半干旱沙质草地土壤微生物功能群和氮转化对增减雨变化的协同响应

Soil microbes are the key driving force of nitrogen cycling in terrestrial ecosystems, and they play an important role in maintaining ecosystem structure and function. Precipitation is the main restrictive factor to functional maintenance of semi-arid sandy grassland ecosystem. The changes of precipitation could alter nitrogen transformation by changing soil microbial functional components and structure. However, it is still lacking of research about soil nitrogen transformation and the related microbial functional components and structure in semi-arid sandy grassland ecosystem. This project focuses on the scientific issue that soil microbial function and structure responses to climate change in semi-arid sandy grassland. Based on the field control experiment of precipitation changes, we will investigate the vegetation characteristics, analyze the soil physicochemical properties, measure the soil nitrogen transformation rates, as well as the related microbial functional components and diversity under different precipitation conditions in semi-arid sandy grassland. These studies will clarify the relationship between soil microbial functional diversity and environmental factors associated with precipitation changes, illustrate the direct and indirect impacts of soil functional microbes to soil nitrogen transformation, reveal the microbial regulation mechanism of soil nitrogen transformation processes, and the their synergistic responses to precipitation changes in sandy grassland ecosystem. The purpose of this research is to provide scientific supports for the maintenance of ecosystem structure and function in the context of climate change in this region.

土壤微生物是陆地生态系统氮循环的主要驱动力，在维持生态系统结构和功能方面发挥着重要的作用，降雨是半干旱农牧交错带沙质草地生态系统功能维持的主要限制因子，降雨变化通过改变土壤微生物功能群组成和结构，进而影响氮转化过程，但是有关半干旱沙质草地生态系统土壤氮转化及其关键微生物类群响应降雨变化的研究相对缺乏。本项目围绕半干旱沙质草地土壤微生物结构和功能响应气候变化的重大科学问题，通过增减雨试验，测定沙质草地不同降雨条件下植被特征和土壤性质、土壤氮转化速率及氮转化关键微生物类群组成和多样性，阐明不同降雨条件下土壤氮转化关键微生物组成和多样性及其与环境因子的相互关系，确定沙质草地微生物功能群对土壤氮转化的直接与间接影响，揭示沙质草地土壤氮转化的微生物调控机理及其响应降雨变化的适应性机制，为半干旱沙质草地在气候变化背景下生态系统结构与功能的维持提供理论依据。

降水是干旱半干旱沙质草地功能维持的主要限制因子，土壤微生物在维持生态系统结构和功能方面发挥这重要的作用，因此研究降雨变化对土壤微生物结构和功能群的影响及其调控机制具有重要的意义。本项目通过野外增减雨模拟控制试验，研究了增减雨处理对植被特征、土壤理化性质、氮转化速率、土壤微生群落组成和氮转化功能基因的影响，确定了影响沙质草地土壤微生物与功能群的关键环境因子，揭示了沙质草地土壤氮转化功能微生物响应降雨变化的调控机制。研究结果表明，增雨（+60%和+60d）显著降低了物种丰富度，减雨（-60%和-60d）显著降低了植被盖度和植物高度，增雨60%（+60%）显著增加了凋落物含量；增减雨处理均对土壤理化性质的影响不显著；增雨60%（+60%）显著提高了土壤净硝化速率（Rn）和净矿化速率（Rm）。增雨60%（+60%）显著增加了土壤细菌Shannon多样性指数；增雨60d（+60d）显著降低了真菌alpha多样性指数；增减雨处理显著改变了土壤微生物beta多样性和群落组成；放线菌门（Actinobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes）是预测微生物群落响应降水变化的标志性物种，降水处理减少了放线菌门（Actinobacteria）的相对丰度，增加了拟杆菌门（Bacteroidetes）的相对丰度。增减雨处理对氮循环不同过程中的功能基因影响不同，其中减雨60%（-60%）显著降低了固氮基因丰度，显著增加了同化硝酸盐还原基因丰度；减雨60d（-60d）显著提高了硝酸盐还原基因丰度，显著降低了硝化基因丰度。方差分解分析（VPA）表明植被、土壤和气候因子均对沙质草地土壤微生物群落有一定影响，其中土壤因素的作用最大；典范对应分析（CCA）阐明了C:N、电导率和气温是影响土壤微生物的主要环境因素；结构方程模型（SEM）进一步构建了C:N直接影响了土壤微生物多样性，干旱指数SPEI通过影响生物量间接影响了土壤微生物多样性；Pearson相关分析表明土壤pH值、铵态氮、植被盖度、凋落物量、物种丰富度、地上生物量是影响氮循环功能基因的主要环境因子，冗余分析（RDA）解释了植被盖度、凋落物量、土壤pH值和铵态氮是影响沙质草地土壤氮转化功能微生物群落的关键环境因子。本研究结果为气候变化背景下沙质草地生态系统的稳定性维持和可持续管理提供理论依据。