二甲基二硫化物熏蒸对土壤硝化作用以及氨氧化古菌和细菌群落组成的影响

《SOIL BIOLOGY & BIOCHEMISTRY》：Impact of Dimethyl Disulfide Fumigation on Soil Nitrification and Community Assembly of Ammonia-Oxidizing Archaea and Bacteria

DMDS熏蒸显著抑制不同土壤中硝化作用，导致铵离子短期积累和硝酸盐生成延迟，酸性土壤恢复时间延长至16周。动力学模型显示硝化峰值时间延长，最大硝化速率下降。AOA和AOB的amoA基因丰度早期降低，但12周后恢复。群落结构分析表明土壤pH通过环境筛选和随机过程影响微生物组装，酸性土壤中硝化恢复滞后。研究揭示了土壤特性调控DMDS熏蒸后硝化微生物群落组装的机制。

　　

王欣|刘静怡|孙晓月|杨鹏瑞|方文胜|李园|曹敖成|王秋霞|严东东

中国农业科学院植物保护研究所植物病虫害生物学国家重点实验室，北京100193

摘要

土壤熏蒸被广泛用于控制土传病害，但其对不同土壤中硝化作用恢复和氨氧化微生物的影响仍不清楚。本研究探讨了二甲基二硫化物（DMDS）熏蒸对四种具有显著不同pH值（4.32–6.76）和理化性质的农业土壤中硝化动态和微生物群落组成的影响。进行了为期15周的培养实验，期间通过动力学建模、qPCR和高通量测序技术量化了矿物氮的动态、氨氧化古菌（AOA）和细菌（AOB）的amoA基因丰度以及群落组成。DMDS会导致NH₄⁺–N的暂时积累，在前两周内浓度增加到熏蒸前的110–230%（P < 0.05），而NO₃^-–N的产生则显著抑制到对照水平的20–60%（P < 0.01）。动力学分析表明，DMDS显著延长了最大硝化速率（t_max）的出现时间，尤其是在酸性土壤中，高剂量处理下t_max从3.73周延长到16.01周。同时，最大硝化速率（K_max）从19.08 mg N kg^-1 wk^-1下降到4.02 mg N kg^-1 wk^-1。AOA和AOB的amoA基因丰度在早期恢复阶段显著减少（P < 0.05），但在12周内恢复到接近对照水平；高通量测序显示AOA和AOB的群落组成发生了变化，表现为Nitrosospira丰度的下降以及Nitrososphaera丰度的土壤特异性变化，伴随酸性土壤中群落结构的重新构建和恢复速度的减慢。群落组装过程被定义为随机性的（生态漂变和扩散限制）和确定性的（由土壤性质如pH值和氮素有效性驱动的环境选择）。总体而言，在群落水平上随机过程占主导地位，中性群落模型（NCM）分析显示在早期恢复阶段存在时间依赖性和分类单元特异性的偏离，随后逐渐趋于中性动态。土壤pH值（4.32–6.76）是关键调节因素，在酸性土壤中硝化恢复明显延迟。这些发现阐明了DMDS熏蒸后硝化作用的土壤依赖性恢复机制，并为基于环境的熏蒸管理提供了见解。

引言

在集约化农业系统中，种植前进行土壤熏蒸是控制土传害虫的常用方法（Gullino等人，2022年）。在可用的熏蒸剂中，溴甲烷曾被认为最有效；然而，由于对臭氧层破坏的担忧，根据《蒙特利尔议定书》全球范围内逐步淘汰了溴甲烷，从而广泛采用了1,3-二氯丙烯、氯吡硫磷和甲基钠等替代熏蒸剂（Rosskopf等人，2024年）。在这些替代品中，二甲基二硫化物（DMDS）因其广谱杀菌效果、零臭氧消耗潜力以及相对较低的环境持久性而受到重视（Yan等人，2019年）。与此趋势一致，2024年全球土壤熏蒸剂市场的价值为23.2亿美元，预计DMDS市场的复合年增长率（CAGR）将超过5.8%（SkyQuest，2025年）。

