張君紅,王健宇,孟澤昕,何 佳,董政宏,劉凱茜,陳文青, *

1 西北農(nóng)林科技大學(xué)草業(yè)與草原學(xué)院,楊凌 712100

2 西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院,西安 710049

3 中華環(huán)境保護(hù)基金會(huì),北京 100062

生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能(BEF)的關(guān)系是當(dāng)前生態(tài)學(xué)研究的熱點(diǎn)問(wèn)題[1]。土壤微生物群落是陸地生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,在養(yǎng)分循環(huán)、有機(jī)物分解和促進(jìn)植物生長(zhǎng)等生態(tài)功能方面發(fā)揮著重要作用[2—5]。由于土壤微生物不僅具有高度的物種多樣性,而且物種間存在復(fù)雜的相互作用關(guān)系,因此,揭示土壤微生物多樣性與生態(tài)功能的關(guān)系除了關(guān)注其物種數(shù)量效應(yīng)外還需進(jìn)一步考慮微生物間復(fù)雜的相互作用關(guān)系[5—7]。早期對(duì)BEF的研究多側(cè)重于單一生態(tài)功能與生物多樣性的關(guān)系[8—10]。隨著研究的深入,人們逐漸認(rèn)識(shí)到較高的生物多樣性能顯著提高生態(tài)系統(tǒng)對(duì)多種生態(tài)系統(tǒng)功能的支持能力,并將生態(tài)系統(tǒng)能夠同時(shí)維持多種生態(tài)系統(tǒng)功能和服務(wù)的能力定義為生態(tài)系統(tǒng)多功能性(EMF)[9]。相較于單一生態(tài)功能的研究,EMF可使生物多樣性的多功能冗余減小,并且使多樣性的重要性得以體現(xiàn)[11—12],因此EMF能更好地反映BEF關(guān)系。

土壤微生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能的關(guān)系仍然存在爭(zhēng)論[13—16]。雖然相關(guān)的原位調(diào)查研究[13, 17]和控制實(shí)驗(yàn)[14, 18]的研究結(jié)果均表明微生物多樣性與生態(tài)功能存在顯著的正相關(guān)關(guān)系,但也有研究顯示兩者間存在負(fù)相關(guān)[15]和無(wú)顯著關(guān)聯(lián)關(guān)系[16]。上述研究均基于微生物多樣性中的物種數(shù)目與EMF的關(guān)系展開(kāi),忽視了復(fù)雜微生物群落間的相互作用關(guān)系在生態(tài)系統(tǒng)功能維持中的作用。在自然環(huán)境中,微生物通過(guò)協(xié)同、競(jìng)爭(zhēng)及拮抗等一系列直接和間接的生態(tài)作用相互關(guān)聯(lián)形成微生物網(wǎng)絡(luò)[7, 19]。該網(wǎng)絡(luò)是生態(tài)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)能量流動(dòng)、物質(zhì)循環(huán)和信息傳遞基本功能的基礎(chǔ)[19—20]。此外,微生物間的相互作用關(guān)系受時(shí)間和空間尺度的影響,不同尺度上同一共存物種間的關(guān)系存在差異[21],相同的共存物種并不代表著相同的種間關(guān)系。以往的研究多單獨(dú)考慮微生物物種多樣性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)功能的影響,缺少綜合考慮物種多樣性和微生物互作網(wǎng)絡(luò)對(duì)EMF影響的研究,因此不能全面反映BEF關(guān)系[2, 13, 19]。

微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可揭示微生物間復(fù)雜的相互作用關(guān)系,能反映物種多樣性不能反映的生態(tài)聯(lián)系和生態(tài)過(guò)程[7, 22—23]。當(dāng)前研究多關(guān)注不同生境微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的模式或結(jié)構(gòu)特征,微生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與生態(tài)功能間的關(guān)系仍缺乏進(jìn)一步研究[24—27]。Wagg等[19]通過(guò)室內(nèi)微生物多樣性控制試驗(yàn),利用邊密度作為微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性指標(biāo)來(lái)表征微生物間復(fù)雜的相互作用關(guān)系,證實(shí)土壤微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性在維持生態(tài)系統(tǒng)功能方面發(fā)揮著積極作用。這項(xiàng)研究通過(guò)不同孔徑篩網(wǎng)對(duì)天然草地生態(tài)系統(tǒng)采集到的土壤過(guò)篩,根據(jù)微生物個(gè)體尺寸差異構(gòu)建了不同群落復(fù)雜性的微生物群落,盡管可在一定程度反映群落復(fù)雜性對(duì)生態(tài)功能的影響,但該方法劃分出的群落并不能代表自然環(huán)境中的微生物群落,微生物在自然環(huán)境中并非根據(jù)人為劃分的個(gè)體尺寸聚集成群落,而是由一系列生物和非生物因子長(zhǎng)期共同作用形成群落[19, 28]。因此,本研究采用原位調(diào)查試驗(yàn)分析原位生境中微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性與EMF的聯(lián)系以期深化對(duì)微生物BEF關(guān)系的認(rèn)識(shí)。

