车荣晓副研究员发表系列成果揭示高寒草地土壤微生物对环境变化和人类活动的响应

土壤学领域重要期刊J Soils Sediments近期在线发表了云南大学国际河流与生态安全研究院车荣晓副研究员的研究成果。至此，车荣晓副研究员于半年内相继在Soil Biol Biochem、Soil Till Res及J Soils Sediments发表了三项研究成果，系统揭示了高寒草地土壤微生物群落对全球变化和人类活动的响应。

青藏高原是全球气候变化的敏感区，放牧是其主要的土地利用方式。尽管土壤微生物在决定生态系统对全球变化及人类活动的反馈中扮演着重要角色，但有关土壤微生物对气候变化及人类活动响应的认识仍存较大空缺，这在青藏高原地区表现得尤为突出。基于此，车荣晓副研究员与中国科学院等多家单位合作，在青藏高原海北定位站开展了为期六年的增温、放牧实验，旨在揭示土壤微生物群落对增温和放牧的响应。研究发现：为期六年的增温倾向于降低真菌活性，减弱其种间相互作用，增加寡营养型真菌多度，减少丛枝真菌多度；但为期六年的放牧未对土壤总真菌及活性真菌群落产生显著响应。这表明全球变暖会减弱高寒草甸土壤真菌在降解活性有机质以及辅助植物吸收养分等方面的作用，而长期放牧历史已使得高寒草甸土壤真菌群落对中等强度的放牧处理不再敏感。相关成果以“Total and active soil fungal community profiles were significantly altered by six years of warming but not by grazing”为题于2019年12月份在土壤学领域顶级期刊Soil Biol Biochem刊出。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.soilbio.2019.107611

图1.增温和放牧对高寒草甸土壤真菌潜在功能的影响

尽管高寒草甸对中度放牧并不敏感，但在气候变化及重度放牧的影响下，青藏高原地区的高寒草甸一直面临着严重的退化问题。退化秃斑的形成是高寒草甸退化的重要特点，但有关退化秃斑形成对土壤微生物影响的研究仍十分匮乏。通过对处于不同退化阶段的三个高寒草甸的原生植被斑-退化斑配对采样，结合微生物群落分析发现：退化斑的形成显著降低了土壤微生物活性，增加了土壤真菌的多样性，但未对土壤微生物多度及原核生物多样性产生显著影响；退化斑的形成显著改变了原核生物和真菌的群落组成，主要表现为好营养菌比例的下降和寡营养菌比例的增加；基于FAPROTAX和FUNGuild的功能预测表明，退化斑的形成会显著增加硝化微生物、植物病原真菌以及腐生菌的比例，这在退化斑的表层土壤被剥蚀后表现得尤为显著；相比于原生植被斑，退化斑内土壤微生物的相互作用模式产生了显著的变化，原核生物种间的正、负相互作用均减弱，真菌种间负相互作用减弱，正相互作用增强。硝化微生物和土壤致病菌的增加很可能会增加土壤氮素淋失及植物病害爆发的风险。因此，退化斑形成所引起的微生物群落变化很可能会阻碍退化高寒草甸的恢复。硝化菌的增加很可能是由于退化斑内有机质的流失所引起的，因此增加退化土壤的有机质输入可能是修复退化草地的潜在有效措施。相关研究结果以“Degraded patch formation significantly changed microbial community composition in alpine meadow soils”为题发表于中科院一区杂志Soil Till Res，正式刊出时间为2019年12月。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.still.2019.104426

图2.高寒草甸退化斑的形成对土壤微生物群落组成的影响

基于以上研究，车荣晓副研究员通过设立退化高寒草甸土壤植物凋落物添加的室内培养实验，探究了退化土壤微生物对增加有机质输入的响应。研究结果表明：增加退化土壤有机质输入显著增加了微生物呼吸速率、rDNA转录活性及真菌多度，但原核生物多度未受影响；该处理还显著降低了微生物多样性，却大幅增强了微生物间的相互作用；凋落物添加显著改变了微生物群落结构，在引起好营养菌相对多度增加的同时，显著降低了贫营养菌的相对比例；功能预测的结果显示，凋落物添加所引发的微生物群落结构改变导致植物病原菌、固氮菌和反硝化菌多度大幅增加，而硝化微生物多度显著降低。这表明采用增加土壤有机质的方式修复退化高寒草甸在短期内是有风险的。首先，微生物多样性的丧失会减弱生态系统的稳定性；其次，退化土壤中的无机氮库以硝态氮为主，反硝化增强会导致土壤无机氮库在短时间内的大量损失；最重要的是植物病原菌的增加还会显著增加植物病害风险。但从长期来看，固氮作用的增强会增加土壤铵态氮的输入，硝化作用受抑制之后，反硝化作用必将因为底物的匮乏而受到抑制；此外，根据“多个体”假说，只要保证有机质的供应，在长时间尺度微生物多样性最终还是会恢复乃至增加的。基于以上研究结果，退化高寒草甸的恢复不仅要注意植物病害防控，还要增加有机质输入，并需结合短期铵态氮补给。以上研究以“Increased litter input significantly changed the total and active microbial communities in degraded grassland soils”为题发表于土壤学领域重要期刊J Soils Sediments，在线发表时间为2020年5月。

论文链接：https://doi.org/10.1007/s11368-020-02619-x

图3.凋落物添加对退化高寒草甸土壤微生物种间相互作用的影响

以上论文第一作者均为云南大学国际河流与生态安全研究院车荣晓副研究员，通讯作者为中国科学院大学崔骁勇和王艳芬教授。相关研究由科技部重点研发计划、中国科学院A类战略先导专项、国家自然科学基金面上项目、第二次青藏高原综合科学考察研究，以及云南大学“双一流”大学建设项目等共同资助。

审核：车荣晓     编辑：CZY