全球气候变化引起土壤温度、湿度、pH等土壤环境因素的变化,继而影响微生物的生长、活动和群落组成。气候条件是影响土壤微生物群落的因素之一,随着全球气候变化问题的突出,气候变化如何影响土壤微生物结构及其功能成为备受关注的科学问题。已有的对土壤环境微生物影响因素如气候等的研究大多是从不同地理环境中直接取样,在大空间尺度研究不同气候条件的影响时无法排除土壤性质的异质性。本研究所采用的不同气候带土壤的置换试验在保持土壤类型一致的条件下研究气候条件变化对土壤微生物、特别是与氮素循环相关的细菌群落结构及功能的短期与长期效应。　　 在气候条件变化的短期效应研究方面,在中国科学院生态系统研究网络(CERN)中,沿中国东部南北热量梯度带上选择3个生态试验站(中温带的海伦、暖温带的封丘、中亚热带的鹰潭)设置黑土、潮土和红壤(pH分别属于中性、碱性和酸性,为三个站的原分布地土壤)的相互置换试验,研究土壤置换到2-3年后土壤微生物、氨氧化细菌及固氮细菌群落结构及多样性变化特征。通过扩增16S:rDNA基因保守序列V3区、amoA及nifH,结合变性梯度凝胶电泳(DGGE)技术、随机片段长度多态性(RFLP)及建库测序的分子生物学方法分析了中国东部三种类型的农田土壤短期(2-3年)置换到不同水热条件时土壤微生物的群落结构特征。发现:①三种土壤的微生物种类均比较丰富,红壤的微生物种类最多;不同气候条件下土壤微生物的差异主要由土壤类型决定,相同类型土壤微生物群落结构相似性较高,在40.4-80.0%之间;水热条件的短期(2年)改变使土壤中微生物结构也发生了部分改变,黑土和红壤在水热条件更为丰富的暖温带和中亚热带时,微生物的种类较为丰富。②氨氧化细菌(Ammonia-oxidizingbacteria,AOB)种群主要属于亚硝化螺菌属(Nitrosospira)和亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas),其中Nitrosospira属占绝大多数,潮土中存在Nitrosomonas属,黑土在被置换到封丘后也出现了Nitrosomonas属;红壤中AOB的多样性指数最高,黑土其次,潮土最低;黑土和潮土中AOB群落多样性随着水热条件的丰富而增高,但是这种变化较小,推测可能原因是水热条件的短期改变(2年)对土壤中的AOB群落多样性的改变不明显。③对黑土和潮土在3个不同气候带下固氮微生物群落结构的DGGE分析表明,不同气候条件下同种类型土壤固氮微生物群落较为相似,短期(3年)气候条件变化下土壤类型是决定固氮微生物群落结构的主要影响因子,其中土壤碱解氮含量是影响固氮微生物群落的主要因素。综上,对短期置换试验的土样中微生物分析表明,不同类型土壤置换到不同气候带后,短期(2-3年)内气候条件变化对土壤中的微生物群落结构影响并不明显,土壤性质仍然是决定微生物群落结构的主导因素。但微生物种群多样性及微生物数量有随水热条件丰富而增加的趋势,对氨氧化细菌群落研究也表明当黑土置换到封丘时,衍生出当地独有的氨氧化细菌种类。　　 土壤微生物对外界干扰具有一定的抗性和恢复性,短期内土壤微生物可能不会对气候变化产生较大的响应,但是气候变化可以通过改变土壤环境因素的变化直接或间接地影响微生物的生长繁衍,长期的气候变化是否会对土壤微生物群落结构有较大的影响?　　 在气候条件变化的长期效应研究方面,利用1988年分别在中国科学院封丘(暖温带)和鹰潭(中亚热带)农业生态试验站布置的紫色土(原分布地为安徽休宁,pH为中性)和红壤(原分布地为鹰潭,pH为酸性)的置换实验,研究2种土壤在2种气候条件下置换20年后土壤微生物活性及微生物群落结构的变化。通过Biolog微平板分析及16SrDNAV3区的DGGE分析均表明:①土壤置换到不同气候条件下20年后显著改变了土壤微生物活性及多样性,聚类分析发现相同气候带下不同土壤的微生物活性、功能多样性及遗传多样性相似性较高,气候条件是主要的影响因素;处于中亚热带气候条件下土壤微生物功能多样性、均匀度以及条带数、群落多样性和优势度均显著高于暖温带气候条件下的土壤,表明温度的增加和丰富的降雨可能有助于微生物功能多样性和遗传多样性的提高。典范对应分析(Canonicalcorrespondenceanalysis,CCA)表明年均温对土壤细菌群落结构组成产生了显著影响(p=0.002)。②采用土壤化学培养法、DGGE、RFLP及克隆测序的方法研究长期气候条件变化对红壤和紫色土反硝化活性及菌群结构的影响,结果发现气候条件的变化可能直接影响了土壤反硝化细菌群落结构或者通过改变紫色土和红壤的一些基本理化性质(特别是pH)影响了土壤反硝化细菌群落结构的演变,进而影响了土壤反硝化潜势。对反硝化细菌的两种亚硝酸还原酶基因多态性的研究均表明相同气候带下土壤反硝化细菌群落相似性较高,其中nirS基因在70.6%以上;且暖温带气候条件下2种土壤相似性较中亚热带高。③对含nirS;基因的反硝化菌群来说,中亚热带气候条件下反硝化细菌(nirS)多样性指数、优势度及物种丰富度显著高于暖温带气候条件下,表明较高的气温和降雨量有利于土壤反硝化细菌多样性和丰富度的增加。对含nirK基因的反硝化菌群来说,紫色土和红壤不同。紫色土在中亚热带条件下反硝化细菌无论物种丰富度、多样性还是均匀度都较暖温带下高,从暖温带到中亚热带紫色土pH降低幅度较红壤小,表明土壤pH的变化不是紫色土反硝化菌群演变的主要因素,温度的升高及降雨量的增加等中亚热带气候条件才是引起紫色土反硝化细菌(nirk)多样性及丰富度的增加的主因;而红壤中反硝化细菌群落的物种丰富度及多样性在暖温带条件下较中亚热带增加,均匀度有所减少,这主要是由于酸性红壤受暖温带气候以及雨水偏碱性的长期影响,土壤pH显著高于中亚热带,促进了反硝化微生物的活动,表明水热条件通过改变土壤pH间接影响红壤的反硝化菌落结构。从CCA分析可以得出各个环境变量的重要性,对nirS菌落影响显著的因子为年均降雨量(p=0.002)、土壤NH4-N(p=0.01)、土壤C/N(p=0.002)以及年均温(p=0.002);影响nirK菌落的因子分别是年均降雨量、pH、年均温以及土壤有机碳,但均未达到显著水平。较高的水分和热量条件有利于土壤反硝化势的增加。反硝化势与年均温、年降雨量、含水量呈正相关关系,相关系数分别为0.782、0.370、0.912,与pH呈负相关,相关系数为-0.854。相同气候带下,不同类型土壤反硝化势也有差异,大小顺序为红壤＞紫色土＞潮土,其中在中亚热带条件下差异显著。说明中亚热带气候条件下较高的温度和降水促进了土壤微生物群落的代谢演替,加快各土壤差异的增大。