Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Sự thay đổi của các taxa vi sinh phong phú và hiếm chiếm ưu thế trong quá trình hình thành bể carbon đất trong quá trình chuyển đổi đất khô sang ruộng lúa trong thời gian ngắn
Tóm tắt
Việc hợp nhất đất trong quá trình chuyển đổi từ đất khô sang lúa (LC-DtPC) đã nhanh chóng thay đổi môi trường sinh thái nông nghiệp trong thời gian ngắn, từ đó ảnh hưởng đến cộng đồng vi sinh vật và sự trung gian trong việc lưu giữ carbon trong đất. Điều này rất quan trọng cho việc cải thiện và ổn định khả năng sản xuất thực phẩm. Tuy nhiên, hiện tại vẫn thiếu kiến thức cần thiết về các tác động ngắn hạn của LC-DtPC đối với các quá trình sinh thái của các taxa vi sinh vật phong phú và hiếm cũng như sự hình thành bể carbon trong đất. Do đó, nghiên cứu này đã sử dụng các thí nghiệm trường và công nghệ giải trình tự gen cao để khám phá các tác động ngắn hạn của LC-DtPC đến các taxa vi sinh vật phong phú và hiếm cũng như cơ chế thúc đẩy sự hình thành bể carbon trong đất. Kết quả của chúng tôi đã tiết lộ rằng (1) độ đa dạng alpha của vi khuẩn phong phú và hiếm, cùng với nấm hiếm giảm lần lượt là 1,14%, 6,74% và 12,84% trong quá trình LC-DtPC, nhưng độ đa dạng của nấm phong phú đã tăng 14,09%. LC-DtPC đã thay đổi đáng kể độ đa dạng β của cộng đồng vi khuẩn phong phú và hiếm, cũng như cộng đồng nấm hiếm (p < 0,05); (2) LC-DtPC làm giảm số lượng vi sinh vật cốt lõi trong mạng lưới và giảm độ bền vững và khả năng chịu đựng của các mạng lưới vi sinh vật phong phú và hiếm; (3) LC-DtPC làm giảm đáng kể chỉ số bể carbon trong đất 28,75% trong thời gian ngắn (p < 0,05), và nó có mối tương quan chặt chẽ với sự thoái hóa và chuyển hóa vi khuẩn ngoại lai, chuyển hóa carbohydrate, chuyển hóa axit amin, chuyển hóa lipid và số lượng nấm saprobi; và (4) mô hình phương trình cấu trúc đã tiết lộ rằng vi khuẩn hiếm đóng vai trò lớn hơn trong việc hình thành bể carbon hơn vi khuẩn phong phú, và vi khuẩn đóng vai trò lớn hơn nấm trong quá trình hình thành bể carbon dưới tác động đồng sinh của vi khuẩn và nấm. Nghiên cứu này đã khám phá sự thay đổi của các taxa vi sinh vật phong phú và hiếm và chức năng của chúng, cung cấp cơ sở lý thuyết cho một hiểu biết sâu sắc về sự hình thành và cơ chế của bể carbon trong đất trong quá trình LC-DtPC.
