摘要：

微生物是陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤磷循環(huán)的驅(qū)動(dòng)因素，然而，土壤微生物在富磷土壤的初級(jí)演替過程中調(diào)節(jié)磷循環(huán)的作用仍不確定。本研究考察了青藏高原東部130年冰川時(shí)間序列上細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)（多樣性和組成）及其功能潛力（磷循環(huán)功能基因的絕對(duì)豐度）對(duì)土壤磷循環(huán)的影響。細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)比磷循環(huán)基因在時(shí)間序列上更能預(yù)測(cè)土壤磷含量。冰川退縮后，細(xì)菌多樣性的增加、種間相互作用的改變以及參與土壤磷礦化的物種的豐富，顯著增強(qiáng)了無機(jī)磷的溶解作用和有機(jī)磷的礦化作用，從而提高了土壤磷的有效性。盡管84%的磷循環(huán)基因與有機(jī)磷礦化有關(guān)，但這些基因與土壤有機(jī)碳的關(guān)系比與有機(jī)磷的關(guān)系更密切。因此，細(xì)菌的碳需求可能決定了土壤磷的周轉(zhuǎn)，表明有機(jī)質(zhì)分解過程在富磷高寒土壤中起主導(dǎo)作用。此外，細(xì)菌共生網(wǎng)絡(luò)和分類群-基因-磷網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性在后期顯著降低，表明細(xì)菌群落在驅(qū)動(dòng)土壤磷隨演替循環(huán)中的主導(dǎo)地位下降。研究結(jié)果表明，具有復(fù)雜群落結(jié)構(gòu)的細(xì)菌在富磷土壤初級(jí)演替早期具有顯著的生物地球化學(xué)P循環(huán)潛力。

圖表摘要

研究背景：

在氣候變暖的背景下，高寒地區(qū)裸露地表的增加為生態(tài)系統(tǒng)的建立和演替提供了平臺(tái)。磷(P)是新陳代謝必需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，缺磷會(huì)限制生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力，損害陸地碳固存。不同于碳(C)和氮(N)可以通過生物過程輕易獲得，磷進(jìn)入自然生態(tài)系統(tǒng)主要源于土壤的緩慢風(fēng)化，使磷成為初級(jí)生產(chǎn)力和生態(tài)演替的最終限制養(yǎng)分。在演替的早期階段，微生物群落在驅(qū)動(dòng)磷生物地球化學(xué)循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)榕c更成熟的生態(tài)系統(tǒng)相比，它們具有更高的促進(jìn)有機(jī)質(zhì)礦化和無機(jī)磷溶解的能力。在新暴露的冰川前期，這些微生物群落可以通過利用冰川下存在的低濃度有機(jī)物來維持其代謝活動(dòng)，從而決定了土壤磷的周轉(zhuǎn)。微生物群落對(duì)土壤磷動(dòng)態(tài)的影響是由微生物群落組成和功能勢(shì)的變化介導(dǎo)的。然而，在初級(jí)演替的早期階段，微生物群落如何以及在多大程度上啟動(dòng)土壤磷循環(huán)尚不清楚，值得深入研究。

微生物編碼的功能基因調(diào)控多種磷代謝途徑，驅(qū)動(dòng)土壤磷生物地球化學(xué)循環(huán)。編碼酶分泌（如磷酸酶、植酸酶和C - P分解酶）和有機(jī)陰離子釋放的基因分別直接調(diào)節(jié)有機(jī)P （P_O）的礦化和無機(jī)P （P_i）的溶解。參與土壤P_O礦化的最常見基因是phoD基因，該基因編碼堿性磷酸酶，具有較高的有機(jī)磷礦化能力。phn操縱子調(diào)控C - P裂解酶，目標(biāo)是森林土壤中的膦酸鹽化合物。此外，編碼葡萄糖脫氫酶和吡喃喹啉醌合成酶的基因gcd和pqqC分別控制著土壤中無機(jī)磷酸鹽的溶解，編碼外多磷酸酶的ppx基因和編碼多磷酸激酶的ppk3基因分別與多磷酸（polyP）的水解和生物合成有關(guān)。磷循環(huán)功能基因的豐度已越來越多地用于預(yù)測(cè)土壤磷周轉(zhuǎn)的微生物潛力，因?yàn)榛蜇S度的變化被認(rèn)為與土壤中特定的磷循環(huán)過程緊密相關(guān)。然而，裸地土壤的特點(diǎn)是P相對(duì)豐富，但有機(jī)質(zhì)含量有限，這限制了微生物的生長(zhǎng)和代謝，在初級(jí)演替的早期階段，土壤中C的有效性限制了微生物的生長(zhǎng)和代謝。因此，微生物可以礦化土壤有機(jī)質(zhì)以緩解C限制，并且作為副產(chǎn)品，在有機(jī)質(zhì)分解過程中，土壤中的生物可利用P部分可能會(huì)增加。由于微生物功能基因的組成表達(dá)和功能冗余的可能性，這將導(dǎo)致磷循環(huán)功能基因及其調(diào)控酶與土壤磷組分解耦。

