腾格里沙漠53年恢复过程中丰度与稀有土壤细菌的群落构建分异及其对生态系统多功能性的差异化贡献

本研究针对干旱区生态系统恢复中土壤微生物群落构建机制及其功能贡献的认知空白，通过分析腾格里沙漠53年草方格恢复序列，揭示了丰度与稀有细菌亚群在群落构建过程和生态系统多功能性维持中的差异化作用：丰度类群由随机过程主导，通过协同环境响应和种间关联同时驱动多功能性；稀有类群则由确定性过程主导，独立贡献特定功能。该研究为干旱区生态恢复提供了重要的微生物学视角和实践指导。

　　

全球干旱区养育着超过38%的人口，却因气候变化和人类活动导致的荒漠化而日益脆弱，严重威胁生态安全和可持续发展。为应对这一挑战，中国通过"三北防护林"和"退耕还林"等大型生态工程开展了大规模恢复工作，其中草方格沙障（straw checkerboard barriers, SCBs）因其成本效益高和固沙效果显著，成为广泛应用的恢复技术。尽管这些努力显著提升了植被覆盖和土壤质量，但土壤微生物群落——这一驱动生态系统恢复的关键生物组分——其演替动态及功能贡献机制，特别是丰度与稀有类群的差异化作用，仍存在认知空白。

土壤微生物参与生物地球化学循环，是维持生态系统多功能性（ecosystem multifunctionality, EMF）的核心驱动力。自然生态系统中，微生物群落通常由少量丰度类群和大量稀有类群组成，二者在空间分布和功能特征上存在显著差异：丰度类群生态位宽、代谢多样，驱动关键元素循环；稀有类群虽相对丰度低，但遗传多样性高，可能通过功能冗余和互补效应增强生态系统韧性。然而，在长期恢复过程中，这两类群落的构建过程如何变化？它们又如何差异化地贡献于多功能性？这些问题在荒漠生态系统中尤为缺乏研究。

为回答这些问题，兰州大学邓建明教授团队在《Communications Biology》发表研究论文，通过对腾格里沙漠南缘53年草方格恢复序列的土壤细菌群落进行分析，揭示了丰度与稀有类群在构建过程和功能贡献上的分异机制。

研究人员主要采用了以下关键技术方法：基于16S rRNA基因扩增子测序技术解析细菌群落结构；利用多变量截断水平分析（MultiCoLA）定义丰度、中间和稀有类群；通过零模型量化群落构建过程；结合共现网络分析揭示种间关联；并测定17项涉及生产力、分解率和土壤养分库的生态系统功能指标来评估多功能性。

结果1：土壤细菌亚群落多样性和组成的时间动态

研究共识别25,077个扩增子序列变异（ASVs），其中丰度类群（相对丰度>0.028%）仅占ASV总数的2.40%，却贡献了55.54%的总序列；稀有类群（相对丰度<0.002%）占ASV总数的79.63%，但相对丰度仅占10.87%。随着恢复时间增加，丰度和中间类群丰富度在约15年后达到渐近稳定，而稀有类群丰富度持续线性增加。非度量多维尺度分析（NMDS）和相似性分析（ANOSIM）表明，三者群落结构随恢复年限出现显著分异，且物种更替（turnover）是β多样性的主要贡献成分。

结果2：土壤细菌亚群落的群落构建过程与共现网络

零模型分析揭示，丰度类群构建主要受随机过程（69.3%）主导，尤其是扩散限制（45.19%）；而稀有类群则主要由确定性过程（73.53%）主导，其中同质化选择（homogeneous selection）占54.14%。中间类群同样以确定性过程为主（70.37%）。共现网络分析显示，丰度类群节点具有更高的度（degree）、接近中心性（closeness centrality）和介数中心性（betweenness centrality），在网络中扮演模块枢纽角色；而稀有类群更多作为连接器（connectors），桥接不同模块。

结果3：土壤细菌亚群落与生态系统多功能性的关系

丰度和中间类群丰富度与多功能性呈显著正相关，而稀有类群无显著相关。结构方程模型（SEM）进一步表明，恢复年限通过增加植物盖度和降低土壤pH，间接促进了细菌（尤其是丰度和中间类群）丰富度，从而增强多功能性。在ASV水平上，丰度类群更可能同时关联多个功能，而稀有类群多独立关联特定功能。此外，丰度类群中高度连接的ASVs与多功能性关联更强，稀有类群中低度连接者则表现相反模式。

研究

研究结论强调，草方格恢复显著提升了细菌多样性，但丰度与稀有类群呈现出不同的构建机制和功能贡献模式：随机过程主导的丰度类群通过协同环境响应和潜在种间连接同时驱动多功能性；而同质化选择主导的稀有类群则独立贡献特定功能。这一双重机制深化了我们对微生物群落与多功能性关系的理解，为干旱区恢复策略提供了重要启示——在提升植被覆盖的同时，需关注土壤理化性质（如pH）的调控以满足稀有类群的生态位需求，从而增强功能冗余和生态系统稳定性。此外，研究识别的关键ASVs可作为生物指示剂，用于监测恢复进程或通过微生物接种技术引入人工环境，以加速退化生态系统的恢复。