科研 | Environ. Microbiol.：牲畜排斥降低了畜牧业对邻近森林片区土壤细菌群落的溢出效应

2021-08-10 09:27

本研究展示了土地变化对土壤微生物群落组成的显著影响，这些影响不仅限于底层土壤，而且还会影响邻近土地利用下~50 m以外的群落组成。

编译：微科盟清韵，编辑：微科盟木木夕、江舜尧。

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导读

众所周知，从森林到牧场的转变导致了全球植物和动物多样性的损失，但是这种转变后的畜牧管理对毗邻的自然生态系统中重要微生物群落的影响仍然知之甚少。本研究通过比较沿牧场-森林边界的21条横断面采样的细菌群落，研究了畜牧业土地管理实践如何影响邻近的原生森林碎片中的土壤微生物。研究结果表明，当土地利用被边界围栏隔开时，放牧草地土壤中的细菌分类群丰富度更高，与牧场相关的分类群向邻近森林土壤的扩散减少。森林相关分类群（即Proteobacteria和Nitrospirae）和牧场相关分类群（即Firmicutes）的相对丰度分布也表明，在未围栏的情况下，牧区土地利用对森林片区土壤细菌群落的影响更大。细菌群落的丰富度和组成与农业施肥有关的土壤理化性质的变化关系最密切，包括Olsen P、全P、全Cd、δ¹⁵N、C/P和N/P。总体而言，本研究结果表明，农业干扰对毗邻牧地的森林土壤中的细菌群落有明显的、潜在的有害影响。本研究提供的证据表明，简单的土地管理决策，如牲畜排斥，可以减轻农业对邻近土壤微生物群落的影响。

论文ID

原名：Livestock exclusion reduces the spillover effects of pastoral agriculture on soil bacterial communities in adjacent forest fragments

译名：牲畜排斥降低了畜牧业对邻近森林片区土壤细菌群落的溢出效应

期刊：Environmental Microbiology

IF：5.491

发表时间：2021.03

通讯作者：Jieyun Wu

通讯作者单位：新西兰奥克兰大学

实验设计

结果

1 放牧的牧场和邻近森林土壤细菌群落的丰富度和组成的变化

与第一个假设（Habitat H₁）相反，本研究发现从牧场（即距离边界边缘-46.5和-3 m）采集的单个土壤样本的细菌丰富度平均高于邻近森林内的那些地点（即距离边缘46.5和3 m），但只在围栏农牧场的差异是显著的（图1A和S1）。广义混合效应模型的结果进一步证实，每个样本的细菌丰富度随着围栏农场采样梯度的距离而下降，森林中每米约2±0.4个OTU丰富度单位下降（表S1）。此外，在不同的农场之间检测到细菌丰富度的显著差异，无论是否有围栏分隔的土地用途（P<0.001）。对于未围栏的农场，没有观察到每个样本丰富度的明显距离梯度。与Habitat H₁假设一致，当在更大的空间尺度上评估细菌分类群丰富度时，通过比较个别农场地点内牧场和森林的总细菌丰富度（图1B），与森林相关的群落获得的分类群丰富度明显高于牧场（包括围栏和未围栏农场）。

PERMANOVA表明，样本间的土壤细菌群落组成受生境（即牧场或森林土地利用）的影响（R²=0.05，P<0.001；图S2）。此外，在这些土地利用之间发现了细菌群落分散（群落组成的变化）的显著差异（比较森林或牧场的样本；表S2，PERMDISP，F=5.86，P<0.001）。对于从未围栏牧场收集的样品，样品之间细菌群落组成的变异性最低。群落组成的变异性最大的是来自靠近牧场的围栏森林片区的样本，其次是来自未围栏森林的样本。围栏场地细菌群落相似性的距离衰减率（也称周转率，用线性回归的斜率衡量）高于未围栏农场的距离衰减率，表明群落组成沿围栏场地的采样梯度有较大差异（图S3)。这些结果表明，当森林在边界被围起来时，细菌种群结构随着进入森林的距离增加而变得更加明显。最能解释整个研究地点细菌群落组成变化的环境属性包括可能与肥料投入有关的多种土壤属性，如Olsen P、全P、N、δ¹⁵N的浓度、C：P、N：P以及pH，也可能与土壤水分和容重有关（图S2）。