除C限制外，土壤中C的形態(tài)和數(shù)量直接調(diào)節(jié)微生物群落的組成和多樣性，碳驅(qū)動(dòng)的微生物結(jié)構(gòu)變化與土壤P轉(zhuǎn)化密切相關(guān)。一個(gè)更活躍、更豐富、更多樣化的土壤微生物群落可以促進(jìn)菌根的形成，并促進(jìn)更多有機(jī)酸和磷酸酶的分泌，從而增加土壤磷的有效性。同時(shí)，細(xì)菌群落組成的變化，如厚壁菌門（Firmicutes）和擬桿菌門（Bacteroidetes）等共養(yǎng)細(xì)菌的流行，可能會(huì)直接刺激P_i利用的潛力。此外，細(xì)菌類群之間的種間合作可以影響土壤磷組分的組成和大小，從而介導(dǎo)土壤磷周轉(zhuǎn)的生物地球化學(xué)過程。眾所周知，在初級(jí)演替過程中，土壤P組分往往更多地由P_O而不是P_i主導(dǎo)。然而，在植被演替過程中，微生物（尤其是細(xì)菌）在富磷土壤中作為先驅(qū)殖民者驅(qū)動(dòng)磷轉(zhuǎn)化的途徑仍然存在相當(dāng)大的不確定性，包括細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)或功能潛力變化的作用問題。對(duì)這些問題的深入了解將為理解富磷土壤中微生物介導(dǎo)的磷循環(huán)過程提供一個(gè)新的框架，從而提升初級(jí)演替理論。

本文以青藏高原東部海螺溝冰川時(shí)間序列為研究對(duì)象，揭示了該地區(qū)細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和磷循環(huán)功能基因的演替模式，揭示了細(xì)菌在初級(jí)演替過程中介導(dǎo)土壤磷循環(huán)的途徑。最近的一項(xiàng)研究發(fā)現(xiàn)，在初始裸露植被和早期植被階段，土壤中存在一定濃度的有機(jī)C，這為冰川前田的微生物群落定植和演替提供了基質(zhì)。從早期物種到后期植物群落的轉(zhuǎn)變深刻地改變了土壤中的微生物群落及其功能，特別是在根際環(huán)境中，微生物演替受到植物-土壤相互作用的強(qiáng)烈影響。此外，盡管原生礦物磷酸鹽的風(fēng)化速度很快，在初生演替過程中，土壤P_O積累隨微生物磷含量和土壤磷有效性的增加而顯著增加。因此，我們假設(shè)在富磷土壤中，細(xì)菌群落的結(jié)構(gòu)與土壤磷循環(huán)的關(guān)系比其功能與磷周轉(zhuǎn)的關(guān)系更密切。此外，我們提出細(xì)菌在演替的早期階段主要利用P_i組分，隨后在后期過渡到利用P_O化合物。因此，細(xì)菌可以在新暴露的土壤中啟動(dòng)土壤磷循環(huán)，但這種作用隨著土壤磷的耗竭和植物演替的發(fā)展而減弱。

研究方法：

采樣地點(diǎn)位海螺溝冰川年代序列，青藏高原東部貢嘎山東坡（圖1）。沿著時(shí)間序列選擇了6個(gè)演替階段和附近一個(gè)有成熟針葉林的參考地點(diǎn)。階段1和階段2（早期）分別于2010年和1980年裸露，由共生固氮物種黃芪和沙棘定殖。第3期和第4期（中期）分別于1970年和1958年裸露，最初以馬山楊樹和沙棘樹為主，現(xiàn)在以落葉樹楊樹和柳樹為主。第5期和第6期（后期）分別于1930年和1890年裸露，最初以黃芪/沙棘樹為主，后來以楊樹/柳樹為主，現(xiàn)在以針葉樹冷杉和短葉杉為主。參考樣地（成熟針葉林）暴露時(shí)間超過1400年，以蠶豆屬植物為主。在每個(gè)演替階段，隨機(jī)選擇4個(gè)10 m × 10 m的樣地（間距至少10 m）。

取樣是在生長(zhǎng)季節(jié)中期進(jìn)行的。測(cè)定了土壤物理化學(xué)性質(zhì)、土壤酶活性、真菌和細(xì)菌群落以及磷功能基因。

圖1 采樣地

主要研究結(jié)果：

1、土壤理化和生化性質(zhì)

