增氮与改变降水条件下草原土壤微生物群落对植物多样性与植物种特异性的响应

Global change critically influence plant-soil microbial interaction. The effects of plant diversity especially species specificity on grassland soil microbial community has been rarely studied under the global change background in the past. The aim of this study was to clarify the similarities and differences between plant diversity and plant species specificity, in which has effects on microbial community structure and diversity in grassland soil, while emphasize that the unique effects of plant species specificity. This study will help us deeply to understand the mechanism of terrestrial ecosystems responses to global change. Based on the dominant species Leymus chinensis and other three kinds of accompanying species in the Leymus chinensis meadow steppe, we set up an experiment including mesocosms with different plant diversity and single plant species under the treatments of nitrogen addition and change of precipitation regimes. Methods of PLFA, real-time PCR and high-throughput sequencing were used to determine soil microbial community structures and diversities of different treatment samples, analyzing the differences in the characteristics of soil microbial communities under the treatments of single plant species and multi plant symbiosis, respectively. In addition, evaluating the unique contribution of single plant species for the soil microbial communities in the grassland ecosystems, and making a comprehensive analysis of plant and soil factors in regulating ecosystem function, thus revealing the mechanism of soil microbial responses to plant species diversity and specificity under global changes.

全球变化深刻影响草原植物—土壤微生物关系。以往关于植物多样性特别是物种特异性对草原土壤微生物群落的影响很少在全球变化背景下被研究。本研究旨在阐明植物多样性和植物种特异性对草原土壤微生物群落结构与多样性影响的异同，强调植物种的独特作用。这将有助于深刻认识陆地生态系统对全球变化的响应机制。以羊草草甸草原的优势种羊草和其他三种植物为材料，构建具有不同植物多样性的和只有一种植物的中宇宙（mesocosm）实验系统，实施增氮和改变降水格局处理，采用磷脂脂肪酸（PLFA）分析、实时荧光定量PCR和高通量测序等方法，确定不同植物多样性和单一植物种条件下的土壤微生物群落结构及多样性，比较植物种单生与多植物种共生条件下土壤微生物群落特征的一致性与差异性，评价植物种特异性对草原土壤微生物群落组成的贡献，分析植物与土壤因子的调节作用，阐明增氮和改变降水影响草原植物多样性与土壤微生物群落关系的生态机制。

全球变化深刻影响着与草原生态系统的植物—土壤微生物关系。植物多样性变化及其与增氮和降水改变对草原土壤微生物的影响在野外原位条件下开展了大量的研究。但是，精准控制植物多样性的实验尚属少见，特别是植物种类是否具有独特性作用的尚不清楚。为此，本项目采用松嫩草地的羊草等6种植物构建包含4个植物多样性梯度、3个植物功能群梯度的人工群落即中宇宙（mesocosm），再分别与增氮、改变降水进行处理交互设计。同时，在野外调查了5个主要的植物群落类型的数量特征，并采集群落土壤和7种主要植物的根际土壤。采用qPCR、高通量测序和T-RFLP方法检测土壤细菌、真菌的组成、丰度和多样性，并测定土壤理化特征以及α-葡糖苷酶(αG)、β-葡糖苷酶(βG) 等共7种土壤水解酶活性。研究发现：(1)高多样性的植物组合对土壤细菌(氮循环功能基因nifH、AOB、amoA、nirK和nirS)、真菌的丰度有抑制作用，而高氮和高降水处理则通过提高土壤AN、AP浓度和降低pH值来调节这种抑制效应的方向和大小。此结论在阐述植物多样性影响土壤细菌活性的机制方面取得了新进展。(2)草地植物种类对其根际细菌、AM真菌组成与多样性均具有明显的偏好性。植物种类和土壤微生境的差异是导致根际土壤微生物特异性的主要机制。与以往大多数研究均强调植物多样性的生态功能不同，此结论更强调植物种类在草地生态系统中的功能独特性，丰富了植物多样性功能的相关理论。(3)草地优势植物种在很大程度上决定着其群落水平的土壤酶活性格局。此研究结论拓展了植物优势种概念的内涵，有可能推动对生态学若干重要经典概念在“地下生态学”中的适用性检验并给与重新阐释或界定。(4)高植物多样性支持较高的土壤呼吸速率并显著影响土壤水解酶活性，但是不同种类的酶活性对增氮、降水以及植物多样性交互作用的响应规律较为复杂。本研究提供了植物多样性影响土壤酶活性的新证据，对于预测未来草原植物多样性可能减少背景下的土壤过程与功能具有重要的参考价值。