文章标题：Soil microbial diversity and network complexity drive the ecosystem multifunctionality of temperate grasslands under changing precipitation

第一作者：Changchun Zhai（河北大学）

刊物：Science of the Total Environment

时间：2024

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2023.167217

土壤微生物群在调节生态系统多功能性中起着至关重要的作用。然而，在气候变化条件下，土壤原生生物和微生物群的相互作用是否以及如何影响生态系统的多功能性尚不清楚。多功能性是一个综合生态学概念，通常用于评估生态系统同时提供多种功能的能力，特别是在全球变化情景下。已经充分证明，生态系统功能与物种多样性呈正相关，这可能归因于生态位互补、积极的相互作用和致病物种的减少。不同的微生物群体通过捕食、共生和竞争高度相互联系，这可以通过共现网络分析来探索。网络属性，如边、节点和平均度，是评估微生物群体之间相互作用和网络复杂性的常用指标，已被用于模拟微生物网络及其对气候变化的响应。例如，气候变暖可以增强微生物网络的复杂性，并可能影响生态系统的功能和服务。降水还可以通过改变AMF群之间的相互作用，对丛枝菌根真菌(AMF)群落的网络复杂性产生强烈影响。然而，土壤微生物群网络复杂性如何响应气候变化并随后影响与生物多样性相关的生态系统多功能性仍不清楚。

然而，大多数先前的研究工作集中在细菌和真菌上，很大程度上忽视了原生生物。异养原生生物作为捕食者，在控制细菌和真菌种群和养分循环方面发挥着重要作用，并对生态系统的多功能性产生影响。为了更好地理解未来生态系统的多功能性，需要对细菌、真菌、原生生物及其可能的相互作用进行综合评估。

研究方法    

研究从蒙古高原的三个典型温带草原(即沙漠草原、典型草原和草甸草原)沿降水梯度移植了54块土壤，并研究了它们对夜间变暖、降水减少和增加的响应。为了评价生态系统多功能对气候变暖和降水变化的响应，基于实测参数对土壤养分循环、养分吸收和植被生产力等功能进行了评价。例如，土壤全碳氮比、氮酶活性和AOB amoA基因丰度为元素循环甚至土壤健康提供了信息。寄主植物对凋落物分解养分的吸收以AMF和腐养真菌的相对丰度为特征，植被生产力以地上生物量为特征。采用平均方法评估生态系统的多功能性，通过量化多种生态系统功能的平均水平(表S4)。采用Z-score转换对代表生态系统多功能性的各指标进行标准化，得到平均生态系统多功能性。

图1所示。6个处理下3个草原土壤细菌(a)、真菌(b)和原生生物(c) α-多样性(平均值±1SE, n = 3)。图a、b和c中的插图分别代表了NW、DP和IP处理下土壤微生物α-多样性的变化情况。

图2所示。三片草原微生物β-多样性的非度量多维尺度(NMDS)图。草地类型(G)、夜间增温(NW)和降水变化(P)对土壤细菌(a)、真菌(b)和原生生物(c) β多样性的影响

图3所示。3个草原微生物共生网络(a-c)及其拓扑指数(d-e)在降水控制、减少和增加下的变化。节点大小与微生物类群的程度成正比

图4所示。三片草原生态系统多功能性与微生物多样性和网络复杂性的关系EMF (a)及其与微生物多样性的相关性(b)。每个数据点代表每个样本的标准化值。NW和DP对EMF的影响(c)。EMF与网络复杂性的相关性(d)和网络复杂性的影响因素(e)。细菌-真菌相互作用与土壤湿度、pH和原生生物节点的关系(f)。图d和图f中的每个数据点表示在三个草原的三个降水水平下的标准化值。

研究结果

1）夜间变暖仅使原生物多样性增加了15.61倍(绝对变化，系统发育多样性)，但对生态系统的多功能性没有影响。

（2）降水减少使细菌(8.78)和真菌(22.28)多样性降低，但使土壤微生物组网络复杂性显著提高1.40。在降水减少的情况下，生态系统的多功能性降低了0.23，这主要是由于土壤水分减少对细菌和真菌群落产生了负面影响。相比之下，降水增加对土壤微生物群落的影响不大。

（3）总体而言，细菌和真菌的多样性和网络复杂性在维持生态系统应对干旱胁迫的多功能性方面发挥了重要作用。原生生物通过间接影响微生物网络的复杂性来改变生态系统的多功能性。

（4）评估生态系统多功能性响应时，不仅要考虑微生物多样性，还要考虑它们之间的相互作用(由土壤原生生物调节)，这对预测未来气候变化情景下生态系统功能的变化具有重要意义。