阿根廷萨拉多河流域：在Lotus tenuis促进生长的草地上研究牛的排泄物对土壤微生物组及一氧化二氮排放的影响

该研究探讨阿根廷萨尔多河盆地自然草地与Lotus tenuis豆科草地系统中，牛排泄物（尿液和粪便）对土壤微生物群落及一氧化二氮（N₂O）排放的影响。通过现场微宇宙模拟和16S rRNA测序分析，发现自然草地中Proteobacteria和Actinobacteriota占优，而L. tenuis草地因添加豆科牧草，出现Acidobacteriota和Verrucomicrobiota优势菌群，且N₂O排放显著降低。研究证实豆科牧草系统可优化微生物群落结构并减少温室气体排放，为可持续畜牧业提供新策略。

作者：阿米拉·苏珊娜·德尔·V·尼埃瓦（Amira Susana del V. Nieva）、莫妮卡·G·佩雷斯（Mónica G. Pérez）、克里斯蒂安·J·安东内利（Cristian J. Antonelli）、亚历杭德罗·O·科斯坦蒂尼（Alejandro O. Costantini）、奥斯卡·A·鲁伊斯（Oscar A. Ruiz） 机构：阿根廷可持续发展能源与环境区域中心（CREAS-CONICET-UNCA）

摘要

养牛业会产生尿液和粪便等废弃物，这些废弃物通过增加有机物质和氮含量来提升土壤微生物多样性。豆科植物牧场（如Lotus tenuis）通过吸收氮元素改善土壤质量，从而影响微生物群落，并对一氧化二氮（N₂O）的排放产生影响。本研究旨在探讨畜牧业和牧场系统对草地生态系统中的土壤微生物组及N₂O排放的影响。我们利用下一代测序技术（NGS）分析了天然牧场和种植Lotus tenuis的牧场土壤中的微生物群落，并在田间模拟了尿液和粪便的沉积过程。结果显示，在不同 cattle 输入处理条件下，天然牧场与种植Lotus tenuis的牧场之间微生物多样性存在显著差异。生物标志物分析发现，不同类型的排泄物和牧场系统中存在不同的微生物门类：在天然牧场中，尿液中的优势菌群为Proteobacteria和Actinobacteriota；而在种植Lotus tenuis的牧场中，优势菌群为Acidobacteriota和Verrucomicrobiota。处理过粪便的土壤中主要含有Pseudonocardia、Flavobacterium、NP-4、Adhaeribacter、Pseudoxanthomonas和Novosphingobium等微生物；处理过尿液的土壤中则含有Brevundimonas、Defluviicoccus、Sphingomonas、Sphingomicrobium、REEP01、Chthoniobacter、Hyphomicrobium和PSRF01等微生物。与天然牧场相比，种植Lotus tenuis并添加尿液的牧场中N₂O排放量显著降低，其中Brevundimonas、Hyphomicrobium和Nitrosocosmicus等菌属与N₂O排放呈正相关。这些发现强调了牧场组成对土壤微生物组的影响，并突显了豆科植物（如Lotus tenuis）在减少N₂O排放方面的积极作用，为更可持续的畜牧业管理提供了新途径。