图1 （A）沿距离梯度的每个研究地点的平均地点级OTU丰富度，使用从每个地点收集的土壤样品得出的平均丰富度；（B）从每个农场的每种土地类型（即牧场或森林）收集的所有样品得出的累积农场级OTU丰富度。具体信息见原文。

2 土壤养分含量对森林土壤细菌群落的影响

为了确定农业土地利用强度是否对相邻森林中的土壤细菌群落有影响，本研究使用AIC（Akaike’s information criterion）比较在用细菌丰富度或组成数据构建的不同候选模型中选择最佳模型，并与各种环境变量进行比较（表1和2）。在细菌丰富度和组成数据的AIC模型比较中，本研究使用了所有土壤物理化学数据的前五个PCA轴得分，而不是单个土壤变量，以减少模型中的变量数量。这五个PCA轴排序解释了土壤物理化学变量在不同地点的87.4%的变异（见图S4A）。在每个PCA轴得分和不同土壤理化变量之间检测到高相关系数，显示哪些主成分代表土壤数据的不同方面（图S4B）。通过AIC模型比较，土地利用强度对森林土壤细菌群落的丰富度和组成均无显著影响。然而，本研究结果表明，森林中细菌群落的丰富度和组成与距土地利用边界的距离以及距离与边界上是否存在围栏的综合影响密切相关。同时，邻近森林土壤的群落丰富度与土壤物理条件和化肥投入量密切相关的主成分关系最为密切。例如，PCA轴1与容重、土壤湿度、C和N含量密切相关；PCA轴2与Olsen P、总P、总Cd、δ¹⁵N以及C:P 和N:P比率的变化密切相关；PCA轴3也与Olsen P、Cd、总U、pH、δ¹⁵N 和C:N密切相关等。研究还发现，天然森林土壤中的细菌群落组成与PCA轴2相关，PCA轴2主要代表与肥料投入有关的土壤变量（如Olsen P、总P、Cd、δ¹⁵N以及C:P和N:P。

表1 森林土壤细菌丰度数据子集所有候选模型的AIC和混合效应分析。

表2 邻近森林细菌组成数据子集所有候选模型的AIC和混合效应模型分析。

3 土地利用边界上围栏的存在影响了毗邻牧场的森林土壤中细菌群落的组成

在所有21个样带/农场中，位于森林内部不同距离（46.5 m）的土壤细菌群落的组成比取样到邻近放牧牧场内部（-46.5 m）的土壤细菌群落更多样化（图2A）。特别是，如果农场有围栏，我们观察到放牧牧场内部（-46.5 m）和相邻森林内部（46.5 m）的数据与农场没有围栏时相比，细菌群落之间存在更大的差异（PERMDISP，P<0.001）；多变量离散指数分别为43.6±1（围栏）和39.9±0.4（未围栏）。同时，图2B还显示了沿围栏或未围栏农场横断面每个地点的细菌群落差异的变化。图2B中相邻样本之间沿距离梯度的Bray-Curtis不同距离在有边界围栏的森林中比没有边界围栏的森林中更大。

为了进一步研究牲畜移动对通常仅限于放牧牧场进入邻近森林的分类群发生的影响，本研究首先比较了不同土地利用之间独特和共享的OTU的数量。与未围栏的农场相比，围栏牧场样品中的独特OTU（牧场相关类群）数量出现了明显的增加（图S5），这表明与未围栏的森林土壤相比，一些牧场相关类群从放牧的草原迁移到邻近的围栏中的比例较少。为了确定细菌分类群的组成是如何从放牧的牧场进入森林内部的，本研究绘制了经过围栏/未围栏采样梯度的横断面上最丰富的20个门的相对丰度图（图3A）。这些结果表明，围栏和未围栏的片区之间的模式不同，一些优势类群的相对丰度随着进入森林片区距离的增加而不同。根据LEfSe分析，Proteobacteria（第二丰富的门类）、Nitrospirae和Gemmatimonadetes在围栏森林中最为丰富（图3B和C）。同时，Firmicutes、Chloroflexi和Planctomycetes是与牧场最显著相关的三个门类（即与牧场相关的类群），而只有Firmicutes在围栏森林与未围栏森林中的丰度有所下降（图S6）。最佳拟合混合效应模型的结果显示，沿采样梯度的距离以及距离和围栏存在的综合效应对从边界到森林的采样线上土壤细菌群落的丰富度（表1）和组成（表2）的变化贡献最大（P<0.01）。进一步调查发现围栏和未围栏农场的20个最优势门的相对丰度不同（图S7）。结果显示，从有围栏的农场收集的样品根据其土地使用类型（即牧场或森林）进行了聚类。在没有围栏的农场靠近边界收集的样本聚集在一起，并且与在放牧牧场内部收集的样本更相似。此外，在边界边缘（沿横断面0米处；图S8）观察到土地利用强度对森林（Proteobacteria和Nitrospirae）和牧场相关分类群（Firmicutes）相对丰度的影响。例如，随着土地利用强度的增加，在未围栏的森林边界观察到Proteobacteria和Nitrospirae的丰度下降，而在有围栏的森林中没有观察到下降或增加趋势。此外，虽然没有观察到Firmicutes相对丰度的明显变化趋势，但其在围栏边界的丰度普遍低于未围栏地点的丰度。

