《Applied Soil Ecology》：Microbial interaction strategies of active bacteria shape carbon priming in intensively managed citrus orchard soils
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土壤微生物群落多样性及功能 shifts 决定了长期高强度柑橘种植下土壤有机碳（SOC）矿化抑制增强的机制，通过DNA-SIP结合测序分析发现30年种植土壤中Actinobacteriota响应反转，Proteobacteria与Actinobacteriota协同调控碳转化。
作者：胡曼|蔡云龙|史宗林|翟天瑞|张慧|周连浩|李军|周全|曾全超
中国科学院重庆绿色智能技术研究院湖泊与流域水安全国家重点实验室，中国重庆，400714
摘要
集约化农业管理显著改变了土壤微生物群落的特性。然而，长期高强度耕作下，通过活性细菌群落多样性和组成的变化来驱动“启动效应”（PE）的微生物机制仍不清楚。在这项研究中，我们以天然森林土壤为对照，研究了不同柑橘种植年限的土壤。通过结合13C-和12C-DNA分离技术与高通量测序，我们探讨了不同柑橘种植年限下土壤有机碳（SOC）启动效应的动态及其活性细菌群落的作用。结果表明，在添加13C-葡萄糖后，随着柑橘种植年限和培养时间的延长，活性细菌群的物种丰富度和多样性显著下降。细菌群落结构发生了变化，生活史策略从r-策略者向K-策略者转变。在天然森林和10年柑橘种植的土壤中，放线菌门和变形菌门的成员受到外源有机碳的强烈激活，其相对丰度显著增加。然而，在30年柑橘种植的土壤中，这种响应趋势发生了逆转。从森林转变为集约化柑橘果园改变了启动效应和SOC矿化过程，这一过程主要由变形菌门（如Allorhizobium、Neorhizobium、Pararhizobium和Rhizobium）和放线菌门（如Agromyces和Streptomyces）之间的协同作用调节。总体而言，在13C-葡萄糖输入下，由于活性细菌类群之间的相互作用，柑橘果园土壤表现出葡萄糖和SOC利用策略的变化，导致随着种植年限和培养时间的延长，SOC矿化受到逐渐增强的抑制。这些发现有助于理解全球变化背景下SOC的潜在动态，并为改善土壤健康和生态系统服务的土地管理策略提供理论支持。
引言
土壤有机碳（SOC）的分解是驱动陆地碳封存和养分循环的核心过程（Cheng等人，2014；Hoffland等人，2020）。这一过程对外部环境因素（如气候变化、土壤管理和农业实践）非常敏感。土地利用变化是全球碳循环中SOC动态的主要驱动因素。据估计，由于人类活动，全球近92%的天然草原和牧场已被转化为农田或牧场（Sterling和Ducharne，2008），导致近50%的SOC储量丧失（Lal，2004）。仅集约化农业就导致了全球土壤碳储量减少了20-69%（Lal，2019）。在全球变暖的背景下，即使是对土壤碳库的微小干扰也会显著影响大气中的CO?水平。据估计，SOC减少1%可能会使大气中的CO?增加约2.3 ppm，从而加剧温室效应（Schmidt等人，2011）。
SOC还在维持土壤肥力和结构稳定性、支持微生物活动和生物多样性方面发挥着重要作用（Tilman等人，1996）。然而，在集约化耕作的土壤中，持续的全球变暖和频繁的人类干扰加剧了土壤酸化，改变了土壤微生物群落的组成和功能，并影响了根系分泌物和植物残余物的碳输入（Li等人，2023；Vaidya等人，2022）。虽然引入了新鲜的碳，但它们显著调节了微生物的代谢活动，从而加速或抑制了现有土壤有机物的分解，这一过程被称为启动效应（PE）（Kuzyakov，2010；Morrissey等人，2017）。在全球范围内，正的PE可以使SOC分解增加32-56%（Feng等人，2021），而负的PE可能会使其减少95-1207%（Perveen等人，2019）。这种变异性使得准确预测SOC动态变得复杂，尤其是在农业生态系统中。
先前的研究探讨了长期氮和磷施肥、土壤酸化以及团聚体稳定性对农田土壤中PE的影响（Chen等人，2024；Hao等人，2024；Qin等人，2024；Wang和Kuzyakov，2024；Zhu等人，2022）。然而，高强度耕作的累积效应——包括养分负荷、酸化、物理退化和微生物重组——对PE的影响仍不甚清楚。因此，为了预测SOC对全球变化和土地利用的响应，有必要阐明长期集约化耕作下碳输入诱导的PE的微生物机制。
