荒漠草原盐生植物—微生物互馈效应研究

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荒漠草原作为草原与荒漠过渡区和重要的生态屏障,对气候变化和人类活动极度敏感,降水稀少而且变率较大,土壤淋溶过程极弱导致盐分表聚现象明显和普遍,盐生植物为该区生态系统的稳定和恢复提供了可能。盐生植物在荒漠草原生态系统广泛分布,通过稀盐、泌盐和拒盐特性来抵御逆境。然而,以往研究关注于盐生植物逆境适应的生理生化特征和分子响应机制,缺乏植物-微生物互馈效应在盐生植物中的系统研究。现如今,权衡荒漠草原生态系统的服务和功能已成为一项既复杂而又富有挑战性的任务。而盐生植物不同组织间内生微生物群落的维持策略和环境因素驱动植物根际和叶际微生物群落组成过程、盐生植物凋落物输入和根系分泌物对土壤微生物群落的影响机理、以及盐生植物反馈土壤生态系统多功能性的作用机制更缺乏系统深入的研究。鉴于此,以鄂尔多斯荒漠草原典型盐生植物尖叶盐爪爪、白刺、红砂、柽柳等为研究对象,先后开展野外样地群落调查、无人机影像分析、室内控制实验、植物和土壤理化指标测定、微生物高通量测序和非靶代谢组学分析,结合机器语言对荒漠草原盐生植物-微生物相互作用下微生物群落结构和多样性、微生物间网络关系、多因素对生态系统多功能性的调控途径进行了系统综合的研究。取得如下结论:(1)盐生植物在荒漠草原盐沼湿地的分布具有植被自组织空间格局,不论斑点/斑块或是梯度格局,土壤理化特性和盐生植物类型是影响荒漠草原盐生植物分布及土壤微生物群落结构的重要因素。随植物覆盖度增加和水盐梯度降低,样地间的土壤细菌多样性和丰富度随之增加,且细菌群落的构成趋于随机性,而真菌受水盐变化的影响较小,;盐生植物的覆盖增强了盐沼湿地细菌-真菌以及细菌-细菌间的相互作用,使得土壤细菌/真菌具有更复杂的网络关系,而盐生灌木样地土壤则较盐生草本样地土壤具有更稳定的细菌/真菌网络关系;土壤水分和盐分对盐沼湿地生态系统具有负向效应,盐生植被覆盖、土壤养分以及土壤水溶性离子具有正向效应,且均可作为盐沼湿地生态系统多功能性指数的预测因子。(2)细菌和真菌群落在不同盐生植物(尖叶盐爪爪、白刺、红砂)根际、根、茎、叶间存在差异,根际细菌优势菌门为变形菌门、厚壁菌门、放线菌门、芽单胞菌门和拟杆菌门,根内细菌以变形菌门和放线菌门为主,茎内细菌以变形菌门、放线菌门、蓝细菌门和厚壁菌门为主,叶内细菌则以蓝细菌门和变形菌门为主;子囊菌门则是植物根际、根、茎、叶真菌的优势门;植物种类不同,各菌门在植物组织内的相对丰度占比也存在差异。盐生植物对内生细菌/真菌的定殖具有选择效应,随着菌群从植物根际到组织内的定殖过程,细菌群落多样性和丰富度呈下降趋势,而真菌群落变化并不显著;盐生植物内生细菌和真菌具有丰富潜在的促生菌资源。(3)土壤水分和盐分同步降低,驱动苦豆子根际细菌群落组成由确定性过程(同质选择)向随机过程(生态漂变)转变;土壤水盐含量的增加,则使得苦豆子根际土壤细菌网络表现出更高的网络连通性和复杂性。季节更替引起的土壤水盐异步变化,降低了红砂根际细菌多样性和丰富度,而叶际细菌群落影响并不显著;叶际盐分的积累,降低了叶际固氮细菌的相对丰度,而寡养细菌则逐渐占据优势。土壤盐分含量的增加,提高了泌盐盐生植物叶际盐分含量的积累,进而增加了叶际细菌群落丰富度,但降低了根际和叶际真菌群落的多样性和丰富度;盐胁迫增加了叶际细菌和根际真菌网络的连通性和复杂性,叶际真菌和根际细菌则呈现相反的趋势,具有生态位互补效应。水分匮乏时,白刺根际土壤细菌网络的连通性和复杂性降低,而盐胁迫增加了细菌网络的连通性和复杂性,但降低了网络的稳定性;白刺在面对干旱和盐胁迫时,会通过根系分泌甘油、甘油酸以及提高氨基酸水平以适应逆境。(4)盐生植物修复(尖叶盐爪爪定植)降低了地表土壤盐渍化程度,增加了细菌网络的连通度和复杂性、降低了古菌间网络强度,存在生态位竞争效应。围栏有效改善了盐生草甸土壤理化特性,同时提高了土壤细菌群落的多样性和丰富度。盐生植物造林和农田开垦均提高了荒漠草原土壤的C、N积累,但农田开垦降低了土壤细菌和真菌间的网络关系,而盐生灌木林提高了土壤细菌-真菌的相互作用强度。综上所述,盐生植物覆盖改善了荒漠草原土壤理化特性,并对土壤生态系统的功能具有正向效应。本研究有助于在全球变化的背景下,为深入理解和认识盐生植物对荒漠草原生态系统的作用提供科学依据,并为荒漠草原的可持续性管理与利用提供重要的理论基础。
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