从叶层到土壤：长期围栏如何重塑草地微生物群落结构及其功能基因

《Agriculture, Ecosystems & Environment》：Phyllosphere to soil: How long-term fencing reshapes grassland microbial community construction and the functional genes

微生物群落动态与功能基因响应机制研究。系统调查松嫩草场围栏恢复区与持续放牧区叶面、凋落物、土壤三微生境的微生物群落及功能基因，揭示围栏降低环境压力后微生物组装以确定性选择为主导，叶面和凋落物较土壤更显著。围栏与盐渍化协同增强营养循环基因丰度，核心类群通过生态位竞争-平衡机制调控功能基因分布。为微生物功能导向的草地恢复提供理论依据。

　　本研究聚焦于草地生态系统中微生物群落及其功能基因在放牧排除后的响应机制，探讨了不同微生境（如叶面、枯落物和土壤）下微生物群落的构建过程和功能潜力的变化。研究团队通过对长期围封恢复区与持续放牧区的系统采样，分析了微生物群落组成与功能基因的动态变化，揭示了在草地恢复过程中，微生物群落的组装模式和功能基因分布的调控机制。这些发现不仅有助于理解微生物在生态系统中的作用，也为制定基于微生物功能的草地恢复管理策略提供了理论依据。

草地生态系统是全球重要的生态系统之一，占陆地生态系统总面积的40%。然而，由于过度放牧和随之而来的土壤盐碱化，草地正面临日益严重的退化问题。放牧行为不仅导致植被破坏、土壤板结，还影响了养分的重新分配，而选择性放牧则进一步加剧了土壤盐度的异质性，使得钠碳酸盐和碳酸氢钠的浓度升高。这种变化不仅改变了土壤的理化性质，还筛选出能够适应高盐环境的植物和微生物。因此，研究如何通过围封措施恢复草地生态系统，成为当前生态学和环境科学领域的重要课题。

在研究过程中，团队选取了位于松嫩平原西部的典型草原样地，该样地具有温带大陆性半湿润和半干旱季风气候，年均温度为6.1°C，年均降水量为393毫米，其中超过70%的降水集中在6月至8月的生长季。这一区域长期受到牛羊的高强度放牧影响，导致土壤结构破坏和养分流失。研究团队通过围封实验，对围封区和持续放牧区的微生物群落及其功能基因进行了对比分析，揭示了围封措施对微生物群落构建的影响。结果显示，围封区的微生物群落组成发生了显著变化，稀有卫星微生物类群的相对丰度增加，而核心微生物类群的相对丰度则下降。这一现象表明，在相对稳定的环境条件下，微生物群落的组装模式发生了转变，核心微生物类群的主导地位被稀有类群所取代。

研究进一步发现，围封措施虽然降低了环境压力，但微生物群落的组装仍然主要由确定性过程主导。在叶面和枯落物微生境中，确定性过程的影响更为显著，而在土壤中则相对弱一些。这可能与叶面和枯落物的环境条件更为动态和变化有关，而土壤则相对稳定，微生物群落的组装受环境过滤和种间竞争的影响较小。此外，围封和盐碱化共同作用，提高了营养循环功能基因的丰度，例如与碳、氮、磷的水解、固定和矿化相关的基因。这种变化主要归因于围封措施减少了微生境的特异性，使得不同微生物类群能够在更广泛的环境中生存和繁衍。

在分析微生物群落的构建过程中，研究团队还探讨了核心微生物类群与卫星微生物类群之间的相互作用。结果显示，核心微生物类群与卫星微生物类群的组装模式相互影响，共同调控了微生物功能基因的分布。这种相互作用可能通过生态位竞争与平衡机制实现，即不同微生物类群在资源利用和环境适应上的差异，导致它们在群落中的分布发生变化。此外，研究还发现，不同微生境的微生物群落具有不同的功能潜力，例如土壤中的营养循环基因丰度最高，而叶面中的功能基因丰度最低。这种差异可能与土壤中丰富的有机质和养分有关，而叶面则由于暴露于大气环境，受到更多的物理和化学因素的影响。

研究团队还提出了几个关键假设，以指导实验设计和数据分析。首先，他们假设在围封条件下，某些微生物类群会因适应环境变化而被选择或排除，从而导致卫星微生物类群的相对丰度增加。其次，他们认为围封措施会降低环境压力，从而改变微生物群落的组装模式，使得确定性过程的比重减少，而随机性过程的比重增加。第三，他们假设不同微生境中的微生物功能潜力主要由核心微生物类群决定，因为核心微生物类群被认为在维持生态系统关键功能方面起着重要作用。这些假设基于生态学的基本原理，即微生物群落的组成和功能潜力在不同环境条件下会发生变化，而核心微生物类群则在生态系统中发挥稳定作用。

