综述：宏基因组分析揭示土壤酸化改变甘蔗农田根际微生物群落、功能动态及养分循环

研究人员通过宏基因组分析探究了广西来宾蔗区由集约化连作诱发的土壤酸化对甘蔗根围、根内及非根际土壤理化性质、元素组成以及微生物群落结构与功能的综合影响。结果表明，土壤酸化显著降低了根际与非根际土壤中速效钾、有机质、碱解氮、镁、钙及硒等养分含量，同时汞、镉、砷、铝等有毒金属在酸化土壤中显著富集。在功能层面，酸化破坏了碳、氮、硫、磷循环的代谢平衡，显著增加了根际与内生微生物中病原菌及病毒的丰度，而慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）、Pajaroellobacter属及中华根瘤菌属（Mesorhizobium）在根际与根内土壤中均显著减少。相关性分析显示，慢生根瘤菌属与中华根瘤菌属与甘蔗产量等农艺性状呈正相关。此外，酸化显著缩小了微生物生态位宽度，并通过中性群落模型证实细菌群落构建由随机性过程向确定性过程转变。该研究深化了对酸化土壤中根系关联微生物群落生态功能及其在维持土壤健康与甘蔗生产力中作用的认识。

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   引言
   甘蔗是全球重要的热带经济作物，贡献了约80%的全球食糖产量，同时也是乙醇生物燃料的关键原料。我国蔗区长期依赖连作模式，这是导致蔗田土壤酸化的主要驱动因素。土壤酸化严重制约了甘蔗的产量与品质，已成为限制中国蔗糖产业可持续发展的瓶颈。酸化的核心机制在于质子（H⁺）产生与土壤缓冲能力之间的失衡，其中氮肥过量施用是加速这一过程的主要人为因素。土壤微生物是维持土壤健康的基石，参与有机质分解与养分循环。酸化通过改变养分有效性、增加有毒金属溶解度以及抑制有益根际微生物（如慢生根瘤菌属等固氮菌群），进而削弱作物生产力。尽管已有大量研究关注酸化对微生物的影响，但针对重度酸化条件下甘蔗根系与土壤微生物群落的结构、功能及互作机制仍不明确。本研究旨在阐明酸化对土壤性质、农艺性状及微生物群落组成与多样性的影响，评估酸化对碳、氮、磷、硫代谢功能基因的作用，并解析微生物群落与农艺性状的关联及群落构建机制。
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   材料与方法
   2.1 实验概况与材料
   田间试验于2020年2月至2021年12月在广西来宾国家糖料产业技术体系试验站开展。该区域属亚热带季风气候，年均温20-22℃，年均降水量1300-1350 mm。供试品种为桂糖系列XTT22。试验地土壤基础pH为5.35，有机质含量为22.08 g/kg。
   2.2 实验设计与样品采集
   设置两组处理：重度酸化组（SA）与邻近非酸化对照组（CK）。两组施肥管理一致，均施入氮磷钾复合肥（15-15-15）450 kg/hm²，40%作基肥，60%在大培土期追施。成熟期采集样品：根际土通过刷取法收集紧贴根表的土壤；非根际土采集距根系30 cm、深0-20 cm的土芯；根组织经表面消毒后保存于-80℃用于分子检测。
   2.3 甘蔗农艺性状调查
   成熟期测定株高、茎径、有效茎数、单茎重、锤度及蔗糖含量。蔗糖含量依据行业标准公式计算，公顷含糖量通过单茎重与有效茎数换算。
   2.4 土壤理化性质测定
   依据《土壤农业化学分析方法》测定pH、有机质（OM）、全氮（TN）、全碳（TC）、全硫（TS）、全磷（TP）、全钾（TK）、碱解氮（AN）、速效磷（AP）、速效钾（AK）、铵态氮（NH₄⁺-N）及硝态氮（NO₃^--N）等指标。依据食品安全国家标准测定锰、铜、镁、钙、铁、镍、锌、硒等元素含量。
   2.5 宏基因组测序与数据处理
   使用磁珠法提取总DNA，经质检后建库并在Illumina NovaSeq 600平台进行双端150 bp测序。生物信息分析在BMKCloud平台完成：经Fastp过滤获得Clean Reads，去除宿主污染后使用MEGAHIT进行组装，MetaGeneMark预测开放阅读框（ORF），MMseqs2构建非冗余基因集，Diamond比对Swissprot数据库进行功能注释。