图2 A.非度量多维尺度分析（nMDS）图表示细菌群落组成的变化，比较从样带末端（-46.5 m和46.5 m）收集的样本。B. nMDS排序显示了沿采样样带（即距森林边缘0、3、9、27和46.5 m处的采样点）细菌组成变化的轨迹。

图3 A.堆积条形图显示沿采样样带（-46.5 m至46.5 m）从两种不同土地类型（即未围栏农场和围栏农场）获得的样本中前20个优势门的平均相对丰度（%）。使用从样带两端（-46.5 m和46.5 m）收集的样本，在（B）围栏农场或（C）未围栏农场中鉴定的门水平生物标志物的线性判别分析（LDA）效应大小（LEfSe）图。

讨论

与森林土壤相比，牧地内的土壤细菌群落较为均一，总体来说，牧地土壤细菌群落多样性较低。与未围栏森林的样本相比，来自围栏森林内样本的细菌群落组成变异性更大。当森林片区受到边界围栏保护时，一些与森林相关的门分类群（例如Proteobacteria和Nitrospirae）的丰度随着进入森林内部的距离而发生显著变化，而从未围栏的森林中观察到的分类群丰度几乎没有变化。由于边界围栏的存在，与未围栏森林和放牧牧场内部的细菌相比，与牧场相关的门Firmicuts在森林内部的丰度明显减少。观察到的土壤细菌群落组成的变化与土壤施肥措施中常见因子的变化关系最大，而群落丰富度的变化既与施肥有关的土壤变量有关，也与土壤物理条件有关。总之，这些发现强调了农业用地对牧地附近森林中土壤细菌群落的复杂影响，以及在评估土地利用转换对土壤微生物多样性大范围变化的影响时需要纳入对多种因素的理解，包括土壤施肥和牲畜放牧。