在原始演替過程中，土壤條件發(fā)生了劇烈變化，主要表現(xiàn)為土壤養(yǎng)分水平的增加和磷的分布發(fā)生了顯著變化（表1，圖2）。SWC和pH在時(shí)間序列上發(fā)生了顯著變化，分別呈現(xiàn)出隨演替增加和減少的顯著趨勢(shì)。土壤有機(jī)碳濃度在第1階段最低，其他各階段均較高。土壤碳磷比隨演替呈顯著上升趨勢(shì)。當(dāng)?shù)厣现参镆怨痰?/span>1-2階段，早期）和落葉物種（3-4階段，中期）為主時(shí)，TP和P_i的濃度顯著高于5-6階段（后期）。對(duì)于P_O和ASP，在第1階段后增加，在第5-6階段穩(wěn)定在較低水平，然后在參考點(diǎn)略有增加。

表1 海螺溝冰川前田不同演替階段土壤關(guān)鍵性質(zhì)特征及其優(yōu)勢(shì)植物種類

圖2  土壤中TP、P_O、P_i和ASP的濃度沿時(shí)間順序和參考點(diǎn)

同樣，包括生物量和外泌酶活性在內(nèi)的土壤微生物活動(dòng)也顯示出明確的演替模式（表1，圖3）。從第1階段到第2階段，MBC和MBP濃度顯著增加，然后隨著演替而顯著降低，特別是在土體中。MBC:P和MBC:P:SoilC:P的比值在時(shí)間序列上沒有差異，除了在第1階段大塊土壤中有一個(gè)較高的值。根際土壤中BG + CBH （C‐獲取酶）活性在第1階段到第2階段顯著增加，而在第4階段大塊土壤和參考點(diǎn)根際土壤中顯著降低。AP （P‐獲取酶）活性隨著演替階段的增加而增加，但參考位點(diǎn)的AP活性較低。EEAC:P比值在第2-4階段被觀察到相對(duì)較高。C -和P -獲取酶的效率隨著演替階段的增加而增加，在第3-4階段在普通土壤中達(dá)到峰值，在第5-6階段在根際土壤中達(dá)到峰值，具有邊際顯著性，而在參考位點(diǎn)則較低。

圖3 土壤酶活性和微生物生物量

2、微生物群落組成和共生網(wǎng)絡(luò)

微生物群落結(jié)構(gòu)，如多樣性、組成和種間相互作用，在演替的各個(gè)階段都是不同的（圖4）。在根際和土體中，Chao1和Shannon指數(shù)表明的細(xì)菌多樣性從第1階段到第4階段都有所增加，然后在以針葉樹為主的更古老的冰期后期中一致降低。根據(jù)PCoA，細(xì)菌群落組成在連續(xù)階段之間存在巨大而明顯的差異。具體而言，與所有其他階段相比，細(xì)菌群落在第1階段（草本植物優(yōu)勢(shì)）表現(xiàn)出明顯的差異性，在第2-4階段（灌木或落葉物種優(yōu)勢(shì)）表現(xiàn)出相似性，并且在第5-7階段（針葉樹物種優(yōu)勢(shì)）再次表現(xiàn)出獨(dú)特性。在根際和塊狀土壤中，Proteobacteria（30% ~ 48%）、Actinobacteria（2.6% ~ 11%）、Bacteroidetes（4.2% ~ 12%）、Chloroflexi（0.37% ~ 6.9%）和Gemmatimonadetes（0.29% ~ 1.3%）的相對(duì)豐度呈下降趨勢(shì)，Acidobacteria (（9.2% ~ 46%）、Verrucomicrobia（0.69% ~ 3.4%）和Omnitrophicaeota（0.04% ~ 1.2%）的相對(duì)豐度呈上升趨勢(shì)，而Plantomycetes（5.1% ~ 11%）、Patescibacteria（0.47% ~ 2.1%）和Nitrospirae（0.02% ~ 1.4%）的相對(duì)豐度呈拋物線型。隨著演替階段的增加，最豐富的細(xì)菌門從Proteobacteria轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>Acidobacteria。

在演替的早期、中期和后期階段，根據(jù)不同地點(diǎn)的物種分組構(gòu)建了細(xì)菌共生網(wǎng)絡(luò)。在這些網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)數(shù)在123 ~ 846之間，連接數(shù)在66 ~ 1174之間，其中80%為正相關(guān)（圖5）。與塊狀土相比，根際土在網(wǎng)絡(luò)中具有更多的節(jié)點(diǎn)和連線，特別是在早期和中期。在門和綱水平上，Proteobacteria、Acidobacteria和Planctomycetes以節(jié)點(diǎn)為主，且節(jié)點(diǎn)在不同分類群中的比例隨演替發(fā)生顯著變化。此外，由自然連通性表示的網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性在后期相對(duì)于早期有所下降。如果從網(wǎng)絡(luò)中刪除隨機(jī)節(jié)點(diǎn)，則每個(gè)階段的連通性明顯下降，范圍相似。同時(shí)，無論是否移除部分節(jié)點(diǎn)，早期的網(wǎng)絡(luò)連通性都大于中后期。