   2.6 数据处理与统计分析
   采用单因素方差分析与Tukey HSD检验组间差异。利用QIIME2计算ACE与Shannon指数，基于Bray-Curtis距离进行主坐标分析（PCoA）。使用DESeq2进行差异丰度分析，并结合vegan、stats4等R包进行生态位宽度分析与中性群落模型构建。Spearman相关性分析用于解析微生物与农艺性状的关联。
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   结果
   3.1 重度酸化土壤对甘蔗产量及农艺性状的影响
   连续两年种植于重度酸化土壤中的甘蔗表现出显著的生长衰退。与对照相比，公顷产量由60338.96 kg骤降至3323.28 kg，降幅达94.5%；单茎重由1.29 kg降至0.33 kg；蔗糖含量由15.10%降至2.44%。株高、茎径及有效茎数分别下降23.4%、41.0%及78.3%。
   3.2 重度酸化对蔗田根际土壤理化性质的影响
   酸化导致根际与非根际土壤pH分别显著下降1.77与1.99个单位。速效钾含量显著降低，根际与非根际分别下降1.44倍与1.23倍。有机质与碱解氮在根际分别降低33.1%与22.5%。镁与钙含量显著耗竭，硒含量下降50%-60.7%。同时，汞、镉、砷、铊、铝、锑、钒等有毒元素在酸化土壤及甘蔗根系中显著富集，其中铝积累量最高（2.0-3.6 g/kg），汞增幅最大（15.3倍）。铝转运相关基因ALS3在酸化土壤中显著上调。
   3.3 重度酸化对甘蔗土壤及根系微生物群落组成与多样性的影响
   α多样性分析表明，酸化显著提升了根际真菌与病毒多样性，但显著抑制了非根际与根际土壤细菌多样性及根系内生细菌多样性。PCoA分析显示，各组间细菌、病毒、真菌及内生细菌群落均发生显著分离。在门类水平上，变形菌门（Proteobacteria）与酸杆菌门（Acidobacteria）为优势细菌；子囊菌门（Ascomycota）与担子菌门（Basidiomycota）为优势真菌；尿病毒门（Uroviricota）、前质病毒门（Preplasmiviricota）与核胞质大病毒门（Nucleocytoviricota）为优势病毒。酸化导致担子菌门显著增加，壶菌门（Mucoromycota）减少，前质病毒门与核胞质大病毒门丰度上升。根系中放线菌门（Actinobacteria）在酸化条件下显著增加。
   3.4 重度酸化对甘蔗根系及土壤差异微生物群落的影响
   酸化驱动了细菌群落的显著演替。根、根际、非根际分别鉴定出88、1026、705个差异菌属。维恩图分析显示，慢生根瘤菌属、Pajaroellobacter属、中华根瘤菌属等14个有益或共生属在正常土壤中稳定富集，而嗜酸菌属（Acidiphilium）、Acidocella属、分枝杆菌属（Mycobacterium）等6个嗜酸属在重度酸化土壤中占优。根际与非根际共有467个差异属，正常土壤中富集固氮螺菌属（Azospira）、硝化杆菌属（Nitrobacter）等有益类群，酸化土壤中富集嗜酸短杆菌属（Acidibrevibacterium）、Acidisphaera属及链霉菌属（Streptomyces）。真菌与病毒群落亦发生显著改变，24个保守真菌属（含Gymnopilus、链格孢属Alternaria等病原属）及2个保守病毒属在酸化条件下占据主导。
   3.5 重度酸化对土壤及甘蔗根系微生物生态位宽度与群落构建过程的影响
   酸化显著缩小了甘蔗根系及土壤的微生物生态位宽度。中性群落模型显示，酸化将细菌群落构建由随机性过程转变为确定性过程。在正常条件下，根际与非根际土壤细菌群落的决定系数（R²）分别为76%与72.5%，而在酸化条件下分别降至68.1%与58%。根系内生细菌群落的转变更为剧烈，R²由45.8%（属水平）降至17.9%。较高的R²值代表随机性过程的主导地位更强。
