土壤反硝化细菌和真菌在海拔梯度上的空间分异、动态变化及对反硝化作用的相对贡献

Soil denitrification is an important source of N2O emission in mountain ecosystem, mainly performed by denitrifying bacteria and fungi. The spatial distribution and temporal dynamic of denitrifying bacteria and fungi community affect the N2O emission. However, few studies focus on the spatial distribution and temporal dynamic of denitrifying bacteria and denitrifying fungi community abundance/composition and diversity along the vertical gradient and their relationships with N2O emission. In this project, we will select four typical ecosystems along elevation gradient in Gongga Mountain located in the east boarder of Tibet Plateau as our field sites. By using pyrosequencing, bioinformatics and ecological statistical approaches, we will study the spatial distribution and temporal dynamic changes of denitrifying bacteria and denitrifying fungi community (abundance, composition and diversity) in soil along the vertical gradient, and the key environment factors impacting denitrifying bacteria and denitrifying fungi structure and their relationships with N2O emission. We will explore the relative contributions from denitrifying bacteria and denitrifying fungi to N2O emission. This research will reveal the mechanisms driving the assembly, spatial distribution and dynamic changes of denitrifying bacteria and denitrifying fungi community. We will test whether some macroecology theory are applied to microbial functional groups. The results will be useful in predicting the responses of denitrifying bacteria and denitrifying fungi communities and N2O emission to global climate changes.

山地生态系统中土壤反硝化作用是温室气体氧化亚氮（N2O）的重要来源，主要由反硝化细菌和真菌完成。而土壤反硝化细菌和真菌群落的空间分布和季节动态变化均会影响二者对反硝化作用N2O排放的贡献度，但是这方面的研究还很缺乏。本项目将以青藏高原东缘贡嘎山垂直梯度带谱上4种典型生态系统为研究对象，利用高通量测序、生物信息等技术，系统研究山地生态系统中反硝化细菌和真菌群落丰度/组成和多样性在海拔梯度上的空间分布格局、动态变化规律、及菌群丰度和结构变化与N2O通量的关系，分析影响细菌和真菌反硝化能力的关键环境因子，进而阐明反硝化细菌和真菌对土壤N2O贡献差异的微生物学机理。本项目将系统揭示山地系统中土壤反硝化细菌和真菌群落空间分布格局及动态变化的驱动机制，检验一些基于动、植物群落发展起来的生态学规律在功能微生物群落中的适用性，预测反硝化微生物群落结构和生态功能（N2O排放）对气候变化的响应。

土壤中反硝化细菌、氨氧化细菌（AOB）和氨氧化古菌(AOA)参与的硝化反硝化过程是温室气体氧化亚氮排放（N2O）的重要来源。nirS-型/nirK-型反硝化细菌、AOB、和AOA群落丰度/组成和多样性，以及群落构建机制对环境变化的差异化响应可能会影响它们的生态功能角色，但是这方面的研究还很缺乏。本项目将以青藏高原东缘贡嘎山垂直梯度带谱上4种典型生态系统为研究对象，利用高通量测序、生物信息等技术，系统研究山地生态系统中反硝化细菌、AOB和AOA群落在海拔梯度上的空间分布格局、群落构建机制，关键影响因素，以及对N2O排放的相对贡献。主要结果表明：（1）nirS型和nirK型反硝化细菌阿尔法多样性沿海拔变化趋势不同，nirS型反硝化细菌的阿尔法多样性呈现一步梯度减少的海拔模式，而nirK型反硝化细菌的阿尔法多样性呈现驼峰形状的海拔模式。（2）nirS型反硝化细菌的贝塔多样性在海拔梯度上的可聚集成三个簇，而nirK型反硝化细菌的贝塔多样性在海拔梯度上的分布主要聚集成两个簇。影响nirS型和nirK型反硝化细菌分布的关键因子不同，nirS型反硝化细菌主要是受到植物丰富度的影响，然而，nirK型反硝化细菌主要是受到土壤pH值的影响。并且两种反硝化细菌的群落构建过程均由确定性过程为主导。另外，nirS型反硝化细菌群落多样性与N2O排放呈显著正相关，说明nirS型反硝化细菌在山地森林N2O排放中起到重要作用。（3）AOB和AOA群落的阿尔法多样性沿海拔分布模式不同，AOB的阿尔法多样性沿海拔分布呈现类似驼峰分布模式，而AOA则呈现递减的海拔分布模式。（4）AOB和AOA群落的贝塔多样性沿海拔均是主要聚集成两个簇。通过路径模型和基于距离的多元线性回归模型分析，发现影响AOB和AOA群落沿海拔分布的关键因素为土壤pH和植物丰富度。另外，AOB群落多样性与N2O排放呈显著正相关，说明AOB在山地森林N2O排放中起到重要作用。综上所述，硝化反硝化微生物群落随着海拔呈现差异化的分布模式和对环境响应不同，这有助于预测硝化反硝化群落对全球气候变化的响应。