稀有微生物类群是长期施肥土壤生态系统多功能性的主要驱动力

1.与施用无机肥相比，有机肥的施用提高了土壤的多功能性，多功能性与细菌和真菌的多样性呈正相关。

2.随机森林回归分析表明，稀有微生物类群(如蓝藻和球囊菌门)而非优势类群（如变形菌门和子囊菌门）是多功能性的主要驱动力。

研究背景

土壤微生物代表了地球上最丰富多样的生物。据估计，1立方厘米土壤中含有4-20亿原核微生物、数万个分类群以及约200米的真菌菌丝，它们在同时维持生态系统多功能性方面（生物地球化学养分循环、初级生产、凋落物分解和气候调节）发挥着关键作用。最近的研究证明，全球环境驱动因素如土地利用变化、氮沉降和气候变化，可以通过改变地下土壤生物多样性严重影响陆地生态系统的多功能性。常见的农业措施，如土地耕作、施肥、施用农药和单作，会对土壤微生物多样性及相互作用产生不利影响，对土壤多功能性的影响尚不可知。预计全球范围内的农业强度将不断增加以养活不断增长的人口，了解农业措施对地下生物多样性和多功能性的影响就显得尤为重要。预计世界上约有23%的土壤面临退化，退化土地的面积以每年500万至1000万公顷的速度增加。这将影响全球约15亿人的粮食安全问题。施肥作为一种重要的农业措施，会加快土地退化的速度，长期施用无机肥可能会导致土壤酸化、地表水和地下水富营养化以及氮氧化物排放造成的全球变暖等。越来越多的证据表明，集约施肥还通过改变土壤微生物的多样性间接影响生态系统功能。但我们对施肥将如何影响生态系统的多功能性知之甚少。据我们所知，很少有研究明确阐述施肥对生态系统多功能性的影响以及土壤生物多样性和生态系统功能之间的关系，这对于制定管理框架以保护土壤生物多样性多功能性和减少集约施肥对陆地生态系统的影响至关重要。

试验方案

试验设置于2006年，旨在研究土地施用污泥、鸡粪和无机肥料对氮磷投入产出平衡和土壤磷积累的影响。共设8个处理，3个重复，包括1个对照、2个无机尿素处理(N)、4个污泥处理(S)和1个鸡粪处理(即CK、0.5N、1N、0.5S、1S、2S、4S、1CM)。每年小麦播种前(10月中旬)，施用尿素、风干污泥和鸡粪作为土壤的基本肥料。从每个地块的五个随机样点收集了表层大块土壤样本(0–15厘米)。土壤样品先进行16S和ITS扩增子测序，然后计算生态系统多功能性，用平均值、单阈值和多阈值法方法评估生物多样性与多功能性之间的关系。最后用随机森林分析确定多功能性的主要微生物预测因子。

研究结果

结果表明，无机和有机肥都改变了土壤生态系统的多功能性(图1)。施用无机肥料(0.5 N和1.0 N处理)显著降低了生态系统的多功能性，施用有机肥显著增加了多功能性。总体而言，施用污泥(4 S)后多功能指数最高，施用尿素(1 N)最低。随着污泥施用量的增加，土壤多功能性增加(图1)。与施用污泥相比，施用鸡粪对土壤生态系统多功能性的影响较弱。建议在农业实践中使用有机肥料，以保持或提高土壤多功能性。

图1.平均多功能性指数对施肥的响应

本文利用平均值法评估生态系统的多功能性，使用18个变量的标准化平均值。普通最小二乘法(OLS)回归模型揭示了细菌(R2 =0.486，P< 0.0001)和真菌(R2 =0.373，P= 0.0009)的生态系统多功能性与土壤微生物多样性之间的正相关性(图2)。

图2. 生态系统多功能性指数与细菌和真菌多样性的关系

本文还观察到土壤微生物多样性和大多数单功能之间的正相关关系(图3)。然而，一些个体功能如土壤呼吸和磷循环及硫循环相关的功能基因，与细菌或真菌多样性无显著相关性(P > 0.05)。 这一发现可归因于生态系统功能(功能冗余)对生物多样性的不同依赖程度。

图3.不同土壤功能与细菌多样性的关系

考虑到每种方法各有优缺点，本文使用了三种方法计算生态系统多功能性，并研究了土壤微生物多样性和生态系统多功能性之间的关系。当用单阈值方法分析时，在阈值为60%和80%时，发现细菌多样性和生态系统多功能性之间存在显著的关系。相比之下，多阈值方法不需要设置阈值，而是研究阈值的连续梯度(图4)。细菌和真菌的最低阈值(Tmin)，即多样性开始对多功能性产生积极影响的最低阈值，分别为45%和23%。多样性的最大实现效应(Rmde)，即多样性具有最强正效应的关系的强度，在69%的阈值下对于细菌是1.143，表明增加一个细菌物种可以增加1.143个功能。而真菌的Rmde在67%的阈值时为1.245，表明添加一种真菌可以增加1.245个功能。

图4.一系列生态系统多功能阈值的多样性效应

然后本文利用随机森林的方法，确定在预测生态系统多功能性中最重要的微生物类群。在这个模型中总共包含了29个细菌和真菌门(图5)。前三个最重要的微生物类群都是细菌门，包括蓝藻Cyanobacteria (Spearman，P < 0.0001)，装甲菌门Armatimonadetes (Spearman，P=0.0041)和纤维杆菌门Fibrobacteres (Spearman，P= 0.0136)。这些细菌门是相对罕见的细菌分类群，占总数的不到3%。对于真菌而言，作为一个占比很小的类群(小于1%)，球囊菌门 (Spearman，P= 0.0035)是塑造生态系统多功能性的最重要驱动力。结果表明，相对丰度较低的细菌和真菌分类群被确定为多功能性的主要驱动力。相比之下，一些优势菌门，如变形菌门(Spearman，P= 0.7467)，在生态系统多功能性中作用不大。本文的结果表明，稀有微生物类群可能在土壤多功能性中起着超比例的作用，稀有微生物分类群可能是遗传资源的储藏地，在适当的条件下可以被激活。未来有关生物多样性和生态系统多功能性的研究应更多地关注稀有微生物类群。

图5. 随机森林回归模型显示了生态系统多功能性的主要微生物驱动因素

主要结论

本文结果提供了长期施肥改变土壤微生物组成和相关生态系统多功能性的实验证据。与无机肥相比，有机肥促进了多功能性。微生物多样性和多功能性之间的呈显著的正相关性，施肥激发的稀有微生物类群的改变是形成多功能性的主要驱动力。因此，关于稀有类群调查和保护的研究对于减缓人类对农业生态系统中微生物驱动的生态系统多功能性的影响至关重要。