编译：萌依依，编辑：木木夕、江舜尧。

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1移栽对作物生产力和土壤固氮群落的影响

玉米生产力(籽粒产量和秸秆重量)和品质(增益和秸秆含氮量)的十年动态变化表明，土壤移植对玉米产量和品质有显著影响(图1a-d)。由于全球化肥在农业中的使用是为了获得最佳的植物生长和产量，我们通过比较2006-2015年施肥和不施肥处理的玉米产量和秸秆重量变化，进一步估计了移植对施肥效果的影响(图1e和f)。尽管就地施肥量和移栽施肥量相同，但施肥对作物生产力和生物量的影响持续减弱(P <0.05)。此外，移栽后土壤pH升高，土壤有机质含量降低(P <0.05)(表S1)。

图1.(a)玉米产量，(b)籽粒含氮量，(c)秸秆重量和(d)秸秆原位(蓝线)和移栽(红线)含量的十年动态。经过十年的土壤移植，肥料对(e)作物产量和(f)秸秆重量的影响有所降低。在原位和移植条件下进行成对比较。***P <0.001，**P <0.01，*P <0.05。

为了确定固氮菌对土壤移植的响应，对120个样品进行了nifH功能基因的qPCR和Illumina测序分析。QPCR定量检测的nifH基因丰度在土壤移栽10年后下降(图S1b)。总共获得了8,800,837个高质量的序列，稀疏曲线表明所采样品捕获了大部分微生物成员(图S2)。这里应该注意的是，这项研究中使用的多聚引物组被证明对重氮营养谱系的覆盖率较低(在土壤中约为51%)。在未来的研究中，应仔细考虑针对固氮剂的nifH引物。土壤移植显著降低了施肥和未施肥土壤中重氮营养群落的丰富度(图2a)和香农多样性(图2b)。典型对应分析CCA分析表明，气候条件主要沿第一坐标轴区分重氮群落(24.6%)，其次是第二坐标轴施肥处理(0.26%)，说明气候变化对微生物群落结构和演替的影响比施肥活动更重要(图2c)。构建了原位和移栽的固氮群落的共生网络，观察到了升温和施肥的双重效应(图S3，表S2)。土壤移栽形成了更为复杂的互作网络，而施肥则降低了群落关联度。

图2. 2005年从本地移植至2015年期间土壤固氮群落动态(a)丰富度和(b)Shannon指数在。(c)固氮营养群落结构与环境因子(温度和土壤地球化学属性)的典型对应分析(CCA)。颜色有深到暗对应2005到2015的样品。正向选择程序用于选择重要变量。TN：全氮，AP：可用磷，SOM：土壤有机质。星形图显示原位移植与移植移植之间存在显著差异。***P <0.001，**P <0.01，*P <0.05。

2移栽诱导的主要固氮菌潜在活性和竞争的变化

施肥区和未施肥区的共有物种均具有较高的网络连通度(度>0.1%，图S4)，根据各处理的平均相对丰度分为3组：高丰度(≥1%)、中丰度(0.1%~1%)和低丰度(≤0.1%)。群落组成发生了显著变化(图S5)。例如，移植后，高丰度组和中丰度组的alphaproteobacteria减少，而优势组的Nostocales明显增加。由于nifH基因的存在本身并不意味着活性固氮，因此又进行了基于反转录的RNA测序，以反映其潜在的转录活性。结果表明，与相对抗性的稀有类群相比，优势固氮菌对土壤移植更为敏感(图3a，S6)。与不施肥相比，施肥降低了这三组的潜在转录活性。随机森林模型表明，土壤移栽对产量变化的贡献率为17%-20%，显著高于低丰度组和中丰度组(图3b)。

图3.固氮营养群落活动和功能的变化。固氮菌在网络中紧密相连(度数>0.1%，图S2，S3)按相对丰度分为三组：高丰度(>1%)、中丰度(0.1%~1%)和低丰度(<0.1%)。(a)逆转录分析表明，移植和原位基因表达发生了变化。(b)随机林模型表明了固氮群落在预测作物产量变化中的作用。***P <0.001，**P <0.01，*P <0.05。

与固氮群落网络格局相似，土壤移栽后优势固氮菌的关联度均增加(图4)。优势固氮菌之间的负关联和正关联的比例发生了显着变化。负与正之比在不施肥条件下从0.125增加到0.419，在施肥条件下从0增加到0.50(图5)。可以推测，优势固氮菌之间可能存在更多的竞争，以响应不断变化的环境因素。

