《Annals of Applied Biology》：The impact of short-term flooding on soil microbial communities, soil nitrogen and maize productivity in clay loam soils of Ohio, United States
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作为编辑，我推荐这篇研究：它通过田间试验揭示了为期四天的短期洪水如何影响美国俄亥俄州黏壤土的微生物群落（细菌、古菌、真菌）、土壤氮素（如ACE蛋白、NO3--N）和玉米生产力。研究发现，洪水虽未显著改变整体微生物群落结构，但增加了其变异性，并显著降低了土壤有机氮（ACE蛋白）的有效性，同时真菌群落结构与土壤水分和氮素动态密切相关。这项工作增进了对极端降雨下农田生态系统响应机制的理解。
引言
极端降水事件因气候变化而日益频繁，常引发干旱和洪水，对农业生态系统功能构成重大威胁。尽管干旱影响的研究较为深入，但洪水对农田生态系统的生态影响，特别是对土壤微生物群落、氮素循环和作物生产力的综合作用，尚不完全清楚。在美国中西部玉米生产系统中，极端降雨导致的减产幅度可与干旱相匹敌。洪水会干扰植物的代谢过程（如呼吸、根系生长、分泌物产生和养分吸收）以及作为养分调节者的土壤微生物活动。尤其是，洪水造成的减产常归因于土壤氮（N）限制和硝酸盐淋失。洪水还会促进细菌反硝化作用，降低土壤中植物可利用的硝酸盐，并产生温室气体一氧化二氮。此外，在氧气限制下，土壤微生物通过分解、矿化和硝化作用调节植物可利用氮的过程也会减缓。然而，洪水干扰对施氮行栽作物农业生态系统中土壤微生物、土壤氮和初级生产力的影响在很大程度上仍是未知的。先前关于洪水对土壤微生物影响的研究多集中于长期淹水的生态系统（如稻田、湿地），且主要关注细菌和古菌群落，对真菌群落的研究相对匮乏，尤其是在农业系统中。本研究旨在填补这一知识空白，探究为期四天的短期洪水如何影响田间条件下土壤细菌、古菌和真菌群落，及其与地上和地下农业生态系统生产力的关系。我们假设洪水会通过增加厌氧细菌和古菌的丰度、减少植物促生细菌和真菌的丰度来改变土壤微生物群落结构，且细菌和古菌的反应比真菌更快。我们还假设，短期洪水对土壤微生物、土壤氮和玉米生长的影响在未施肥系统中比施肥系统更显著，并且土壤氮和玉米生长在未施肥的淹水系统中最低，在施肥的对照组中最高。
材料与方法
试验于2021年在美国俄亥俄州立大学西北农业实验站进行。土壤为霍伊特维尔黏壤土。试验采用裂区随机完全区组设计，主区因子为洪水处理（洪水、对照），副区因子为施肥处理（220 kg N ha-1尿素、不施肥）。在玉米V4生长期开始为期四天的洪水处理（通过喷灌模拟）。分别在洪水前（PF）、洪水结束后3天（3DAF）、8天（8DAF）和93天（93DAF）采集土壤样品（0–20 cm深度）。测定土壤水分、自消解柠檬酸盐可提取蛋白（ACE蛋白）、铵态氮（NH4+-N）和硝态氮（NO3--N）。使用扩增子测序（针对细菌/古菌的16S rRNA和针对真菌的ITS区域）分析土壤微生物群落组成。在玉米R6生长期收获地上部生物量和籽粒产量。数据分析采用R语言进行，包括线性混合效应模型、PERMANOVA、向量分析和差异丰度分析等。
结果
3.1 洪水处理对土壤水分的影响及与环境降水的巧合
洪水处理导致3DAF时处理区有积水。在8DAF时，洪水处理的土壤水分平均比对照高4.3%。整个采样期间，土壤水分水平在PF到3DAF和8DAF之间有所增加，这与洪水期间及之后的降水事件相吻合。
3.2 短期洪水和施氮对土壤氮素的影响
ACE蛋白在采样时间点和洪水处理之间存在交互作用。在8DAF时，平均而言，洪水处理的ACE蛋白比对照低1.2 g kg-1。无机氮库（铵态氮和硝态氮）在采样时间点和施肥处理之间存在交互作用。与未施肥处理相比，尿素处理在3DAF时的铵态氮高出3 mg kg-1，在PF、3DAF、8DAF和93DAF时的硝态氮分别高出16、19、13和1 mg kg-1。
3.3 短期洪水对土壤微生物组多样性的影响
