一系列土壤理化、土壤功能参数和微生物特性，并计算了土壤多功能性指数。我们还利用16S rRNA基因扩增子测序对土壤细菌的多样性和组成进行了测定。这一数据被用来构建共现网路，以探索微生物之间的联系，并确定微生物核心类群。最后，本研究将这些参数与土壤功能联系起来，以检验微生物群落特征是否与土壤质量和土壤侵蚀有关。本研究证明了土壤侵蚀降低了土壤多功能性和细菌多样性，以及微生物类群间的网络复杂性和关联性。此外，微生物群落特征的变化与侵蚀引起的土壤多功能性变化呈正相关。

材料和方法

为研究土壤侵蚀引起的土壤多功能性和微生物特性的变化，研究人员选择了陕西省富县和黑龙江省嫩江两个试验点，分别代表了我国黄土高原和东北黑土区这两个重要的土壤侵蚀区。全国超半数的水土流失发生在这两个地区。黄土高原地区土壤侵蚀发生在陡短坡，坡度大于15°，坡长大约200 m。东北地区土壤侵蚀发生在缓长坡上，坡度为1 ~ 5°，坡长约2 km。富县为黄土区，属于黑钙土。粘粒含量为11-21%，质地为砂壤。嫩江为黑土区，属于淋溶黑土。粘粒含量为25-35%，质地为粘壤。富县气候为暖温带季风气候，年平均气温约为9.0°C，年平均降水量为577 mm。嫩江气候为寒带半干旱气候，年平均气温约为0.4°C，年平均降水量为500mm。在富县和嫩江的两个坡面上分别选取4个代表不同的土壤侵蚀强度的地点，即未侵蚀（E0）、轻度侵蚀（EL）、中度侵蚀（EM）和重度侵蚀（EH）。

本研究测量了13种土壤性质，其中12种用于评价土壤多功能性。分别是土壤湿度、pH、有机碳、全氮、全磷、铵态氮和硝态氮、速效磷和速效钾、微生物碳和氮、净矿化有机碳和氮。我们用这些性质分析土壤养分有效性、生物地球化学循环和微生物生产力。土壤性质采用Page等人的标准方法进行测量。土壤多功能性根据Fanin等人的方法评估。使用FastDNA Spin试剂盒从土壤中提取总DNA。利用Mothur软件计算α多样性指数。使用ANOSIM评估不同侵蚀程度的β多样性。通过R中的Vegan包的CPCoA对Bray-Curtis距离进行排序。通过 ANOVA检验来计算统计显著性。使用WGCNA包构建共现网路，仅使用相对多度 > 0.01%的OTU进行分析。网络属性通过igraph包分析。采用ANOVA来检验地点和侵蚀强度对土壤性质、土壤多功能性、α多样性和共现网路的影响。采用线性回归分析，评估了土壤有机质与核心类群α多样性、共现网路参数和相对多度的关系。采用皮尔逊相关系数评估α样性指标与土壤性质的关系。采用冗余分析评估细菌门和科水平相对多度与土壤水分和养分的关系。

表1. 土壤侵蚀对福县土壤性质的影响。

结果

土壤质量与多功能性

土壤侵蚀导致两个地点的土壤性质发生了显著变化，并降低了土壤多功能性。侵蚀对嫩江地区的影响更强（表1）。受侵蚀样地的土壤有机碳和总氮含量、有效养分、微生物碳和氮含量以及土壤含水量均低于未侵蚀样地。在嫩江，受侵蚀样地净矿化有机碳和氮低于未侵蚀样地。土壤侵蚀与多种土壤参数呈显著负相关，侵蚀样地的土壤多功能性较低（表1）。

土壤微生物多样性及其对多功能性的贡献

侵蚀导致土壤微生物多样性显著下降，相比于富县，嫩江受到的影响更大（图1）。在两个地点，受侵蚀样地的香农指数、ACE和物种数都显著低于未侵蚀样地。土壤微生物多样性与土壤多功能性呈显著正相关（图1），也与大多数土壤特性呈正相关（P < 0.05）。因此，受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密切相关。

微生物群落结构受侵蚀和土壤性质的显著影响（图2）。嫩江的重度侵蚀样地和未侵蚀样地、重度侵蚀样地和轻度侵蚀样地、富县的未侵蚀样地和中度侵蚀样地以及未侵蚀样地和重度侵蚀样地之间的土壤群落组成差异显著。CPCoA分析表明，微生物群落组成随土壤侵蚀强度变化而变化（图2a，b）。这些结果表明，土壤侵蚀严重影响了土壤微生物群落。

土壤微生物组成

两个地点土壤中的微生物群落主要由变形菌门、放线菌门、酸杆菌门、拟杆菌门和芽单胞菌门组成，约占所有已鉴定菌门相对多度的85%。侵蚀显著降低了嫩江变形菌和芽单胞菌以及富县的拟杆菌的相对多度（图2c，d）。嫩江放线菌数量显著增加，富县略有减少。相比之下，富县的酸杆菌多度显著增加，但嫩江站点略有减少（图2c、d）。