图4.高丰度固氮细菌的共生网络。红线和灰线分别表示两个节点之间的正关联和负关联。线的粗细代表了来自网络拓扑特征的居间中心性，指的是一个节点充当其他两个节点之间的最短桥连次数。

图5.原位和移植的高丰度固氮菌之间连接的负值和正值比率的增加。橙色表示正关联的数量，灰色表示负关联的数量。中间的数字表示边的总数。

3优势固氮菌的群落聚集

为了辨别随机和确定性过程在土壤固氮营养群落形成中的相对重要性，我们计算了优势固氮菌的βNTI（beta 最近分类指数）(图6)。移栽显著提高了确定性过程的相对重要性(P < 0.05)。气候因子的变化可作为环境过滤因子，增加对固氮群落的选择。尽管气候变暖的决定性显著增强，但随机性仍然主导着固氮营养群落的聚集。通过计算分类多样RCB_ray，进一步量化了生态漂移、均匀化扩散和扩散极限等生态过程对群落随机聚集的影响。不施肥生态漂移比例下降4.02%，施肥生态漂移比例下降19.38%。相反，扩散极限比例会增加，特别是在施肥土壤中(19%)。

图6.移植后高密度固氮营养群落的组装过程。在(a)不施肥小区和(b)施肥小区，土壤移植改变了生态漂移、均匀扩散和扩散限制等各种生态过程对群落随机聚集的影响。分类多样性指数RCB_ray> 0.95 和< -0.95 分别表示扩散受限和均匀化扩散。RCB_ray值在-0.95和+0.95之间被认为是生态漂移。左上角显示了Beta最近分类群指数(Beta NTI)的值。βNTI值 > +2或 <-2表示确定性过程。A|Beta nti|≤2表示随机过程。

4土壤移栽对作物产量和品质的直接和间接影响

结构方程模型(SEM)可以阐明环境因素和微生物因素对作物的潜在直接和间接影响(图7)。气候变化直接降低施肥效果(r=0.846，P <0.001)。生物因子通过影响作物养分含量间接影响产量变化。群落网络连通性对种子氮(r=0.227，P <0.05)和秸秆氮(r=0.274，P <0.01)均有正向影响，但更多的负关联倾向于负向影响种子氮(r=0.316，P <0.01)。

图7. SEM显示了土壤移植对肥料效应对作物产量和质量的直接和间接影响。(a)环境因素(MAT和土壤地球化学属性)和土壤固氮营养群落网络对施肥增产的影响(施肥和不施肥之间的差异)。(b)由土壤微生物量得出的标准化总效应(直接和间接效应)。虚线箭头表示无意义路径(P >0.05)。蓝色和红色箭头分别表示正面和负面影响。路径宽度与路径系数成比例缩放。***P <0.001，**P <0.01，*P <0.05。

了解微生物群落在应对气候变化中的功能意义有助于预测微生物在生态系统在全球变化反馈中的中介作用。长期试验在研究管理实践对于微生物群落结构和功能变化时尤其有用。因此，需要长期的试验处理来调查土壤中微生物群落组成和功能之间的联系。

先前的研究表明，温带草原土壤中的微生物群落组成和功能对十年期的气候变暖非常敏感。在我们的研究中，随着十年的土壤移植，固氮群落的多样性明显下降，这似乎是脆弱的。由于不适应突然的气候变化，一些固氮营养物种可能会减少或消失。微生物活动对温度天生敏感，不适应数周或数十年的变暖(+6℃)。在我们的实验中，移植引起的温度变化远远高于预期的气候变化（2-5℃）。这种突如其来的环境变化可能会增加固氮营养群落的变异性，而不是增加它们对未来气候变化的响应。

移栽也可能通过植物间接影响固氮群落。大量微生物与植物密切相连并相互作用。植物通过根分泌物特异性地刺激有益的固氮菌。移栽的施肥区植物生物量的减少可能对根瘤菌等共生的固氮菌产生间接影响。固氮营养多样性的下降也可能是由于移栽造成的土壤有机碳流失造成的竞争性排斥结果。

