【论文】高寒草甸和灌丛生态系统土壤微生物生物量、群落组成和多样性以及潜在功能的深度分布格局

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本文字数：3217字

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研究背景

近年来，有关土壤表层（0-20 cm）微生物群落的结构和功能，一直是生态学家关注的焦点。相比之下，人们对存在于较深土壤的微生物群落特征的了解则较为有限。虽然微生物生物量通常随着土壤深度增加急剧减少，但在深层土壤中（>20 cm），同样存在着大量的微生物活性细胞，从而使得土壤微生物对生物地球化学过程的影响在整个土壤剖面中都持续存在。

尽管已有一些文献对土壤微生物沿土壤剖面的空间分布做了描述，但我们的整体认识仍然有限。特别是，以往研究通常仅关注某一类微生物类群（古菌、细菌或真菌），这使得综合评估土壤微生物的垂直分布格局较为困难。此外，很少有同时研究微生物群落生物量、多样性、组成和功能随土壤深度的变化。

青藏高原被认为是世界第三极，其气候阴冷潮湿，导致该区域的高寒生态系统的土壤中存有大量的有机碳。土壤微生物群落能够对土壤有机碳动态进行调控，基于独有的环境特征，青藏高原区域的土壤微生物群落结构可能与其它区域具有较大差异。因此，鉴于青藏高原重要的生态功能和其在应对全球变暖中的关键作用，对该区域土壤微生物群落结构开展相关研究，对于深入了解微生物群落和生物地球化学循环对全球变暖的响应及其反馈效应具有一定意义。

本研究基于青海海北高寒草地生态系统国家野外科学观测研究站，探讨了高寒草甸和灌丛生态系统土壤微生物的垂直分布格局。我们假设：（1）不同微生物类群（如古菌、细菌、真菌）的生物量、组成和多样性随土壤深度的垂直分布格局因其生理特性的不同而有所差异；（2）不同土壤深度间微生物群落结构的差异远大于生态系统类型间的差异。

材料与方法

本研究以青藏高原两个常见生态系统高寒草甸和高寒灌丛为研究对象，对两类生态系统沿土壤剖面（0-70 cm，在深度约70 cm时，大部分采样点可观察到母质层）的微生物群落结构进行了分析。我们通过磷脂脂肪酸（PLFA）和基于Illumina-MiSeq平台的高通量扩增子测序，对土壤微生物群落的组成和生物量进行分析。利用FAPROTAX和FUNGuild数据库分别对原核生物和真菌的潜在功能进行预测。对土壤酶活性进行测定，并将其作为表征微生物功能特性的指标。综合采用主坐标分析、方差分析、PerMANOVA分析及网络分析等方法，探讨了微生物群落的多方面特征沿土壤剖面的垂直分布格局。

结果&讨论

基于高通量测序得到的OTU（物种）水平的数据集，我们发现不同土壤深度的微生物群落组成在两类生态系统均表现出显著的差异，而基于PLFA的群落组成数据集则没有观察到类似的结果（图1）。这表明土壤微生物群落组成随土壤深度的变化在OTU物种水平上更明显。

图1 草甸 (A, C, E, G) 和灌丛 (B, D, F, H) 生态系统中，基于Bray-Curtis矩阵的PLFA、古菌、细菌和真菌群落组成的主坐标分析 (PCoA)。* 表示在灌丛或草甸生态系统中，群落组成在不同土壤深度间存在显著差异 (P < 0.05, PerMANOVA)，而ns表示无显著差异 (P ≥ 0.05)。

本研究的最重要的发现之一，是古菌、细菌和真菌群落的丰富度和多样性随土壤深度增加的变化趋势具有明显的差异（图2）。细菌的丰富度和多样性在表层土壤中较高，而后随着土壤深度的增加而降低。相反，古菌群落的丰富度和多样性表现出了与细菌群落完全不同的随土壤深度的变化趋势。在两类生态系统中，古菌丰富度（OTU数）随土壤深度增加显著升高，而多样性（Shannon指数）则未展现出明显的变化趋势。我们没有发现真菌的丰富度或者多样性沿土壤剖面表现出明显的变化趋势。

基于以上结果，我们认为不同微生物类群在土壤碳循环过程中的作用可能会随着土壤深度的变化而发生改变。具体来说，真菌和古菌在土壤碳循环过程中的作用会随着土壤深度的增加而得到强化，而细菌则会弱化。同时，考虑到古菌的丰度在整个微生物类群中是极低的，虽然其丰富度随土壤深度的增加而上升，其在土壤碳循环过程中的作用仍然是很有限的。因此，真菌群落作为一类在环境胁迫条件下具有较高的资源利用潜力的微生物，其对深层土壤碳动态的调节可能具有关键的作用。

图2 古菌 (A, B)、细菌 (C, D)和真菌 (E, F)丰富度和多样性在草甸和灌丛生态系统中随土壤深度的变化趋势。误差线代表标准误差值。*表示该变量在不同土壤深度间存在显著差异 (P < 0.05, 单因素方差分析)，而ns则表示没有显著差异 (P ≥ 0.05)。+表示该变量在相同土壤深度下，在灌丛和草甸生态系统间存在显著差异。

