水旱轮作转换下微生物网络结构变化调控土壤氧化亚氮排放的机制研究

《Frontiers in Microbiology》：Shifted microbial network characteristics govern soil N2O emission following paddy-to-vegetable land conversion

本文系统探讨了水田转为旱作蔬菜地后土壤微生物网络重构对N2O排放的影响机制。研究通过分析微生物共现网络拓扑特征与温室气体通量的关联，发现细菌网络复杂度与N2O排放正相关，而真菌网络稳健性增强反而加剧排放，为农业土地利用转型的碳氮循环调控提供了新视角。

　　

1 引言

氧化亚氮（N₂O）作为强效温室气体，其全球增温潜势可达二氧化碳的273倍。农业土壤是N₂O的主要排放源，而土地利用转换通过改变土壤环境显著影响氮循环微生物过程。近年来，经济驱动下水稻田向蔬菜地的转型日益普遍，但这种水旱轮作转换对微生物互作网络及N₂O排放的调控机制尚不明确。本研究以长三角地区为研究区域，通过整合潜在反硝化衍生的N₂O通量测量、微生物群落分析和网络分析，揭示微生物网络特征在土地利用转换中的生态功能。

2 材料与方法

在江苏常熟农业生态实验站设置水稻田（RF）及转型4年（VE4）、7年（VE7）的蔬菜地样本，采集0-20厘米土层土壤。采用厌氧培养法测定潜在反硝化来源的N₂O排放速率，通过16S rRNA和ITS扩增子测序构建微生物共现网络，并运用随机森林模型识别关键驱动因子。网络拓扑参数包括边数、顶点数、平均度值与模块化结构，同时计算微生物生态位宽度及网络稳健性。

3 结果

3.1 N₂O排放与微生物群落变化

土地利用转换显著提升N₂O排放，VE4和VE7土壤排放速率分别达0.43和0.0083 nmol N g^?1h^?1。细菌多样性随转型年限增加呈先降后升趋势，而真菌多样性无显著变化。群落组成分析显示，蔬菜地中芽孢杆菌（Bacillus）和芽单胞菌（Gemmatimonas）等反硝化相关菌群丰度上升，真菌群落中镰刀菌（Fusarium）等腐生菌占比增加。

3.2 微生物共现网络重构

细菌网络在蔬菜地中边数、平均度值显著增加（VE4和VE7较RF提升45.49%和31.39%），但网络稳健性下降；真菌网络则呈现连接性降低而稳健性增强的相反趋势。模块分析发现细菌模块2与N₂O排放呈正相关，而模块1与真菌模块1呈负相关。网络正负连接比与N₂O排放显著负相关，表明竞争性互作主导排放增强。

3.3 关键驱动因子识别

随机森林模型显示细菌网络特征（边数、连接度等）对N₂O排放的解释度最高（节点纯度提升约0.06），显著优于土壤理化性质。真菌网络特性与排放负相关，暗示其通过有机质分解间接调控氮转化过程。

4 讨论

4.1 群落重组与功能转化

水旱转换导致微生物从厌氧降解菌（如Candidatus_Solibacter）向反硝化功能菌群演替。真菌生态位宽度在VE4阶段收窄，反映高强度耕作的环境过滤效应，可能通过削弱碳分解效率促进不完全反硝化。

4.2 网络拓扑的生态启示

细菌网络复杂化但脆弱性增加，暗示短期应激性连接占主导；真菌网络简化却稳健性提升，体现其功能冗余策略。核心菌群（如鞘氨醇杆菌Sphaerobacter）虽未直接关联排放，但可能通过模块化代谢路径协调氮循环。

4.3 机制整合

微生物网络作为环境扰动的“传导器”，其重构打破碳氮耦合平衡：细菌网络脆弱性加剧N₂O积累，而真菌网络简化削弱对反硝化的抑制作用。正负连接比降低凸显竞争互作对排放的促进作用，VE7阶段该比值回升提示系统逐步适应。

5 局限与展望

当前研究聚焦潜在反硝化排放，未来需结合多过程（硝化、硝化菌反硝化等）观测与宏基因组技术，明确网络模块的功能基因基础。扩大样本量与长期监测将验证模式的普适性，为农业减排提供微生物网络调控新靶点。

6 结论

水旱轮作转型通过重构微生物互作网络显著影响N₂O排放。细菌网络复杂化与真菌网络稳健化分别从直接和间接途径驱动排放增加，且网络特征较传统环境变量更具预测力。该研究强调将微生物网络动力学纳入农业温室气体模型的重要性，为土地利用管理的生态效应评估提供新维度。