Từ khóa
#chuyển đổi đất khô sang ruộng lúa #vi sinh vật phong phú và hiếm #bể carbon trong đất #đa dạng alpha và beta #mạng lưới vi sinh vậtTài liệu tham khảo
Banerjee S, Helgason B, Wang L, Winsley T, Ferrari BC, Siciliano SD (2016) Legacy effects of soil moisture on microbial community structure and N2O emissions. Soil Biol Biochemistry 95:40–50. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2015.12.004
Blair GJ, Lefroy R, Lisle L (1995) Soil carbon fractions based on their degree of oxidation, and the development of a carbon management index for agricultural systems. Aust J Agr Res 46:1459–1466. https://doi.org/10.1071/AR9951459
Chen L, Yang Y, Deng S, Xu Y, Wang G, Liu Y (2012) The response of carbohydrate metabolism to the fluctuation of relative humidity (RH) in the desert soil cyanobacterium Phormidium tenue. Eur J Soil Biol 48:11–16. https://doi.org/10.1016/j.ejsobi.2011.10.002
Chen X, Hu Y, Xia Y, Zheng S, Ma C, Rui Y, He H, Huang D, Zhang Z, Ge T, Wu J, Guggenberger G, Kuzyakov Y, Su Y (2021) Contrasting pathways of carbon sequestration in paddy and upland soils. Glob Chang Biol 27(11):2478–2490. https://doi.org/10.1111/gcb.15595
Dai T, Zhang Y, Tang Y, Bai Y, Tao Y, Huang B, Wen D (2016) Identifying the key taxonomic categories that characterize microbial community diversity using full-scale classification: a case study of microbial communities in the sediments of Hangzhou Bay. FEMS Microbiol Ecol 92(10):1–11. https://doi.org/10.1093/femsec/fiw150
de Vries FT, Griffiths RI, Bailey M, Craig H, Girlanda M, Gweon HS, Hallin S, Kaisermann A, Keith AM, Kretzschmar M, Lemanceau P, Lumini E, Mason KE, Oliver A, Ostle N, Prosser JI, Thion C, Thomson B, Bardgett RD (2018) Soil bacterial networks are less stable under drought than fungal networks. Nat Commun 9(1):3033. https://doi.org/10.1038/s41467-018-05516-7
Dong H, Zhang S, Lin J, Zhu B (2021) Responses of soil microbial biomass carbon and dissolved organic carbon to drying-rewetting cycles: A meta-analysis. Catena. 207: 105610. https://doi.org/10.1016/j.catena.2021.105610
Evans SE, Wallenstein MD (2014) Climate change alters ecological strategies of soil bacteria. Ecol Lett 17(2):155–164. https://doi.org/10.1111/ele.12206
Fierer N, Bradford MA, Jackson RB (2007) Toward an ecological classification of soil bacteria. Ecology 88(6):1354–1364. https://doi.org/10.1890/05-1839
Fuhrmann I, He Y, Lehndorff E, Brüggemann N, Amelung W, Wassmann R, Siemens J (2018) Nitrogen fertilizer fate after introducing maize and upland-rice into continuous paddy rice cropping systems. Agr Ecosyst Environ 258:162–171. https://doi.org/10.1016/j.agee.2018.02.021
Jansson JK, Hofmockel KS (2020) Soil microbiomes and climate change. Nat Rev Microbiol 18(1):35–46. https://doi.org/10.1146/annurev-environ-012320-082720
Jiao S, Lu Y (2020) Soil pH and temperature regulate assembly processes of abundant and rare bacterial communities in agricultural ecosystems. Environ Microbiol 22(3):1052–1065. https://doi.org/10.1111/1462-2920.14815
Jiao S, Wang J, Wei G, Chen W, Lu Y (2019a) Dominant role of abundant rather than rare bacterial taxa in maintaining agro-soil microbiomes under environmental disturbances. Chemosphere 235:248–259. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2019.06.174
Jiao S, Xu Y, Zhang J, Lu Y (2019b) Environmental filtering drives distinct continental atlases of soil archaea between dryland and wetland agricultural ecosystems. Microbiome 7(1):15. https://doi.org/10.1186/s40168-019-0630-9
