《Journal of Environmental Management》：How soil organic carbon structures diazotrophic communities: Insights from apple orchards across China
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土壤有机碳（SOC）显著影响苹果园固氮微生物群落多样性及结构，低SOC果园中多样性随SOC增加而提升，高SOC时趋于稳定。一般种主导群落多样性，特有种在高SOC下更丰富。群落组装以随机过程为主，但高SOC下确定性过程增加，微生物互作网络复杂度降低。该研究为可持续果园养分管理提供依据。
冯天宇|郑邦宇|苗鹏|李文光|李子燕|郑伟|翟炳年
西北农林科技大学资源与环境学院，中国杨陵太城路3号，712100
摘要
由固氮菌介导的生物固氮（BNF）对土壤氮循环至关重要。然而，土壤有机碳（SOC）的变化对果园生态系统中固氮菌多样性和群落构建的调节作用仍不清楚，这限制了我们优化养分管理以实现可持续果园生产的能力。在这里，我们研究了SOC对中国11个主要苹果生产省份299个苹果园中固氮菌群落的影响。从0-40厘米深度采集的土壤样本分析了关键物理化学性质，包括pH值、有机碳以及有效氮/磷/钾含量，并通过高通量测序基因来表征固氮菌的多样性、群落组成、构建过程和共现网络模式。结果表明，SOC是影响固氮菌多样性的主要因素。在低SOC果园中，多样性随SOC的增加而显著增加（R = 0.22），但在高SOC条件下达到平台期。在所有地区，广食性物种——包括广食性丰富的（R = 0.85, R = 0.73）和广食性稀有的（R = 0.90, R = 0.83）类群对整体固氮菌多样性有更大的影响，而只有专性物种在高SOC果园中的多样性显著高于低SOC果园。此外，SOC显著改变了固氮菌群落结构，特别是在高SOC果园中富集了慢生根菌和微菌属。随机过程主导了群落构建（50.87–86.08%），但在高SOC区域，广食性丰富的（22.23%）和专性类群（36.56%和31%）的确定性过程增加。高SOC果园中的共现网络显示出较低的连通性和模块性（30.82和0.042），表明微生物相互作用较弱，而在低SOC果园中广食性物种有助于网络稳定性。总体而言，有机碳管理对于增强生物固氮和减少对合成肥料的依赖至关重要。通过有机改良增加SOC有利于低SOC果园，而高SOC果园应优先维持碳含量以保护微生物相互作用，为可持续果园养分管理提供有针对性的指导。
引言
氮（N）是促进苹果树营养生长的基本元素，在调节果实品质和增强抗逆性方面起着关键作用（Tegeder和Masclaux-Daubresse，2018；Zheng等人，2024a）。由固氮菌介导的生物固氮（BNF）是农业系统中仅次于合成肥料的第二大氮输入来源，在自然陆地生态系统中占氮输入的97%以上（Feng等人，2018；Reed，2011）。然而，像果园这样的人工管理生态系统通常表现出较低的土壤固氮速率和较低的固氮菌多样性。这主要是由于土壤中有效氮的增加抑制了固氮菌的生长和氮酶的合成（Hu等人，2021；Fu等人，2023；Zheng等人，2024b）。相比之下，长期施用有机肥料可以增加固氮菌的数量和多样性（Feng等人，2018）。土壤有机碳（SOC）的增加可以为固氮过程提供必要的能量，该过程每固定1摩尔氮需要16摩尔ATP（Reed，2011；Wang等人，2017；Sun等人，2024），并通过调节土壤C:N比来刺激氮需求，从而促进BNF（Zheng等人，2023a）。
固氮菌通过由< />和< />基因编码的氮酶复合体固定大气中的氮（Gaby等人，2018；Han等人，2019）。其中，基因因其保守的序列及其在编码氮酶铁蛋白亚单位中的作用而被广泛用于表征固氮菌群落的多样性和结构（Che等人，2018；Fan等人，2023；Meng等人，2021；Su等人，2007）。土壤固氮菌群落的多样性与生态位分化密切相关，专性和广食性类群的资源利用策略以及丰富物种和稀有物种之间的动态平衡塑造了群落结构的空间异质性（Hu等人，2024；Tang等人，2021）。此外，与生态位宽度和相对丰度相关的进化过程以及物种共现模式影响了功能同质化、生态系统功能和服务多样性（Clavel等人，2011；Liu等人，2022；Wang等人，2023；Xu等人，2021）。
