编译：艾奥里亚，编辑：小菌菌、江舜尧。

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本研究选取中国科学院两个典型的农业试验站：黑龙江省海伦站（126^°38′E, 47^°26′N）和河南省封丘站（114^°24′E, 35^°00’N）进行长期移置试验。采样前分别在两个采样点采用20厘米用沙子覆盖的砖墙，以隔绝出1.4米*宽1.2米*深1.0米的微环境。随后将海伦样点黑沃土（Mollisols）向南运往封丘样点。原海伦样点的土壤称为原位土壤，移置到封丘样点的土壤称为移置土壤。在海伦样地，我们将土壤分别挖取5层*20 cm/层，每层土壤分别充分混合后，依次收集，以保持原有的土壤分层。封丘样地同样被挖取后，将海伦样地土壤移置到原址上。随后在每个样地种植玉米，每个地块设置三个重复。

试验分两个处理（每个处理三个重复）：不施肥（NF）和施肥（F），分别以尿素、(NH₄)₂HPO₄和KCl的形式分别施入150 kg/hm²的氮、75 kg/hm²的磷和60 kg/hm²的钾。在年度播种前施用基肥（全氮、全磷、全钾）。玉米一年播种一次，收成一次。收获后立即测定籽粒产量、地上生物量、种子和秸秆养分含量。从2006年到2015年，每年8月至9月收获后，从每个测站采集三份土壤样本，每个地块一个样本，密封在无菌密封塑料袋中，冰上运输到实验室。去除细根后，将土样分成两部分：一份保存在4^°C下，用于分析土壤的理化性质；另一份保存在−80^°C中，用于DNA的提取以及分子生物学分析。

1 移置对作物生产力和土壤固氮微生物群落的影响

将原位海伦的黑土移置到暖温带封丘十年后，结果发现水热条件的增加显著改变了玉米的生产力（地上部作物产量和秸秆生物量）和质量（籽粒和秸秆的含氮量）（图1a-d）。移置后的地上部作物施肥增产量均显著低于原位（P < 0.05），水热增加显著降低了施肥的增产效应（图1e-f）。

图1 移置十年间（a）玉米产量、（b）籽粒含氮量、（c）秸秆生物量、（d）秸秆含氮量的变化，及施肥对（e）玉米产量和（f）秸秆生物量的增产效应

土壤移置导致施肥和未施肥土壤的固氮微生物群落丰富度和多样性显著降低，且随移置时间的增加而不断下降（图2a,b）。CCA分析表明，土壤固氮微生物群落首先按照水热条件明显的分散开来，其次按照是否施肥分散开来，气候条件变化是影响微生物群落结构和演替的首要因素（图2c）。

图2 2005年至2015年原位和移置的土壤固氮微生物群落（a）丰富度和（b）香农指数。（c）土壤固氮微生物群落与环境因子的典范对应分析

2 移置引起固氮微生物优势类群潜在活性和竞争的变化

反转录RNA测序结果表明，与低丰度和中等分度的固氮微生物相比，高丰度的固氮微生物可能对土壤移置更为敏感（图3a）。此外，与未施肥处理相比，施肥均降低了三组的转录活性，这说明施肥处理对土壤固氮微生物的固氮活性可能存在抑制，且对于高丰度群落的抑制作用最为明显。随机森林模型分析表明，高丰度的固氮微生物群落的潜在网络交互变化在对地上部产量的影响的解释量最高，约为17% - 20%，要高于低丰度和中等丰度固氮微生物群落的解释量；且只有高丰度固氮微生物的潜在交互作用变化在未施肥和施肥处理下都具有显著影响，而其余两类丰度固氮微生物群落仅在未施肥处理下存在显著影响（图3b）。

图3 （a）不同丰度固氮微生物活性变化和（b）基于随机森林模型的气候变化背景下固氮微生物交互作用对地上部产量的影响

进一步分析高丰度固氮微生物的交互作用和功能变化，结果发现，土壤移置后，高丰度固氮微生物群落间的交互作用变得更为复杂（图4）。高丰度固氮微生物群落共现网络的负连线/正连线的比例在移置后发生显著变化。未施肥处理下，负连线/正连线的比例从原位的0.125增加至封丘地区下的0.419；而施肥处理下，负连线/正连线的比例从原位的0增加至封丘地区下的0.5（图5）。这意味着在水热条件增加下，高丰度固氮微生物群落间增加的交互作用，可能主要以竞争关系为主。

图4 高丰度固氮微生物群落共现网络 

图5 高丰度固氮微生物群落网络正负连线比例

3 固氮微生物优势类群的群落构建

为了了解随机性过程和确定性过程在塑造土壤固氮微生物群落的相对重要性，我们计算了高丰度固氮微生物群落的βNTI和RCbray值（图6）。结果表明：土壤从原位移置到封丘引起的水热增加显著增加了确定性过程在群落构建过程中的相对重要性（P < 0.05），水热条件的变化可能会成为环境过滤因素，增加对固氮微生物群落的选择作用。虽然确定性过程的相对重要性增加，但随机性过程仍然是主导着固氮微生物群落的群落构建过程。随机性过程包括均质化扩散、生态漂移和扩散限制这三个过程。未施肥处理下，土壤移置降低了生态漂移过程的相对比例（4.02%），但增加了扩散限制过程的相对比例（4.02%）；施肥处理下，土壤移置造成的生态漂移过程比例下降更多，约19.38%，而扩散限制过程的相对比例也大幅度增加（19%）。

