气候与微生物群落组成共同驱动山地生态系统功能沿海拔梯度的变化机制

本研究发现气候（MAT/MAP）和土壤pH是生态系统功能（NPP、SOC、OMD等）的关键预测因子，微生物群落组成（而非物种丰富度）对土壤多功能性（SMF）具有显著影响。研究通过三个平行海拔梯度（>2000米）的综合调查，揭示了环境因子与生物因子的交互作用，为山地生物地理学及生物多样性-生态系统功能（BEF）关系提供了新的多维证据。

　　

引言

山地生态系统以其显著的海拔梯度变化而成为研究环境因子、生物多样性和生态系统功能关系的天然实验室。尽管这些梯度紧密相连，但环境和生物因子对生态系统功能海拔变化的相对贡献尚不明确。本研究在中国横断山脉地区的三个山脉（哈巴、白马和梅里）开展了全面调查，量化了生态系统功能的关键指标，以及植物和土壤微生物的群落组成和物种丰富度。

材料与方法

研究区域位于横断山脉地区（22–32°N, 98–104°E），属于亚热带季风气候区，受印度洋西南季风强烈影响。该区域是中国生物多样性热点地区之一，拥有全国三分之一的高等植物物种。研究在三个山脉的东向坡面上建立了93个研究样地（31个海拔×3个重复样地），覆盖了从灌木丛（SL）到混交林（MCBF）再到针叶林（CF）的植被类型变化。在每个样地中，记录了植物物种，并采集了土壤样品用于理化性质、酶活性和DNA分析。

研究结果

物种丰富度和生态系统功能的单峰或单调海拔梯度

植物和细菌的丰富度在所有三个山脉均呈现显著的海拔梯度模式，包括单峰（驼峰形或U形）和单调（线性）模式。细菌群落组成随海拔变化显著，且与海拔距离呈显著的距离-衰减关系。五个关键生态系统功能指标（NPP、SOC、OMD、MAN和MIN）也显示出显著的海拔梯度变化，但其模式在三个山脉间存在差异。

环境因子介导的负物种丰富度-生态系统功能关系

出乎意料的是，植物和细菌丰富度与生态系统功能指标呈负相关或无关，而与细菌群落组成则显著相关。环境因子（MAT、MAP、土壤湿度和pH）与生物多样性和生态系统功能显著相关，其中pH和MAT在介导这些关系中起主要作用。偏相关分析显示，去除环境因子的影响后，生物多样性与生态系统功能之间的相关性显著减弱。

气候和微生物群落组成驱动生态系统功能的海拔变化

线性混合效应模型和结构方程模型表明，环境因子（尤其是气候和pH）解释了生态系统功能变异的大部分。细菌群落组成对土壤相关功能（如SOC、OMD、MAN和MIN）的影响大于植物和细菌丰富度。随机森林分析进一步确定了核心细菌类群（如酸杆菌门OTU3、OTU14和OTU24906）对土壤多功能性（SMF）的显著贡献。

讨论

本研究揭示了山地生态系统中气候和微生物群落组成对生态系统功能的主导作用，而物种丰富度本身的作用不明显。这一发现与以往在低地生态系统中的研究结果不同，强调了山地生态系统的特殊性。环境因子（如气候和pH）通过直接和间接途径影响生态系统功能，而微生物群落组成则通过特定功能类群（如光养、甲基营养和烃降解功能）调节多功能性。

研究的局限性包括未涵盖真菌和其他土壤生物群、植物相关功能指标不足以及单时间点采样的季节性影响。未来研究应纳入多营养级群和多时间点采样，以更全面理解山地生态系统的BEF关系。

结论

本研究通过多山脉、多尺度的综合调查，阐明了气候和微生物群落组成对生态系统功能海拔变化的主导作用，丰富了山地生物地理学和BEF关系的理论框架，为全球变化背景下的山地生态系统保护提供了科学依据。