東北地理所在利用診斷層土壤微生物屬性預測黑土土壤分類上取得突破
土壤形成是由5大成土因素共同作用的漫長過程。盡管生物被認為是驅動土壤形成的關鍵因素，但目前土壤分類系統(tǒng)中對土壤類型的劃分都是基于剖面土壤理化指標，缺少土壤生物，特別是微生物學指標。眾所周知，土壤剖面深度是土壤性質的生態(tài)過濾器，沿著剖面形成了高度異質性的梯度環(huán)境，從而影響著土壤微生物群落的多樣性、組成和功能。那么是否土壤剖面微生物屬性與土壤類型有關？換言之，是否可以利用剖面土壤微生物特征預測土壤分類尚未明晰。
黑土是寶貴的土壤資源，不同國家對黑土分類賦予了不同的名稱。我國土壤分類體系（CST）將黑土命名為均腐土綱（Isohumosols）。東北均腐土綱按照水分狀況又被劃分為干潤（Ustic）和濕潤（Udic）兩個亞綱。為回答黑土剖面微生物結構組成是否與其分類相關聯(lián)，東北地理所農田分子生態(tài)學科組科研人員按照土壤剖面診斷層特征，在黑龍江省采集了4個干潤和4個濕潤均腐土土系，共計148個土壤樣本（圖1）。采用高通量測序和定量PCR技術，對這些樣本中的細菌、古菌和真菌多樣性、群落結構組成和豐度進行了系統(tǒng)的研究和分析。研究發(fā)現(xiàn)均腐土土壤微生物可以很好地劃分為干潤和濕潤兩大類型（圖2），同一土系微生物從Ah層到C層呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化，但兩個均腐土亞綱間C層微生物群落結構組成、多樣性的差異大于Ah層，表明母質層土壤微生物群落結構或許更能表征兩類亞綱土壤的形成。利用機器學習模型解析發(fā)現(xiàn)，土壤微生物群落屬水平上的數(shù)據(jù)可以很好地預測兩類亞綱均腐土的分類，其準確率大于95%（圖3）；同時也發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)也可以很好地預測均腐土不同診斷層分布，準確率大于92%（圖4）。該研究創(chuàng)新性地將剖面土壤微生物指標與土壤分類建立聯(lián)系，為后續(xù)相關研究提供了范本，也為從微生物學角度認識土壤形成過程提供了理論依據(jù)。
研究成果最近發(fā)表在國際期刊Catena上，農田分子生態(tài)學科組博士研究生劉株秀為論文第一作者，劉俊杰和王光華研究員為共同通訊作者。研究得到國家自然科學基金（41977202）和中國科學院戰(zhàn)略性先導科技專項（XDA28020201）聯(lián)合資助。
圖1 土壤采樣點的地理分布和剖面特征
圖2 NMDS分析表明干潤和濕潤均腐土微生物群落結構差異顯著
圖3 機器學習方法表明土壤微生物屬水平上的數(shù)據(jù)準確地預測了均腐土亞綱的分類
圖4 機器學習方法表明土壤微生物屬水平上的數(shù)據(jù)準確地預測了不同土壤診斷層
論文信息如下：
Liu ZX, Gu HD, Yao Q, Jiao F, Liu JJ, Jin J, Liu XB, Wang GH. Microbial communities in the diagnostic horizons of agricultural Isohumosols in northeast China reflect their soil classification. Catena, 2022, 216: 106430.
https://doi.org/10.1016/j.catena.2022.106430.
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