Kang S, Eltahir EAB (2018) North China Plain threatened by deadly heatwaves due to climate change and irrigation. Nat Commun. 9(1):2894. https://doi.org/10.1038/s41467-018-05252-y
Keiluweit M, Wanzek T, Kleber M, Nico P, Fendorf S (2017) Anaerobic microsites have an unaccounted role in soil carbon stabilization. Nat Commun 8(1):1771. https://doi.org/10.1038/s41467-017-01406-6
Kong W, Wei X, Wu Y, Shao M, Zhang Q, Sadowsky MJ, Ishii S, Reich PB, Wei G, Jiao S, Qiu L, Liu L (2022) Afforestation can lower microbial diversity and functionality in deep soil layers in a semiarid region. Glob Chang Biol 28(20):6086–6101. https://doi.org/10.1111/gcb.16334
Kuypers MMM, Marchant HK, Kartal B (2018) The microbial nitrogen-cycling network. Nat Rev Microbiol 16(5):263–276. https://doi.org/10.1038/nrmicro.2018.9
Li B, Li P, Zhang W, Ji J, Liu G, Xu M (2021) Deep soil moisture limits the sustainable vegetation restoration in arid and semi-arid Loess Plateau. Geoderma. 399:115122. https://doi.org/10.1016/j.geoderma.2021.115122
Li X, Hui N, Yang Y, Ma J, Luo Z, Chen F (2021) Short-term effects of land consolidation of dryland-to-paddy conversion on soil CO2 flux. J Environ Manage. 292:112691. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112691
Liang Y, Xiao X, Nuccio EE, Yuan M, Zhang N, Xue K, Cohan FM, Zhou J, Sun B (2020) Differentiation strategies of soil rare and abundant microbial taxa in response to changing climatic regimes. Environ Microbiol 22(4):1327–1340. https://doi.org/10.1111/1462-2920.14945
Liu S, García-Palacios P, Tedersoo L, Guirado E, van der Heijden MGA, Wagg C, Chen D, Wang Q, Wang J, Singh BK, Delgado-Baquerizo M (2022) Phylotype diversity within soil fungal functional groups drives ecosystem stability. Nat Ecol Evol 6(7):900–909. https://doi.org/10.1038/s41559-022-01756-5
Luo Z, Ma J, Chen F, Li X, Zhang Q, Yang Y (2020) Adaptive Development of Soil Bacterial Communities to Ecological Processes Caused by Mining Activities in the Loess Plateau. China Microorganisms 8(4):477. https://doi.org/10.3390/microorganisms8040477
Ma J, Gonzalez-Ollauri A, Zhang Q, Xiao D, Chen F (2021) Ecological network analysis to assess the restoration success of disturbed mine soil in Zoucheng. China Land Degrad Dev 32(18):5393–5411. https://doi.org/10.1002/ldr.4116
Ochoa-Hueso R, Collins SL, Delgado-Baquerizo M, Hamonts K, Pockman WT, Sinsabaugh RL, Smith MD, Knapp AK, Power SA (2018) Drought consistently alters the composition of soil fungal and bacterial communities in grasslands from two continents. Glob Chang Biol 24(7):2818–2827. https://doi.org/10.1111/gcb.14113
Qi J, Chen B, Gao J, Peng Z, Jiao S, Wei G, Kivlin S (2021) Responses of soil bacterial community structure and function to dry–wet cycles more stable in paddy than in dryland agricultural ecosystems. Global Ecol Biogeogr 31(2):362–377. https://doi.org/10.1111/geb.13433
Rosa L, Chiarelli DD, Rulli MC, Dell’Angelo J, D’Odorico P (2020) Global agricultural economic water scarcity. Sci Adv. 6(18):e6031. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaz6031
Schimel JP (2018) Life in Dry Soils: Effects of Drought on Soil Microbial Communities and Processes. Annu Rev Ecol S 49(1):409–432. https://doi.org/10.1146/annurev-ecolsys-110617-062614
Shu D, Guo Y, Zhang B, Zhang C, Van Nostrand JD, Lin Y, Zhou J, Wei G (2021) Rare prokaryotic sub-communities dominate the complexity of ecological networks and soil multinutrient cycling during long-term secondary succession in China’s Loess Plateau. Sci Total Environ. 774:145737. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145737
