在快速城市化的喜马拉雅城市中，不透水覆盖物对河岸植物和土壤细菌群落的不同影响

《Science of The Total Environment》：Contrasting effects of impervious cover on riparian plant and soil bacterial communities in a rapidly urbanising Himalayan city

本研究探讨不透水面积百分比（PTIA）对不丹廷布市河岸土壤细菌多样性和功能的影响。发现PTIA超过40%的区域，细菌多样性和功能多样性显著增加，可能与氮素富集导致的土壤C:N比率下降有关，形成与植被多样性下降相反的趋势。细菌群落可作为城市河岸生态系统健康的生物指标，为可持续发展策略提供依据。

　　### 乌尔班化对河岸生态系统的影响

随着城市化进程的加速，全球许多地区的河岸生态系统正经历着显著的变化。特别是在快速发展的城市中，不透水表面的扩张成为影响这些生态系统的关键因素。不透水表面，如道路、建筑物、人行道和铺装区域，不仅改变了河岸的物理结构，还对土壤微生物群落和植物群落产生了深远的影响。在这一背景下，本研究探讨了不透水覆盖度对不丹首都廷布市河岸土壤细菌群落的影响，特别是在不透水覆盖度超过40%的区域中，发现细菌多样性与功能多样性反而有所提升，这一现象与植物群落的变化趋势形成了鲜明对比。

#### 河岸生态系统的脆弱性

河岸生态系统作为连接水体与陆地的过渡区域，具有独特的生物多样性和生态环境特征。它们在调节土壤湿度和结构、改善水质、保留营养物质、过滤污染物、减少沉积物负荷、促进植被再生以及维持生物多样性方面发挥着重要作用。然而，这些生态系统正面临来自快速城市化的多重压力，尤其是不透水表面的扩展。不透水表面不仅直接导致河岸植被和栖息地的损失，还会降低生物多样性。此外，它们还会增加地表径流，改变水文和地貌过程，并提高有机和无机污染物的输入，从而破坏水质。这些累积的影响改变了土壤的物理和化学性质，包括土壤水分、有机碳含量的减少以及重金属的积累，对土壤微生物群落产生深远的影响。

#### 不透水表面对土壤微生物的影响

尽管不透水表面的扩展通常被认为会对土壤微生物群落产生负面影响，但本研究发现，当不透水覆盖度超过40%时，土壤细菌的丰富度和功能多样性反而增加。这一发现与之前的假设相悖，即认为随着不透水覆盖度的增加，细菌多样性也会减少。然而，研究结果表明，土壤中的碳氮比（C:N ratio）是促进高不透水覆盖度区域细菌多样性的主要因素。碳氮比的降低通常意味着氮素的富集，这可能为快速生长的细菌（copiotrophic bacteria）提供了更有利的生长条件，从而增强了细菌的多样性和功能能力。

#### 植物与细菌的差异响应

植物群落和土壤微生物群落对不透水覆盖度的响应存在显著差异。植物群落随着不透水覆盖度的增加而表现出物种丰富度和多样性下降的趋势，而土壤细菌群落则呈现出相反的变化。这一现象可能与植物群落对环境变化的敏感性有关，植物作为生态系统中的主要生物成分，其多样性变化往往最先反映环境的变化。相反，土壤微生物群落则可能通过适应性机制，如利用富集的氮素和有机物，来维持或增加其多样性。这种差异响应揭示了在城市化过程中，生物群落之间可能存在不同的适应策略。

#### 碳氮比作为关键生态驱动因素

研究中发现，碳氮比是影响土壤微生物群落组成和功能路径的主要生态驱动因素。在廷布市，城市河岸土壤的碳氮比显著低于非城市河岸土壤，这可能与氮素的富集有关。氮素的增加可能促进了快速生长的细菌群落的扩展，同时抑制了缓慢生长的细菌群落。此外，研究还发现，某些特定的细菌家族，如Xanthobacteraceae，其在非城市河岸土壤中的丰度明显高于城市土壤，这可能反映了其对低干扰环境的适应性。相比之下，城市土壤中某些快速生长的细菌家族，如Burkholderiaceae和Rhodobacteraceae，表现出更高的丰度，这可能与城市环境中有机废物的输入和氮素的富集有关。

#### 功能路径的变化与生态意义

在功能层面，城市河岸土壤表现出更高的代谢路径丰富度和多样性，尽管总体路径丰富度没有显著差异。通过SIMPER分析，研究确定了十个最具区分性的代谢路径，这些路径主要涉及核苷酸合成和支链氨基酸合成，显示出微生物对城市化带来的环境变化的适应能力。这些功能路径的增加可能反映了微生物在富氮环境中的活跃代谢活动，以及它们对有机物分解和利用的增强能力。这种功能上的变化不仅影响了土壤的生物地球化学循环，还可能对微生物群落的稳定性和生态系统的恢复能力产生深远影响。

#### 未来研究方向与管理建议

本研究的结果强调了在快速城市化背景下，监测土壤微生物群落对于评估生态系统健康和管理城市河岸生态的重要性。尽管先进的测序技术在某些地区可能成本较高，但便携式PCR设备和紧凑型测序仪等新兴工具为在发展中国家进行微生物群落研究提供了可行的替代方案。未来的研究应扩展到更大的空间和时间尺度，包括多城市比较和多季节或多年数据收集，以提高研究结果的普遍性和生态意义。此外，整合宏转录组学方法将有助于更深入地了解微生物的功能性和生态系统对城市化变化的响应。

#### 结论

综上所述，城市化显著改变了河岸生态系统，特别是在不透水覆盖度超过40%的区域。尽管植物群落表现出多样性下降的趋势，但土壤细菌群落则呈现出相反的变化，显示出其对环境变化的适应能力。这种差异响应可能与土壤中的碳氮比变化密切相关，碳氮比的降低为快速生长的细菌提供了更有利的生长条件。因此，土壤微生物群落可能成为评估河岸生态系统健康和有机废物积累的有效生物指标。在快速城市化的背景下，利用微生物指标进行生态监测和管理，有助于维持生态系统功能和促进可持续的城市规划。