基于宏基因组学的黄土高原退耕还林区土壤微生物群落的时空响应

This study will focus on the temporal and spacial of the soil microbial diversity during the process of the conversion of cropland to forest project on the loess plateau. By using metagenomics (high-throughput sequencing technologies) and the traditional methods, the temporal（0-82a） and spacial distribution of the soil bacteria and fungi diversity were studied during the conversion of cropland to forest in different ages, different stages of vegetation succession. The genetic, structure and function diversity of soil bacteria and fungi and molecular ecology information were obtained through the analysis of systematic from the different levels. The results will reveal the relationship between the soil microbial community diversity and vegetation, soil after the conversion of cropland to forest. Proclaim the response mechanism of soil microbial diversity to the different environmental conditions change on the loess plateau. It will also provide the scientific proofs for better maintain the stability of soil ecosystem and its ecological service function.

本研究针对土壤微生物多样性在黄土高原退耕还林过程中时空响应这一科学问题，采用宏基因组学（高通量测序技术）和传统方法相结合的方式，拟针对退耕还林过程中不同年限（0-82年）、不同坡面植被演替阶段的土壤细菌和真菌多样性时空分布进行研究，力图从多个层面利用系统学分析获得的土壤细菌和真菌的物种遗传、结构、功能多样性及分子生态学信息，揭示土壤微生物群落多样性与退耕还林后植被和土壤之间的相互关系，阐明土壤微生物多样性对黄土高原不同环境条件变化的响应机制, 以期为更好地维持土壤生态系统的稳定性及其生态服务功能提供理论依据。

本研究利用第二代高通量测序技术研究黄土高原退耕还林、还草演替过程中植被类型、植被恢复年限、不同立地条件及环境因子对土壤微生物群落的影响。结果表明植被类型、植被恢复年限和环境因子共同影响了土壤微生物群落的多样性，16S rRNA基因所指示的细菌群落结构更多受到环境因子的影响，而真菌群落更多被植被类型所影响。不同根域对真菌群落的影响比较小，木本和草本植物的alpha多样性变化规律一致，在根圈和根外alpha多样性指数最大，根际和根系中逐渐减小。木本和草本植物根外-根圈-根际-根系的网络复杂度呈现逐渐递增趋势，而木本植物根外-根圈-根际网络复杂度的递增趋势比草本植物更缓慢。. 草地自然恢复显著地改变了土壤细菌和真菌群落结构，土壤细菌和真菌群落的alpha多样性均随着恢复年限的增加而显著提高，而两者群落组成的相似度均表现出显著的时间衰减趋势。自然恢复草地和农田土壤微生物类群的功能alpha多样性和beta多样性均显著不同，自然恢复30年的草地存在最高的功能alpha多样性。土壤有机质是造成微生物群落功能多种性差异的主导因素。土壤细菌和真菌群落的alpha多样性均随着植物alpha多样性的增加而显著增大，植物群落对真菌群落的影响大于细菌群落，而土壤环境因子对真菌群落的影响却小于细菌群落。. 不同草地恢复年限和土层的土壤理化性质和微生物活性在不同坡位和坡向均有显著差异，土壤理化性质和微生物活性随着恢复年限的增加有上升趋势；不同坡位和坡向的土壤微生物群落结构随着恢复年限的增加，差异逐渐增大；不同土层的微生物群落结构在3个恢复年限均表现出显著差异。不同地貌部位细菌群落中差异物种显著不同，恢复30年不同地貌部位细菌群落共发生网络模式不同，拓扑学性质具有差异且关键物种的代谢特征与环境相适应。