图6 （a）未施肥和（b）施肥条件下高丰度固氮微生物群落构建过程

4 土壤移置对作物产量和质量的影响

利用结构方程模型分析环境因素和微生物对作物的直接和间接影响（图7），结果发现土壤移置后温度增加直接降低了施肥的增产量（r = −0.846, P< 0.001）。固氮微生物之间的交互作用会通过影响地上部作物的营养成分而间接影响产量的变化。分子生态网络的连通性虽然对籽粒含氮量（r = 0.227, P < 0.05）和秸秆含氮量（r =0.274, P < 0.01）都具有积极的影响，但更多的负交互作用倾向于对籽粒含氮量产生负面影响（r = −0.316, P < 0.01），因而会对地上部作物施肥增产量造成潜在的负面影响。

图7 土壤移置下固氮微生物群落对地上部作物的影响

了解微生物群落功能在应对气候变化中的重要性，有助于预测微生物在响应全球变化中的生态调节作用。在评价微生物群落结构和功能随着管理实践的变化达到平衡的过程中，长期实验起到了十分重要的作用。因此，在评价土壤中微生物群落的组成和功能之间的联系时往往需要进行长期的实验。以往的研究表明，温带草原土壤微生物群落组成和功能对长期气候变暖非常敏感。在本研究中，随着长期的土壤移置，土壤固氮微生物群落的多样性明显下降。由于不适应突然的气候变化，一些固氮微生物可能会减少或消除。在本质上，微生物本身对温度具有敏感性，不适应长时间的升温变化。本研究中，土壤移置引起的温度变化远远高于预期的气候变化（2-5°C）。这种突如其来的环境变化可能会增加固氮菌群落的变异性，而不是对进一步气候变化的响应。移置也可能通过植物间接影响固氮微生物群落。微生物与植物之间联系紧密并相互作用。植物通过根系分泌物对固氮微生物起到刺激作用。移置后，施肥处理的土壤样地的植物生物量的减少可能对根瘤菌等共生固氮菌产生间接影响。另一方面，移置后土壤有机碳流失所导致的竞争性排斥作用同样也会造成固氮菌多样性的下降。

同时，随着土壤移置时间的延长，土壤固氮菌群落结构也发生了变化。当微生物所处的微环境发生改变时，其中的微生物群落可以通过改变群落结构，使其本身更接近与土著微生物群落结构，以此尽可能的维持其原有的微生物活性。气候变暖加速了土壤微生物演替速率，表明气候变暖引发了潜在的确定性环境过滤。正如对土壤功能性固氮群落的观察一样，所有这些都表明，在一个温度持续升高的环境下，土壤生物多样性保护和功能维持的策略需要仔细考虑。

微生物的相互作用是维持群落结构和功能的最重要决定因素。基于共生网络我们发现，随着温度的升高，土壤固氮菌群落之间的相互作用更加复杂。相似的其他研究同样发现，升温会导致所有细菌群落的共生模式更加复杂。原位土壤的微生物群落主要以在α-Proteobacteria和delta-Proteobacteria为主。根瘤菌（α-Proteobacteria）作为原位土壤共生网络中丰度最高的物种，其丰度在土壤移植后明显减少。在气候变暖条件下，Cyanobacteria与其他微生物之间的关联度增加，表明Cyanobacteria对气候变暖有较强的抗性和适应性。先前的研究还发现，固氮菌从Rhizobiales和Nostocales（Cyanobacteria）的混合群落转变为以Nostocales为优势物种的群落。然而，在较高的温度下，由于nifH的表达水平过低，使得N₂固定活性的降低与高丰度的cyanobacteria相关，这一结果暗示了固氮功能可能会丢失。

土壤移植后，高丰富度的固氮菌之间负关联比例增加，表明这些菌群之间存在潜在的竞争关系。先前已有的胁迫假说曾预测，随着生态群落中压力的增加，菌群之间的相互作用将从负向正转变，但这与本研究结果恰恰相反。但也有研究发现，资源可获得性的降低会导致固氮微生物群落之间竞争的增加。nifH多样性受到土壤有机碳的显著影响，在土壤移植后，优势固氮菌之间对碳源的竞争可能更加激烈。这种竞争主要集中在Cyanobacteria与诸如Geobacter sp.等其它类群之间。研究发现，固氮能力的丧失与Keystone和Geobacter簇相对丰度的降低有关。Cyanobacteria在胁迫条件下的高竞争能力主要通过它们的适应策略而实现，例如孢子体的形成，以避免巨大的温度波动。由于固氮cyanobacteria能够将营养物质转化为易于植物消化的形式，这使得cyanobacteria在资源竞争中可能受到植物的青睐。此外，植物覆盖可以显著控制地面的遮荫和阳光，并影响土壤表面温度。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Cyanobacteria在内的光养生物的生长。

微生物群落组配是影响微生物功能的关键过程之一。在本研究中，大多数β-NTI值在-2和2之间，而这个值在移置土壤中较高。这些结果表明，微生物的组配主要以随机过程为主，而在土壤移置后，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。气候变暖可能会对固氮群落施加严格的过滤，以增加确定性过程。

在群落随机聚集的主要过程中，高丰度固氮微生物的扩散极限在移植后有所增加，这一结果在施肥处理下尤为明显。扩散决定了个体在群落之间移动的程度，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具有挑战性，这是本研究的不足之一。通过比较周围土壤和移植土壤中的固氮微生物类群，可以深入了解土壤的扩散过程，但不能排除移植土壤中的固氮菌被数量较少的微生物所取代的可能性。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固氮微生物群落的差异更大，从而导致功能冗余降低。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，移置后固氮微生物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，但移置后，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基本机制的理解。

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