生物结皮演替过程中物种多样性与生态功能转换的机制

The integrated sand fixation technology of algae-grass-shrub accelerate the formation of soil surface biological crusts. However, it is not clear in the conversion force of species extinction-prosperous, nutrient substance cycle and the ecological function during succession process. Present work is aimed to investigate the different time scales of natural and induced biological soil crusts (BSCs) with high-throughput sequencing and qPCR technology, which includes the aspects as follows: (1) the analysis of the variation of community structure (include bacteria, algae, fungi and moss), species diversity and photosynthetic efficiency in different ages of BSCs to reveal the mechanism of the change of species diversity and carbon fixation conversion in the succession of BSCs; (2) the analysis of the variation of community of nitrogen fixation, nitrifying bacteria and denitrification bacteria and nitrogen cycle related function genes abundance, species composition and nitrogen contents to clarify the change of nitrogen cycle related genes abundance and nitrogen fixing function conversion in the process of succession; (3) the analysis of the relation of microenvironment, development degree and community structure in BSCs to explain the key role of micro-environmental factors in structuring crust development and community construction. In conclusion, this study systematically reveals the key mechanism of species extinction-prosperous and ecological function conversion in succession process, which provides the basis for inoculating the dominant sand-fixing species, optimizing the inoculation pattern, developing new technology of bacteria-algae-grass-shrub for desertification control.

藻草灌综合固沙技术可加速土壤表层生物结皮的形成，但随后结皮演替过程中的物种生消过程、物质循环等生态功能转换的机制尚不清楚。项目以不同时间尺度形成的自然和人工结皮为对象，以高通量测序和qPCR技术为手段，研究不同龄结皮中细菌、蓝藻、藻类、真菌和苔藓类群的群落结构、物种多样性和不同碳形态转变，揭示演替过程中物种兴衰与碳循环功能转换的机制；通过分析结皮中固氮、硝化、反硝化等类群氮循环相关功能基因丰度、物种多样性及氮形态变化，阐明演替过程中氮循环相关物种多样性与生态功能转换的驱动机制；通过不同微环境下群落结构、发育水平与环境因子变化的耦合分析，阐释不同微环境因素在推动结皮发育及群落物种构建中的作用。最终在大时间尺度上系统揭示结皮演替过程中，物种生消过程与生态功能转换的机制，从而为选育优势固沙微生物种类，优化接种模式，发展菌藻草灌荒漠化防治技术等，提供理论基础。

中文摘要（对项目的背景、主要研究内容、重要结果、关键数据及其科学意义等做简单概述）：.本研究以长时间尺度自然与人工生物结皮为研究对象，采用传统生物与分子生态学手段，研究结皮演替过程中土壤微型生物群落物种多样性变化、营养物质代谢循环等生态功能转换及影响因素等，具体为：.（1）研究了生物土壤结皮演替过程中微生物群落结构变化和固氮功能基因的变化规律。采用荧光定量PCR技术，测定了不同年龄结皮中细菌、蓝藻、真菌和苔藓的相对生物量。以高通量测序手段发现演替过程中结皮中微生物种类组成发生了显著的变化，其主要的碳固定物种由蓝藻、绿藻、地衣逐渐转变为苔藓以及高等植物，主要的氮输入途径由蓝藻、地衣为主的固氮作用逐渐转变为以蓝藻、地衣、放线菌、根瘤菌为基础的复合氮循环途径。.（2）研究了演替过程中碳循环途径及土壤酶活的变化规律。接种真菌对藻菌复合结皮演替过程中酶活性、营养元素以及应对干旱胁迫的影响，表明接种真菌对演替过程中蔗糖酶、过氧化氢酶、脲酶及磷酸酶活性均有一定的促进作用，而且对土壤C、N水平促进作用更为显著。结皮代谢物中柠檬酸、苹果酸、富马酸等参与TCA循环的中间体含量随土壤含水率的降低而降低。而藻菌复合结皮中阿卓糖、苏阿糖和甘露二糖含量，及藻结皮中海藻糖和来苏糖含量，随着土壤含水率的降低呈增加趋势。表明藻菌复合结皮演替过程中分泌的多糖物质，有利于增强其对干旱胁迫的耐受程度。.（3）研究了相同龄结皮微环境与微型生物群落结构变化的关系。选取相同演替尺度下不同微环境的结皮（如不同植被、阴坡和阳坡、微气候因子和土壤性质等），研究其发育程度，如结皮厚度、生物量、土壤特性和DNA含量等变化；qPCR定量细菌、蓝藻、真菌及苔藓等群落的相对生物量变化；经过环境因子关联分析，总结微环境在构建结皮微型生物群落和功能转换中的作用。.（4）研究了不同区域相同演替阶段的生物土壤结皮与微型生物群落结构变化的关系。结果表明，生物结皮演替过程中，在不同区域均能有效促进土壤营养元素的积累，微生物群落生物量的增长与总糖含量随着结皮年龄增长而增加的变化趋势一致，且根据不同地理因素形成了不同的多糖含量和多糖类型；不同区域处于相同演替阶段结皮中土壤酶活性和呼吸速率也各不相同，EPSs为土壤输入C和异养微生物的拓殖提供了碳源。表明结皮中的生物多样性和代谢多样性转换受到微气候和时间尺度的影响。