鄂尔多斯站科研人员在草地生态系统多功能性和土壤微生物网络调控研究中取得新进展
作者：鄂尔多斯生态站 更新时间：2023-05-21
陆地生态系统功能在维护人类福祉方面发挥着至关重要的作用。其能够同时提供多种生态系统功能和服务，如固碳、养分循环、水净化和生物多样性保护等，这些被称为生态系统多功能性（EMF）。除了气候、资源、干扰等环境因素外，生物多样性在调节生态系统功能中也起着重要的作用。大量研究探讨了生物多样性变化如何影响单个的生态系统功能。近年来，科研人员逐渐考虑生物多样性对多种生态系统功能的影响。中国科学院植物研究所黄振英研究团队先前的研究发现，植物多样性和土壤真菌多样性之间存在强烈的互作，土壤真菌多样性通过多维途径调节地上植物多样性（Wang et al., 2022; Global Ecology and Biogeography）。然而，地上和地下生物多样性、非生物因子及它们之间的互作如何调控草地生态系统多功能性尚不清晰。
研究团队在中国北方半干旱区草地进行1700公里左右的样带调查，通过测定地上活体生物量、凋落物生物量、土壤细菌生物量、真菌生物量、丛枝菌根真菌生物量以及土壤有机碳储量、总碳储量和总氮储量8个功能以衡量生态系统多功能性，主要研究生物因子（包括植物物种多样性、基于性状的功能多样性、群落加权的性状均值和土壤微生物多样性）和非生物因子（包括气候和土壤因子）对生态系统多功能的单一和联合影响。研究发现植物物种多样性和土壤微生物多样性对生态系统多功能有显著的交互作用；结构方程模型表明，土壤微生物多样性通过调节植物物种多样性间接影响生态系统多功能。这些发现强调了地上和地下多样性的相互作用对生态系统多功能的重要性。植物物种多样性和功能多样性对生态系统多功能的解释度相似，表明植物物种和性状之间的生态位分化和多功能互补在生态系统多功能调节中是至关重要的。此外，非生物因子可以通过直接途径和间接影响地上和地下生物多样性来调节生态系统多功能，其对生态系统多功能的影响强于生物因子。土壤砂粒含量作为生态系统多功能主要的调节因子，与生态系统多功能呈显著负相关。这些发现表明非生物机制在影响生态系统多功能中的重要作用，并加深生物和非生物因子对生态系统多功能单一和联合影响的理解。本研究表明土壤质地和植物多样性分别是草地生态系统多功能重要的非生物和生物决定因子。
图1 生物和非生物因子对生态系统多功能性直接和间接影响的结构方程模型和标准化效应
在气候变化和人为干扰的背景下，土壤微生物在调节陆地生态系统功能和服务方面发挥着至关重要的作用。土壤微生物类群之间存在着复杂的相互作用。然而，基于微生物类群互作的土壤微生物网络复杂性和稳定性驱动因子的研究尚处于起步阶段。中科院植物所黄振英研究团队采用网络理论和高通量测序相结合的方法，探究了中国北方半干旱区草地大尺度环境梯度下土壤微生物群落的网络结构及其复杂性和稳定性。研究发现干燥度是土壤微生物网络结构最强的驱动因子。干燥度的增加通过降低参与网络构建的微生物类群的比例和潜在的正、负互作比例，直接降低土壤微生物网络的复杂性和稳定性。土壤异质性通过促进植物多样性和调节土壤资源的不均匀分布，增强微生物网络的复杂性和稳定性。这些结果表明，增加的干燥度和降低的土壤异质性可能对土壤微生物功能和相关的植物生产特性产生不利影响。该研究为气候和/或土壤变量在土壤微生物网络调控中提供新的见解，并强调环境异质性在土壤微生物群落构建机制中的重要性。
图2 干燥度和土壤异质性影响土壤微生物网络复杂性和稳定性的结构方程模型和模式图
关于草地生态系统多功能性的研究以“Biotic and abiotic drivers of ecosystem multifunctionality: Evidence from the semi-arid grasslands of northern China”为题目发表在国际期刊Science of the Total Environment上，草地土壤微生物网络调控方面的研究以“Aridity and decreasing soil heterogeneity reduce microbial network complexity and stability in the semi-arid grasslands”为题目发表在国际期刊Ecological Indicators上，鄂尔多斯站已毕业博士生王丛文为上述两篇论文的第一作者，黄振英研究员和刘国方副研究员为论文的共同通讯作者。本研究受到中科院先导专项、国家重点研发计划等项目的资助。
文章链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0048969723027791
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1470160X23004843