中国典型喀斯特天坑土壤微生物分布格局及其驱动机制

As the key driver of biogeochemical processes, the biogeography of soil microbes and the exploitation and utilization of its resources are hot issues at present. And all these researches are mainly focus on the ecosystems of grassland, forest, farmland etc. However, there is a lack of understanding of soil microorganisms in some unique habitats (such as karst Tiankeng, also named large doline or sinkhole) in karst ecologic ecosystems. Taking the typical karst Tiankeng distributed in China as the study areas, the community structure and metabolic functional activities of soil microorganisms (including bacteria and fungi) in Tiankengs at different scales were studied by using high-throughput sequencing technology and investigating the soil enzyme activities, nitrification/denitrification rates at different micro-altitude scales, different aspect, different vegetation succession stages and large regions. Then, combined with soil physical and chemical properties, climate, topography and vegetation, the spatial distribution, its driving factors and the metabolic functional diversity of soil microbial communities in the soil of karst Tiankeng were analyzed. The results will demonstrate the effects of soil microbial diversity on its metabolic function and the distribution pattern and its driving mechanism of karst tiankeng soil microbial. This study is of great significance for us to understand the occurrence of soil microbial diversity, carbon and nitrogen cycling and maintenance mechanism of karst Tiankeng ecosystem, and provide the necessary theoretical basis for the protection, utilization and development of the karst Tiankeng microbial resources.

作为生物地球化学过程的关键驱动者，土壤微生物生物地理学及其资源的挖掘与利用是目前研究的热点，但多集中在草原、森林和农田等生态系统中，而缺乏对喀斯特生态系统中一些独特生境（如喀斯特天坑/天坑）土壤微生物的研究。本项目拟以分布于我国的典型天坑为研究对象，利用高通量测序等技术，通过考察不同尺度（不同微海拔尺度、坡向和植被演替阶段及区域尺度）下天坑土壤微生物（细菌和真菌）多样性及其代谢功能（土壤酶活、硝化和反硝化速率等）的变化，并结合土壤理化性质、地形及植被等环境要素，分析天坑中土壤微生物群落结构在不同尺度下的空间分布及其驱动因子和代谢功能多样性，阐明天坑土壤微生物多样性及其代谢功能对其生境异质性的响应规律，揭示不同尺度下天坑土壤微生物分布格局及其驱动机制。本研究对深入了解天坑土壤微生物多样性的产生、碳氮循环和维持机制等都具有重要意义，也可为天坑微生物资源的保护、利用和开发提供必要的理论基础。

本项目率先以分布于我国的典型天坑为研究对象，利用高通量测序等技术，系统探究了不同尺度下（包括不同微海拔尺度和坡向、不同发育阶段及不同地区尺度）天坑土壤微生物（细菌和真菌）群落结构和代谢功能（土壤酶活、硝化和反硝化等）的变化，并结合土壤理化性质等环境因素，解析了天坑中土壤微生物群落结构在不同尺度下的空间分布及其驱动因子。我们首先结合文献及野外调查研究数据，系统梳理与评述了喀斯特天坑最新研究进展，进而识别并归纳了采样天坑类别；率先探究了典型天坑内土壤微生物沿不同微海拔分布格局及其驱动因子，首次展示了喀斯特天坑土壤中微生物群落异质性分子证据，并发现微生境在预测喀斯特天坑生态系统微生物分布中的重要性；发现天坑之间、天坑与外部环境之间、不同发育阶段天坑群之间以及不同区域天坑群之间既存在一定的关联性也存在独特性，且天坑内土壤均呈现出强烈的生境异质性特征；发现不同尺度天坑群间土壤微生物量、微生物活性、有机质的转化及腐殖质的形成既有相似性也有异质性，并与取样点环境特征密切相关；发现不同类型天坑土壤细菌和真菌群落结构组成的优势物种相似，但相对丰度不同，尤其是真菌群落的丰度变化更为明显；土壤pH和Mg含量是控制不同发育阶段和不同地区天坑内细菌群落组成的关键因子，而土壤有机质、总磷或速效磷以及Mg或K是控制不同发育阶段或不同地区天坑内真菌群落组成的关键因子。本研究对深入了解天坑土壤微生物多样性的产生、碳氮循环和维持机制等都具有重要意义，为天坑微生物资源的开发、保护和利用以及天坑资源的旅游开发提供必要的理论基础。