黄渤海滨海湿地土壤微生物群落结构对碳循环的影响及其对增温响应

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滨海湿地是海陆相互作用最为活跃的地带,其自身有着独特的水文、土壤和植被环境,其单位面积碳累积通量比陆地生态系统高数十倍以上,是重要的蓝碳碳汇资源。然而,滨海湿地在地貌单元上通常处于对气候变化最敏感和人类活动最强烈的地带。面对全球气候变暖,该生态系统碳汇演化方向和程度是碳循环研究的国际科技前沿和重点攻关命题。在滨海湿地环境中,土壤微生物是碳循环的主要驱动者。了解增温背景下滨海湿地微生物群落响应及其对碳循环的影响将有助于揭示未来滨海湿地对于气候变暖的反馈机制和方向。本研究选取江苏盐城互花米草(CROWN I)、江苏盐城芦苇(CROWN II)、黄河三角洲(CROWN III)以及辽河三角洲(CROWN IV)四处不同纬度的滨海湿地为研究对象,采用开顶式生长室(OTC)、高通量测序(16S、ITS和宏基因组)和荧光定量PCR技术手段,探究湿地土壤微生物群落和功能组成,及其对增温的响应,结合碳分解培养试验和考马斯亮蓝蛋白质测试技术,探究土壤微生物对有机碳分解和积累的影响。取得主要认识如下:(1)在黄渤海滨海湿地,土壤微生物群落组成以原核微生物为主,真菌所占比例极低。其中各站位原核微生物组成以变形菌门(Proteobacteria)为主,其次为绿弯菌门(Chloroflexi,亦译为:绿屈挠菌门)、放线菌门(Actinobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)和浮霉菌门(Planctomycetes)。而土壤真菌主要为子囊菌门(Ascomycota)和担子菌门(Basidiomycota)。由于环境条件和空间位置的差异,不同站位间微生物群落结构差异显著。Mantel分析表明土壤微生物群落结构与土壤因子(钾、盐度、含水、有机碳、铁等)高度相关。在时间序列上,除最北纬的CROWN IV站位外,土壤微生物群落组成未展现出规律性的季节演替。(2)增温显著改变了原核微生物和真菌的群落结构,其中高纬度站位较低纬度站位更为显著,真菌较原核微生物更为显著。通过确定群落差异与时间的关系,增温显著加快了土壤微生物的演替速率,导致增温组与对照组土壤微生物群落差异随时间增加而增大,即增温对微生物影响存在明显的累积效应。(3)滨海湿地土壤碳代谢过程存在自身固定且相对稳定的模式,其中以变形菌门和放线菌门为主要贡献者。但不同站位土壤微生物对有机碳各组分的分解策略存在差异,总体上各站位分解速率CROWN III>CROWN IV≈CROWN II≥CROWN I。在增温条件下,湿地土壤碳代谢功能基因显著改变,且随纬度升高差异愈加显著,且碳分解培养试验表明在高纬度站位(CROWN III、CROWN IV)增温组有机质分解率略高于对照组,但并不显著。(4)丛枝菌根真菌(AMF)衍生物球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)在滨海湿地生态系统中广泛分布,其约贡献了土壤总有机碳的11%,是湿地土壤有机碳的重要组成,其含量受到地表植被类型和土壤理化性质的共同控制。在滨海湿地土壤中,其含量与化学蚀变指数以及多种营养元素高度相关,暗示着丛枝菌根真菌对于风化的贡献。增温条件下,GRSP含量及其对土壤有机碳的贡献呈增加趋势,结合AMF对于增温的响应,推断AMF定殖可使增温对有机质分解形成负反馈。该结论很好解释为什么上述(3)中土壤有机质分解速率对增温响应并不显著。(5)通过CROWN平台四个站位间水盐环境和土壤有机碳含量的对比,适当的盐度有利于抑制土壤微生物活动,同时也将抑制甲烷的生成,利于碳汇。而较高且稳定的水位环境在抑制土壤微生物分解活动的同时能够利于植物根系细根生物量的增加,并助于有机质的原位保存。据此,提出在未来滨海湿地管理中“调盐”、“控水”将是十分有效的增汇措施。
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