東北地理所在利用診斷層土壤微生物屬性預(yù)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(rèn)為是驅(qū)動(dòng)土壤形成的關(guān)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(biāo)，缺少土壤生物，特別是微生物學(xué)指標(biāo)。眾所周知，土壤剖面深度是土壤性質(zhì)的生態(tài)過濾器，沿著剖面形成了高度異質(zhì)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(guān)？換言之，是否可以利用剖面土壤微生物特征預(yù)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(gè)亞綱。為回答黑土剖面微生物結(jié)構(gòu)組成是否與其分類相關(guān)聯(lián)，東北地理所農(nóng)田分子生態(tài)學(xué)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(gè)干潤和4個(gè)濕潤均腐土土系，共計(jì)148個(gè)土壤樣本（圖1）。采用高通量測序和定量PCR技術(shù)，對這些樣本中的細(xì)菌、古菌和真菌多樣性、群落結(jié)構(gòu)組成和豐度進(jìn)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(gè)均腐土亞綱間C層微生物群落結(jié)構(gòu)組成、多樣性的差異大于Ah層，表明母質(zhì)層土壤微生物群落結(jié)構(gòu)或許更能表征兩類亞綱土壤的形成。利用機(jī)器學(xué)習(xí)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(yù)測兩類亞綱均腐土的分類，其準(zhǔn)確率大于95%（圖3）；同時(shí)也發(fā)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)也可以很好地預(yù)測均腐土不同診斷層分布，準(zhǔn)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(biāo)與土壤分類建立聯(lián)系，為后續(xù)相關(guān)研究提供了范本，也為從微生物學(xué)角度認(rèn)識(shí)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(nóng)田分子生態(tài)學(xué)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(xué)基金（41977202）和中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)（XDA28020201）聯(lián)合資助。
圖1 土壤采樣點(diǎn)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(jié)構(gòu)差異顯著
圖3 機(jī)器學(xué)習(xí)方法表明土壤微生物屬水平上的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地預(yù)測了均腐土亞綱的分類
圖4 機(jī)器學(xué)習(xí)方法表明土壤微生物屬水平上的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地預(yù)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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