青藏高原是世界海拔最高和面積最大的高原,在涵養(yǎng)水源、調(diào)節(jié)氣候以及土壤有機(jī)碳固持等生態(tài)功能方面發(fā)揮著重要作用[29—31]。青藏高原高寒生態(tài)系統(tǒng)對(duì)氣候變化十分敏感,氣候變化會(huì)導(dǎo)致微生物多樣性喪失,進(jìn)而對(duì)EMF產(chǎn)生不利影響[1]。高寒草甸作為該系統(tǒng)具有代表性的草地生態(tài)系統(tǒng)類型,研究該區(qū)域土壤微生物多樣性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性與EMF的關(guān)系對(duì)全球變化背景下高寒草地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能的維持具有重要意義[1, 32—33]。高寒生態(tài)系統(tǒng)中的氣候和土壤特性在不同海拔高度上差異較大,環(huán)境因子會(huì)影響微生物群落組成以及微生物間的相互作用[27, 34—35]。因此,本研究于青藏高原高寒草甸選取了6個(gè)海拔高度(3755 m、3994 m、4225 m、4534 m、4900 m、5120 m),分析了微生物多樣性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性與EMF的聯(lián)系,進(jìn)一步揭示該區(qū)域微生物多樣性與EMF的關(guān)系,以期為全球變化背景下高寒草地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能的微生物調(diào)控機(jī)制提供更全面的見(jiàn)解。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于西藏自治區(qū)米拉山西坡(29°49′59"—29°49′42"N, 91°37′55"—92°20′22"E),海拔3700—5300 m,區(qū)域年均溫-0.8—5.3℃,年降水量250—640 mm,雨熱同期,多集中于生長(zhǎng)季(5—9月)。土壤類型以高山草原土、高山草甸土和高山寒凍土為主[36—37]。植被類型以高寒草甸為主,主要有三刺草(Aristidatriseta)、固沙草(Orinusthoroldii)、喜馬拉雅草沙蠶(Tripogonhookerianus)、白草(Pennisetumflaccidum)、絲穎針茅(Stipacapillacea)、長(zhǎng)芒草(Stipabungeana)等[37—38]。沿海拔高度(3755 m、3994 m、4225 m、4534 m、4900 m和5120 m)選取坡度、坡向一致且無(wú)明顯的家畜和人為活動(dòng)干擾,具有代表性的植被和土壤特性的6個(gè)50 m×50 m樣地。

1.2 樣品采集

于2019年8月(該地區(qū)植物生物量最大時(shí)期),在6個(gè)樣地內(nèi)以五層嵌套的四邊形取樣方式設(shè)置20個(gè)1 m2(1 m×1 m)樣方(圖1),樣方分別位于四邊形的四個(gè)角。以單位面積內(nèi)物種的數(shù)量作為植物多樣性(Plant richness, PSR)指標(biāo)。齊地刈割收集地上植物部分,置于105℃烘箱0.5 h殺青后,60℃烘至恒重,稱重即得地上生物量。本研究使用植物生物量表征地上凈初級(jí)生產(chǎn)力(Aboveground net primary production, ANPP)[28]。用土鉆采集表層土壤樣品(直徑5 cm,深度20 cm),每個(gè)樣方內(nèi)采集6—7個(gè)子樣,去除雜質(zhì)混合均勻后過(guò)2 mm土篩,將所得土壤樣品分兩部分：一部分帶回室內(nèi)冰箱置于4℃儲(chǔ)存,用于測(cè)定土壤理化性狀和部分生態(tài)功能指標(biāo)；另一部分儲(chǔ)存于-80℃冰箱,用于微生物分析。