洪水并未显著改变土壤微生物群落的α多样性（丰富度、均匀度、辛普森优势度、系统发育多样性）或β多样性。然而，跨所有处理，细菌/古菌和真菌的β多样性在不同采样时间点之间存在差异。在向量分析中，土壤真菌β多样性（在NMDS2坐标上）与土壤水分、NO3--N和ACE蛋白相关，而细菌/古菌群落结构与这些土壤性质无关。对于真菌，ACE蛋白与93DAF的群落沿NMDS2呈正相关，方向与NO3--N和土壤水分相反。
3.4 短期洪水后土壤微生物群落组成随时间的变化
通过差异丰度分析评估洪水后微生物群落组成随时间的变化（以PF为基线）。与对照处理相比，洪水处理在每个时间点都具有更多差异丰度的细菌和真菌ASV，并且在93DAF时差异丰度的ASV数量最多。差异丰度的细菌ASV最常见于变形菌门，真菌ASV最常见于子囊菌门。
3.5 洪水和施肥对玉米生物量及籽粒产量的影响
施肥对玉米生物量和籽粒产量的影响大于洪水。平均而言，与未施肥处理相比，尿素处理的玉米生物量和籽粒产量分别高出15.5和10.5 Mg ha-1。
讨论
4.1 短期洪水仅导致土壤微生物群落发生有限变化
与我们的假设相反，短期洪水并未改变整体土壤微生物群落结构，即使在有积水的3DAF时也是如此。这一结果与涉及长期或反复淹水的研究不同。本研究中缺乏变化可能归因于单次、短期的洪水事件以及大体积土样的采集，这可能未捕捉到根际或根系相关微生物更明显的变化。尽管整体结构未变，但洪水处理增加了土壤水分的变异性，并增强了整个生长季土壤细菌和真菌类群短期和长期的差异丰度。此外，真菌群落结构与土壤水分相关，而细菌/古菌群落则不然，这表明真菌受洪水和水分变异性的影响更大。
4.2 洪水后土壤微生物组与农业生态系统功能的关联
我们的研究发现，地上（植物）和地下（微生物、土壤氮）组分对洪水和施肥处理的响应存在营养级不匹配。具体而言，虽然土壤微生物组结构未受洪水和施肥处理的影响，但洪水处理在8DAF后降低了ACE蛋白，而未施肥处理的无机氮、玉米生物量和籽粒产量均较低。土壤微生物组结构的稳定性可能表明其对处理具有强大的生理适应性而非高度的功能冗余。我们关于洪水和施肥对玉米生长具有复合效应以及土壤氮响应与玉米生长一致的假设未被支持。实际上，施肥处理主导了玉米生长和无机氮的差异，而洪水处理主导了ACE蛋白的差异。
洪水处理后ACE蛋白的降低反映了与植物来源有机输入和养分循环相关的地上和地下生态系统过程的功能性转变。ACE蛋白是一种土壤生物健康指标，代表可能矿化为植物可利用无机形式（如硝酸盐）的最大有机结合态土壤氮库。洪水后地上生物量生产的减少可能与地下植物源有机物（如根系）输入减少有关，导致作为有机氮形式的ACE蛋白降低。较低的ACE蛋白可能加剧了洪水导致的土壤氮转化（如氮矿化及随后的硝化作用）的减缓，从而降低植物可利用的土壤氮。此外，较低的ACE蛋白也可能预示着地下真菌活动（如菌根真菌产生糖蛋白）的中断。土壤真菌群落结构与ACE蛋白和硝酸盐的相关性，指出了土壤微生物在支持农业生态系统功能的有机-无机氮转化中的作用。硝酸盐和ACE蛋白向量呈反向关系，硝酸盐指向洪水前一天的群落，而ACE蛋白指向收获前约十天的群落。这一趋势与本研究中跨越生长季的采样时间线上ACE蛋白增加和硝酸盐减少的情况一致。
4.3 局限性
本研究的一个局限性是缺乏土壤氧气或微生物组功能数据来支持氧气限制的程度及其对微生物组功能的影响。四天的洪水持续时间导致了积水、土壤水分增加和ACE蛋白降低，这在中西部美国的极端降雨事件中具有代表性。此外，土壤微生物组组成的差异缺失并不意味着功能潜力也未受影响。另一个局限性是本研究为单年度研究，无法推断短期洪水的长期效应。
4.4 结论
本研究增进了我们对土壤微生物组和氮循环生物健康指标的理解，这两者对于在变化气候下实现可持续作物生产至关重要。研究发现，单次短期洪水对有机结合态土壤氮（以ACE蛋白衡量）的影响强于对玉米生长或土壤微生物群落结构的影响。理解气候干扰对土壤微生物组结构、养分循环和农业生态系统功能的影响将有助于预测持续气候变化下的生态系统动态。ACE蛋白对洪水的敏感性表明，它可以作为农业生态系统中初级生产力降低和土壤氮动态的早期指标。最终，本研究揭示，土壤氮比土壤微生物组结构更容易受到短期洪水的干扰。因此，我们建议未来的研究应侧重于通过鸟枪法宏基因组学/宏转录组学等进行土壤-植物-微生物相互作用的功能指标或微生物组功能分析，而非仅仅关注土壤微生物组的分类结构，以便为变化气候下的农业生态系统管理提供信息。