引言

Flooding Pampa地区位于阿根廷Salado河流域，面积为90,000平方公里。该地区的农业活动受到洪水、盐碱化等因素的限制[1]。在这种情况下，养牛业已成为主要的经济活动，而传统农业主要存在于土壤条件较好的区域。然而，这些边缘土地的土壤限制了优质牧场的建立和持续发展。为克服这些挑战，当地农民引入了耐逆境的豆科植物到草地系统中。Lotus tenuis已在Salado河流域的低地成功自然化，其种植通过提高蛋白质含量增强了牲畜的营养状况，同时提升了草地生态系统的韧性和可持续性[2,3]。虽然豆科植物改善了饲料质量，但养牛活动产生的废弃物（尿液和粪便）也会改变土壤性质，为土壤提供有机物质、氮元素和微生物。 养牛业是向大气中释放温室气体的活动之一，尤其是N₂O[4]。在全球范围内，来自牧场废弃物的N₂O排放占总N₂O排放量的33%；在阿根廷这一比例高达52%[5]。由于农业是这类温室气体的主要来源，因此解决氮循环问题至关重要[6]。微生物群落结构比功能基因丰度更能预测反硝化过程[7]。因此，分析畜牧业条件下土壤的微生物组成有助于深入了解N₂O排放机制。 本研究旨在分析养牛活动对两种草地系统（天然牧场和种植Lotus tenuis的牧场）中土壤细菌群落的影响。尽管已有研究分析了这两种牧场系统中土壤细菌和真菌的多样性[8,9]，但动物活动与牧场结合对土壤微生物组的具体影响仍不明确。通过分析牛粪对土壤微生物多样性的影响，可以更全面地理解畜牧业对环境的影响。为此，我们需要全面研究土壤微生物群并确定相关生物标志物，以了解养分动态和环境特征。我们假设将Lotus tenuis作为单一豆科植物用于牧场种植，同时结合牛的排泄物（尿液和粪便），会显著影响土壤微生物群落并影响N₂O排放。本研究采用下一代测序技术（NGS）分析了模拟牛粪沉积的田间样本，从而深入探讨了Lotus tenuis在养牛生产中的重要作用。

实验设计

实验地点位于阿根廷布宜诺斯艾利斯省Chascomús市的Salado河流域（坐标：S 35° 45′01′′；W 58° 02′22′′）。实验分为两种类型：天然草地（Natural grass）和种植Lotus tenuis的草地（Lotus tenuis）。实验于2017年夏季进行。两种草地系统的植物组成已由Nieva等人详细描述[8,9]。

多样性分析

经过质量筛选后，共获得16S rRNA基因的770,925条序列，生成了6791个独特的扩增子序列变异体（ASV）。为进行细菌多样性分析，每个样本的序列数量被缩减至27,754条。本研究的数据已上传至美国国家生物技术信息中心（NCBI）的GenBank数据库，项目代码为PRJNA1100591。

讨论

土壤微生物在牧场系统中起着关键作用，它们参与养分循环、土壤结构以及水分和有机物质的动态过程。本研究中，我们在模拟牛粪沉积的条件下评估了土壤细菌群落的多样性。通过添加特定量的尿液和粪便，再现了牛对土壤的实际影响。实验结果表明，Lotus tenuis的引入改变了土壤微生物群落的结构和功能。

结论

本研究揭示了在基于豆科植物或天然草地的养牛系统中整合植物和动物成分的生物学效应。将Lotus tenuis作为主要豆科植物种植，并结合牛的排泄物，可显著影响土壤微生物群落及N₂O排放。此外，即使在添加尿液的情况下，Lotus tenuis牧场中的N₂O排放量也有所降低，表明这种牧场系统具有较好的环境效益。

作者贡献声明

作者分工如下： - 阿米拉·苏珊娜·德尔·V·尼埃瓦（Amira Susana del V. Nieva）：撰写初稿、数据可视化、实验设计、数据分析、概念构建 - 莫妮卡·G·佩雷斯（Mónica G. Pérez）：撰写、审稿与编辑、方法设计、数据分析、概念构建 - 克里斯蒂安·J·安东内利（Cristian J. Antonelli）：方法设计、实验设计、数据分析 - 亚历杭德罗·O·科斯坦蒂尼（Alejandro O. Costantini）：撰写、审稿与编辑、实验监督、概念构建 - 奥斯卡·A·鲁伊斯（Oscar A. Ruiz）：撰写、审稿与编辑、实验监督、资金筹集

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本研究结果的财务利益冲突或个人关系。

致谢

本研究部分得到了阿根廷科学技术促进机构（Agencia de Promoción Científica y Tecnológica）的PIcts 2018–3723和2020–2023项目、CONICET的PIP CONICET11220210100584CO 2022–2024项目、意大利CNR与阿根廷CONICET的2021–2023双边协议以及欧盟Horizon研究的支持。不过，本文所表达的观点仅代表作者本人，并不一定反映欧盟的立场。