温性荒漠区生物土壤结皮中固氮微生物群落时空演变格局及其生态效应

Biological soil crusts are an important part of the surface landscape in desert areas, which are generally considered the important nitrogen source in desert ecosystems. Numerous works have found a lot of spatial and temporal variation of biological soil crusts N2 fixation. However, until recently, little is known about the pattern of N2 fixation variation and diazotrophic community structure of biological soil crusts. This work takes different governance phases of biological soil crusts in Tengger desert as research objects. Culture-based analysis and cloning of nitrogenase gene (nifH), and pyrosequencing technology, accompany with real-time PCR, and with measurement of N2 fixation rates, will be chosen to study spatial and temporal evolution of diazotrophic communities in biological soil crusts and its ecological effects on temperate desert ecosystem. Ecological multivariate statistical and regression analysis will be adopted to clarify the decisive factor to control the evolution of diazotrophic communities in different spatial and temporal scales. This work will help to reveal the contribution of diazotrophs in biological soil crusts to soil primary succession in temperate desert, and to assess biogeochemical role of biological soil crusts. This work will also provide a theoretical reference for the rationality of human disturbance measures on desertification control.

生物土壤结皮是干旱荒漠区地表景观的重要组成部分，也是荒漠生态系统氮素的主要贡献者。目前在荒漠区开展的生物土壤结皮固氮研究发现其固氮速率在时间或空间上存在较大的变异，但对其变化规律并不清楚，对介导其生物学作用的固氮微生物群落结构及活动也了解很少。本项目以腾格里沙漠不同治理阶段的生物土壤结皮为研究对象，利用可培养方法和构建固氮酶功能基因nifH克隆文库和高通量测序技术为主，辅以real-time PCR技术，结合固氮速率的测定，阐明温性荒漠区生物土壤结皮固氮微生物群落在时空尺度上的演变格局及其生态效应；通过环境因子的测定，采用生态多元统计和回归分析，阐明在不同的时空尺度上控制固氮微生物群落演变的决定性因素，揭示生物土壤结皮中固氮微生物对荒漠土壤原生演替过程的贡献，为科学评价温性荒漠区生物土壤结皮发生的生物地球化学作用以及采用人工干扰生态治理荒漠措施的合理性提供理论参考依据。

鉴于固氮微生物的拓殖和演替对荒漠有机土壤层的形成至关重要，以腾格里沙漠东南缘不同年代序列的固沙植被区（恢复时间分别为0，22，57以及N年，N>100）为研究区域，开展了荒漠区固氮微生物在原生演替过程中的响应研究，阐明了荒漠区原生演替的表层土壤中氮固定的重要性，从群落结构和转录水平揭示了固氮蓝藻在荒漠区氮收支和表层土壤发育过程中的关键作用。研究发现大多数的固氮菌多样性来自“稀有”物种/序列，在固沙植被区，所有的DNA来源的固氮菌文库的丰富度和多样性均高于对应的cDNA固氮菌文库，固氮菌群落和它们的活性群落组成在四个研究样地中均显著不同，对表层土壤固氮酶活性的分析发现：1981年始建固沙植被区（恢复时间为22年，以蓝藻结皮为主）显著高于天然植被区（恢复时间为N年，以地衣结皮为主）、1956年始建固沙植被区（恢复时间为57年，以藓结皮为主）和流沙区（恢复时间为0年，无结皮覆盖）。同时，采用非培养法对固沙植被区的拓殖先锋种蓝藻的演替和多样性进行了研究，发现人工固沙植被区经过57年的恢复，蓝藻群落Chao和ACE丰富度指数均明显小于天然植被区（恢复了N年），而且其群落结构与天然植被区仍然存在着统计学显著差异的区别，说明荒漠区生态系统微生物多样性的恢复是一个长期的过程。进一步分析了表层土壤中微生物在氮循环过程中的响应研究，发现连续七年的氮添加后土壤pH值和土壤有机碳共同影响了细菌群落结构，而对真菌群落结构的影响并无明显规律，发现微生物对氮添加的响应存在“门槛”效应，细菌和真菌具有不同的响应模式：细菌多样性随着氮添加量的增加呈线性显著下降趋势，而真菌则表现为先逐渐下降，当高氮量添加后，多样性反而升高。研究还发现生物土壤结皮中细菌/真菌数量比在低氮和中氮添加后有所下降，但无统计学差异，在高氮添加后显著升高（P<0.05），微生物群落结构趋于向以细菌为主的群落演变。从长远角度来看，生物土壤结皮中细菌和真菌的多样性和群落结构的变化势必会影响生物土壤结皮的稳定性和生态功能，进而很有可能会影响到荒漠区生态系统的稳定。