土地利用变化后湿地形成与演替过程中丰富型与稀有型微生物群落的生态格局差异

《Environmental Research》：Different ecological patterns of abundant and rare microbial communities across wetlands formation and succession after land-use change

　　**摘要**• 稀有微生物在湿地演替过程中表现出更高的多样性和稳定性。• 优势微生物具有更广泛的生态位和更强的环境适应性。• 物种替代主导了稀有子群落的群落差异。• 优势类群在微生物网络中占据更核心的位置。• 修复湿地的潜在微生物多功能性较低。**引言**土壤微生物通过介导关键生态过程（包括气候调节、养分循环和污染物降解）在陆地生态系统中发挥着重要作用（Delgado-Baquerizo 等人，2016；Hartmann 和 Six，2023）。微生物群落通常呈现出偏斜的丰度分布，由一小部分高丰度类群（称为优势子群落）和大量低丰度类群（称为稀有子群落）组成（Jia 等人，2018）。优势子群落和稀有子群落在生态策略和功能贡献方面存在显著差异。优势子群落通常具有更广泛的生态位和更强的资源获取竞争优势，从而通过生物相互作用在生态系统功能中发挥重要作用（X. Liu 等人，2022）。相比之下，稀有子群落对于维持微生物多样性至关重要，并可能作为微生物功能过程的潜在储库或驱动力（Jousset 等人，2017）。因此，全面理解土壤微生物群落动态需要对优势子群落和稀有子群落进行分别评估。已有若干研究在广域空间尺度上探讨了优势微生物子群落和稀有微生物子群落在水生和陆地生态系统中的生物地理分布，包括海洋（Galand 等人，2009）、河流（Zhang 等人，2022）、湖泊（Logares 等人，2013）、农田（Jiao 和 Lu，2020）和草地（Zhu 等人，2024）。然而，优势子群落和稀有子群落是否表现出相似的空间和时间模式仍未有定论。一些研究报告了荒漠修复栖息地和河网中优势类群与稀有类群的分布模式相似（Hou 等人，2025；Zhang 等人，2022）。相反，关于人工生物反应器的研究揭示了优势子群落和稀有子群落之间存在不同的分布模式（Kim 等人，2013）。此外，即使优势子群落和稀有子群落表现出相似生物地理模式，驱动其群落结构的环境因子也可能不同（Hou 等人，2025）。优势子群落和稀有子群落在对环境扰动的响应方面也存在差异（Shu 等人，2018；Wang 等人，2023）。例如，在黄河三角洲森林修复过程中，稀有类群表现出更广泛的环境适应性（He 等人，2022），而优势类群在农业土壤中表现出对植物入侵或石油污染扰动的更强抵抗力（Jiao 等人，2019）。这些差异可能源于栖息地类型、环境梯度和干扰制度的不同，突显了在特定生态系统中探讨优势和稀有类群如何响应生态变化的必要性。因此，明确优势子群落和稀有子群落的生态动态对于生态系统保护和管理尤为重要。土地利用变化被认为是影响土壤微生物群落结构的主要因素（Dong 等人，2023）。此类变化可直接改变栖息地条件和土壤理化性质，从而影响土壤微生物群落，包括其组成、多样性和种间相互作用（Cornell 等人，2023；Fierer，2017）。湿地，常被称为"地球之肾"，提供了一系列重要的生态功能，包括通过碳储存实现水质净化、生物多样性保护和气候调节（Temmink 等人，2022）。然而，广泛的土地利用变化导致全球湿地急剧减少，并引发了一系列生态后果（Fluet-Chouinard 等人，2023）。因此，湿地修复已被广泛实施（Ge 等人，2023；Wang 等人，2021），并被认为是实现联合国可持续发展目标 6.6 和 15.1 的关键途径（Yang 等人，2024）。新出现的证据表明，湿地修复与土壤微生物群落密切相关（Calderón 等人，2017），微生物调控可能是栖息地修复的有效方法（Coban 等人，2022）。