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多年冻土中蕴含着丰富的有机碳,在过去的几十年中,全球变暖引起了多年冻土的大面积消融,微生物活动加强,从而导致土壤有机质的显著减少以及温室气体的释放。因此,在气候变暖背景下,研究多年冻土中土壤微生物的群落结构及其驱动机制,对于预测多年冻土的进一步退化的潜在影响具有重要的生态学意义。大兴安岭多年冻土区位于欧亚大陆地带性多年冻土区的南缘,是中国第二大多年冻土分布区,对气候变化十分敏感。在全球气候变暖的影响下,大兴安岭多年冻土正在由南向北朝高纬度逐步退化。然而,对该地区冻土退化对相关微生物群落结构变化潜在影响的认识非常有限。本文以大兴安岭多年冻土区为研究区,以微生物群落结构为研究对象,围绕气候变暖导致的多年冻土退化背景下,对大兴安岭多年冻土区土壤微生物群落结构的纬度格局和垂直格局,以及不同冻土类型土壤微生物群落的分布格局进行研究,利用高通量测序技术,结合环境因子数据,从不同角度探究冻土微生物群落的分布特征及其结构变化机制,从而揭示冻土退化对土壤微生物群落结构的潜在影响。 本研究的主要结论如下: (1)沿纬度梯度选取大兴安岭连续多年冻土区21个稳定冻土点的0~20cm的表层土壤样本,探讨土壤细菌群落的纬度分布特征及其结构变化机制,揭示冻土退化对表层土壤微生物群落结构的潜在影响。Illumina高通量测序结果表明:变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、拟杆菌门(Bacteroidetes)和放线菌门(Actinobacteria)是此研究中多年冻土中的优势菌门。土壤微生物物种丰富度、多样性以及基于亲缘关系的系统发育多样性都随着随纬度的增高而呈现出先降低后增加的趋势。置换多元方差分析表明微生物群落的组成结构在纬度梯度上表现出显著的差异(PERMANOVA,P<0.01)。方差分解分析和结构方程模型表明,所有环境变量,包括地理因子,植物因子以及土壤理化性质因子在直接或间接影响微生物群落结构中都起着不可忽视的作用。冗余分析和增强回归树分析进一步强调了土壤pH和地上植物多样性对微生物群落组成和多样性格局的影响。总之,这些结果表明,冻土退化会对表层土壤微生物群落的组成结构和多样性产生显著的影响,土壤pH和地上植物多样性是土微生物群落结构变化的主要驱动因子。 (2)选取大兴安岭连续多年冻土区10个融深在50cm左右的稳定冻土点的0~20cm活动层,20~50cm过渡层以及50~70cm冻土层的土壤样本,探讨土壤细菌群落的垂直分布特征及其结构变化机制,揭示冻土融化在垂直方向上对土壤微生物群落结构的潜在影响。变形菌门(Proteobacteria),酸杆菌门(Acidobacteria),拟杆菌门(Bacteroidetes),绿弯菌门(Chloroflexi)和放线菌门(Actinobacteria)是所有土壤层细菌群落的主要门类。然而,优势细菌类群的相对丰度比例随土壤深度而变化。研究结果表明,从活动层,过渡层到冻土层的转变,细菌多样性随着深度的增加而显著降低。非度量多维尺度分析和换多元方差分析表明,各层之间的细菌群落组成结构差异显著(PERMANOVA,P<0.01)。冗余分析和斯皮尔曼相关系数分析表明,土壤温度,土壤总碳,总氮,总磷,土壤水分和粘粒含量是导致细菌群落组成和多样性变化的最重要因素。本研究揭示了冻土在垂直方向上的融化会造成土壤环境条件的异质性改变,对微生物生态位分化具有强烈的影响,从而对土壤微生物群落的组成结构和多样性产生显著的影响,土壤养分含量,温度和水分主要解释了土壤微生物群落结构的变异。 (3)选取大兴安岭多年冻土区中6个稳定冻土点以及6个不稳定冻土点的0~20cm和20~50cm土层的土壤样本,探讨土壤细菌群落在不同冻土类型土壤中的分布特征及其结构变化机制,从而揭示冻土的进一步退化对土壤微生物群落结构的潜在影响。研究结果表明:不同冻土类型的土壤理化性质表现出一定的差异。不稳定冻土点的土壤温度要显著高于稳定冻土点,而土壤水分和土壤总碳总氮含量都要显著低于稳定冻土点。变形菌门(Proteobacteria),酸杆菌门(Acidobacteria),拟杆菌门(Bacteroidetes),放线菌门(Actinobacteria)和绿弯菌门(Chloroflexi)是最优势菌门。占主导地位的细菌类群的相对丰度比例在不同冻土类型不同土层之间存在差异。上层土壤的香农-威纳多样性指数和谱系多样性指数都要显著高于下层土壤,其中对于下层土壤的香农-威纳多样性多样性指数,不稳定冻土点要高于稳定冻土点。基于未加权的UniFrac矩阵进行的置换多元方差分析表明,不同冻土类型之间的细菌群落组成差异显著(PERMANOVA,P<0.01)。冗余分析表明,土壤总碳,土壤水分,粘土含量,粉粒含量和砂粒含量对细菌群落组成变化的影响最显著。斯皮尔曼相关系数分析表明,土壤温度,水分,pH以及土壤的机械组成都对土壤微生物多样性具有显著的影响。本研究揭示了冻土的进一步消融将导致土壤温度的升高,土壤水分以及土壤养分的降低,从而对土壤微生物群落的组成结构和多样性产生显著的影响,且冻土退化对微生物群落分布格局的这种改变对下层土壤的影响更大,造成下层土壤微生物的多样性显著增加。 本研究填补了对中国东北高纬度寒区生态系统中微生物群落对冻土退化响应认识上的差距,这些发现加强了对这个独特的多年冻土区微生物多样性和生态学上的认识。这对于评估当前气候变暖条件下多年冻土生态系统的空间变化具有重要意义。