在科水平上，富县和嫩江分别有57-63%和29-41%的细菌没有被鉴定出来。因此，本研究首先关注相对多度大于1%的细菌科对土壤侵蚀的响应，这种响应因地点而异。在富县，侵蚀导致甲壳纲、盖藻科、梭杆菌科、诺卡氏菌科的多度显著降低，对其他成员没有影响。在嫩江，侵蚀导致丛毛单胞菌科、石决明科和诺卡氏菌科的多度显著降低，而酸杆菌科和弗兰克氏菌科的多度显著增加，对其他分类成员没有影响（图2e，f）。

根据FAPROTAX分析，将特定的细菌类群分为功能群，本研究特别侧重于参与土壤氮循环的细菌。鉴定了4个氮循环功能群的6个细菌科，即好氧氨氧化菌、好氧亚硝酸盐氧化菌、反硝化菌和固氮菌。Kruskal-Wallis检验结果表明，土壤侵蚀显著增加了富县和嫩江的乙酰杆菌科的多度。此外，这两个地点的乙酰杆菌科的多度与土壤多功能性呈现负相关。相比之下，氮循环细菌的其他成员的多度不受侵蚀的显著影响。

土壤微生物网络复杂性

每个地点的土壤细菌网络显示出不同的共现模式（图3）。本文采用节点数、边数、介数和匹配度等网络拓扑参数来评估土壤微生物网络的复杂性，节点数和边数越高，介数和匹配度越小，说明土壤微生物网络的复杂性越大。在两个地点，侵蚀样地的介数和匹配度均高于未侵蚀样地，而节点数和边数均低于未侵蚀样地。此外，这种影响随着侵蚀强度的增加而增加（图3）。这些结果有力地证明，土壤侵蚀影响了微生物群落，从而降低了土壤微生物网络的复杂性。此外，网络复杂性的变化与土壤的多功能性有很强的相关性 （图3）。

通过网络分析，确定了嫩江核心OTUs是放线菌和酸杆菌，而富县核心OTUs属于土壤杆菌。土壤杆菌的相对多度与土壤多功能性呈正相关，且随着富县土壤侵蚀强度的增加而降低，但在嫩江则没有降低（图4a，b）。放线菌的相对多度随着土壤侵蚀强度的增加而增加，且在嫩江与土壤多功能性呈负相关，而在富县则不相关（图4a，c）。酸杆菌既不受侵蚀的影响，也不与土壤多功能性相关。

讨论

侵蚀降低了微生物多样性和土壤多功能性

本研究在两个土壤质地、气候和侵蚀历史不同的地点开展，发现侵蚀导致土壤生物多样性和多功能性的持续下降。众所周知，土壤侵蚀会导致土壤结构恶化、养分流失、养分有效性降低、水分有效性降低以及土壤功能下降。然而，侵蚀对土壤微生物群落的影响受到的关注较少，目前还不清楚侵蚀引起的土壤微生物网络复杂性的变化是否与土壤多功能性的降低是否有关。土壤有机质、养分和水分因侵蚀而减少（表1），这可能直接导致细菌多样性和土壤多功能性的丧失。因为资源有效性的降低限制了细菌的新陈代谢和组成，从而削弱了它们对土壤功能的支持。此外，侵蚀土壤中容重的增加和土壤有机质含量的减少会导致土壤导热系数的增加和土壤热容量的降低，从而导致土壤温度的日变化和季节变化更大。虽然这项研究没有测量到土壤温度，但之前的研究表明，受侵蚀样地的土壤温度比未受侵蚀场地的土壤温度变化更大。因此，土壤群落多样性和功能性的丧失可以间接归因于土壤热异质性的增加，因为大多数土壤微生物对局部温度变化非常敏感。

土壤细菌组成的变化

在门水平上，本研究发现变形杆菌、拟杆菌和双生单胞菌的相对多度因侵蚀而降低。在本研究采集的大部分土壤样品中，变形菌是最丰富的类群。许多变形菌被认为是富营养菌，具有相对较快的生长速度和利用各种底物的能力。据报道，芽单胞菌门的相对多度与土壤养分呈正相关（图8）。本研究中发现的这三个门的相对多度的降低可能与侵蚀引起的有效底物和营养物质的损失有关。