圖1 取樣示意圖

1.3 氣候和土壤因子測(cè)定

將土壤與水1:2.5混合成懸濁液,使用pH計(jì)(UV- 1800, Shimadzu, Japan)測(cè)定土壤pH值。采用烘干法測(cè)定土壤含水量(Soil moisture, SM),具體操作為稱取5 g土壤在105℃烘12 h。取1 g風(fēng)干土壤,加入20 mL的0.11 mol/L乙酸,先于離心機(jī)中以30 rpm離心20 h,后3000 rpm離心20 min,得到土壤可交換陽(yáng)離子(Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Al3+)提取物,隨后使用ICP-OES(Spectro Analytical UK, Halesowen, UK)測(cè)定其含量[39]。參照Kettler等人[40]的方法測(cè)定土壤質(zhì)地,即砂粒、粉粒和黏粒含量(Sand%, Silt%, Clay%)。具體操作步驟如下：取15 g風(fēng)干土壤,加入3%的六偏磷酸鈉溶液45 mL,于往復(fù)式振動(dòng)篩120 rpm振動(dòng)2 h,后將土壤懸浮液過(guò)0.053 mm篩收集砂粒。將過(guò)篩后的土壤溶液充分?jǐn)嚢?室溫下靜置2 h,上部懸浮液部分即為黏粒,沉淀部分為粉粒。將收集到的砂粒和粉粒于105℃下烘干至恒重,計(jì)算其占原始樣品質(zhì)量的百分比,即為砂粒和粉粒含量,100%減去砂粒和粉粒含量得黏粒含量。通過(guò)CHELSA(http://chelsa-climate.org/)在30弧秒(約1 km)分辨率下得到6個(gè)海拔的年均溫(Mean annual temperature, MAT)和年降水量(Mean annual precipitation, MAP)[41—42]。

1.4 DNA提取、高通量測(cè)序及生物信息學(xué)分析

每個(gè)土樣各稱取3份0.25 g土壤,按PowerSoil DNA提取試劑盒(MO BIO laboratories, Carlsbad, CA, USA)說(shuō)明書(shū)提取微生物DNA,然后將其合并以減少誤差。在1%瓊脂糖凝膠上分離和識(shí)別DNA提取物,并使用NanoDrop UV-Vis分光光度計(jì)(ND- 2000c, NanoDrop Technologies, DE, USA)測(cè)定提取DNA的濃度和純度。使用515F(5′-GTGCCAGCMGCCGCGGTAA- 3′)和806R(5′-GGACTACHVGGGTWTCTAAT- 3′)擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA基因[43],ITS1F(5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA- 3′)和ITS2- 2043R(5′-GCTGCGTTCTT CATCGATGC- 3′)擴(kuò)增真菌ITS基因[44],并通過(guò)上海美吉生物醫(yī)藥有限公司在Illumina MiSeq測(cè)序平臺(tái)對(duì)擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行高通量測(cè)序。

按Caporaso等人[45]的方法使用QIIME 1.9.1對(duì)序列進(jìn)行優(yōu)化和數(shù)據(jù)質(zhì)控,具體步驟如下：(i)在50 bp的滑動(dòng)窗口內(nèi),去除序列平均質(zhì)量小于20,長(zhǎng)度小于50 bp和模糊堿基數(shù)；(ii)對(duì)長(zhǎng)度大于10 bp的重復(fù)序列進(jìn)行組裝,無(wú)法組裝則去除；(iii)根據(jù)barcode和引物區(qū)分樣品,并調(diào)整序列方向。隨后使用UPARSE在97%的相似性閾值下劃分分類操作單元(Operational taxonomic units, OTUs)和去嵌合體[46]?；赟ILVA數(shù)據(jù)庫(kù)(SILVA 132)和UNITE真菌ITS數(shù)據(jù)庫(kù)(7.2版),利用RDP分類器對(duì)75%相似閾值的OTU進(jìn)行分類學(xué)分析[47—48]。細(xì)菌和真菌群落的OTUs分別作為細(xì)菌(Bacterial richness, BR)、真菌多樣性(Fungal richness, FR)指標(biāo)。