虽然土壤熏蒸能有效抑制目标生物，但其广谱杀菌活性不可避免地会干扰非目标微生物群落及其相关的生物地球化学过程。先前的研究表明，熏蒸可能会使土壤细菌多样性、总细菌丰度和氮循环功能基因丰度减少约10–50%（Castellano-Hinojosa等人，2022年）。关键的氮循环基因群，包括固氮（nifH）和氨氧化（amoA）基因，对这些干扰特别敏感（Sennett等人，2021年）。Fang等人（2019年）证明，DMDS处理导致NH₄⁺的暂时积累和NO₃^-产生的延迟，显著抑制了硝化作用，并使N₂O排放增加了6.5–7.3倍（Fang等人，2019年）。除了通过土壤理化条件的间接调控外，DMDS还可能直接影响硝化微生物。作为含硫的挥发性物质，DMDS及相关熏蒸剂据报道会通过增加膜通透性和与蛋白质中的巯基（–SH）反应来损害微生物细胞，从而影响酶功能和细胞稳定性（Tyagi等人，2020年；Yan等人，2025年）。由于氨单加氧酶是一种与膜相关且对巯基敏感的酶，氨氧化可能容易受到这种化学压力的影响，尽管本文未直接检测AMO的抑制作用（Prosser和Nicol，2012年；Ni等人，2023年）。因此，观察到的硝化抑制被认为是由于硝化菌丰度和活性的降低以及熏蒸后的群落重组所致，而非酶的直接抑制。

硝化作用是土壤氮循环中的关键过程，涉及NH₄⁺向NO₃^-的氧化转化。氨氧化是限速步骤，由氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）介导，两者都含有amoA功能基因（Guo等人，2013年；Wang等人，2024年）。定量PCR分析显示，DMDS熏蒸后nifH、AOA amoA和AOB amoA基因的丰度会暂时下降。这种抑制作用在酸性土壤中更为明显，表现为基因拷贝数的更大减少和恢复期的延长。随着培养时间的延长，功能基因丰度通常在24–38天内恢复到对照水平，具体取决于土壤的理化性质如pH值和有机质含量（Fang等人，2019年）。氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）在生态策略和环境敏感性方面存在显著差异。土壤pH值调节氨的形态，从而影响氨单加氧酶的底物自由NH₃的可用性，可能改变AOA和AOB的相对优势（Shen等人，2012年；Baolan等人，2014年）。例如，在一个黑土微宇宙研究中，pH值较高的土壤（7.66–9.96）由于AOB在DMDS类似抑制剂下的生长受到抑制，硝化潜力降低，而在酸性土壤（pH 5.44）中AOA占主导地位（Cui等人，2022年）。然而，关于AOA和AOB对DMDS不同响应的系统性评估仍然有限，特别是在不同土壤条件下的恢复轨迹方面。除了丰度的变化外，环境干扰还可能重塑微生物群落的组装过程。在微生物生态学中，确定性过程被定义为由环境因素（如土壤pH值和养分有效性）驱动的生态位选择，而随机过程指的是生态漂变、扩散限制和概率性定殖等随机过程。环境压力已被证明通过增强确定性过程（如土壤理化性质和化学干扰引起的环境过滤）来改变微生物群落的组装，同时降低随机过程（如生态漂变）的相对重要性（Li等人，2025年；Ni等人，2025年）。DMDS是否在不同理化特性的土壤中诱导了AOA和AOB的不同组装路径尚不清楚。解决这一问题对于理解熏蒸后硝化恢复的生态机制至关重要。

