土地利用方式变化改变生物生境和资源的时空分布，对生态系统的生态过程和生态系统服务功能造成影响。连年种植和化肥、农药的使用致使土壤微生物、小型哺乳动物和鸟类的物种多样性和服务功能下降。以往报道大多都集中在土壤功能基因多样性与土地利用的关系上，但从空间尺度理解这种变化有助于更有针对性地加强土壤和生态系统的管理方法。
东北地理所农田分子生态学科组科研人员采集了黑土区未开垦的自然土壤和毗邻的农田土壤，采用宏基因组测序方法对两种土地利用方式下的功能基因多样性、组成和装配过程进行了解析，以未垦殖的黑土为参比，探讨了退化农田土壤驱动的功能基因群落分异与土壤养分循环的作用机制。与以往认知相悖，本研究发现农田土壤功能基因的多样性显著高于自然土壤，农田土壤中更丰富的功能基因多样性有助于农田生态系统提升对环境胁迫的恢复力，而自然土壤较低的功能多样性可能归因于可用资源限制和物种运动限制，导致特定土壤生态过程减少(图1)。通常认为农田管理方式下土壤生境的均一化会降低土壤微生物功能的异质性，然而我们发现农田土壤功能基因的空间异质性显著高于自然土壤，其主要是由于农田土壤功能基因对环境和土壤因子的响应强于自然土壤。此外，自然土壤受随机性过程影响程度高于农田土壤，导致自然土壤功能基因具有更高的相似度(图2)。
自然土地转化为农业用地改变了区域和空间尺度功能基因的组成，显著增加了与不稳定性碳源利用的相关功能基因丰度，但降低了惰性碳(如木质素、纤维素)、P循环和S循环相关功能基因的丰度。研究发现自然土壤富集了ureC、napA和nrfA基因介导的氨化和异化硝酸盐还原(DNRA)过程，促进了N固存和NO3-周转，通过基质有效性限制了反硝化过程。农田土壤中富集了nirK、norB和nosZ基因，通过外源NO3-积累抑制细胞色素c亚硝酸盐还原酶的合成而促进了反硝化过程，相比自然土壤导致过多温室气体N2O的排放(图3)。研究发现农田土壤核心功能基因的α多样性与自然土壤的β多样性分别是介导多重养分循环的主要贡献因素，表明土壤功能基因多样性在农田土壤肥力和作物生产力的维持中起关键作用，而在可利用资源有限的自然生态系统，生物间进行的代谢合作在维持自然土壤生态系统功能起着至关重要的作用(图4)。
本研究的结果挑战了自然生态系统向农业生态系统的转变将导致土壤和生物特性的同质化同时降低基因功能多样性的观点。农田土壤具有高的基因多样性和功能基因群落异质性，是农业土壤随机过程减弱和生境同质性降低共同作用的结果。
该研究成果近期日发表在国际环境科学与生态学领域C刊《The ISME Journal》上。东北地理所刘俊杰研究员为论文第一作者，王光华研究员为通讯作者。南京大学地理与海洋科学学院郭亚萍博士和Jonathan M. Adams教授分别为论文的共同第一和共同通讯作者。该研究得到中国科学院战略性先导科技专项(XDA28020201. XDA28070302)、中国科学院基础前沿科学研究计划从0到1原始创新项目(ZDBS-LY-DQC017)等项目联合资助。
论文信息：
Junjie Liu, Yaping Guo, Haidong Gu, Zhuxiu Liu, Xiaojing Hu, Zhenhua Yu, Yansheng Li, Lujun Li, Yueyu Sui, Jian Jin, Xiaobing Liu, Jonathan M. Adams*, Guanghua Wang*. Conversion of steppe to cropland increases spatial heterogeneity of soil. The ISME Journal. 2023. DOI: 10.1038/s41396-023-01496-9.
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41396-023-01496-9
图1. 黑土区农田土壤和自然土壤功能基因多样性和群落结构分布
图2. 农田土壤和自然土壤功能基因装配机制的DDRs和NST、NCM分析
图3. 农田土壤和自然土壤介导的碳、氮、硫和磷循环功能基因分布特征
图4. 农田土壤和自然土壤功能基因共现网络及对多重养分循环的贡献
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