土地利用方式變化改變生物生境和資源的時(shí)空分布，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的生態(tài)過(guò)程和生態(tài)系統(tǒng)服務(wù)功能造成影響。連年種植和化肥、農(nóng)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(bào)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(duì)性地加強(qiáng)土壤和生態(tài)系統(tǒng)的管理方法。

“黑土糧倉(cāng)”先導(dǎo)專(zhuān)項(xiàng)攻關(guān)任務(wù)團(tuán)隊(duì)采集了黑土區(qū)未開(kāi)墾的自然土壤和毗鄰的農(nóng)田土壤，采用宏基因組測(cè)序方法對(duì)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(nóng)田土壤驅(qū)動(dòng)的功能基因群落分異與土壤養(yǎng)分循環(huán)的作用機(jī)制。與以往認(rèn)知相悖，本研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤功能基因的多樣性顯著高于自然土壤，農(nóng)田土壤中更豐富的功能基因多樣性有助于農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)提升對(duì)環(huán)境脅迫的恢復(fù)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(yùn)動(dòng)限制，導(dǎo)致特定土壤生態(tài)過(guò)程減少(圖1)。通常認(rèn)為農(nóng)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(xiàn)農(nóng)田土壤功能基因的空間異質(zhì)性顯著高于自然土壤，其主要是由于農(nóng)田土壤功能基因?qū)Νh(huán)境和土壤因子的響應(yīng)強(qiáng)于自然土壤。此外，自然土壤受隨機(jī)性過(guò)程影響程度高于農(nóng)田土壤，導(dǎo)致自然土壤功能基因具有更高的相似度(圖2)。

自然土地轉(zhuǎn)化為農(nóng)業(yè)用地改變了區(qū)域和空間尺度功能基因的組成，顯著增加了與不穩(wěn)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(xiàn)自然土壤富集了ureC、napA和nrfA基因介導(dǎo)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(zhuǎn)，通過(guò)基質(zhì)有效性限制了反硝化過(guò)程。農(nóng)田土壤中富集了nirK、norB和nosZ基因，通過(guò)外源NO₃^-積累抑制細(xì)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(dǎo)致過(guò)多溫室氣體N₂O的排放(圖3)。研究發(fā)現(xiàn)農(nóng)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(dǎo)多重養(yǎng)分循環(huán)的主要貢獻(xiàn)因素，表明土壤功能基因多樣性在農(nóng)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(tǒng)，生物間進(jìn)行的代謝合作在維持自然土壤生態(tài)系統(tǒng)功能起著至關(guān)重要的作用(圖4)。

本研究的結(jié)果挑戰(zhàn)了自然生態(tài)系統(tǒng)向農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)變將導(dǎo)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(nóng)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(nóng)業(yè)土壤隨機(jī)過(guò)程減弱和生境同質(zhì)性降低共同作用的結(jié)果。

該研究成果近期日發(fā)表在國(guó)際環(huán)境科學(xué)與生態(tài)學(xué)領(lǐng)域C刊《The ISME Journal》上。中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究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(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)(XDA28020201. XDA28070302)等項(xiàng)目聯(lián)合資助。

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

圖1.?黑土區(qū)農(nóng)田土壤和自然土壤功能基因多樣性和群落結(jié)構(gòu)分布

圖2.?農(nóng)田土壤和自然土壤功能基因裝配機(jī)制的DDRs和NST、NCM分析

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

圖4.?農(nóng)田土壤和自然土壤功能基因共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及對(duì)多重養(yǎng)分循環(huán)的貢獻(xiàn)