嫩江的放线菌相对多度增加，富县的酸杆菌多度增加。放线菌对土壤水分条件很敏感，与土壤水分呈负相关。在本研究中，侵蚀显著降低了嫩江的土壤水分，但对富县的影响很小，这可能是侵蚀对富县的放线菌多度没有影响的原因。这一解释与以前的报告是一致的，这表明水分增加导致土壤放线菌多度下降。酸杆菌被认为是寡营养菌，也受土壤水分的制约，与大多数土壤养分呈负相关，与土壤水分呈正相关（图3）。因此，本研究的结果表明，土壤水分下降的负面影响可能抵消了土壤养分下降对嫩江酸杆菌多度的积极影响，导致该门对侵蚀的响应较为微弱。相反，在富县，养分含量较低，但侵蚀地块土壤水分的下降幅度较小，可能导致酸杆菌多度增加。

目前的研究结果表明，侵蚀样地中某些细菌科的相对多度明显低于未侵蚀样地。这种响应模式可能是由于这些分类群依赖于更高含量的土壤水分和养分。有趣的是，侵蚀导致嫩江站点的酸杆菌科和法兰克科成员增加，很可能是由于土壤水分和养分对这两个科的负面影响。此外，本研究发现在这两个位点上，固氮菌的存在因侵蚀而显著增加。这种增加可能是由于侵蚀后氮有效性的降低，使环境对固氮细菌有利。还需要进一步的研究来证实这一假设。总之，这些结果表明，侵蚀后细菌组成的变化与土壤性质的变化密切相关。

侵蚀影响微生物群落的复杂性和关键类群

本研究的结果还表明，侵蚀降低了两个地点土壤微生物群落的网络复杂性。网络复杂性的降低可能是由于资源限制的增加，这降低了微生物多样性和网络复杂性。这些结果与先前的结果一致，即土壤微生物网络复杂性随着资源可用性增加而增加，但随着土壤肥力和水可用性降低以及土壤管理的强化而降低。

关键种作为环境变化的指标，在微生物群落的结构和功能中起重要作用，因此可能与土壤微生物群落有显著关系。在这项研究中，本研究将土壤杆菌、放线菌及酸杆菌确定为关键种，这与以前的研究一致。虽然关键种的多度和分布受时空异质性的驱动，但本研究中关键种的变化可能是由这两个地点的成土作用、土壤和气候因素的差异造成的。

也就是说，本研究确实观察到两个地点之间关键类群对侵蚀的差异响应（图4a）。富县土壤侵蚀引起的土壤杆菌相对多度的降低是可以预期的，因为在以前的研究以及本研究中，土壤杆菌与土壤养分呈显著正相关。这种响应模式与观察结果一致，即土壤杆菌的多度随着该地点侵蚀强度的增加而显著降低。大多数放线菌喜欢有氧环境，适应干旱条件，对干燥和寡养条件有很强的抵抗力。嫩江土壤中较高的粘土和有机质含量可能导致相对高的土壤含水量，并可能导致土壤经常处于厌氧条件下。相比之下，侵蚀通常会导致土壤中有机碳和粘土的损失，从而降低土壤保持水分的能力（表1），使土壤氧气含量增加，这可能会导致放线菌的数量增加。这可以解释本研究的发现，即嫩江的放线菌与土壤有机碳和水分含量呈负相关。鉴于对侵蚀的显著反应及其与微生物群落的关系（图4），以及在微生物群落结构和功能中的重要作用，本文确定的关键分类群可用作土壤侵蚀对微生物群落和土壤多功能性影响的指标。

不同地点侵蚀效果的差异

本研究结果还表明，侵蚀显著降低了土壤多功能性、土壤微生物群落在两个地点的多样性和网络复杂性，表明即使在明显不同的地点，土壤微生物群落对侵蚀的响应也是类似的。然而，侵蚀的影响在嫩江比在富县更大，可能是受侵蚀历史、初始有机碳和氮水平以及气候差异的影响。两个采样点都源于原始森林且都遭受了侵蚀，但嫩江的侵蚀历史比富县长。相比之下，土壤有机碳和氮也与土壤微生物的多样性和关联性密切相关。侵蚀引起的有机碳和总氮的变化也与微生物的多样性和关联性的变化密切相关。嫩江的有机碳和氮的初始浓度较比富点高约三倍。这相当于侵蚀后土壤有机碳和总氮的下降幅度更大，导致嫩江侵蚀区土壤细菌群落的多样性和关联性比富县侵蚀区损失更大。

气候也可能对土壤功能和微生物群落产生重大影响。本研究发现两个站点的年平均降水量相似，这可能对降雨引起的土壤侵蚀产生相似的影响。富县的年平均温度高于嫩江的年平均温度，这也可能导致侵蚀对土壤有机碳和氮，以及微生物群落的更大影响，因为土壤有机质的分解和土壤群落的多样性随着温度的升高而增加。然而，富县土壤中有机碳和总氮的较低浓度可能限制微生物生长所需的碳和养分，减弱了这一温暖地区的侵蚀效应。因此，在土壤功能和多样性对侵蚀的响应中，气候的影响可能小于侵蚀历史和有机碳和总氮初始浓度的影响。