长期不同土地利用方式对农田土壤生态系统多功能性和微生物多样性的影响

doi:10.16178/j.issn.0528-9017.20250247

摘要/Abstract

摘要：

为揭示不同土地利用方式间土壤生态系统多功能性和微生物多样性的差异，为农田土壤生产管理和可持续发展提供科学依据，以果园、玉米地、大豆地、大棚和撂荒地5种农田土壤为研究对象，分析不同土地利用方式间的土壤理化性状、酶活性和微生物多样性，比较不同土地利用方式间的生态系统多功能性和微生物多样性差异。结果表明，不同土地利用方式下土壤生态系统多功能性指标存在显著（p0.05）差异。相关分析显示，不同土地利用方式下土壤pH值、碱解氮含量、全氮含量、全磷含量、有效磷含量、有机质含量等理化指标以及β-葡萄糖苷酶、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶、纤维素酶、多酚氧化酶、过氧化物酶的活性与生态系统多功能性显著相关。方差分析结果表明，果园土壤的生态系统多功能性最高，而玉米地土壤在75%阈值下生态系统多功能性几乎丧失。高通量测序结果表明，果园土壤细菌多样性最高，细菌群落在农田土壤生态系统中对土壤生态系统多功能性的影响相比真菌更为显著。综上，保护农田土壤细菌多样性应成为提高农田土壤生态系统多功能性的核心策略，果园土壤的高生态系统多功能性验证了微生物多样性对生态系统功能的正向反馈机制，是值得推广的土地利用方式。

关键词: 土地利用方式, 生态系统多功能性, 微生物多样性, 土壤

Abstract:

To reveal the differences in ecosystem multifunctionality and microbial diversity among different land use patterns and provide scientific basis for farmland soil management and sustainable development，five types of farmland soils（orchard，cornfield，soybean field，greenhouse，and abandoned land）were selected as research objects. Soil physicochemical properties，enzyme activities，and microbial diversity were analyzed，and the differences in ecosystem multifunctionality and microbial diversity among different land use patterns were compared. The results showed that there were significant （p0.05）differences in soil ecosystem multifunctionality indicators among different land use patterns. Correlation analysis revealed that soil pH value，available nitrogen content，total nitrogen content，total phosphorus content，available phosphorus content，organic matter content，and the activities of β-glucosidase，N-acetyl-β-glucosaminidase，cellulase，polyphenol oxidase，and peroxidase were significantly correlated with ecosystem multifunctionality. Analysis of variance indicated that orchard soil had the highest ecosystem multifunctionality，whereas cornfield soil almost lost its ecosystem multifunctionality under the 75% threshold. High-throughput sequencing results showed that orchard soil had the highest bacterial diversity，and bacterial communities had a more significant impact on soil ecosystem multifunctionality than fungal communities in farmland soil ecosystems. In conclusion，protecting farmland soil bacterial diversity should be the core strategy for improving farmland soil ecosystem multifunctionality. The high ecosystem multifunctionality of orchard soil verifies the positive feedback mechanism of microbial diversity on ecosystem function，making it the most recommended land use pattern.

Key words: land use pattern, ecosystem multifunctionality, microbial diversity, soil

中图分类号:

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图/表 8

表1 不同土地利用方式的土壤基本理化性状

Table 1 Basic physical and chemical properties of soil under different land use patterns

土地利用方式	pH值	有机质含量/ （g·kg^-1）	全磷含量/ （g·kg^-1）	有效磷含量/ （g·kg^-1）	速效钾含量/ （mg·kg^-1）	全钾含量/ （g·kg^-1）	碱解氮含量/ （mg·kg^-1）	全氮含量/%
撂荒地	7.46±0.36 a	9.95±4.45 c	10.44±0.73 c	0.11±0.06 c	83.93±31.5 b	14.95±2.86 a	37.45±11.70 d	0.06±0.01 c
果园	6.94±0.18 b	32.28±7.44 a	13.25±3.03 b	0.85±0.49 b	44.48±1.89 b	11.59±1.13 bc	132.07±49.60 a	0.17±0.05 a
大豆地	5.27±0.27 c	13.38±1.11 c	7.67±0.63 d	0.03±0.01 c	75.37±11.20 b	12.78±0.93 bc	63.23±13.20 cd	0.08±0.01 bc
大棚	6.87±0.08 b	23.12±2.07 b	18.09±1.73 a	1.69±0.19 a	288.92±136.40 a	13.38±0.62 ab	117.48±15.90 ab	0.16±0.01 a
玉米地	4.45±0.19 d	14.99±0.99 c	13.96±1.02 b	0.08±0.01 c	236.95±31.00 a	11.14±1.18 c	89.37±26.02 bc	0.11±0.01 b