通过系统的实验和数据分析，研究团队发现，围封措施在不同微生境中对微生物群落的影响存在显著差异。在叶面和枯落物微生境中，围封措施显著提高了微生物功能基因的丰度，而在土壤中则未观察到类似的增加。这可能是因为围封措施减少了对土壤环境的干扰，使得土壤中的微生物能够更有效地利用养分和资源。此外，研究还发现，低盐度土壤中的功能基因丰度高于高盐度土壤，这表明盐度对微生物功能潜力的影响较大，而围封措施可能通过降低盐度来促进微生物功能的恢复。

在生态位竞争与平衡机制的作用下，不同微生物类群在群落中的分布发生了变化。核心微生物类群在围封条件下可能受到竞争压力的影响，导致其相对丰度下降，而卫星微生物类群则可能因适应环境变化而增加。这种变化可能与微生物的生存策略有关，即在不同的环境条件下，微生物会通过调整其生态位来适应新的环境条件。例如，核心微生物类群可能更倾向于占据稳定的生态位，而卫星微生物类群则可能更灵活地适应环境变化。

研究团队还通过分析不同微生境中的微生物群落组成，发现围封措施对微生物群落的影响存在显著的微生境差异。在叶面和枯落物微生境中，围封措施显著改变了微生物群落的组成，而在土壤中则未观察到类似的改变。这可能与土壤环境的稳定性有关，因为土壤中的微生物群落可能更容易受到环境压力的影响，而围封措施可能通过减少干扰来促进土壤微生物的恢复。此外，研究还发现，围封措施对营养循环功能基因的影响在叶面和枯落物微生境中更为显著，而在土壤中则相对弱一些。

通过整合微生物群落的组装理论和功能潜力分析，研究团队不仅揭示了微生物在草地恢复过程中的响应机制，还为制定基于微生物功能的草地恢复管理策略提供了科学依据。这些策略可以包括优化围封措施，以减少环境压力，促进微生物群落的恢复和功能潜力的提升。此外，还可以通过调控土壤盐度，提高营养循环功能基因的丰度，从而改善土壤质量和生态系统功能。研究结果表明，微生物在生态系统中的作用不仅限于其组成，还与它们的功能潜力密切相关，因此，理解微生物的功能潜力对于制定有效的生态恢复策略至关重要。

总的来说，本研究通过系统采样和分析，揭示了围封措施对草地生态系统中微生物群落及其功能基因的影响。研究发现，围封措施能够显著改变微生物群落的组成，使得核心微生物类群的相对丰度下降，而卫星微生物类群的相对丰度上升。这种变化可能与环境压力的降低和生态位的调整有关。此外，围封措施还能够提高营养循环功能基因的丰度，从而改善土壤质量和生态系统功能。研究还发现，核心微生物类群与卫星微生物类群之间的相互作用在微生物功能基因的分布中起着重要作用，这可能通过生态位竞争与平衡机制实现。

本研究的结果对于理解微生物在生态系统中的作用具有重要意义，同时也为制定基于微生物功能的草地恢复管理策略提供了理论支持。在实际应用中，可以通过优化围封措施和土壤管理，促进微生物群落的恢复和功能潜力的提升。此外，还可以通过监测微生物群落的组成和功能基因的变化，评估草地恢复的效果，并及时调整管理措施。这些发现不仅有助于改善草地生态系统的质量，还可能为其他退化生态系统的恢复提供借鉴。

此外，研究还强调了微生物在生态系统中的重要性，特别是在维持生态系统的能量流动和物质循环方面。微生物群落的组成和功能潜力在不同微生境中存在显著差异，这可能与微生境的理化性质和生物条件有关。因此，在制定生态恢复策略时，需要综合考虑不同微生境的微生物群落特征，以实现更全面的生态系统管理。研究还发现，核心微生物类群在维持生态系统关键功能方面起着重要作用，而卫星微生物类群则可能在环境变化下发挥不同的生态功能。

在实际应用中，可以通过加强土壤管理和植被恢复，提高微生物群落的多样性，从而增强生态系统的稳定性。此外，还可以通过减少人为干扰，为微生物提供更适宜的生存环境，促进它们的生长和繁殖。这些措施不仅可以改善土壤质量和生态系统功能，还可能提高微生物群落的适应能力，使其在环境变化下保持稳定。研究还发现，围封措施能够显著减少环境压力，从而促进微生物群落的恢复，提高其功能潜力。

通过本研究，团队希望为草地生态系统的恢复提供新的视角和方法，同时也为其他生态系统的研究提供参考。在未来的生态恢复工作中，需要更加关注微生物群落的组成和功能潜力的变化，以实现更有效的生态系统管理。此外，还可以通过进一步的研究，探索不同微生物类群在生态系统中的具体作用，以及它们如何通过生态位竞争与平衡机制影响生态系统的功能。这些研究不仅可以加深对微生物生态学的理解，还可能为生态恢复和环境保护提供新的思路和方法。