当雄海拔梯度上高寒草甸土壤微生物群落对气候变化的响应机制研究

The area of alpine meadows is about 50% of all available pasture on the Tibetan Plateau. Recent global warming has lead to massive loss of the ecological service function of alpine meadows. The sensitivity of alpine meadow ecosystem to climate change makes it to become an ideally natural experimental field for understanding the response of grassland ecosystem to climate change. Soil microbes play important roles in global carbon and nitrogen cycles. Therefore, understanding how the soil microbial community response to climate change is crucial to predict future climate change. We will select the alpine meadow soils along an altitudinal gradient in Dumxung as our research subject to investigate the response of soil microbial community to temperature and precipitation systematically, combining the long-term observation, two-way transplanting experiment and plants-out experiment, with the combination of molecular ecological and soil physiochemical analysis. Furthermore, we are going to investigate the effect of climate change on microbial community structure and functions and to assess the response pattern of microbe-mediated nitrogen cycle to climate change. Consequently, we are going to illustrate the mechanisms how soil microbes response and feedback to climate change. Finally, all findings of the experiments will also provide empirical data and theoretical basis for the management and protection of alpine grasslands.

青藏高原高寒草甸面积占青藏高原可利用草场的50%。最近的气候变暖，已经造成高寒草甸生态服务价值大量降低。高寒草甸生态系统对气候变化敏感，使得其成为理解和认识草地生态系统对全球气候变化响应的天然实验场。土壤微生物在全球碳、氮循环中起着非常重要的作用，因此，认识土壤微生物群落如何响应气候变化是预测未来气候变化趋势的关键。本项目拟选择当雄海拔梯度上的高寒草甸生态系统的土壤为研究对象，将微生物学与土壤学研究方法相结合，利用时空转换和人工模拟试验（海拔梯度长期观测、双向移栽降水补偿试验和植物剔除试验），系统地研究土壤微生物对温度和降水的响应；深入探讨气候变化对微生物群落结构和功能的影响，查明土壤微生物介导的氮循环过程对气候变化的响应规律，阐明气候变化过程中土壤微生物对气候变化的响应和反馈机制；为青藏高原高寒草地资源管理与保护提供数据基础和理论依据。

项目执行期间进行了四个方面内容的研究，包括：沿当雄海拔梯度温度对沼泽草甸土壤微生物群落组成、结构和功能的影响；高寒沼泽草甸土壤难易降解有机质响应温度变化的敏感性研究；当雄海拔梯度上高寒草甸的土壤微生物群落分布特征；高寒草甸双向移植实验土壤微生物群落对温度和降水的响应。.研究发现随海拔升高，沼泽草甸土壤微生物群落组成无显著变化，而功能基因丰富度显著降低，微生物群落组成主要受土壤有机质含量的直接影响，而功能基因受温度影响，表明土壤微生物群落功能比物种多样性对温度变化更敏感。通过综合分析沼泽草甸土壤微生物在有机质降解方面的特征功能基因和土壤难易降解有机质组分的分子指纹，发现易降解有机质比难降解有机质对温度变化更敏感。高寒草甸土壤微生物群落沿海拔梯度呈4300-4700 m和4800-5200 m两带分布格局，随海拔升高微生物群落物种丰度先升高后降低，4800 m左右为微生物群落多样性与组成的转折点，微生物群落空间分布异质性减弱，群落斑块尺度阈值由~ 1 km向无明显斑块转变，生态网络的复杂性及传递性降低，网络中关键OTUs的分类地位由Actinobacteria及Acidobateria向Alphaproteobacteria及Acidobacteria转变；上述微生物空间异质性特征是由于低海拔微生物分布受土壤可溶性有机碳与总有机碳之比及土壤含水量等环境因素的主要影响、决定性过程的主导而高海拔微生物分布受土壤可溶性有机氮含量与气温的主要影响、受决定性过程和随机过程共同影响所导致。海拔梯度双向移植实验表明，增温与降温对微生物影响呈现非对称性和非线性特征。以上结果解释了温度和降水对土壤微生物群落组成和功能的影响，初步阐明了高寒草地土壤微生物群落的分布格局，明确了环境因素影响土壤微生物群落组成和功能的差异，揭示了难易降解有机质对温度响应敏感性的微生物学机制