图1 不同土地利用方式对土壤酶活性的影响柱间无相同小写字母表示组间差异显著（p0.05）。下同。

Fig.1 Effects of different land use patterns on soil enzyme activities

图2 不同土地利用方式下的土壤生态系统多功能性（A）为25%阈值下的EMF；（B）为50%阈值下的EMF；（C）为75%阈值下的EMF；（D）为平均值法计算得到的EMF。

Fig.2 Soil EMF under different land use patterns

表2 不同土地利用方式对细菌和真菌的α多样性的影响

Table 2 Effect of different land use patterns on bacterial and fungal alpha diversity

指标		撂荒地	果园	大豆地	大棚	玉米地
细菌	香农指数	7.19±0.16 a	7.22±0.05 a	6.92±0.19 b	7.08±0.11 ab	6.56±0.21 c
	辛普森指数	0.001 9±0 bc	0.001 7±0 c	0.002 9±0 b	0.002 0±0 bc	0.004 7±0 a
	Chao1指数	2 684.08±280.40 ab	2 931.34±182.50 a	2 334.42±372.40 bc	2 704.78±428.80 ab	2 032.27±257.30 c
	ACE指数	2 698.83±283.60 ab	2 950.42±182.80 a	2 342.68±374.80 bc	2 726.87±443.30 ab	2 045.67±259.30 c
真菌	香农指数	4.85±0.28 a	4.41±0.23 ab	3.85±0.29 bc	3.73±0.51 bc	3.39±1.06 c
	辛普森指数	0.03±0.02 a	0.04±0.01 a	0.07±0.03 a	0.06±0.03 a	0.16±0.24 a
	Chao1指数	721.37±96.59 a	677.34±70.31 a	488.37±65.62 b	396.25±64.75 c	375.12±81.42 c
	ACE指数	722.65±97.09 a	681.70±73.33 a	490.32±65.85 b	397.95±66.47 c	380.35±79.24 c

图3 不同土地利用方式下土壤细菌（A、C）、真菌（B、D）群落的主坐标分析（A、B）和物种组成（C、D）PCoA1、PCoA2分别为第1主坐标和第2主坐标。

Fig.3 Principal coordinate analysis（A，B）and species composition（C，D）of soil bacterial（A，C）and fungal（B，D）communities under different land use patterns

图4 不同土地利用方式土壤细菌（A）、真菌（B）的LEfSe分析

Fig.4 LEfSe analysis of soil bacteria（A）and fungi（B）under different land use patterns

图5 不同土地利用方式下土壤微生物的功能基因组成A为COG功能分类统计柱状图；B为基于FUNGuild功能预测分析的真菌营养类型预测相对丰度柱状图；C、D为基于KEGG数据库的热图，C为Level 1，D为Level 2。

Fig.5 Functional gene composition of soil microorganism under different land use patterns

图6 微生物（细菌、真菌）丰富度、谱系多样性与生态系统多功能性之间的线性关系（A）以及土壤生态系统多功能性（EMF）与理化指标之间的相关性（B）“**”表示极显著（p0.01）。PH，pH值；AK，速效钾含量；TK，全钾含量；AN，碱解氮含量；OM，有机质含量；TP，全磷含量；AP，有效磷含量；TN，全氮含量；βG，β-葡萄糖苷酶活性；NAG，乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶活性；CBH，纤维素酶活性；LAP，亮氨酸氨基肽酶活性；P，磷酸酶活性；PHOX，多酚氧化酶活性；PER，过氧化物酶活性；EMF，生态系统多功能性。

Fig.6 Linear relationship between microbial（bacteria，fungi）richness，phylogenetic diversity and ecosystem multifunctionality（A）and the correlation between soil ecosystem multifunctionality（EMF）and physical and chemical indicators（B）

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