   3.6 土壤及根系微生物与甘蔗性状的相关性
   内生与根际微生物与甘蔗产量及品质显著相关。链霉菌属、中华根瘤菌属、bacterium_N₂及根瘤菌目细菌（Rhizobiales_bacterium）与产量及单茎重呈正相关。蔗糖含量与慢生根瘤菌属、bacterium_N₂及根瘤菌目细菌呈正相关，与Acidipila_Silvibacterium属及嗜酸菌属呈负相关。根际微生物中，中华根瘤菌属、慢生根瘤菌属及假单胞菌属（Pseudomonas）与产量正相关，芽单胞菌门细菌（Gemmatimonadetes_bacterium）与蔗糖含量相关，乳酸乳球菌（Lactococcus garvieae）对蔗糖含量呈负效应。
   3.7 土壤酸化对碳、氮、硫、磷循环基因的影响
   碳循环中，酸化显著下调碳固定相关基因（pccB、cbbL、nifJ、cooC、coxL），上调碳降解相关基因（rfbB、xylST、cbhAB、celF、kdgR、pme、pemAB、malCD），表明酸化抑制碳固定并促进碳降解。氮循环中，固氮（nifK、nifD、nifH）、硝化（amoA、amoB、hao）、反硝化（nirK、nirS、nosZ）及反硝化型硝酸盐还原（DNRA）关键基因丰度显著降低，可能导致氧化亚氮（N₂O）等温室气体排放增加；而硝酸盐还原基因（narBGHVJ、napA）显著上调，可能促进亚硝酸盐积累与氮素流失。硫循环中，硫酸盐/亚硫酸盐还原及硫氧化基因（aprA、dsrA、dsrB、psrB）显著下调，抑制硫的同化。磷循环中，有机磷酯水解基因（glpA、glpQ、opd）及氧化磷酸化基因ppa显著上调，表明微生物增强了有机磷的矿化利用；但丙酮酸代谢基因pckA与ppdK显著下调，抑制了磷酸烯醇式丙酮酸的合成。此外，磷酸盐与次磷酸盐氧化基因htxA与ptxD响应不一，磷酸代谢途径（pepM、phnZ、phnO、phnPP）显著上调，暗示微生物在酸胁迫下采取了替代性的磷获取策略。
4. 4.
   讨论
   重度酸化（pH 3.42–3.52）引发了一系列土壤健康退化连锁反应。酸化的直接后果是破坏微生物多样性，特别是抑制了参与养分循环的关键类群，导致有机质与碱解氮分别减少33.1%与22.5%。同时，镁、钙、钾等盐基离子淋失，硒等微量元素匮乏，限制了微生物代谢活性。相反，质子驱动的矿物溶解与阳离子交换作用显著提高了汞、镉、砷、铝的生物有效性，造成根系重金属累积。这种化学环境的剧变抑制了好氧有益微生物的活性，促进了厌氧微生物增殖，进一步恶化了土壤通气性与结构。微生物群落结构的失衡表现为慢生根瘤菌属、中华根瘤菌属等固氮菌群丰度锐减，而Pandoraea等潜在病原菌富集。群落构建机制的分析进一步证实，环境胁迫（低pH）增强了确定性过程（环境筛选）的作用，削弱了随机扩散的影响，导致生态位宽度收窄。相关性分析揭示了特定微生物类群的促生机制，如链霉菌通过分泌铁载体与ACC脱氨酶缓解铝毒与乙烯胁迫，中华根瘤菌通过固氮与生长素合成促进维管分化。功能基因的失调则从分子层面解释了生产力下降的原因：碳固定受阻、氮素流失、硫转化受限以及磷代谢能量供应不足共同导致了甘蔗的生长停滞与糖分积累失败。
5. 5.
   结论
   重度酸化土壤通过物理、化学与生物三个维度的协同作用导致甘蔗绝产。物理化学层面表现为速效钾、有机质、碱解氮等关键养分的耗竭及有毒元素的富集。生物学机制在于酸化通过调控功能基因表达扰乱了养分循环：下调cbbL抑制碳固定，上调rfbB促进碳降解；抑制nifH与amoA阻碍氮同化；压制aprA与dsrB影响硫转化；下调pckA降低磷利用效率。同时，酸化显著降低了内生与根际细菌的丰富度与多样性，导致慢生根瘤菌属、Pajaroellobacter属及中华根瘤菌属等有益类群丧失，而Pandoraea等病原菌增殖。这些扰动最终加剧了土壤贫瘠化。针对该问题，建议施用石灰、有机肥及生物炭等改良剂，以中和酸性、恢复微生物功能，保障甘蔗产业的可持续发展。