1.5 生態(tài)系統(tǒng)功能測(cè)定和生態(tài)系統(tǒng)多功能性指數(shù)計(jì)算

使用平均值法計(jì)算EMF指數(shù)。首先將上述10種生態(tài)功能參數(shù)通過(guò)(Xraw-Xmin)/(Xmax-Xmin)標(biāo)準(zhǔn)化,再計(jì)算平均值即得EMF指數(shù)；其中,Xraw代表每個(gè)樣方的生態(tài)功能值,Xmax代表所有樣方的最大生態(tài)功能值,Xmin代表所有樣方的最小生態(tài)功能值[5, 52]。

1.6 微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與分析

由于微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模式受擴(kuò)散限制和環(huán)境過(guò)濾等某些生態(tài)過(guò)程影響[55],因此本研究對(duì)每個(gè)海拔高度20個(gè)樣方的土壤微生物群落構(gòu)建綜合網(wǎng)絡(luò),可最大程度減少上述生態(tài)過(guò)程對(duì)微生物網(wǎng)絡(luò)的影響。在構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)之前,移除豐度小于0.015%和單個(gè)樣地物種出現(xiàn)頻率小于5的OTUs。通過(guò)計(jì)算Spearman相關(guān)系數(shù)和Jaccard距離,基于隨機(jī)矩陣?yán)碚?Random matrix theory, RMT)方法,確定構(gòu)建微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的閾值[26]。通過(guò)Permutation和Bootstrap,迭代1000次獲得Spearman相關(guān)系數(shù)和Jaccard距離的P值。然后使用Brown′s方法合并上述P值[56]。根據(jù)Benjamini-Hochberg等人[57]的方法控制False discovery rate(FDR)對(duì)P值進(jìn)行校正,使用FDR校正后具有統(tǒng)計(jì)顯著性(P<0.05)的關(guān)系構(gòu)建綜合網(wǎng)絡(luò)。使用R語(yǔ)言igraph包和Gephi對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行可視化。隨后我們使用R語(yǔ)言igraph包的subgraph函數(shù)從上述所構(gòu)建的綜合網(wǎng)絡(luò)中提取每個(gè)樣方(每個(gè)海拔各20個(gè))的子網(wǎng)絡(luò)(Sub-network),每個(gè)子網(wǎng)絡(luò)由每個(gè)樣方所包含的OTUs以及OTUs間的關(guān)系構(gòu)成[19, 58]。由于表征網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性的節(jié)點(diǎn)(Node)、邊數(shù)(Link)、連接性(Connectance)和邊密度(Linkage density)存在極顯著相關(guān)性,因此本研究使用邊密度作為真菌(Fungal network complexity, FNC)和細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性(Bacterial network complexity, BNC)指數(shù)[19, 25—26, 59],以探究其與EMF的關(guān)系。節(jié)點(diǎn)為OTU,邊為OTUs間的聯(lián)系,連接性表示網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)間實(shí)際發(fā)生的相互作用數(shù)之和(邊之和)占總的潛在相互作用數(shù)(邊數(shù))的比例,邊密度由邊數(shù)除以節(jié)點(diǎn)數(shù)得到[19, 25—26, 59]。

