松嫩草地土壤微生物群落结构与遗传多样性对增氮增雨交互作用的响应

The soil micro-organisms, as a disintegrator, drive the energy fluxes and matter cycles in the terrestrial ecosystems. It is significant to expound the effects of global change to biodiversity through explaining the diversity of soil microbe response to nitrogen deposition and precipitation enhancement. We design a field experiment to examine the effects of simulated nitrogen deposition and precipitation enhancement on soil microbial biomass, community structure and the genetic diversity of bacteria, fungi and actinomycetes in the Leymus chinensis meadow steppe and the Stipa baicalensis meadow steppe of Songnen plain in northeast China. The methods of phospholipid fatty acids (PLFA), denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) and construction of a 16S rDNA clone library are used for testing the community structure and dominant microflora of soil bacteria, fungi and actinomycetes. We comprehensive analysis the interactions among characteristics of the plant communities and soil, the structure and genetic diversity of soil microbes, and find out what drivers microbial community structure crucially in soil by the principal component analysis (PCA) and redundancy analysis (RDA). Based on these studies, we attempt to refine a Nitrogen-Water interaction hypothesis to expound the mechanism of the soil microbial structure and genetic diversity responses to increased nitrogen deposition and precipitation enhancement.

土壤微生物作为分解者，驱动着陆地生态系统的能量流动和物质循环。揭示土壤微生物对氮沉降和增加降水的响应机制，将为全面阐述全球变化对生物多样性的影响提供重要依据。以松嫩草地羊草草甸草原和贝加尔针茅草甸草原为对象，实施模拟氮沉降和增加降水的互作处理，采用磷脂脂肪酸（PLAF）法、变性梯度凝胶电泳法（DGGE）和16S rDNA克隆文库构建，测定草地土壤微生物群落结构，鉴定细菌、真菌、放线菌的遗传多样性及优势菌群；阐明增氮、增雨作用下细菌、真菌、放线菌的微生物生物量（碳、氮）变化规律；采用主成分分析和冗余分析等方法阐述微生物群落结构及遗传多样性与植被特征、土壤特征的相关关系，判定影响土壤微生物群落变化的关键驱动因子；构建植物群落、土壤、土壤微生物三者关系的理论模型；凝炼"氮水交互作用机制假说"；揭示松嫩草地土壤微生物对增氮增雨及其交互作用的响应机制。

土壤微生物是草原生态系统的能量流动和物质循环的重要参与者和驱动者。然而，目前关于土壤微生物群落结构与多样性对氮沉降和增加降水的响应过程与机制尚不十分清楚。本项目以松嫩平原的贝加尔针茅草甸草原和羊草草甸草原为对象，实施模拟氮沉降和增加降水的互作处理，采用磷脂脂肪酸（PLAF）法、变性梯度凝胶电泳法（DGGE）、16S rDNA和18S rDNA高通量测序以及qPCR技术，测定草原土壤微生物群落结构与多样性。主要结果及结论如下：.（1）连续5年的增氮、增雨处理并未导致贝加尔针茅草甸草原的土壤微生物群落结构和多样性发生显著改变，微生物群落的“季节效应”在一定程度超过了“实验处理效应”。自然降水的年际间剧烈波动改变甚至彻底打破土壤微生物对模拟大气氮沉降和增加降水的响应规律。这意味着，氮沉降和降水格局的改变对草原土壤微生物群落的影响是一个缓慢而复杂的生态过程；短期的模拟实验对全球变化后果的预测作用可能十分有限。.（2）土壤pH、土壤含水量、植物丰富度是影响草原土壤微生物群落结构与多样性的重要生态因子，其中土壤pH是引起贝加尔针茅草甸草原土壤微生物群落变化的关键驱动因子。施氮和增水的处理直接改变土壤中速效氮含量和含水量，进而改变土壤pH 环境，从而间接改变土壤微生物群落结构和多样性。.（3）增氮、增雨对贝加尔针茅草甸草原土壤微生物群落结构和细菌群落多样性有显著的交互作用，但是增水效应掩盖或者减弱了增氮效应；增雨也能抵消增氮对土壤水解酶活性的提高作用。据此，我们提出“增水掩盖增氮效应假说”。这暗示着，未来我国北方草原区持续增加的降水可能掩盖或削弱大气氮沉降对草原生态系统的某些负面影响。.（4）对于羊草草甸草原植物多样性与土壤微生物多样性的关系的研究结果支持“多样性冗余假说”。被普遍认可的“氮沉降加剧导致的草原生态系统植物多样性降低”可能不是改变草原土壤微生物群落结构与多样性的关键因素。这启发我们，应该把“优势植物种的特异性”作为新的路径来揭示全球变化背景下的草原植物-土壤-土壤微生物的相互关系。