张健教授课题组在《Soil Biology and Biochemistry》上揭示微气候在驱动山地土壤微生物多样性中的主导作用

背景导读：

随着海拔梯度的变化，强烈的气候变异和生物区系的更替为生物多样性研究提供了天然的实验条件。理解微气候与山地土壤微生物的关系，使用时空尺度匹配的数据开展研究，对于揭示土壤微生物多样性背后的驱动机制具有重要意义。本研究结合微气候、土壤理化和植被特征，对江西官山亚热带森林土壤细菌和真菌沿海拔梯度的分类学(taxonomic diversity)和系统发育多样性(phylogenetic diversity)进行了系统研究，强调了微气候在调节土壤微生物多样性和群落组成上具有重要的生态学意义。本研究为理解山地生态系统中土壤微生物群落的驱动机制提供了理论依据，强调了高精度环境数据对于揭示土壤微生物的分布和动态所起的至关重要的作用。

正文：

为探讨亚热带森林土壤微生物的分类学多样性和系统发育多样性以及影响机制，我们沿江西官山国家级自然保护区320-1350m的海拔梯度采集了土壤样品（图1），并采集了土壤和近地表的微气候长期监测数据。该地区山地地形复杂，气候变化剧烈，微气候可能是解释微生物多样性格局的重要因素。由此，我们提出两个预测:(1)由于土壤细菌和真菌对环境因子的生理响应不同，它们在海拔梯度上将呈现不同的多样性格局；此外，当使用不依赖于丰富度的系统发育多样性指标，其与物种多样性之间将呈现不一致格局；(2)微气候在塑造土壤微生物多样性格局中发挥重要作用。此外，与近地表微气候相比，土壤微气候与微生物多样性的关系可能更为密切。

图1. 江西官山自然保护区海拔梯度采样位点

研究发现：

土壤细菌alpha多样性沿不同海拔水平发生显著变化。OTU丰富度和Shannon多样性指数均随海拔升高呈线性下降（图2a-b）。然而，当采用独立于丰富度的系统发育多样性指数PSV衡量时，其在海拔梯度上未出现明显的分布规律（图2d）。对于真菌群落，OTU丰富度和Faith’s PD均未出现明显的变化趋势，而Shannon多样性指数和PSV呈显著的上升趋势(图2e-h)。

图2. 土壤细菌(a-d)和真菌(e-h) alpha多样性沿海拔梯度分布格局

不同的环境变量对细菌的多样性有较大的解释作用（图3）。土壤温度和土壤pH与细菌alpha多样性呈正相关，且两者主导，共同解释了超过20%的比例（图3a-b)。土壤温度和常绿阔叶种比例（EBPro）是影响Faith’s PD的最重要因素（%IncMSE分别为12.39和9.85），而PSV与土壤含水量(SWC)和总磷(TP)有主要关系（图3c-d）。在优势菌门中，厚壁菌门的相对丰度随着土壤温度和土壤pH的升高而降低，而酸杆菌门的相对丰度则随着植物多样性和均匀度的提高而增加。对于土壤真菌，环境变量与Shannon指数和PSV的相关性总体不显著。

图3. 环境变量对细菌alpha多样性的相对重要性解释

结论和展望：

本研究以江西官山森林生态系统为例，分析了亚热带森林土壤细菌和真菌群落沿海拔梯度的变化，详细揭示了微气候在驱动山地土壤微生物多样性中的主导作用。我们强调：在土壤微生物生物地理学研究中需要考虑生物多样性的不同维度，并使用时空尺度相匹配的环境数据，以此更准确地从生理和生态学意义上理解其分布和驱动机制。

华东师范大学生态与环境科学学院张健教授为通讯作者，课题组2019级硕士研究生马璐雯为第一作者，海南大学刘兰副教授、中科院庐山植物园张昭臣副研究员、江西农业大学杨清培和宋庆妮教授、江西官山国家级自然保护区陈琳、余泽平和彭巧华工程师参与了课题设计和指导，研究生卢尧舜、张宏伟、王潇然、舒丽等参与了该项工作。该研究得到了国家自然科学基金（32071538, 32030068）和上海市自然科学基金（20ZR1418100）的资金支持。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2022.108566

来源：张健教授课题组