1.7 統(tǒng)計(jì)分析

使用單因素方差分析(One-way analysis of variance)和Duncan多重比較檢驗(yàn)比較不同海拔高度間環(huán)境因子(SM、pH、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Clay、Silt、Sand)的變化。采用主成分分析(Principal component analysis, PCA)分別提取土壤Na+、K+、Ca2+、Mg2+和H+、Al3+含量的第一主成分作為代表鹽基離子(Soil base mineral cations, SBC)和酸性離子(Soil acid cations, SA)的綜合指標(biāo),并引入后續(xù)的分析,通過(guò)提取主成分可減少上述離子間的共線性[60]。使用普通最小二乘法回歸(Ordinary least squares linear regressions)分別分析微生物屬性(BR、FR、BNC、FNC)與EMF,海拔與微生物屬性(BR、FR、BNC、FNC)的關(guān)系。使用Pearson相關(guān)分析分別篩選出與微生物屬性(BR、FR、BNC、FNC)和EMF均顯著相關(guān)的非生物因子,通過(guò)偏線性回歸(Partial least squares regression, PLSR)排除上述非生物因子影響,分析微生物屬性(BR、FR、BNC、FNC)和EMF指數(shù)的關(guān)系。將非生物因子對(duì)EMF的影響納入方差分解分析(Variance partition analysis, VPA),評(píng)估氣候(MAT、MAP)、土壤因子(SM、SBC、SA、Clay、Silt、Sand)、微生物多樣性(BR、FR)和微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性(BNC、FNC)對(duì)EMF的影響。通過(guò)構(gòu)建結(jié)構(gòu)方程模型(Structural equation model, SEM)進(jìn)一步分析環(huán)境因子(MAT、SM、SBC、SA、Clay)、微生物多樣性(BR、FR)、微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性(BNC、FNC)與EMF的直接和間接關(guān)系。在進(jìn)行SEM構(gòu)建之前,基于先驗(yàn)知識(shí)預(yù)先設(shè)定系統(tǒng)內(nèi)因子間的關(guān)系(表1,圖2)。SEM分析的數(shù)據(jù)均使用R語(yǔ)言的scale函數(shù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化,且通過(guò)Pearson相關(guān)分析保證所有變量間均存在顯著的線性關(guān)系(P<0.05),并且不存在多重共線性(r<0.8)。模型擬合度符合以下條件：0.97≤CFI≤1.00；0.95≤GFI≤1.00；0.95≤NFI≤1.00；0≤χ2/df ≤2且0.05

圖2 氣候、土壤和微生物屬性預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)多功能性的結(jié)構(gòu)方程先驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔高度環(huán)境因子的特征

在青藏高原高寒草甸地帶,不同海拔高度間年均溫變幅為-0.8—5.3℃,年均降水量變幅為250—640 mm。土壤K+、Al3+、粉粒和砂粒含量沿海拔高度呈顯著升高的趨勢(shì)(P<0.05),但土壤pH、Ca2+、Mg2+、Na+和黏粒含量沿海拔高度呈顯著降低的趨勢(shì)(P<0.05)(表2)。

表2 氣候和土壤因子沿海拔高度的變化

2.2 不同海拔高度微生物共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和屬性的變化

與真菌沿海拔高度變化的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相比,細(xì)菌形成了更復(fù)雜的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)(圖3)。細(xì)菌和真菌的節(jié)點(diǎn)和邊沿海拔高度顯著減少(P<0.05),而細(xì)菌和真菌的連接性、邊密度在海拔高度上無(wú)顯著變化(圖3)。隨著海拔高度的升高,細(xì)菌和真菌的多樣性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性均呈現(xiàn)顯著下降(P<0.05)的趨勢(shì),其中細(xì)菌多樣性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的下降趨勢(shì)均比真菌明顯,細(xì)菌和真菌網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的下降趨勢(shì)均比多樣性明顯(圖4)。

圖3 不同海拔高度微生物的共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬性

圖4 微生物多樣性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性與海拔高度的關(guān)系

2.3 微生物多樣性、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性與生態(tài)系統(tǒng)多功能性的關(guān)系

Pearson相關(guān)分析顯示,MAP、MAT、SM、Clay、SBC和SA均與BR、BNC、FNC和EMF顯著相關(guān)(P<0.05),其中MAP、SM與其顯著負(fù)相關(guān)(P<0.05),MAT、Clay、SBC、SA與其顯著正相關(guān)(P<0.05)。此外,Sand與FNC、EMF顯著正相關(guān)(P<0.05),Clay、SBC與FR、EMF顯著正相關(guān)(P<0.05)(圖5)。

圖5 生態(tài)系統(tǒng)多功能性指數(shù)與環(huán)境因子和微生物參數(shù)的相關(guān)性分析

細(xì)菌和真菌的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和多樣性與生態(tài)功能多樣性指數(shù)均顯著正相關(guān)(P<0.05),其中細(xì)菌和真菌的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性對(duì)EMF的解釋度高于多樣性(圖6)。排除環(huán)境因子的影響后,細(xì)菌和真菌復(fù)雜性與多功能性指數(shù)的顯著負(fù)相關(guān)(P<0.001)關(guān)系仍然存在,但R2分別從0.558下降至0.185,0.482下降至0.200；而細(xì)菌和真菌多樣性與生態(tài)系統(tǒng)多功能性指數(shù)的顯著正相關(guān)關(guān)系(P<0.05)在排除環(huán)境因子影響后呈現(xiàn)出不相關(guān)關(guān)系(圖6,圖7)。

