干旱半干旱草原生态系统土壤细菌群落结构和多样性对氮沉降的响应

Nitrogen deposition is an important aspect of global change. Some field experiments were conducted to investigate the effects of nitrogen deposition on the structure and function of arid and semi-arid grassland ecosystems in China. However, limited by the research technique, bacterial compositions at family or genus level influenced by N deposition are seldom investigated. Using pyrosequencing technique, we are able to study the responses of soil bacterial community structure and diversity at family and genus levels response to N deposition. In this study, we will collect soil samples from field experiements simulating N deposition in arid and semi-arid grassland ecosystems (typical steppe, desert steppe, desert, alpine meadow) in China, and study the changes in bacterial community structure and diversity response to N deposition. Our hypothesis include: 1) the responses of bacterial community structure and diversity to N deposition differ in different ecosystems; 2) N deposition may become dominant driving factor shaping bacterial community structure and diversity; 3) climatic factors and N deposition are interactive to influence the response patterns of bacterial community to N deposition. We will detect sensitive bacterial indicators, thresholds and response patterns of bacterial community struture and diversity to N deposition. This research will provide scientific data to predict the effects of global change on ecosystem structure and function.

氮沉降是全球变化的一个重要方面。在我国干旱和半干旱草原生态系统中，进行了很多模拟N沉降对生态系统结构和功能影响的野外控制试验。然而，由于研究手段的限制，对N沉降与细菌群落的科、属组成、多样性变化的关系很少涉及。本研究拟利用在我国不同干旱半干旱生态类型（典型草原、荒漠草原、荒漠、高寒草甸）中已经进行的N沉降试验样地的土壤样品，利用现代高通量测序技术在科、属水平上系统鉴定不同生态系统中细菌群落组成和多样性的变化。我们的假设认为，不同生态系统中细菌对N沉降的响应程度会有差别，N沉降有可能成为塑造细菌群落结构和多样性的关键驱动因子，气候条件与N沉降对细菌群落的影响具有交互作用。通过该研究，将发现不同生态系统中对N沉降敏感的指示菌群，揭示细菌组成和多样性对氮沉降响应的阈值及响应模式，为预测全球变化对生态系统结构和功能的作用机制提供科学数据。

氮沉降是全球变化的一个重要方面，已对海洋和陆地生态系统产生了明显的影响，虽然微生物是生态系统中物质循环的关键驱动力，然而，关于对微生物的系统研究，如细菌、古菌、真菌丰度、微生物群落的多样性和功能基因等方面的研究却很少，制约了我们对全球变化影响下生态功能变化的认识。本项目主要利用高通量测序技术研究不同草原生态系统中微生物群落结构和多样性以及潜在功能对N沉降的响应。得到以下主要结果：内蒙古典型草原N沉降促使微生物群落结构、多样性和潜在功能发生显著改变的阈值不同，原核微生物群落结构显著改变的阈值为N沉降量1.75 g N m-2 yr-1，而原核微生物多样性显著改变的阈值为N沉降量5.25 g N m-2 yr-1，相关功能基因也在高N（大于5.25 g N m-2 yr-1）和低N（小于5.25 g N m-2 yr-1）处理过程发生了显著变化；随着N沉降量的增加，富营养菌群，如Proteobacteria和Bacteriodetes的相对含量显著增加，而寡营养菌群，如Acidobacteria和Nitrospirae的相对含量显著降低；N沉降导致原核微生物群落和主要菌群变化的机理不同，低N沉降量时，N是原核微生物群落和重要菌群变化的主要驱动者，而高N沉降量时，N和pH是原核微生物群落和主要菌群变化的共同驱动者；随着N沉降量的增加，原核微生物群落结构发生改变，微生物多样性降低，微生物间的相互作用网络简单化，进而降低了微生物群落结构的稳定性。研究结果有助于深入了解N沉降影响不同微生物类群结构变化的普遍规律，对准确预测不同生态类型的结构和功能对全球变化的响应具有重要意义。