土地利用方式變化改變生物生境和資源的時(shí)空分布，對生態(tài)系統的生態(tài)過(guò)程和生態(tài)系統服務(wù)功能造成影響。連年種植和化肥、農藥的使用致使土壤微生物、小型哺乳動(dòng)物和鳥(niǎo)類(lèi)的物種多樣性和服務(wù)功能下降。以往報道大多都集中在土壤功能基因多樣性與土地利用的關(guān)系上，但從空間尺度理解這種變化有助于更有針對性地加強土壤和生態(tài)系統的管理方法。

　　東北地理所農田分子生態(tài)學(xué)科組科研人員采集了黑土區未開(kāi)墾的自然土壤和毗鄰的農田土壤，采用宏基因組測序方法對兩種土地利用方式下的功能基因多樣性、組成和裝配過(guò)程進(jìn)行了解析，以未墾殖的黑土為參比，探討了退化農田土壤驅動(dòng)的功能基因群落分異與土壤養分循環(huán)的作用機制。與以往認知相悖，本研究發(fā)現農田土壤功能基因的多樣性顯著(zhù)高于自然土壤，農田土壤中更豐富的功能基因多樣性有助于農田生態(tài)系統提升對環(huán)境脅迫的恢復力，而自然土壤較低的功能多樣性可能歸因于可用資源限制和物種運動(dòng)限制，導致特定土壤生態(tài)過(guò)程減少(圖1)。通常認為農田管理方式下土壤生境的均一化會(huì )降低土壤微生物功能的異質(zhì)性，然而我們發(fā)現農田土壤功能基因的空間異質(zhì)性顯著(zhù)高于自然土壤，其主要是由于農田土壤功能基因對環(huán)境和土壤因子的響應強于自然土壤。此外，自然土壤受隨機性過(guò)程影響程度高于農田土壤，導致自然土壤功能基因具有更高的相似度(圖2)。

　　自然土地轉化為農業(yè)用地改變了區域和空間尺度功能基因的組成，顯著(zhù)增加了與不穩定性碳源利用的相關(guān)功能基因豐度，但降低了惰性碳(如木質(zhì)素、纖維素)、P循環(huán)和S循環(huán)相關(guān)功能基因的豐度。研究發(fā)現自然土壤富集了ureC、napA和nrfA基因介導的氨化和異化硝酸鹽還原(DNRA)過(guò)程，促進(jìn)了N固存和NO₃^-周轉，通過(guò)基質(zhì)有效性限制了反硝化過(guò)程。農田土壤中富集了nirK、norB和nosZ基因，通過(guò)外源NO₃^-積累抑制細胞色素c亞硝酸鹽還原酶的合成而促進(jìn)了反硝化過(guò)程，相比自然土壤導致過(guò)多溫室氣體N₂O的排放(圖3)。研究發(fā)現農田土壤核心功能基因的α多樣性與自然土壤的β多樣性分別是介導多重養分循環(huán)的主要貢獻因素，表明土壤功能基因多樣性在農田土壤肥力和作物生產(chǎn)力的維持中起關(guān)鍵作用，而在可利用資源有限的自然生態(tài)系統，生物間進(jìn)行的代謝合作在維持自然土壤生態(tài)系統功能起著(zhù)至關(guān)重要的作用(圖4)。

　　本研究的結果挑戰了自然生態(tài)系統向農業(yè)生態(tài)系統的轉變將導致土壤和生物特性的同質(zhì)化同時(shí)降低基因功能多樣性的觀(guān)點(diǎn)。農田土壤具有高的基因多樣性和功能基因群落異質(zhì)性，是農業(yè)土壤隨機過(guò)程減弱和生境同質(zhì)性降低共同作用的結果。

　　該研究成果近期日發(fā)表在國際環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)領(lǐng)域C刊《The ISME Journal》上。東北地理所劉俊杰研究員為論文第一作者，王光華研究員為通訊作者。南京大學(xué)地理與海洋科學(xué)學(xué)院郭亞萍博士和Jonathan M. Adams教授分別為論文的共同第一和共同通訊作者。該研究得到中國科學(xué)院戰略性先導科技專(zhuān)項(XDA28020201. XDA28070302)、中國科學(xué)院基礎前沿科學(xué)研究計劃從0到1原始創(chuàng )新項目(ZDBS-LY-DQC017)等項目聯(lián)合資助。

　　論文信息：

　　Junjie Liu, Yaping Guo, Haidong Gu, Zhuxiu Liu, Xiaojing Hu, Zhenhua Yu, Yansheng Li, Lujun Li, Yueyu Sui, Jian Jin, Xiaobing Liu, Jonathan M. Adams*, Guanghua Wang*. Conversion of steppe to cropland increases spatial heterogeneity of soil. The ISME Journal. 2023. DOI: 10.1038/s41396-023-01496-9.

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41396-023-01496-9

圖1. 黑土區農田土壤和自然土壤功能基因多樣性和群落結構分布

圖2. 農田土壤和自然土壤功能基因裝配機制的DDRs和NST、NCM分析

圖3. 農田土壤和自然土壤介導的碳、氮、硫和磷循環(huán)功能基因分布特征

圖4. 農田土壤和自然土壤功能基因共現網(wǎng)絡(luò )及對多重養分循環(huán)的貢獻