圖6 土壤細(xì)菌、真菌網(wǎng)絡(luò)多樣性及復(fù)雜性與生態(tài)系統(tǒng)多功能性的關(guān)系

圖7 土壤細(xì)菌、真菌網(wǎng)絡(luò)多樣性及復(fù)雜性與生態(tài)系統(tǒng)多功能性的偏回歸分析

2.4 環(huán)境因子和微生物參數(shù)對(duì)生態(tài)系統(tǒng)多功能性的影響

VPA分析顯示微生物多樣性、氣候、土壤因子單獨(dú)作用及其交互作用對(duì)EMF的總貢獻(xiàn)率達(dá)73%,而微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性、氣候、土壤因子及其交互作用對(duì)EMF的總貢獻(xiàn)率可達(dá)80%。其中微生物多樣性、氣候因子和土壤因子分別單獨(dú)解釋了1%、17%和7%的EMF差異,氣候和土壤因子的交互作用解釋了28%,土壤因子和微生物多樣性共同解釋了1%,三者共同解釋了21%。而微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性、氣候因子和土壤因子單獨(dú)對(duì)EMF的貢獻(xiàn)率分別為8%、3%和7%,微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性單獨(dú)貢獻(xiàn)率高于多樣性；氣候和土壤因子共同解釋了8%的EMF差異,氣候因子和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性共同解釋了13%,土壤因子和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性共同解釋了1%。微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性與環(huán)境因子交互作用對(duì)EMF的貢獻(xiàn)率高于多樣性；微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性、氣候因子和土壤因子三者共同解釋了41%的EMF差異,高于微生物多樣性、氣候因子和土壤因子三者共同作用。以上結(jié)果表明微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性與非生物因子較微生物多樣性與非生物因子對(duì)EMF的解釋度更好(圖8)。

圖8 微生物參數(shù)(微生物多樣性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性)、氣候和土壤因子解釋生態(tài)系統(tǒng)多功能性變異百分比的方差分解分析

使用SEM進(jìn)一步分析環(huán)境因子、微生物屬性和EMF間的作用關(guān)系,SEM解釋了EMF變化的83%。在考慮年均溫、土壤含水量、土壤黏粒含量、土壤鹽基離子和酸性離子影響時(shí),細(xì)菌和真菌網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性仍直接正向影響EMF；微生物多樣性通過(guò)正向促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性間接影響EMF。年均溫、土壤酸性離子和土壤鹽基離子環(huán)境因子主要通過(guò)影響微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性間接影響EMF,其中土壤酸性離子負(fù)向影響細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性,土壤鹽基離子正向影響網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性,年均溫正向影響細(xì)菌網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和真菌網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性。綜上,環(huán)境因子和微生物多樣性對(duì)EMF的影響主要通過(guò)微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性實(shí)現(xiàn)(圖9)。

圖9 氣候、土壤和微生物屬性預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)多功能性的結(jié)構(gòu)方程模型

3 討論

3.1 環(huán)境因子隨海拔高度的變化

研究表明海拔高度涵蓋了降水、溫度、土壤理化性質(zhì)等諸多環(huán)境因素的綜合效應(yīng)[33, 82],本研究中年均溫、土壤可交換陽(yáng)離子和土壤質(zhì)地等環(huán)境因素隨海拔高度變化,符合上述研究結(jié)果。SM隨海拔的升高而升高,與張鵬等[83]在藏東橫斷山區(qū)的研究結(jié)果一致。這是由于海拔會(huì)影響水熱分配,高海拔地區(qū)土壤溫度低,降水和冷凝水多,導(dǎo)致SM隨海拔高度的升高而升高[84]。與西藏色拉山[85]的試驗(yàn)結(jié)果一致,我們的研究結(jié)果表明土壤pH隨海拔的升高而下降。土壤的酸化往往促使土壤固相鋁轉(zhuǎn)變成交換性Al3+,因此土壤Al3+含量隨海拔的升高而升高[86]。此外,本研究中的土壤Ca2+、Mg2+、Na+含量隨海拔的升高而下降,其原因可能是隨海拔升高而降低的土壤pH改變了土壤酸緩沖體系,使得高海拔主要通過(guò)消耗土壤鹽基離子發(fā)揮酸緩沖作用,導(dǎo)致土壤Ca2+、Mg2+、Na+含量隨海拔的升高呈下降趨勢(shì)[87]。但K+與Ca2+、Mg2+、Na+鹽基離子含量的變化趨勢(shì)相反,這可能是由于K+含量主要受成土母質(zhì)的影響[88]。本研究區(qū)高海拔成土母質(zhì)為石灰?guī)r風(fēng)化物,石灰?guī)r母質(zhì)發(fā)育而來(lái)的土壤K+含量較高[89],導(dǎo)致高海拔K+含量高。此外,本研究中土壤鹽基離子含量呈現(xiàn)Ca2+>Mg2+>K+>Na+,符合一般規(guī)律,而且土壤交換性Ca2+在4個(gè)鹽基離子中占比最大[90]。

