典型草原土壤微生物群落结构与多样性对放牧与围封的响应

Soil microbes have the function of promoting the organic matter decomposition and transformation of nutrient, which are an important link of the process of material circulation and energy flow in ecological system. Grazing and enclosure are main ways of management and utilization in the grassland. Grazing and enclosure affect plant community structure and soil property by altering soil microflora and components, which is the key process of grassland ecosystem function response. In the experiment, three pairs of parallel grazed and ungrazed plant communities, i.e. the long-term treatment (> 30 years), medium treatment (> 10 years) and short-term treatment were conducted in the typical steppe in the northern China. The richness and community composition of soil bacteria and fungi are studied by illumina HiSeq2500 technology in the different treatment. The latest means of bioinformatics are also used to analyze data in our study. According to explore the response and adaptation mechanism of the soil microbial distribution pattern on long-term grazing, we hope reveal the role of soil microbes and the key species in grazing treatment. Meanwhile, long-term grazing effect plant community composition and soil physicochemical properties, whereas the composition and activity of soil microbes impact the soil nutrient transformation direction and processes. Therefore, revealing the relationship of plant community – soil –microbial and coupling mechanism in different grazing period, which will provide the important theoretical value to more accurately understand the relationship of grassland ecosystem productivity and stability under grazing and enclosure in the different years.

土壤微生物具有促进有机质分解和养分转化的功能，在陆地生态系统物质循环和能量流动过程中发挥着重要作用。放牧与围封是天然草原管理和利用的主要方式，其通过改变土壤微生物区系、组分等来影响草原群落结构及土壤特性，是引发草原生态系统功能响应的关键过程。本研究以我国北方典型草原不同年限围封与放牧成对处理（长期30年，中期10年，短期2年）为研究样地，通过高通量测序等先进实验技术，对围封与放牧下土壤细菌和真菌多样性和群落组成进行了研究，结合最新的生物信息学手段，探讨土壤微生物时空分布格局对不同年限放牧与围封的响应和适应机制，揭示土壤微生物及关键微生物种在放牧处理驱动机制中所起的关键作用。同时，进一步揭示典型草原生态系统土壤微生物与植物、土壤的理化性质关系及其在放牧时间变化条件下的耦合机制，寻找合理的围封与放牧年限，对更准确理解不同年限放牧下草原生态系统生产力与土壤微生物群落结构的关系具有重要的理论价值。

放牧与围封是天然草原管理和利用的主要方式，其通过改变土壤微生物区系、组分等来影响草原群落结构及土壤特性，是引发草原生态系统功能响应的关键过程。本项目以我国北方典型草原不同年限围封与放牧成对处理（短期2年，中期11年和长期33年）为研究样地，通过高通量测序等先进实验技术对围封与放牧下土壤细菌和真菌多样性和群落组成进行了研究。研究发现：1）排除放牧提高植物群落生产力和物种丰富度、增加土壤微生物量、改变微生物群落组成，从而导致生态系统恢复；2）短期下，微生物群落组成与pH值的变化相关，而长期下，NO3-的含量影响了微生物的群落组成；3) 长期排除放牧显着增加了碳和氮的代谢，但降低了碳青霉烯的生物合成代谢；4）荧光定量结果显示随排除放牧的时间增加，硝化和反硝化的基因拷贝数呈增加趋势。中期围封下，反硝化基因narG和norB基因减少，而nosZ和nirK增加。在长期围封下，所有硝化、反硝化基因拷贝数增加，从而促进了土壤NO3-含量的增加；4）短期下，Bradyrhizobium和Opitutus属是硝化和反硝化转变的主要贡献者，而长期下，Nitrospira和Pedomicrobium属对硝化和反硝化的变化起着重要作用。这些研究结果表明，土壤理化性质变化影响了微生物群落组成，而微生物功能作用影响养分循环，其反馈作用直接关系到研究中的土壤碳、氮循环和储存；差异功能基因在调节草地生态系统功能，固碳和土壤肥力方面具有重要作用；长期排除放牧可以引发土壤微生物组的变化，从而促进草原初级生产力和生态系统功能的恢复。