同时，随着土壤移栽时间的延长，固氮群落结构也发生了变化。为了使活着的有机体在新的群落中获得最大程度的生存，微生物有一系列的生态策略，例如改变微生物群落组成，使其更接近当地土壤以适应环境。这种现象可以用元群落框架的物种分类概念来解释。气候变暖加速了土壤微生物演替速率，表明气候变暖可能引发了确定性的环境过滤。正如我们观察到的土壤重氮营养功能群落一样，所有这些都表明，在一个变暖的世界里，需要仔细考虑土壤生物多样性保护和功能维持的策略。

微生物之间的相互作用是群落结构和功能的最重要决定因素。共生网络分析结果表明，随着温度的升高，固氮营养群落之间的相互作用更加复杂。群落的本地关联度主要集中在α-Proteobacteria和δ-Proteobacteria之间。固氮菌(α-Proteobacteria)是原位网络中最丰富的物种，土壤移植后其数量明显减少。在气候变暖条件下，蓝藻与其他门之间的关联度增加，表明蓝藻对气候变暖有更强的抵抗力和适应能力。先前的研究还发现diazotrophs从Rhizobiales和Nostocales目(蓝藻)的混合群落转变为Nostocales的优势群落。然而在较高的温度下，氮固定活性的降低与蓝藻的相对丰度较高有关，这是由于nifH的低表达水平，指示此功能的丧失。

土壤移植后，高密度固氮菌的负关联比例增加，表明存在潜在的竞争。这与压力梯度假说相反，该假说预测，随着生态群落中压力的增加，相互作用将从负向正转变。资源可获得性的减少被认为会加剧固氮营养群落的竞争。土壤有机碳显著影响NifH多样性。土壤移栽后，优势固氮菌之间对碳源的竞争可能更加激烈。蓝藻与其它类群如Geobacter sp.之间的竞争是主要的。研究发现，氮固定功能的丧失与基础和系统发育上聚集的Geobacter相对丰度的降低有关。蓝藻在胁迫条件下的高竞争能力是通过它们的适应策略实现，比如形成孢子体以避免巨大的温度波动。由于固氮蓝藻能够将营养物质转化为易于植物消化的形式，蓝藻在资源竞争中可能受到植物的青睐。更多的阳光照射在土壤表面和较高的土壤温度可能会支持群落中包括蓝藻在内的光合生物的生长。

微生物群落组装是影响微生物功能的关键过程之一。在我们的研究中，大多数βNTI值在 -2和2之间，比移栽土壤高。这表明移栽后土壤以随机过程为主，确定性过程所占比例增加。确定性选择的增加可能是跨个体和物种的生物和非生物压力的结果。例如，Dini-Andreote等人的研究表明，微生物群落最初受随机性支配，确定性选择的重要性随着演替过程中盐浓度的增加而增加。气候变暖，特别是年平均温度，可能会对重氮群落施加严格的过滤，以增加确定性过程。影响重氮营养群落的确定性因素可能反映了一个功能冗余度较低的群落，因此可能对干扰具有很高的敏感性。在这里，通过转录分析，优势重氮菌的功能意义降低。根据SEMs，不断变化的群落格局显示出对作物产量和质量的潜在负面影响。

在群落随机聚集的主要过程中，高丰度固氮菌的扩散极限在移植后有所增加，特别是在施肥区。扩散决定了个体在群落之间移动的机会，这在塑造微生物群落的组成和功能方面起着重要作用。细菌群落较高的成分周转可部分归因于限制扩散。然而，在野外研究中直接检测微生物的扩散特性是相当困难的，这是本研究所缺乏的。通过比较周围土壤和移植土壤中的固氮营养库，可以深入了解土壤的扩散过程，但不能排除移植土壤中的优势固氮菌被少数的微生物取代的可能性。扩散限制可能是影响微生物功能特性的重要生态力量。增加扩散限制可能会导致重氮群落的差异更大，功能冗余更少。然而，土壤固氮群落功能的扩散限度还有待进一步研究。

综上所述，我们的结果表明移栽后的固氮营养群落多样性随着时间的推移而显著下降。固氮菌的组装过程主要受随机性控制和扩散限制增加影响。移栽后，确定性过程在演替土壤系统中的相对重要性增加。气温升高导致优势固氮菌的竞争联合和潜在活性降低，可能对作物的产量和品质造成负面影响。这些发现加深了我们对气候变暖影响土壤固氮菌聚集和功能意义的机制理解。

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