3.2 環(huán)境因子對(duì)微生物屬性的影響

環(huán)境因子會(huì)影響微生物群落組成以及微生物間的相互作用[27, 34—35],本研究結(jié)果表明年均溫、酸性離子、鹽基離子和黏粒含量是微生物多樣性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的重要環(huán)境驅(qū)動(dòng)因子。其中,年均溫對(duì)微生物多樣性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的影響最顯著,這可能是由于年均溫與微生物的代謝過(guò)程和生化過(guò)程緊密相關(guān),導(dǎo)致年均溫對(duì)微生物影響最明顯[91]。一項(xiàng)位于高草草原生態(tài)系統(tǒng)的原位模擬增溫研究發(fā)現(xiàn),增溫提高了微生物分類多樣性[92]。該研究認(rèn)為溫度是起著決定性作用的環(huán)境過(guò)濾因子,可對(duì)微生物進(jìn)行選擇,例如升溫促進(jìn)碳利用率更高的微生物生長(zhǎng),降低微生物群落演替過(guò)程的隨機(jī)性,使群落發(fā)生趨異演替(Divergent succession),從而改變微生物群落結(jié)構(gòu)[92]。酸性離子則可能抑制細(xì)胞外酶活性,使得微生物多樣性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性發(fā)生改變[93—94]。對(duì)臥龍自然保護(hù)區(qū)真菌群落的研究和東北地區(qū)細(xì)菌群落的研究均表明,土壤pH是土壤真菌和細(xì)菌群落組成與多樣性的重要影響因子[94—95]。隨著土壤酸化程度的加劇,土壤固相鋁會(huì)轉(zhuǎn)變成交換性Al3+,增多的Al3+會(huì)抑制胞外酶活性并且對(duì)土壤微生物產(chǎn)生生理脅迫,從而改變微生物群落結(jié)構(gòu)[81, 93]。Ca2+和Mg2+的減少則會(huì)使微生物對(duì)環(huán)境脅迫的敏感性增加,使土壤微生物豐度減少[60]。張廣帥等[96]對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子關(guān)系的研究也發(fā)現(xiàn),土壤Ca2+和Mg2+對(duì)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)具有顯著性影響。此外,一項(xiàng)關(guān)于高寒草甸的觀察研究發(fā)現(xiàn),土壤黏粒影響了微生物數(shù)量[97]。因此,隨著海拔的升高,年均溫、鹽基離子、酸性離子和土壤質(zhì)地可能通過(guò)調(diào)節(jié)土壤中微生物的代謝活動(dòng)或聚集情況,影響微生物多樣性和共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的形成。

