青海湖流域“水-陆”环境微生物系统对草地退化的响应及机制

Qinghai Lake Watershed is facing serious grassland degradation, which impact the biogeochemical processes and the stability of both terrestrial and aquatic ecosystems, threatening the ecological security of Qinghai Lake. In the process of grassland degradation, the quality and structure of soil nutrients and microbes are changed, affecting the input of terrigenous nutrients to stream. As a result, the nutrients and microbes in stream are changed. The aquatic-terrestrial microbial systems play dominant roles in watershed biogeochemical processes. The interactions between organisms and environment control ecosystem structures and functions based on certain stoichiometric relationships. Therefore, by means of the theory and methods of Ecological Stoichiometry, this research will study the changes of microbial structure, microbial stoichiometry, and nutrients stoichiometry in stream and soil under grassland degradation. Furthermore, based on the nutrients stoichiometric characteristics, we will explore the coupling relationships between terrestrial and aquatic microbial system in terms of structure, function, and stoichiometry. The results will provide insights into biogeochemical processes and grassland degradation influences in Qinghai Lake Watershed, advance the understanding of “terrestrial-aquatic” linkages, and contribute to the protection and management of the fragile ecosystems of Qinghai Lake Watershed.

青海湖流域草地严重退化，影响流域生物地球化学过程和陆地与水域生态系统稳定，危害青海湖生态安全。草地退化过程中，土壤系统的营养物质和微生物数量、结构均发生改变，影响陆源营养向溪流的输入，进而对溪流营养物质和微生物产生影响。“水-陆”微生物是营养物质在流域中迁移和转化的重要参与者，维护着流域生物地球化学循环的稳定，而且生物和环境之间通过化学计量关系控制着生态系统的结构和功能。因此，本研究拟通过生态化学计量学的原理和方法，研究草地退化过程中溪流和土壤系统中碳、氮和磷等元素的化学计量特征以及微生物的组成及其化学计量特征的变化。在此基础上，以碳氮磷元素的化学计量比为纽带，探究“水-陆”环境微生物在结构、功能和化学计量方面的耦合关系。结果有助于深刻理解草地退化对流域水生态系统的影响和流域生物地球化学循环过程，丰富“水-陆”联系的理论认知，并为青海湖流域脆弱生态系统的保护与管理提供科学依据。

青海湖流域草地严重退化，影响流域生物地球化学过程和陆地与水域生态系统稳定，危害青海湖生态安全。本研究在青海湖最大支流布哈河流域设置研究样地，研究草地退化过程中溪流和土壤系统中碳、氮和磷等元素的化学计量特征以及微生物组成及其化学计量特征的变化，探究“水-陆”环境微生物在结构、功能和化学计量方面的耦合关系，以阐明草地退化对青海湖流域“水-陆”环境微生物系统的影响及机制。结果显示：（1）随地退化的加剧，土壤中C、N 含量和C:P、N:P降低，而P含量没有显著变化,且其主要受植被盖度和生物量变化的驱动，植被特征的变化可分别解释两者总变异的90%和92%。草地退化降低了土壤微生物生物量C、N和P含量 ，但其含量和计量比不受养分计量比的显著影响，表明其具有强的化学计量内稳态。（2）该区草地土壤微生物主要受C和P的限制，而不受氮限制，且随草地退化的加剧，磷的限制性减弱，有逐渐转向受N限制的趋势；草地退化对土壤微生物碳利用效率没有显著影响，其主要受微生物C限制的显著影响。（3）草地退化通过改变土壤水分、土壤养分含量及其计量比，改变土壤细菌群落α多样性和群落组成，使细菌群落的稳定性降低。（4）通过野外调查结合室内养分添加实验，证明草地退化对土壤养分含量和计量比的改变，可能会改变对溪流养分的输入，导致溪流水体N含量和N：P降低，而P含量增加，减轻溪流固着生物的磷限制，加剧碳限制，最终增强了青海湖受P限制的浮游植物生长。（5）草地退化通过影响水体pH、电导率、微生物养分含量以及计量比，进一步影响了溪流微生物的细菌群落，并对细菌群落的完整性和功能产生不利影响。上述结果可以加深对微生物适应环境与进化机制的理解，并丰富生态化学计量学的理论；同时，对于深刻理解草地退化对水生生态系统潜在的影响及青海湖流域脆弱生态系统的保护与管理具有重要的理论与实际意义。