微生物生态学的一个核心目标是阐明环境变化如何影响土壤微生物群落的构建（Hanson等人，2012；Nemergut等人，2013；B. Chen等人，2024a）。群落构建受到确定性和随机过程的双重调节。确定性过程涉及基于生态位的机制，如环境过滤和生物相互作用，导致可预测的群落组成模式（Vellend，2010）。相比之下，随机过程强调随机事件，包括扩散限制和生态漂变（Zhou和Ning，2017）。这些过程的相对贡献因环境背景而异（Tang等人，2021）。例如，在养分丰富的土壤中，确定性过程通常占主导地位（Tripathi等人，2018），尽管它们的影响可以被特定的环境因素调节（Chen等人，2023；Wang等人，2022）。
尽管取得了这些进展，但仍存在一些知识空白。首先，很少有研究明确探讨不同固氮菌亚群（如广食性与专性菌）对环境因素（如SOC）的响应，特别是在大空间尺度上。其次，SOC对这些亚群构建过程的调节程度仍不清楚，这限制了我们预测集约管理果园生态系统中BNF动态的能力。
为了解决这些空白，我们系统地从中国主要苹果生产区域收集了表层土壤样本，以明确不同固氮菌亚群（即广食性和专性菌）对SOC的大空间尺度响应，并阐明SOC如何调节亚群构建中确定性和随机过程的相对重要性。我们假设：（i）鉴于SOC既提供能量来源又驱动氮需求，固氮菌多样性将随SOC浓度的增加而增加，但由于资源利用策略的差异，广食性和专性亚群之间的响应不同；（ii）基于广食性类群在区域尺度上的优势，它们将在大尺度采样中对整体群落多样性有更强的贡献，从而在群落构建中起主导作用；（iii）由于增加的养分可用性通常会加强基于生态位的筛选，较高的SOC将增强环境过滤，提高固氮菌亚群构建中确定性过程的相对重要性。
研究区域
研究区域包括中国主要苹果生产区的11个省份，包括黑龙江、辽宁、河北、山东、河南、陕西、甘肃、四川、云南和新疆（80°7′-129°33′E；24°36′-44°31′N）。这些省份代表了中国苹果产业的核心，占全国苹果种植面积和产量的90%以上。该区域的最小宽度约为4000公里，长度约为3800公里，覆盖了广泛的区域
分析多样性特征
随机森林分析显示，除了MAP-5y之外，SOC是预测固氮菌多样性的最重要因素（图1a）。在低SOC果园中，固氮菌群落多样性随SOC含量的增加而显著增加（R = 0.22），而在高SOC果园中未观察到显著关系（图1b）。此外，高SOC果园中的固氮菌多样性比低SOC果园高出约10%（图1b）。
扫描电子显微镜（SEM）进一步明确了
SOC梯度上的固氮菌多样性变化
SOC被确定为影响固氮菌群落多样性的最关键因素，突显了其在调节果园土壤微生物组成中的核心作用。这一发现与先前的证据一致，即固氮菌倾向于在富碳环境中定殖，且较高的SOC与更高的群落多样性相关（Zheng等人，2023b）。这一模式支持了我们的初步假设，可能反映了有机碳缓解微生物
本研究的局限性和建议
这项大规模的相关性调查发现了稳健的模式，但无法确定SOC和固氮菌动态之间的因果关系。此外，空间快照设计限制了关于季节变化或长期稳定性的推断。未来的工作应包括控制实验以验证因果机制，并应用宏基因组方法来解析关键类群的功能特征，包括慢生根菌。长期监测也将是必要的，以评估固氮菌
结论
基于对中国苹果园的大规模土壤采样，本研究阐明了SOC如何调节固氮菌多样性、群落组成、构建过程和共现网络结构。所有三个假设都得到了支持。首先，在低SOC果园（SOC ≤10.49 g/kg）中，固氮菌α多样性随SOC含量的增加而显著增加，但在高SOC果园（SOC >10.49 g/kg）中这一关系达到平台期，部分支持了我们的第一个假设。其次，广食性
作者贡献声明
冯天宇：撰写——原始草稿、软件、方法学、正式分析、数据管理。郑邦宇：软件、方法学、数据管理。苗鹏：正式分析、数据管理。李文光：软件、方法学、数据管理。李子燕：调查、数据管理。郑伟：撰写——审稿与编辑、软件、方法学、资金获取、正式分析、数据管理。翟炳年：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、调查、资金
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（2023YFD2301003）、陕西省科技重大专项（2020zdzx03-02-01）、农业部和农业部农业科学院的中国农业研究系统（CARS-27）、国家自然科学基金（42007093）的支持
