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草原是地球上最重要的生态系统之一。微生物是土壤元素循环的主要推动力之一,以大气CO2浓度升高为代表的气候变化对土壤微生物群落的影响无疑将左右微生物驱动的生物地球化学循环,进而影响草原生态系统整体功能。越来越多研究关注土壤微生物群落对大气CO2浓度升高的响应,然而大部分研究或时间尺度较短,或分析方法传统,或忽视了微生物群落功能基因结构。针对目前研究存在的问题,本研究利用16S rRNA测序和基因芯片技术,结合植被生物量和土壤理化参数的测量,探究美国加利福尼亚州一年生草原生态系统在长期(14年)高浓度CO2(~550 ppm)环境下土壤微生物群落物种和功能变化,识别微生物群落与环境参数之间的内在联系。结果表明,大气CO2浓度升高将改变土壤微生物群落物种结构和功能组成,且群落功能基因组成对高浓度CO2可能更加敏感,暗示着微生物物种间功能冗余度较小,易受环境变化影响。不同微生物物种对大气CO2浓度升高的响应有别:在高CO2环境中,Bacteroidetes相对丰度显著降低,Verrucomicrobia相对丰度上升,而氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌丰度无显著变化。土壤温度和溶解性有机碳是调控微生物物种结构的关键环境因子。经过长期增CO2处理,土壤微生物驱动的碳循环、硫循环和金属内平衡基因相对丰度变化显著。大气CO2浓度升高显著促进了微生物固碳的DC/HB循环和HP/HB循环、抑制了rTCA循环,同时提高了易降解碳基因相对丰度,加快土壤易降解碳库周转速率,并存在抑制土壤CH4排放的可能。此外,高浓度CO2减弱了微生物群落金属抗性,促进了土壤硫循环,但对磷循环几乎无影响。与硝化细菌丰度、土壤硝化酶和反消化酶活性数据一致,大气CO2浓度上升对微生物介导的所有氮转化途径均无显著影响,并且氮循环基因与硝化细菌丰度间存在显著相关关系,表明微生物物种与生态功能关联紧密,也说明虽然土壤氮素含量在高CO2处理中变化不显著,但它控制了样地微生物功能过程对大气CO2浓度升高的响应,与大气CO2浓度和土壤溶解性有机碳含量同为调控微生物功能结构的关键环境因子。综上,本研究讨论了一年生草原土壤微生物群落的物种结构和功能过程对大气CO2浓度升高的响应,为解析自然生态系统对气候变化的响应机制提供了参考。