青藏高寒草甸不同海拔土壤微生物群落网络复杂性预测生态系统多功能性

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土壤微生物群落与生态系统功能的关系是当前生态学研究的关注重点。现有研究通常强调微生物的物种多样性或组分差异的重要作用,但涉及土壤微生物群落共现网络结构的变化及其对生态系统多功能性的影响尚属研究空白。本研究以青藏高原不同海拔高度的高寒草甸土壤微生物为研究对象,沿海拔梯度在西藏米拉山西坡设置固定样地,通过野外调查和室内分析,评估不同海拔高度高寒草甸土壤微生物群落(真菌群落和细菌群落)与生态系统多功能性的关系。研究结果表明:(1)随海拔升高,土壤养分(土壤有机碳、全氮、氨态氮、硝态氮、总磷、速效磷)及与土壤C、N、P循环相关的胞外酶含量等生态功能显著减弱,温室气体排放的减少和病原体抵抗能力等功能显著增加(P<0.05)。通过平均多功能性指数、主成分多功能指数和多阈值多功能指数等方法评估得到的生态系统多功能性均随海拔升高显著降低(P<0.05)。海拔变化显著影响土壤环境因子:随海拔升高,土壤水分显著增加(P<0.05),土壤p H从碱性至酸性变化;土壤Al3+离子含量显著增加,而Ca2+离子含量显著减少;土壤黏粒含量显著减少(P<0.05)。(2)细菌和真菌群落多样性、组成及共现网络结构均具有海拔分布格局。随着海拔升高,细菌和真菌群落的物种多样性、Shannon指数和Chao 1指数显著降低(P<0.05)。细菌群落中的酸杆菌门与绿弯菌门含量显著增加;变形菌门、放线菌门、拟杆菌门和厚壁菌门含量显著减少;而芽单胞菌门、己科河菌门和疣微菌门含量呈现先增后减的趋势。真菌群落中的担子菌门含量显著增加;子囊菌门和被孢霉门含量显著减少(P<0.05)。细菌和真菌群落共现网络均具有无标度、小世界和模块化的特征,网络中以正相关为主。细菌和真菌共现网络复杂性(节点数目、边连接数、平均节点邻域、边密度)随海拔升高而降低(P<0.05)。此外,细菌和真菌群落的物种多样性、Shannon指数和Chao 1指数与对应群落共现网络复杂性显著正相关(P<0.05)。(3)细菌和真菌多样性与生态系统多功能性存在显著正相关关系(P<0.05),通过偏回归分析排除环境因子后,上述关系无法维持(P>0.05)。细菌和真菌网络复杂性与生态系统多功能性存在显著正相关关系,且排除环境因子后两者关系依然维持(P<0.05)。方差分解分析(VPA)模型及随机森林(RF)模型表明微生物网络复杂性与生态系统多功能性的关联更加紧密。多元回归模型(MRM)表明当同时考虑细菌和真菌网络复杂性,网络复杂性对生态系统多功能性的解释度更高。结构方程模型(SEM)模型表明细菌网络复杂性和真菌网络复杂性可共同促进生态系统多功能性,在考虑气候因子、土壤因子和微生物多样性对生态系统多功能性的影响后,土壤细菌和真菌网络复杂性的促进作用依然存在。细菌群落和真菌群落的多样性对生态系统多功能性的影响是由相应群落网络复杂性间接驱动网络复杂性正向驱动生态系统多功能性。综上所述,网络复杂性正向驱动生态系统多功能性,当同时考虑细菌和真菌网络复杂性时,网络复杂性可更好预测生态系统多功能性。细菌和真菌多样性对生态系统多功能性的驱动作用主要通过相应群落网络复杂性间接实现。因此,微生物网络复杂性能够在生物多样性与生态系统功能关系中起关键驱动作用,该指标的运用有助于全面理解自然环境中土壤微生物群落如何维持生态系统功能。
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