半干旱区地下水埋深变化对土壤多功能性、微生物群落多样性和共生网络复杂性的影响

作者：奈曼站  更新时间：2023-10-23

充足的水资源对干旱和半干旱区至关重要，因为水的可用性与植被生产力和物质能量循环密切相关。直接和间接获取水的方式是解释植物耐旱能力潜在机制的关键。干旱可能导致土壤养分流失，降低对土壤微生物栖息地和生态系统功能的支持，最终导致地上生产力下降，因此不应孤立地考虑同时发生的多种生态功能。鉴于土壤微生物对土壤环境的变化非常敏感，因此，了解土壤微生物、土壤多功能性和水分胁迫（由地下水水位下降引起）之间的相互关系对于生态系统的保护和恢复至关重要。因此，通过研究地下水埋深变化条件下土壤微生物群落和土壤多功能性之间相互关系的内在机制及其关键影响因素，可为该区生态系统植被土壤恢复和地下水资源保护策略提供理论参考。

本研究以半干旱区农牧交错带的科尔沁沙地为研究区，通过设置完全排除降雨干扰的浅层地下水埋深处理的沙地草本和灌木优势种植物的模拟控制试验，利用高通量测序技术研究了地下水埋深变化对土壤多功能性、微生物群落多样性和共生网络复杂性的影响。研究发现，地下水埋深增加对土壤多功能性和微生物群落多样性产生了负面影响（图1）。地下水埋深的增加还改变了土壤微生物群落的组成结构，降低了主要的土壤微生物群落物种的门类，包括变形菌门和子囊菌门的相对丰度（图2）。地下水埋深增加引起的土壤水分匮缺降低了土壤微生物共生网络的复杂性（图3）。同时，缺水条件下沙地土壤孔隙中细菌的扩散生长受到了限制，导致氨基酸代谢和碳水化合物代谢相关的功能群相对丰度下降，缺水还导致真菌的寄生功能群相对丰度降低（图4和5）。地下水埋深的增加对土壤多功能性、土壤水分和土壤微生物群落特征的负面影响推动了科尔沁沙地土地退化进程（图6）。

该研究成果以“Impact of altered groundwater depth on soil microbial diversity, network complexity and multifunctionality”为题发表在微生物学领域中科院2区TOP期刊Frontiers in Microbiology，影响因子5.2。中科院西北生态环境资源研究院博士研究生赵思腾为论文第一作者，赵学勇研究员和李玉霖研究员为通讯作者。该研究由国家自然科学基金面上项目（42177456），内蒙古自治区科技成果转化项目（2021CG0012）和国家科技部基础资源调查项目（2017FY100200）共同资助。

文章链接：https://doi.org/10.3389/fmicb.2023.1214186

图1 不同地下水埋深土壤细菌和真菌的Alpha多样性，以及土壤多功能性与土壤微生物群落Alpha多样性的关系

图2 地下水埋深变化对土壤微生物细菌和真菌群落组成的影响

图3 不同地下水埋深土壤微生物细菌和真菌群落的共生网络特征

图4 地下水埋深变化对细菌群落功能的影响

图5 地下水埋深变化对真菌群落功能的影响

图6 建立分段式结构方程模型分析地下水埋深、土壤水分和土壤多功能性对土壤微生物群落多样性和组成的影响