【摘 要】
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土壤可以固定大气中的二氧化碳,并把动植物、微生物残体转化为腐殖质进行储存,是陆地生态系统中最大的碳库。巨大的碳储量使得土壤有机碳的微小变化就能打破碳动态平衡,导致大气中二氧化碳浓度升高,加剧全球气候变暖。此外,土壤有机碳库的消耗也会降低土壤质量,对作物生产力造成严重影响。土壤微生物是碳周转的主要驱动因素,其主要由相对丰度较低的稀有类群和相对丰度较高的丰富类群组成,在维持土壤生态系统多功能性方面发挥
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土壤可以固定大气中的二氧化碳,并把动植物、微生物残体转化为腐殖质进行储存,是陆地生态系统中最大的碳库。巨大的碳储量使得土壤有机碳的微小变化就能打破碳动态平衡,导致大气中二氧化碳浓度升高,加剧全球气候变暖。此外,土壤有机碳库的消耗也会降低土壤质量,对作物生产力造成严重影响。土壤微生物是碳周转的主要驱动因素,其主要由相对丰度较低的稀有类群和相对丰度较高的丰富类群组成,在维持土壤生态系统多功能性方面发挥着重要作用。然而,目前对于土壤稀有和丰富微生物类群的多样性与有机碳分解之间的关系仍不清楚。此外,林地土壤在全球碳循环中扮演着重要的角色,开展林地土壤稀有和丰富微生物类群对有机碳分解机制及其调控策略的研究,也有助于更好地预测和调控全球气候变化背景下的土壤碳动态,为保障粮食安全、应对气候变化提供理论指导。因此,本研究通过Illumina MiSeq高通量测序、碳降解酶活性测定和多重统计分析,研究了稀有和丰富细菌类群的分类α-多样性和系统发育α-多样性的维持及其对林地土壤有机碳分解的贡献,阐明了稀有和丰富类群的环境适应性、群落组装过程及其关键影响因子。主要研究结果如下:(1)明确了稀有和丰富细菌类群的地理分布和多样性差异。丰富细菌类群在环境中分布更广,在测序样本中共检测到了 52.3%的丰富类群,而稀有类群只检测到3%。稀有细菌类群的SES.MNTD值显著低于丰富细菌类群,表明稀有细菌类群具有更紧密的系统发育分布。稀有细菌类群包含26个门,其中放线菌门(28.7%)、变形菌门(28.1%)、酸杆菌门(16.3%)和绿弯菌门(12.3%)占主导地位;而丰富细菌类群仅包含8个门,主要包括放线菌门(51%)、变形菌门(21.1%)和绿弯菌门(18.8%),表明稀有细菌类群比丰富细菌类群有更高的分类α-多样性。此外,稀有和丰富类群细菌亚群落都具有明显的距离衰减关系。环境因子如含水量(Moi)、田间持水量(WHC)、pH和总磷(TP)是影响稀有和丰富细菌类群多样性和组成的最显著因素。(2)揭示了稀有和丰富细菌类群的环境适应性和群落组装机制。环境阈值分析结果显示,与丰富细菌类群相比,稀有细菌类群具有更宽的环境位宽和更强的系统发育信号,表明稀有细菌类群具有更强的环境适应能力,能够利用更多的资源。另一方面,稀有细菌类群受到更严格的环境限制,其分类/扩散比为8.58,大于丰富细菌类群的分类/扩散比1.58。零模型分析发现,随机过程(59.2%)和分化过程(65.8%)决定了丰富细菌亚群落的组装,而确定性过程(85.8%)和分化过程(71.7%)在推动稀有分类群的群落组装中起主导作用。在稀有和丰富亚群落中,随机过程和确定性过程之间的平衡主要由土壤pH值(P<0.001)、总磷(TP)(P<0.001)和氨态氮(NH4+-N)(P<0.001)调控。(3)明确了稀有和丰富细菌类群多样性与碳分解的关系。稀有细菌类群的分类学α-多样性和系统发育α-多样性均大于丰富细菌类群,且稀有细菌类群的分类学α-多样性(R2=0.28,P<0.05)和系统发育α-多样性(R2=0.28,P<0.05)与碳循环指数显著正相关;然而,丰富细菌类群的分类α-多样性(R2=0.02,P>0.05)和系统发育α-多样性(R2=0.04,P>0.05)与碳循环指数略显负相关。这一结果表明,稀有和丰富细菌类群α-多样性对碳分解的贡献不同。稀有细菌类群的α-多样性与碳分解功能之间具有更强的相关性,α-多样性越高,其对碳分解的贡献越大,而丰富细菌类群中则没有观察到这种相关关系。此外,功能预测结果显示,在与碳分解相关的功能中,稀有细菌类群具有更高的功能冗余。
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