农业生态系统的可持续性依赖于土壤微生物组这一“隐藏的地下引擎”。然而，集约化农业管理如何影响土壤微生物的群落构建、土壤微食物网的相互作用以及最终的生态功能，仍是一个需要系统解析的黑箱。为回答这一科学问题，中国科学院亚热带农业生态研究所王克林研究员团队的赵杰研究员在桂西北地区开展了区域尺度采样研究。研究团队选取该区域两种主要土壤类型——石灰土和红壤，并在其上确定了四种典型农用地，按农业干扰强度由低到高依次为牧草地、甘蔗地、水稻田和玉米地。研究系统揭示了农业管理与土壤类型如何协同调控土壤微生物组的装配过程、土壤生物互作网络及其关键生态功能的作用机制。
进展一
磷是限制作物生产的关键元素，其生物地球化学循环高度依赖微生物驱动，因此首先关注磷循环功能微生物群落的构建过程，通过宏基因组技术与零模型分析，研究发现：
（1）石灰土中磷循环功能基因的丰度与多样性均显著高于红壤，显示出更强的磷转化功能潜力。
（2）随机性过程（如扩散限制、生态漂变）在两类土壤的磷循环微生物群落构建中均占主导地位，且在石灰土中更为显著。
（3）随着农业管理强度的增加，随机性过程的作用反而增强。这与传统认为高度管理会增强环境筛选（确定性过程）的观点相悖。而施肥频率、农药与除草剂施用是驱动这种随机性增强的关键农业实践。
（4）增强的随机性过程解耦了磷循环微生物分类多样性和功能基因多样性的关系。强调综合评价土壤磷循环微生物的分类和功能多样性是全面了解农业管理对土壤磷循环过程影响的必要条件。
科学意义：研究系统揭示了随机性过程在农业土壤磷循环微生物群落构建中的主导作用，并指出高强度农业管理可能通过改变资源异质性与微生物扩散，而非简单的环境过滤，来重塑群落装配。这为理解农业活动下土壤微生物多样性的维持与功能调控提供了新视角。
图1 不同土地利用类型和土壤类型对P循环功能基因丰度的影响
图2 石灰土和红壤P循环微生物类群丰富度与功能基因多样性的关系
进展二
微生物并非独立存在，而是通过各种的种间互作形成复杂的生态网络。那么上述群落构建过程的变化如何影响更宏观的土壤多营养级生物网络？其稳定性与复杂性孰轻孰重？集约化农业管理如何影响土壤食物网复杂性和稳定性？这些变化又如何与土壤多功能性相关呢？研究通过宏基因组测序构建了涵盖细菌、真菌、古菌、病毒、藻类、原生动物、线虫、节肢动物等多类群的土壤生物共现网络，并测量20多种地下生态功能指标。
研究发现：
（1）农业干扰增加了物种竞争和土壤微食物网复杂性，但降低了土壤微食物网的稳定性。土壤微动物（如线虫、原生动物和节肢动物）通过自上而下的控制稳定整个土壤微食物网。
（2）土壤微食物网的稳定性而不是土壤微食物网复杂性或土壤生物多样性预测土壤多功能性的动态。一个稳定的土壤群落，无论在整个土壤微食物网和选定的土壤生物类群（如古菌、细菌、真菌、节肢动物、线虫、原生动物、病毒和藻类），都支持高的土壤多功能性。
（3）土壤微动物稳定性对土壤多功能性的贡献大于微生物群落稳定性。网络分析进一步支持了这一结果，即具有更多的土壤微动物种类的网络模块解释了更多的土壤多功能性的变化。
科学意义：研究将视角从单一功能类群扩展到整个土壤生物网络，明确了网络稳定性是连接微生物群落结构与生态系统多功能性的关键桥梁。这提示，可持续农业管理应着眼于维护土壤生物（尤其是微动物）群落的稳定互作关系，而不仅仅是追求物种数量。
图3 土壤生物网络复杂性和稳定性的驱动因子
图4 土壤生物群落稳定性和土壤多功能性的关系
图5 生态网络中土壤生物群网络稳定性与土壤多功能性之间的关系
进展三
群落如何构建、网络如何互作，最终都将体现在微生物的代谢功能上，特别是对全球变化至关重要的碳循环。那么，不同土壤类型和管理强度下，微生物的代谢策略有何不同？这些策略的变化如何影响土壤碳的命运？文章通过宏基因组分箱、功能注释与代谢途径分析，揭示了微生物生活方式的差异及其功能后果：
（1）石灰土土壤细菌丰度和多样性显著高于红壤，而其真菌丰度和多样性显著低于红壤；这可能归因于随机性过程主导了石灰土的细菌群落和红壤的真菌群落的组装，而这又与土壤pH值和Ca2+含量紧密相关。石灰土的净氮矿化和净硝化速率显著低于红壤，但反硝化潜力显著高于红壤。与还原反应（如硫、砷和硒的还原过程）相关的基因在红壤中比在石灰土中更高表达。
（2）与微生物生长繁殖相关的基因（如氨基酸生物合成、中心碳代谢和膜转运）在石灰土中富集，并与碳矿化速率、有机碳含量和碱性磷酸酶活性呈正相关。而与胁迫耐受性相关的基因（如细菌趋化性、DNA损伤修复、生物膜形成）在红壤中富集并且与氮循环指标紧密关联。
（3）路径分析表明，与红壤相比，石灰土高的土壤pH、有机碳和钙镁含量增加了细菌的绝对丰度和多样性，从而增加了微生物的碳固存潜力，但也促进了真菌对顽固性有机碳（如木质素）的分解，增加了土壤有机碳的损失潜力。同时，这些关系受到农业扰动的强烈影响。
科学意义：研究将微生物的群落特征与具体的代谢功能联系起来，阐明了土壤类型通过塑造微生物的生态策略（生长型 vs. 防御型）来影响土壤碳循环功能的内在机制。这为通过调节土壤理化性质（如pH）和管理措施来引导微生物代谢方向、增强农业土壤碳汇功能提供了理论依据。
图6 微生物群落属性及其与环境因子的关系
图7 石灰土和红壤微生物碳、氮、磷、硫、砷循环代谢潜力。基因名称和红色星号表明该基因在石灰土中的丰度显著高于红壤。基因名称或蓝色星号表示该基因在红色土壤中的丰度显著高于石灰土
图8 分段结构方程模型（Piecewise SEM）描述了土壤性质、细菌和真菌群落结构对土壤碳固存和损失潜力的直接和间接影响
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