1 土地利用转换导致牧场土壤多样性净损失

与第一个假设（Habitat H₁）一致，代表每个地点的土壤总体细菌丰富度在森林中比在牧场中更高，可能是由于森林土壤中更大的空间/环境异质性。值得注意的是，细菌群落的相对丰富度与规模有关。平均而言，在单个研究地点水平上，牧区土壤中的群落丰富度高于森林片区中的群落丰富度（但仅限于围栏农场）。当考虑更大空间范围内的群落丰富度时（即从每个农场的每种土地类型收集的所有样品中得出的累积细菌丰富度），观察到相反的情况，反映了空间均质性的增加。牧场中每个样本的细菌丰富度的增加可能是由于施肥对放牧地底层土壤的影响，但代表每个农场地点的森林中较高的总体丰富度表明，与放牧地相比，森林片区的空间异质性更大。研究结果表明，放牧地的土壤细菌群落比森林土壤中的土壤细菌群落更加均匀，降低了牧场土壤中细菌的总体多样性。在放牧牧场的单个土壤样本中观察到的更大的细菌分类群丰富度可能是由于牲畜相关因素刺激了微生物多样性，包括通过从粪便和尿液引入有机体和底物实现多样化，放牧促进了根际活动，以及通过践踏使微生物群落混合和扩散。以前的研究发现适度放牧增强了土壤细菌群落的丰富性。此外，牲畜可以通过践踏压实土壤，通过不均匀地改变不同地点的土壤物理条件（例如影响土壤透气性和水力传导率的容重）来影响放牧牧场中每个土壤样品中的细菌丰富度。这可能会导致土壤稳定性下降，在某些情况下，还会通过风和水侵蚀加速肥力损失。例如，Acidobacteria和Cyanobacteria的丰度与人类踩踏强度的增加呈负相关，被认为是由土壤pH值和养分含量的改变引起的。研究结果表明，放牧草地中个体样方的OTU丰富度（即α多样性）增加，群落组成的分散度（即β多样性）减小，这意味着土地利用转换后α和β多样性的解耦。由于从PERMDISP和PERMANOVA测试中观察到的显著性，细菌群落结构的变化可能是由土地利用之间的异质性差异单独造成的，或由样本异质性和平均群落组成的组合差异造成的。类似研究报告了森林向牧区转变后土壤微生物群落的α多样性增加和β多样性减少，这表明生物同质化增强。这些结果表明，牧区转换可能会导致当地稀有分类群的损失，而这些分类群对微生物群落动态和稳定性的贡献比其低比例丰度更明显。以前研究证实了稀有分类群对微生物群落动态的重要性，强调稀有分类群对时间群落差异的贡献不成比例。随着采样工作的增加，本研究发现森林土壤的分类群丰富度最终超过了在牧场中获得的丰富度，这表明牧场土壤中生物同质化的增加导致了更大空间尺度上当地微生物多样性的净损失。这可能会导致微生物群落和过程的抵抗力和恢复力降低，从而使系统对未来的干扰事件更加脆弱（即反应能力较差）。

2 边界围栏保护邻近牧区的森林片区中土壤细菌群落的完整性

牲畜排除是保护和恢复残存原生保护区的一个常见管理工具。减轻放牧动物的影响是很重要的，因为它们的存在会影响土壤生态系统，减少植物落叶和土壤通气性，并通过尿液和粪便沉积增加养分输入；也可能发生土壤和肠道相关微生物的转移。本研究提供的证据表明，牲畜排斥在保护森林土壤中细菌群落的完整性方面起着重要作用。为了支持本研究的第二个假设（Fence H₂），在没有围栏的森林中，细菌群落周转率随着距离的增加而降低。此外，我们在未围栏的森林片区的土壤中观察到了更多与牧场相关的类群（即图3和S6D中的Firmicuts）。本研究AIC模型比较表明，从边界到森林内部的距离，以及进入森林的距离和边界围栏的存在，共同促成了观察到的细菌丰富度和组成的变化，增加了与肥料投入相关的土壤变量的直接影响。进一步证实，与牲畜运动有关的微生物在位于放牧牧场边界附近的森林样本中更为常见，如Firmicutes是牲畜粪便中的一个主要分类群。这些结果共同表明，在没有边界围栏的森林中，微生物群落结构的变化是由牲畜的存在造成的，特别是在最接近放牧的地方。总之，本研究的研究结果表明，限制牲畜进入森林，可以保持森林土壤细菌群落的完整性。

牲畜入侵似乎与优势门和稀有门的丰富程度有关。本研究发现，随着放牧牧场内部（−46.5m）进入围栏林区（46.5m），与森林相关的优势类群（即Proteobacteria和Nitrospirae）的相对丰度不断增加，与牧场相关的类群（即Firmicutes）也越来越丰富；在未围栏保护的森林土壤中，这些类群没有发现明显的变化。先前研究也表明，牲畜放牧显著降低了Proteobacteria和Nitrospirae的相对丰度，而增加了Firmicutes的丰度。这些发现主要归因于牧场施肥增加了土壤C、N和P的有效性。如果没有土地利用之间的边界围栏对牲畜入侵的预防，则更有可能在牧场附近的森林碎片中观察到施肥效应。此外，牲畜粪便包括代表Firmicutes的多个科细菌。与无围栏牧场相邻的森林土壤中此类菌的相对丰度增加，表明水力活动（即通过地表水流运输）和牲畜入侵能够将与牲畜有关的微生物和农业养分进一步输送到森林中。此外，与来自围栏森林片段的丰度相比，观察到放牧的牧场中Nitrospirae的丰度明显较低（图S6B）。据报道，Nitrospirae的丰度变化是对不同放牧强度或各种管理方法的反应。Nitrosprae是常见的亚硝酸盐氧化菌，具有完全硝化的能力，具有广泛的代谢多样性，包括利用各种化合物、硝化和化学自养好氧氢氧化。然而，Nitrosprae对环境条件的变化比其他微生物更敏感；特别是与土壤有机C、总氮、NH₄⁺-N和NO₃^--N的浓度呈负相关，与容重呈正相关。这突出了Nitrospirae对牲畜放牧反应的复杂性；事实上，本研究对氮循环中的亚硝酸盐氧化细菌的了解仍然有限。由于Nitrospirae在本研究中含量不高，该分类群在放牧草场中的丰度明显下降，表明牲畜放牧降低了它们的丰度，可能是由于牲畜入侵或水力活动造成的营养添加，从而影响了土壤细菌群落结构和功能的完整性。总的来说，本研究证明了与牲畜有关的分类群从放牧的牧场向邻近的森林片区迁移和扩散的可能性，以及牲畜排斥对保护森林中土壤细菌群落结构完整性的影响。本研究没有发现任何已知的高丰度病原体出现在放牧的牧场或邻近的森林土壤中，因此对病原体丰度的任何潜在影响尚不清楚。