3.3 微生物物種多樣性和網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)多功能性的影響

許多微生物多樣性的控制試驗(yàn)結(jié)果表明多樣性與生態(tài)功能間呈正相關(guān)關(guān)系,較高的多樣性可為各種時(shí)空環(huán)境條件下功能的維持提供更大的保障[14, 23, 98—99]。本研究發(fā)現(xiàn),盡管土壤真菌和細(xì)菌多樣性與EMF存在顯著正相關(guān)關(guān)系,但在排除同時(shí)影響微生物多樣性和EMF的環(huán)境因素后,細(xì)菌和真菌多樣性與EMF不存在顯著相關(guān)關(guān)系。上述結(jié)果表明,自然界中環(huán)境因素很大程度上影響了土壤微生物多樣性與EMF的聯(lián)系。自然生態(tài)系統(tǒng)具有空間和時(shí)間尺度的環(huán)境異質(zhì)性,環(huán)境因素會(huì)同時(shí)影響微生物群落和生態(tài)系統(tǒng)功能,進(jìn)而影響土壤微生物多樣性與生態(tài)功能的關(guān)系,例如,環(huán)境因子同時(shí)正向或負(fù)向影響微生物多樣性和生態(tài)功能會(huì)導(dǎo)致兩者出現(xiàn)正向關(guān)系,若對(duì)兩者產(chǎn)生相反的影響則會(huì)導(dǎo)致兩者出現(xiàn)負(fù)向關(guān)系[100]。本研究中的年均溫、鹽基離子和酸性離子均正向影響細(xì)菌多樣性和EMF,黏粒含量和鹽基離子正向影響真菌多樣性和EMF,導(dǎo)致細(xì)菌和真菌多樣性與EMF出現(xiàn)正向關(guān)系。此外,本研究通過(guò)控制影響微生物復(fù)雜性和EMF的環(huán)境因子后,發(fā)現(xiàn)兩者關(guān)系不同于微生物多樣性與EMF的關(guān)系,微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性與EMF關(guān)系的顯著正相關(guān)關(guān)系在控制環(huán)境因子后仍然存在。一項(xiàng)微生物多樣性控制試驗(yàn)結(jié)果也表明,網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性與生態(tài)系統(tǒng)功能正相關(guān)[19]。這可能是由于生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能并不是通過(guò)物種單獨(dú)作用維持,而是由不同物種間的相互聯(lián)系(即互作網(wǎng)絡(luò))共同維持[19]。鑒于微生物群落間的關(guān)聯(lián)是生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)和信息傳遞等基礎(chǔ)功能的基礎(chǔ)[19—20],因此,生態(tài)系統(tǒng)土壤養(yǎng)分有效性、碳循環(huán)和氮循環(huán)等諸多生態(tài)過(guò)程是土壤微生物間相互作用、協(xié)同驅(qū)動(dòng)的結(jié)果[101]。有研究表明,即使單一生態(tài)過(guò)程也需要多個(gè)微生物類群通過(guò)彼此間相互作用共同驅(qū)動(dòng)[101]。例如,異養(yǎng)細(xì)菌群落間的相互作用可提高有機(jī)碳分解和氮礦化速率[101]；纖維素的分解依賴疣微菌門(mén)(Verrucomicrobia)、綠彎菌門(mén)(Chloroflexi)和浮霉菌門(mén)(Planctomycetes)等微生物間的協(xié)同作用[102]。由此可見(jiàn),個(gè)體微生物間網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的提高可能意味著彼此間功能聯(lián)系的增加,網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性的增加可提高生態(tài)系統(tǒng)能量流動(dòng)和物質(zhì)循環(huán)的效率,進(jìn)而對(duì)EMF產(chǎn)生正向影響[20]。因此,相較于微生物物種多樣性,網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性與EMF的聯(lián)系更加緊密。

SEM結(jié)果進(jìn)一步顯示細(xì)菌和真菌多樣性通過(guò)促進(jìn)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性間接正向影響EMF。雖然物種多樣性并不能直接反映微生物所發(fā)揮的生態(tài)功能,但較高的物種多樣性可以促進(jìn)微生物網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜程度,進(jìn)而使得微生物間的生態(tài)聯(lián)系越緊密[19, 103]。綜上所述,微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性比物種多樣性能更好地預(yù)測(cè)EMF,較高的微生物物種多樣性通過(guò)促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性維持生態(tài)系統(tǒng)功能。

4 結(jié)論

沿青藏高原高寒草甸海拔高度,研究土壤微生物多樣性和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜性對(duì)生態(tài)系統(tǒng)多功能性的影響發(fā)現(xiàn)：相較于微生物物種多樣性,網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性可更好地預(yù)測(cè)生態(tài)系統(tǒng)多功能性；微生物多樣性通過(guò)促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性間接正向影響生態(tài)系統(tǒng)多功能性。因此在進(jìn)行土壤微生物多樣性與生態(tài)功能關(guān)系的研究時(shí),有必要將微生物網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性納入。本研究的結(jié)果擴(kuò)展了BEF關(guān)系的研究,有利于加深對(duì)高寒草地生態(tài)系統(tǒng)生態(tài)功能微生物調(diào)控機(jī)制的認(rèn)識(shí)。