黑河下游流域水流条件对土壤特性及微生物群落的影响：20年水文调控的生态响应

《BMC Microbiology》：Effects of water flow conditions on soil properties and microbial communities in the lower Heihe river Basin, Northwest China

本研究针对干旱区内陆河流生态管理中水流条件对土壤微生物影响机制不清的问题，通过对比黑河下游东、西河段20年不同水流条件下土壤微生物群落结构、共现网络和功能预测，发现低水流条件增强了微生物网络稳定性，且微生物功能对水文因子的响应强于多样性变化，为干旱区 riparian（河岸带）生态系统水文管理提供了微生物学依据。

　　

在中国西北广袤的干旱区，河流如同生命脉络，维系着脆弱的生态平衡。黑河作为西北重要内陆河，其下游流域曾因水资源短缺面临严峻生态退化。为缓解这一危机，我国于2000年启动黑河生态输水工程，通过人工调控改变了河流水文情势。然而，这种水文改变如何影响土壤中看不见的微生物世界，进而影响生态系统功能，成为亟待破解的科学谜题。

以往研究多关注水文变化对植被等宏观生态要素的影响，而对土壤微生物这一"地下黑箱"的关注不足。微生物虽小，却是养分循环的"引擎"，其群落变化直接影响土壤健康与生态系统功能。在干旱区，水分是限制微生物活性的关键因子，但水流条件改变如何影响微生物群落结构、相互作用网络及功能潜力，尚缺乏系统认知。为此，中国科学院西北生态环境资源研究院的研究团队在《BMC Microbiology》发表论文，揭示了20年水流差异对黑河下游土壤微生物群落的深远影响。

研究团队以黑河下游东河（高水流）和西河（低水流）为天然实验场，采集16个样点的土壤样品，运用16S rRNA（核糖体RNA）和ITS（内源转录间隔区）扩增子高通量测序技术解析微生物群落结构，通过共现网络分析揭示物种互作关系，并利用FAPROTAX和FUNGuild数据库进行功能预测。关键方法包括：基于Langxinshan水文站2000-2019年径流数据的水文特征分析、土壤理化性质标准化测定、微生物DNA提取与测序、Spearman相关性网络构建、冗余分析（RDA）以及功能注释分析。

水文特征

研究结果显示，2000-2019年间东、西河径流与地表水面积均呈增加趋势，但东河径流量始终高于西河。东河月径流变异系数（0.67）显著高于西河（0.37），表明其水文波动更剧烈。而两地地下水埋深无显著差异，均约3米。

土壤理化性质

东河土壤有机质（SOM）和砂粒含量较高，西河则富含粉粒、粘粒及有效磷（AP）。土壤容重（BD）两地无显著差异。

微生物群落特征

细菌优势门为变形菌门（Proteobacteria）、放线菌门（Actinobacteria）和拟杆菌门（Bacteroidetes），真菌以子囊菌门（Ascomycota）为主，古菌则主要为广古菌门（Euryarchaeota）和奇古菌门（Thaumarchaeota）。微生物α多样性（包括丰富度、香农指数等）在不同水流条件下无显著差异，但细菌群落结构在高、低水流区间分离明显。

共现网络分析

西河微生物网络具有更高的连接性和稳定性，其自然连通性随节点移除的下降斜率更缓（如古菌网络：西河-0.026 vs 东河-0.124），表明低水流条件促进了微生物互作与系统稳健性。网络内正相关性主导，暗示微生物间普遍存在互利关系。

功能预测

细菌主导功能为化能异养（Chemoheterotrophy）、硝酸盐还原（Nitrate reduction）等氮循环相关途径；古菌主要参与氨氧化（Aerobic ammonia oxidation）和硝化作用（Nitrification）。东河氮相关功能更强，西河则富集腐生与病原功能。

微生物与环境因子关联

RDA（冗余分析）与Mantel检验显示，高水流区微生物群落与土壤容重（BD）、有效氮（AN）关联密切，低水流区则更受有效钾（AK）和粘粒含量影响。水文因子（如径流、季节变异SeasonCV）通过改变土壤性质间接调控微生物群落。

本研究揭示，长期水流差异虽未显著改变微生物多样性，但深刻影响了群落结构、互作网络及功能潜力。低水流条件促使微生物通过增强正互作提升网络稳定性，体现了其对干旱胁迫的生理适应策略。微生物功能对水文因子的响应强于多样性，且细菌与古菌群落积极参与氮循环，凸显了其在干旱区养分周转中的关键作用。该研究为内陆河生态输水工程的微生物效应评估提供了科学依据，强调未来水文管理需兼顾"地上-地下"生态过程的协同调控，以促进干旱区生态系统的可持续恢复。