基于共生网络分析的结果在表层和深层土壤间存在着明显的差异。随着土壤深度的增加，草甸和灌丛生态系统的网络边界数分别从150和87下降到了49和40（图3）。在两类生态系统中，网络平均路径长度均在深层土壤中较短，暗示与表层土壤相比，不同类群的土壤微生物在深层土壤中的相互联系更为紧密（图3）。上述结果表明，与深层土壤相比，表层土壤中的不同类群微生物形成了更为庞大和复杂的共生网络。此外，虽然深层土壤中不同类群微生物较少发生联系，但是它们一旦存在相互作用，它们的联系就是更紧密的（节点间更短的平均路径）。这种网络拓扑结构上的差异，可能与表层和深层土壤环境的差异有关。

图3 (A) 共生网络分析呈现在草甸生态系统和灌丛生态系统表层土壤 (0-20 cm） 和深层土壤 (30-70 cm） 微生物OTU间相互作用情况，草甸和灌丛生态系统中不同土壤深度节点 (B) 度数和 (C) 介度中心性。红色、蓝色和绿色节点分别代表细菌、真菌和古菌。节点的大小对应其在微生物群落中的丰度。蓝色线条表示负相关，而红色线条表示正相关。草甸和灌丛生态系统中不同土壤深度节点 (B) 度数和 (C) 介度中心性。MS：草甸生态系统表层土壤 (0-20 cm）；MD：草甸生态系统深层土壤 (30-70 cm）; SS：灌丛生态系统表层土壤(0-20 cm）；SD：灌丛生态系统深层土壤 (30-70 cm）。误差线代表标准误差值。*表示该变量在不同土壤深度间存在显著差异 (P < 0.05, 独立样本t检验)。

一些土壤碳、氮循环相关的微生物功能类群（有氧氨氧化、硝酸盐还原、几丁质分解）的相对丰度随土壤深度的增加表现出明显的变化，表明微生物群落结构的改变会影响土壤的碳氮循环过程（图4）。具体来说，在灌丛生态系统的土壤养分循环中，木聚糖分解、几丁质分解和化学异养功能群可能起着关键作用，而好氧亚硝酸盐氧化和芳香族化合物降解功能群在草甸生态系统中可能更为重要。灌木生长通常会改变土壤水分、养分尤其是有机碳含量，使灌丛生态系统土壤的资源与草甸生态系统有所不同。因此，由于可利用资源方面的差异，土壤微生物群落的主要功能群可能在两类生态系统间存在一定的差异。

图4 基于FARPROTAX (上方) 和 FUNGuild (下方) 数据库获得的功能类群相对丰度在草甸和灌丛生态系统中随土壤深度的变化。灰色和绿色实心圆圈分别表示该功能群在草甸和灌丛生态系统中的不同土壤深度间存在显著差异 (P < 0.05, 单因素方差分析)。

我们发现真菌功能群的相对丰度仅在灌丛生态系统的不同土壤深度间表现出显著的差异，而在草甸生态系统中未表现出明显的差异（图4）。与草甸生态系统相比，灌丛生态系统植物根生物量随土壤深度增加的下降速率较快，这可能导致真菌群落特征随土壤深度增加的改变更为剧烈。

小结

本研究探讨了高寒生态系统土壤微生物沿土壤剖面的垂直分布格局。土壤理化性质、微生物生物量、群落组成和多样性均随土壤深度增加发生了明显的改变，并且大部分变化趋势在草甸和灌丛生态系统间是相似的。总体上，土壤微生物相关变量在不同土壤深度间的差异明显大于两个生态系统间的差异。由于生理、生态功能上的差异，古菌、细菌和真菌的群落多样性沿土壤剖面的变化趋势有差异。具体来说，细菌群落多样性随土壤深度增加显著降低，古菌群落多样性随土壤深度增加显著升高，而真菌群落多样性则未随土壤深度增加表现出明显的变化趋势。微生物整体群落组成在不同土壤深度间的差异，基于DNA的高通量测序相比基于PLFA的生物标志物体现的更明显。多个土壤微生物潜在功能群的相对丰度沿土壤剖面发生明显变化，而真菌的各功能类群相对丰度仅在灌丛生态系统表现出明显的差异。

本研究于2020年9月12日以“Changes in microbial biomass, community composition and diversity, and functioning with soil depth in two alpine ecosystems on the Tibetan Plateau”为题在线发表于Plant and Soil期刊上，北京大学城市与环境学院地下生态学研究组博士后徐天乐为论文第一作者，朱彪研究员为论文通讯作者，其它作者还包括北京大学博士生陈笑和博士后侯彦会。本研究受到国家自然科学基金委项目 (31800416、31971528) 的资助。

作者简介

徐天乐，北京大学城市与环境学院地下生态学研究组已出站博士后。博士毕业于中国科学院生态环境研究中心。主要从事微生物生态，碳循环和养分循环等方面的研究。近五年来以土壤微生物为主要研究对象，在Plant and Soil、Soil Biology and Biochemistry、Journal of Ecology、Environmental Microbiology Reports等期刊发表了一系列成果，探讨了土壤微生物的空间分布格局及其主要驱动因子。

编辑 丨 干大勇

审核 丨 朱彪

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