重要的是，本研究将硝化恢复动力学（t_max，最大硝化速率出现时间；K_max，最大硝化速率）与不同pH值土壤中氨氧化古菌和细菌的差异性重组联系起来。通过结合动力学建模和群落组装分析，这项工作提供了关于熏蒸干扰如何重塑硝化恢复速率和路径的机制性见解，而不仅仅是关注抑制效应。为此，我们使用四种具有不同理化性质的农业土壤进行了对照微宇宙实验，系统评估了DMDS熏蒸对硝化及其恢复的影响。在模拟温室条件下施用了不同剂量的DMDS，并持续监测了矿物氮的动态。量化了AOA和AOB amoA基因的丰度，并使用高通量扩增子测序跟踪了15周内的群落结构动态。此外，还采用了中性群落模型（NCM）和标准化随机性比率（NST）来研究微生物群落组装机制。本研究旨在阐明土壤理化性质（特别是pH值）如何调节熏蒸后的硝化恢复和AOA及AOB群落的差异性组装。我们假设：（i）DMDS熏蒸导致硝化暂时受到抑制，并伴随amoA基因丰度的减少；（ii）土壤理化性质，尤其是pH值，显著调节硝化恢复的速率和程度；（iii）熏蒸干扰后，AOA和AOB表现出不同的恢复轨迹和群落组装模式。

部分摘录

土壤

土壤样本来自中国江西省南昌市（土壤JX）、山东省安丘市（土壤SD）、北京市（土壤BJ）和云南省文山市（土壤YN）的温室蔬菜生产系统。所有地点都有超过五年的连续蔬菜种植历史。所选土壤涵盖了广泛的理化条件，特别是在pH值、质地和基础矿物氮状态方面，便于进行评估

DMDS熏蒸后的矿物氮动态

所有土壤中的NH₄⁺–N浓度随时间表现出显著变化，土壤类型、熏蒸处理和采样时间有显著影响，处理与时间之间的交互作用也显著（P < 0.001；图1a–c，表S3）。

在未熏蒸的土壤中，NH₄⁺–N浓度在培养初期下降，随后趋于相对稳定。相比之下，DMDS熏蒸在初期会导致NH₄⁺–N浓度暂时增加

DMDS熏蒸通过暂时抑制硝化作用改变土壤氮转化

我们的结果表明，DMDS熏蒸严重扰乱了土壤氮转化，表现为所有测试土壤中NH₄⁺的暂时积累和硝酸盐产生的延迟。在所有测试土壤中，NH₄⁺-N浓度在处理后的前两周内显著增加，而NO₃^--N的积累显著受到抑制和延迟，尤其是在较高DMDS剂量下。这种暂时的铵积累与以下因素的组合有关：

结论

本研究表明，二甲基二硫化物（DMDS）熏蒸在四种农业土壤中导致NH₄⁺–N的暂时积累和NO₃^-–N产生的延迟，表明硝化作用受到暂时抑制。这种响应伴随着氨氧化古菌（AOA）和氨氧化细菌（AOB）的amoA基因拷贝数的显著减少，尤其是在酸性土壤中硝化恢复明显延迟。进一步分析确定土壤pH值是关键因素

作者贡献声明

方文胜：验证、研究。 曹敖成：方法学、研究。 李园：资源。 严东东：写作 – 审稿与编辑、可视化。 王秋霞：写作 – 审稿与编辑、监督。 刘静怡：写作 – 初稿、方法学。 杨鹏瑞：数据管理。 孙晓月：形式分析

未引用的参考文献

Ajwa和Trout，2004年；Auger，2004年；Auger等人，1989年；Chuankun等人，2004年；Csinos等人，2000年；Daims等人，2015年；De Cal等人，2004年；Díaz-Pérez等人，2008年；Dugravot等人，2003年；Fang等人，2020年；Fang等人，2018年；Gamliel等人，2000a；Gamliel等人，2000b；Gautier等人，2007年；Gilreath，2004年；Gu等人，2007年；Ibekwe，2004年；Leininger等人，2006年；Minuto等人，2006年；Pjevac等人，2017年；Ristaino和Thomas，1997年；Santos等人，2006年；Weiss，2009年。

数据可用性

本研究中生成的原始测序数据已存入NCBI数据库，BioProject访问号为PRJNA1313784。支持本研究结果的所有其他数据可在文章及其补充信息文件中找到。

伦理批准和参与同意

不适用。

出版同意

不适用。

利益冲突

作者声明没有利益冲突

资助

本工作得到了国家自然科学基金（32472615）、农业科技创新计划（ASTIP）（CAAS-ZDRW202508）和国家重点研发计划（2023YFD1701200）的支持。

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。