微生物是土壤中碳周转的主要“执行者”。它们的生长、代谢和死亡驱动了SOC的分解和稳定（Zhou等人，2024）。许多研究表明，微生物的活动、多样性和群落组成直接影响了PE的方向和强度（Fontaine等人，2011；Fontaine等人，2003；Wang等人，2021）。最近的研究表明，资源可用性和环境压力（如土壤酸化）促使微生物优先选择不同的代谢策略，从而重塑了它们对碳通量的贡献（Hall等人，2018；Malik等人，2020）。关键的是，碳矿化过程主要受生活史策略的调节，而不仅仅是生物量的影响。具体来说，PE的发生取决于r-策略者（大量营养型细菌）和K-策略者（寡营养型细菌）在环境压力下的响应和相互作用（Fontaine等人，2003；Malik等人，2020）。这些策略代表了细菌属通过竞争和合作适应生态位条件的结果（Bernard等人，2022；Koeppel和Wu，2012），这使得微生物活动与SOC周转之间的关系变得复杂。
研究强调了外源碳输入与PE相关细菌类群（如变形菌门和放线菌门）之间的强烈关联（Wang等人，2021；Zhao等人，2022）。值得注意的是，参与SOC分解的关键功能属很少单独作用。它们通常与固氮菌或寡营养型细菌相互作用，共同驱动矿化过程（Zhang等人，2024b）。然而，大多数关于微生物生活史策略和PE的先前研究都集中在门水平。较低分类水平（如属）的类群在PE中的功能作用仍不清楚。因此，量化PE与活性细菌属性之间的关系对于深入理解SOC周转机制至关重要。
柑橘是中国乃至全球种植最广泛的水果作物。由于其营养和经济价值，越来越多的天然森林被转化为柑橘果园。尽管转换初期生产力较高，但长期耕作增加了土壤退化的风险。研究表明，长期集约化柑橘种植会导致土壤酸化、细菌多样性降低以及群落组成和生活史策略的改变（Mei等人，2025；Zeng等人，2024；Zhou等人，2025）。因此，我们假设柑橘种植的集约化可能会强烈影响PE的幅度和方向。
尽管关于有机碳输入对集约化耕作土壤中微生物群落的影响已有大量研究（Chen等人，2024；Qin等人，2024），但关于关键活性微生物如何影响土壤碳周转过程的研究仍然不足。DNA稳定同位素探针（DNA-SIP）作为一种能够将微生物身份与代谢功能联系起来的技术，为区分活性微生物并建立它们与土壤PE之间的定量关系提供了关键手段。因此，为了验证上述假设，我们使用来自天然森林和柑橘果园的土壤进行了为期28天的微宇宙培养实验，这些土壤分别具有10年和30年的种植历史，并用高剂量13C-葡萄糖标记以富集活性细菌群落并测量CO?通量。我们利用DNA-SIP和高通量测序来表征活性细菌群落的多样性、结构和组成以及核糖体RNA操纵子（rrn）的拷贝数。我们的目标是建立PE与细菌属性之间的联系，并阐明不同柑橘集约化阶段SOC启动效应演变的微生物机制。
研究区域
研究区域
本研究在中国湖北省宜昌市 Zigui 县 Shuitianba 乡（31°17′28″N, 110°40′21″E）进行。该地区具有亚热带季风气候，年平均温度为18.2°C，年平均降水量为940.3毫米（Zeng等人，2022）。无霜期超过300天。主要土壤类型为酸性紫色土壤。Zigui 县位于三峡水库区的上游河谷地区，其独特的山地...
不同柑橘种植年限下土壤有机碳的启动效应
在添加葡萄糖的前7天内，不同柑橘种植年限的土壤中CO?释放率呈现出“先增加后下降”的动态模式，在第7天达到最低值（NF：8.45 mg/kg·h；10年：5.58 mg/kg·h；30年：4.91 mg/kg·h）。随后，三种土壤的呼吸率显著回升，并在第14天后稳定下来，总体波动范围在5.50至9.56 mg/kg·h之间。总体而言，总CO?释放量（即SOC...
集约化耕作抑制SOC矿化并引发负启动效应
随着柑橘种植年限的增加，SOC分解动态发生了显著变化（图1）。尽管天然森林土壤中的SOC矿化率较高，但受到更强的抑制；相比之下，柑橘土壤的初始矿化率较低，但在集约化管理下抑制作用较弱。这些发现表明，高强度耕作抑制了矿化并放大了负启动效应。
与早期报告一致...
结论
本研究表明，在不同土地利用类型和不同柑橘种植年限下的土壤中，活性细菌类群采用不同的生活史策略来调节外源碳和天然土壤有机碳（SOC）的分解。在柑橘果园土壤中，随着培养时间和种植年限的延长，外源碳添加后SOC矿化的抑制作用加剧。这种现象可以归因于集约化的柑橘管理...
作者贡献声明
胡曼：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，软件使用，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。蔡云龙：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，验证，软件使用，方法学，数据管理。史宗林：写作 – 原稿撰写，验证，方法学。翟天瑞：写作 – 审稿与编辑，写作 – 原稿撰写，可视化，方法学，调查，正式分析
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：42277351和42501069）、河北省中央引导地方科技发展基金（编号：226Z4202G）和重庆市自然科学基金（编号：CSTB2024NSCQ-QCXMX0092和CSTB2024NSCQ-MSX0803）的支持。我们还要感谢上海个人生物技术公司提供的Illumina MiSeq测序和数据分析服务。