Smith AP, Bond-Lamberty B, Benscoter BW, Tfaily MM, Hinkle CR, Liu C, Bailey VL (2017) Shifts in pore connectivity from precipitation versus groundwater rewetting increases soil carbon loss after drought. Nat Commun 8(1):1335. https://doi.org/10.1038/s41467-017-01320-x
Wei X, Qiu L, Shao M, Zhang X, Gale WJ (2012) The accumulation of organic carbon in mineral soils by afforestation of abandoned farmland. PLoS One. 7(3):e32054. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0032054
Wei X, Hu Y, Razavi BS, Zhou J, Shen J, Nannipieri P, Wu J, Ge T (2019) Rare taxa of alkaline phosphomonoesterase-harboring microorganisms mediate soil phosphorus mineralization. Soil Biol Biochemistry 131:62–70. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2018.12.025
Wen E, Yang X, Chen H, Shaheen SM, Sarkar B, Xu S, Song H, Liang Y, Rinklebe J, Hou D, Li Y, Wu F, Pohorely M, Wong JWC, Wang H (2021) Iron-modified biochar and water management regime-induced changes in plant growth, enzyme activities, and phytoavailability of arsenic, cadmium and lead in a paddy soil. J Hazard Mater. 407:124344. https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.124344
Wen T, Xie P, Yang S, Niu G, Liu X, Ding Z, Xue C, Liu YX, Shen Q, Yuan J (2022) ggClusterNet: An R package for microbiome network analysis and modularity-based multiple network layouts. iMeta. 1(3):e23. https://doi.org/10.1002/imt2.32
Wu X, Wang S, Fu B, Liu Y, Zhu Y (2018) Land use optimization based on ecosystem service assessment: A case study in the Yanhe watershed. Land Use Policy 72:303–312. https://doi.org/10.1016/j.landusepol.2018.01.003
Wu MH, Chen SY, Chen JW, Xue K, Chen SL, Wang XM, Chen T, Kang SC, Rui JP, Thies JE, Bardgett RD, Wang YF (2021) Reduced microbial stability in the active layer is associated with carbon loss under alpine permafrost degradation. P Natl Acad Sci USA 118(25):e2025321118. https://doi.org/10.1073/pnas.2025321118
Yang Y, Dou Y, Wang B, Wang Y, Liang C, An S, Soromotin A, Kuzyakov Y (2022) Increasing contribution of microbial residues to soil organic carbon in grassland restoration chronosequence. Soil Biol Biochem. 170:108688. https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2022.108688
Zhang Q, Ma J, Yang Y, Luo Z, Wang Y, Chen F (2021) Mining Subsidence-Induced Microtopographic Effects Alter the Interaction of Soil Bacteria in the Sandy Pasture. China. Front Env Sci. 9:656708. https://doi.org/10.3389/fenvs.2021.656708
Zhang Q, Ma J, Gonzalez-Ollauri A, Yang Y, Chen F (2022) Soil microbes-mediated enzymes promoted the secondary succession in post-mining plantations on the Loess Plateau. China Soil Ecol Lett 5(1):79–93. https://doi.org/10.1007/s42832-022-0148-0
Zhu Y, Ge X, Wang L, You Y, Cheng Y, Ma J, Chen F (2022) Biochar rebuilds the network complexity of rare and abundant microbial taxa in reclaimed soil of mining areas to cooperatively avert cadmium stress. Front Microbiol. 13:972300. https://doi.org/10.3389/fmicb.2022.972300
Zhu Y, Ma J, Chen F, Yu R, Hu G, Yang Y (2022b) Effective alleviation of Cd stress to microbial communities in mining reclamation soils by thiourea-modified biochar amendment. Pedosphere 32:866–875. https://doi.org/10.1016/j.pedsph.2022.06.017
Zhu Y, Wang L, You Y, Cheng Y, Ma J, Chen F (2022) Enhancing network complexity and function of soil bacteria by thiourea-modified biochar under cadmium stress in post-mining area. Chemosphere. 302:134811. https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2022.134811