气候变化和水位恢复对若尔盖退化泥炭地产甲烷相关微生物群落结构和多样性的影响

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甲烷是一种仅次于CO2的重要温室气体,湿地是甲烷重要的自然源,对大气甲烷的贡献率很大,占23%。青藏高原高海拔低温环境孕育了广阔的低温湿地,其面积大、分布广、碳储量丰富,在我国甲烷循环中的地位不容忽视。在全球气候变化下青藏高原气温升高、降雨分布不均匀,人类活动剧烈等背景下,若尔盖泥炭地退化加剧,同时地方政府对退化泥炭地采取了积极的恢复措施。在此背景下不同退化泥炭地产甲烷相关微生物如何响应未来全球变化和湿地恢复措施是一个待研究的热点问题。因此,本论文应用分子生物学手段探究以下科学问题:1)产甲烷相关微生物如何响应气候变化,与生态因子有什么样的关系?2)不同退化泥炭地产甲烷相关微生物对气候变化的响应是否一致,原因何在?3)产甲烷相关微生物细菌和古菌对水位恢复如何响应?主要结论如下:  1)增温和截雨对若尔盖退化泥炭地原核微生物的影响  泥炭地退化是一个长期过程,与小幅度(0.23-2.4℃)和短期(1年)的气候变化处理相比,泥炭地退化演替过程中显著的水位、土壤性质变化是土壤原核微生物群落结构变化的驱动因子。在三块不同退化程度泥炭地中,中度退化泥炭地土壤原核微生物对气候变化最敏感,是由于中度退化泥炭地常年有水位干湿交替提现象。不同退化泥炭地优势原核微生物有显著的丰度差异,在气候变化处理下趋同。土壤原核微生物群落对气候变化处理和不同退化泥炭地的响应不仅依靠于微生物本身内在的特性,而且还跟外部的环境因子有关。  2)增温和截雨对若尔盖退化泥炭地产甲烷古菌群落的影响若尔盖退化泥炭地产甲烷菌群落不管在对照还是气候变化处理下都以Methanomicrobiales为主,并认为氢营养型产甲烷途径可能是若尔盖退化泥炭地产甲烷的主要过程,尤其是在干旱气候背景下。增温、截雨、增温和截雨交互作用不管是对产甲烷菌群落丰度还是香农指数多样性都没有显著的影响,并且认为退化泥炭地原始的水文状况(低水位)是决定产甲烷菌群落和多样性的主要因子。  3)增温和截雨对若尔盖退化泥炭地古菌群落的影响  若尔盖泥炭地古菌群落由丰富的产甲烷菌微生物组成,如Methanobacteriales,Methanocellales,Methanomicrobiales,Methanosarcinales和E2组成。在三块不同退化程度的泥炭地中,中度退化泥炭地由于其季节性干湿交替使泥炭地土壤优势古菌群落对气候变化最敏感,而轻度退化泥炭地由于受到的干扰最少,所以土壤碳氮含量变化及优势古菌群落最稳定,受到气候变化影响最小。气候变化处理对不同退化泥炭地中土壤优势古菌群落丰度影响不一致,不同土壤性质是决定相同微生物对不同退化泥炭地相同气候变化处理响应不一致主要原因。  4)水位恢复对若尔盖退化泥炭地原核微生物的影响  10cm和30cm水位恢复整体上增加了原核微生物多样性和丰富度,但对原核微生物总体群落结构没有显著影响。10cm和30cm水位恢复显著降低了Verrucomicrobia门及其下属优势纲、目和属水平微生物的丰度。Verrucomicrobia门及下属微生物群落丰度与土壤pH有显著的负相关性,且我们认为Verrucomicrobia门及下属微生物群落丰度的降低跟土壤pH有关,由水位恢复引起土壤pH的显著升高可能降低了嗜酸甲烷氧化菌的丰度。  5)水位恢复对若尔盖退化泥炭地古菌群落的影响  为期1年的10cm和30cm水位恢复减少了退化泥炭地Crenarchaeota丰度但增加了Euryarchaeota丰度,但差异不显著。其中Euryarchaeota丰度增加主要是由于产甲烷菌丰度增加引起的,而Crenarchaeota丰度减少主要是由于氨氧化古菌丰度减少引起的。只有30cm水位恢复显著降低了氨氧化古菌Nitrososphaeraceae(科水平)和CandidatusNitrososphaera(属水平)丰度。整体来说为期1年的10cm和30cm的水位恢复对古菌群落没有显著影响,对土壤有机质、全氮和全磷含量也没有显著影响,主要可能是因为恢复时间较短,没能够引起地上植被状况变化和地下土壤性质的变化,从而没能引起古菌群落的显著变化。
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