尽管已有若干研究探讨了湿地修复过程中微生物群落的变化，但这些研究主要关注整体群落的变化（Hu 等人，2024；Shi 等人，2026），而优势子群落和稀有子群落的具体作用和生态模式尚待深入探索。此外，大多数关于优势微生物子群落和稀有微生物子群落的研究是在相对稳定的生态系统中进行的，如湖泊和农业土壤（Jiao 和 Lu，2020；Wan 等人，2021），而对正在经历演替变化的生态系统关注有限，在这些生态系统中，这些子群落的组建和功能动态可能存在根本差异。在高地下水位矿区，广泛的地下煤炭开采与自然蓄水相结合，使农田转变为湿地，导致水淹景观持续扩展（Yang 等人，2021）。这些新形成的湿地具有清晰记录的背景和形成时间线，为研究湿地形成和演替过程中的微生物群落变化提供了一个独特的"天然实验室"。通过结合群落生态学、网络分析和功能预测，本研究为生态系统演替和人为干扰下微生物优势子群落和稀有子群落的互补作用提供了新的视角。基于上述背景，我们选择了不同年龄的新形成湿地和一个人工管理湿地，以回答两个关键问题：（1）在湿地形成、演替和管理过程中，微生物优势子群落和稀有子群落在组成、多样性、稳定性、环境响应性和共存网络特征方面是否表现出不同的生态模式；（2）这些子群落如何差异化地贡献于潜在微生物多功能性，以及它们的群落属性在调解多样性—功能关系中发挥什么作用？**章节摘要****实验区域与采样**研究区域位于中国山东省济宁市，包括三个自然演替湿地和一个人工管理湿地。该地区属于温带季风气候，特点是雨热同期，年均降水量为 777.1 毫米，年均温度为 14.1 °C。三个自然演替湿地分别形成于 1 年、6 年和 15 年。人工管理湿地为湖泊湿地。**湿地演替过程中优势子群落和稀有子群落的群落特征**在所有样本中，获得了 6789 个细菌和 1972 个真菌 ASVs。在分类多样性水平上，4213 个细菌 ASVs（62.06%）和 1078 个真菌 ASVs（54.76%）被鉴定为稀有 ASVs，而仅有 102 个细菌 ASVs（1.50%）和 150 个真菌 ASVs（7.61%）被鉴定为优势 ASVs。在总序列丰度水平上，所有采样点优势细菌子群落和稀有细菌子群落的相对丰度范围为 12.49%–29.04% 和 18.94%–29.48%。**优势子群落和稀有子群落的微生物群落动态**在湿地形成和演替过程中，优势子群落对环境变化表现出比稀有子群落更强的结构响应（图 S7）。这种模式与先前的研究报告稀有子群落在植被演替和大气变化下相对稳定的结论一致（Li 等人，2023, 2024）。在本研究中，优势子群落更高的 AVD 值进一步支持了稀有子群落具有更高稳定性的结论（图 4a, b）。**结论**本研究揭示了对煤炭开采沉降区新形成湿地在形成和演替过程中优势微生物子群落和稀有微生物子群落的显著不同生态模式。稀有子群落表现出显著更高的 α 多样性和 β 多样性，并显示出更强的结构稳定性，而优势子群落表现出更强的环境适应性，这反映在更广泛的生态位宽度上。群落稳定性仅与稀有细菌显著相关。**CRediT 作者贡献声明****许建航：** 撰写—审阅与编辑。**刘建：** 撰写—审阅与编辑，验证，监督，资金获取，构思。**王一婧：** 撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，方法学，调查，数据管理，构思。**赵永康：** 撰写—审阅与编辑，调查，数据管理。**李昌超：** 撰写—审阅与编辑，方法学。**王艳：** 撰写—审阅与编辑，调查。**阎淑婉：** 撰写—审阅与编辑。**未引用参考文献**Liu 等人，2022。**利益冲突声明**作者声明，他们不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。**致谢**本研究得到了国家自然科学基金（编号 42577009，编号 32071523）的支持。我们衷心感谢生命与环境研究公共技术平台为本研究提供仪器和技术支持。我们感谢山东大学微生物技术国家重点实验室的董南南和张承嘉协助完成实验。**作者列表**王一婧 | 赵永康 | 李昌超 | 王艳 | 阎淑婉 | 许建航 | 刘建