3 施肥措施对土壤细菌群落结构的影响

本研究无法确定土地利用指数值与放牧牧场或邻近森林土壤中土壤细菌群落的丰富度或组成之间的显著关系。尽管如此，观察到森林土壤细菌群落的丰富度和组成与施肥措施相关的土壤变量关系最为密切。土壤全Cd浓度和土壤pH与微生物丰富度的变异性呈正相关。土壤pH被很好地认为是细菌群落属性的关键决定因素或相关因素，包括在农业系统中。由于一些微生物能够通过直接溶解沉淀的无机磷释放有机酸来酸化土壤，通常施肥后土壤pH会降低，这也会降低农业土壤中的养分有效性和微生物生物量。本研究中细菌群落的组成与全P和全U的浓度相关。先前的研究发现农业土壤中的总肥料P输入与土壤Cd和U的浓度线性相关，这两种元素在农田土壤中往往会因为累积施肥而升高。已经观察到累积的土壤Cd和U的影响扩展到相邻的森林片区。一些研究报告了重金属Cd和U对土壤微生物的毒性影响。结果表明，土壤Cd浓度与林地土壤细菌群落的丰富度和组成高度相关，而全U与群落组成的变化呈正相关。类似地，由于微生物群落组成在调节土壤中P有效性方面起着不可或缺的作用，例如，Pseudomonadaceae、Enterobacteriaceae和Actinobacteria在土壤磷溶解中发挥作用。在本研究地点，先前证据证明了磷从放牧的牧场转移到邻近的森林片区中，从而增加了森林土壤中总P、U和Cd的浓度。施肥措施引起的土壤性质变化可能会推动微生物群落的观察反应，包括被农田包围的森林土壤中的微生物群落。总体而言，本研究表明，向放牧牧场添加化肥并将其转移到邻近森林中，可能会形成邻近森林土壤中的细菌群落结构。

结论

由森林向牧场的土地利用转变造成的生物多样性损失是一个全球性问题。本研究展示了土地变化对土壤微生物群落组成的显著影响，这些影响不仅限于底层土壤，而且还会影响邻近土地利用下~50 m以外的群落组成。本研究观察到由森林到牧场转变后微生物群落的生物同质化导致细菌多样性的净损失。研究还证明，用于限制牲畜移动的边界围栏有助于保护被放牧牧场包围的森林中土壤细菌群落的完整性。在森林土壤中观察到的细菌群落属性的变化与施肥措施和牲畜入侵相关的土壤属性（例如，土壤总Cd、总P、总U和pH值）变化密切相关。本研究清楚地展示了沿横断面森林和牧场生态系统之间细菌的特性和多样性的变化，以及边界围栏的重要性，但没有探讨这些变化是否会改变土壤或生态系统功能。确定多样性和功能之间的偶然关系将进一步了解受更密集的牧场土地利用限制的森林片区的恢复能力。总体而言，本研究结果表明，与放牧和肥料使用相关的农业实践的影响范围可能远远超出单个农场的管理单位，从而影响附近森林生态系统中微生物群落的组成和功能。