8分文章揭示两种地貌森林土壤微生物群落组成和相互作用差异 | 微生物专题

发表时间：2022.1.17

发表期刊：Science of the Total Environment (IF 7.963)

关键词：喀斯特生态系统，土壤

研究背景：

微生物群落在调节有机物降解和养分动员方面发挥着重要作用，其多样性和群落组成受植物群落、气候因素、土壤类型及土壤性质的影响。细菌和真菌对跨越大地理尺度在不同气候水平上的不同化学和物理特性土壤类型的响应及相互作用，对于在不同土壤类型和气候条件下维持土壤中的养分循环非常重要。

喀斯特生态系统广泛分布于中国西南地区，约占中国陆地面积的 5.8%，其与非喀斯特生态系统相比更脆弱，易受人类活动破坏。由于特殊的二元水文地质结构，喀斯特土壤特性不同于非喀斯特土壤，但细菌和真菌多样性和群落组成对两种森林土壤的反应仍不清楚。因此，研究喀斯特生态系统保护与恢复过程中微生物功能与土壤性质的关系具有重要意义，可以为喀斯特地区退化生态系统恢复策略的选择和优化管理提供科学依据。

研究对象：土壤微生物

研究方法：16S rDNA和ITS

研究设计：

研究区位于中国西南部贵州省和广西自治区，喀斯特（calcareous lithosols, 石灰土）和非喀斯特 (Haplic Acrisol，碎屑土) MFs (自然恢复成熟林) 位于7个温度和降水梯度上，水城县 (MAT, 13.9 °C; MAP, 1090 mm), 金沙县 (MAT, 14.4 °C; MAP, 1040 mm), 都匀市 (MAT, 15.3 °C; MAP, 1150 mm), 环江县 (MAT, 18.4 °C; MAP, 1270 mm), 都安县(MAT, 20.5 °C; MAP, 1260 mm), 马山县 (MAT, 21.1 °C; MAP, 1290 mm) 和 龙州县 (MAT, 22.4 °C; MAP, 1300 mm)。

每个气候梯度在岩溶和非岩溶 MF 各有三个地块 (30 × 30 m)，采用S 形采样设计中从每个地块 0-15 cm深度收集 20 个土壤样品，再均质化作为一个重复；共收集了42个样品。土壤通过 2 mm 筛子过筛，部分用于基因组 DNA 提取，其他部分用于检测铵态氮 (NH4 +)、硝酸盐态氮 (NO3 -) 和微生物量及理化性质。

图 1 中国西南地区贵州省和广西自治区 7 个县的现场采样图

主要结果：

1. 细菌和真菌的丰度，多样性及群落组成

结果显示细菌和真菌的丰度和多样性均受到土壤类型的影响，喀斯特森林土壤细菌丰度和多样性均高于非喀斯特森林，真菌多样性高但丰度较低（图 2）。细菌多样性受温度和降水影响，而真菌丰度受温度影响（表1）。相关性分析表明，细菌较高的丰富度和香农指数是对喀斯特森林较低温度和降水量的响应，而真菌丰度在较高温度下降低（图3）。

表1 土壤类型 (ST)、年平均温度 (MAT) 和年平均降水量 (MAP) 对细菌和真菌丰富度、香农多样性指数和群落组成的影响

图2 喀斯特和非喀斯特森林土壤之间细菌和真菌丰度、丰富度和香农指数的差异

图3 喀斯特和非喀斯特森林土壤细菌和真菌丰度、丰富度和香农指数与年平均温度（MAT）的回归分析，

门水平上细菌和真菌群落组成分别是Proteobacteria变形菌门（31.8%）、Actinobacteria放线菌门（25.6%）、Acidobacteria酸杆菌门（17.2%）和Basidiomycota担子菌门（46.9%）、Ascomycota子囊菌门（24.9%）占主导。其中喀斯特森林土壤中细菌的放线菌门、Bacteroidetes拟杆菌门、Firmicutes厚壁菌门、Gemmatimonadetes芽单胞菌、Nitrospira硝化螺旋菌门和真菌的子囊菌门、Chytridiomycota壶菌门、Mucoromycota毛霉菌门、捕虫霉门Zoopagomycota的相对丰度高于非喀斯特森林。而细菌的Chlamydiae衣原体门、Chloroflexi绿弯菌门、Planctomycetes浮霉菌门、变形菌门和真菌的担子菌门的相对丰度结果相反。

图4喀斯特和非喀斯特森林土壤之间细菌和真菌群落组成的LEfSe分析

2. 细菌和真菌的共现网络

喀斯特和非喀斯特森林土壤相比网络结构更复杂，细菌的节点数与真菌相比分别增加了 77.0% 和 144.7%（表 2）。大多数细菌Node属于酸杆菌门、变形杆菌门和放线菌门，而真菌Node中子囊菌门和担子菌门占比最高。细菌和真菌类群中分别是酸杆菌门-变形菌门、放线菌门-变形菌门、酸杆菌门-放线菌门和子囊菌门-子囊菌门、子囊菌门-担子菌门之间Edge最多，可能存在更强的相互作用。

表2 喀斯特和非喀斯特森林土壤细菌和真菌群落共现网络的特性

图 5 基于Spearman相关性系数构建细菌和真菌类群之间的共现网络

3. 调节喀斯特和非喀斯特森林土壤细菌和真菌分布的关键因素

作者使用随机森林模型分析了地理、气候和土壤特性对细菌和真菌丰度和多样性的影响，结果分别解释了对细菌丰度、多样性和真菌丰度，多样性66.6%、32.9%、55.4% 和 25.0% 的变化，均发现可作为重要预测因子的环境因素（图 6）。喀斯特和非喀斯特森林中不同的土壤性质，其次是气候变化，直接影响细菌和真菌的丰度和多样性，然后间接影响一些关键类群的细菌和真菌群落的共生网络（图7）。

图 6. 随机森林模型解释地理、气候和土壤特性对细菌和真菌丰度和多样性的影响

图 7 土壤类型和温度对细菌和真菌丰度、多样性、群落组成以及类群之间相互作用影响的概念模型

主要结论：

本文通过对七个气候梯度喀斯特森林和非喀斯特森林土壤的研究，发现两种森林之间细土壤菌和真菌分布以及种间相互作用的差异可能是由于pH、Ca和TN等土壤性质影响。结果增加了基于细菌和真菌群落组成和多样性的森林土壤可持续性预测的可能。利用关键微生物类群调节生态网络，可能为改善多种土壤功能和生态系统服务制定更好的管理策略提供启示。

参考文献：

Xiao D, He XY, Zhang W, et al. Comparison of bacterial and fungal diversity and network connectivity in karst and non-karst forests in southwest China. Sci Total Environ. 2022; 822: 153179. doi: 10.1016/j.scitotenv.2022.153179

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