圖4 細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)沿時(shí)間順序和參考位點(diǎn)的變化

圖5  演替早期、中期和后期根際和塊狀土壤細(xì)菌群落共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及穩(wěn)健性分析

3、細(xì)菌P -循環(huán)功能基因

根據(jù)定量的絕對(duì)基因豐度，我們?cè)u(píng)估了P -循環(huán)基因在演替過程中的比例、豐度和組成的演替模式（圖6）。在8個(gè)P -循環(huán)功能基因中，P_O -礦化基因（phnK、phoD、bpp和phoX）占80%-91%，平均：84%。在根際和塊狀土壤中沿時(shí)間順序均占主導(dǎo)地位，其次是polyP‐水解基因（ppx，7.2%-15%， 12%）， P_i‐溶解基因（pqqC，0%-8.2%，4.0%），然后是polyP‐生物合成基因（ppk3， 0%-0.24%， 0.11%）。NMDS分析顯示，在演替階段中，P循環(huán)基因的組成存在顯著差異?？偟膩碚f，除了第3-4階段外，根際和大塊土壤中P循環(huán)基因的絕對(duì)豐度相似。根際土壤中P_O礦化和polyP水解基因豐度隨演替階段的增加而降低，而塊狀土壤中P_O礦化和polyP水解基因豐度隨演替階段的增加呈拋物線型變化。具體而言，在第3階段的塊狀土壤和第4階段的根際土壤中，P_O礦化（phnK、phd）、P_i增溶和polyP生物合成的基因豐度更高。

圖6 細(xì)菌磷循環(huán)功能基因沿時(shí)間序列和參考位點(diǎn)的演替模式

4、細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和磷循環(huán)基因與土壤磷含量的相關(guān)性

我們使用Mantel檢驗(yàn)來破譯細(xì)菌群落組成和磷循環(huán)潛力（P_O礦化和polyP水解基因的絕對(duì)豐度）與土壤P組分之間的關(guān)系（圖7）。在根際和塊狀土壤中，我們觀察到群落組成與土壤P組分（包括TP、ASP、P_O和P_i）之間存在顯著相關(guān)性（Mantel’s  P < 0.01）。而根際土壤中磷循環(huán)基因豐度僅與P_O和P_i呈顯著相關(guān)（Mantel’s  P < 0.05）。根際土壤P_O礦化基因豐度與土壤有機(jī)碳、MBC和BG + CBH呈顯著相關(guān)（Mantel’s  P < 0.05），而塊狀土壤P_O礦化基因豐度與土壤有機(jī)碳、MBC和BG + CBH呈顯著相關(guān)（P < 0.05）。分類群-基因-磷網(wǎng)絡(luò)顯示，土壤磷含量與細(xì)菌分類群相關(guān)，而不是與磷循環(huán)基因相關(guān)（圖6a）。在根際和塊狀土壤中，在演替過程中，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)和連接數(shù)都在減少，細(xì)菌類群與土壤磷組分的相關(guān)性在根際土壤中強(qiáng)于塊狀土壤（中間階段除外）。此外，我們觀察到細(xì)菌分類群與P_O在中后期有顯著的相關(guān)性。隨機(jī)森林分析表明，P_O和細(xì)菌群落組成（尤其是Actinobacteria、Verrucomicrobia、Acidobacteria、Gammaproteobacteria、Bacteroidia和Deltaproteobacteria）是ASP變化的良好預(yù)測(cè)因子（圖8）。此外，我們發(fā)現(xiàn)與P循環(huán)基因相關(guān)的細(xì)菌類群在塊狀土壤中比在根際土壤中更多，并且類群-基因共發(fā)生網(wǎng)絡(luò)中的鏈接和節(jié)點(diǎn)數(shù)量隨著演替而減少。Proteobacteria、Acidobacteria和Plantomyetes等細(xì)菌群落與P_O礦化、P_i溶解、polyP水解和生物合成基因密切相關(guān)。

圖7 根際(a)和塊狀(b)土壤中細(xì)菌群落組成、P_O礦化和polyP水解基因豐度與土壤理化生化特性的相關(guān)性

圖8 原生演替過程中細(xì)菌群落和磷循環(huán)基因與土壤磷組分共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可視化以及土壤有效磷的潛在驅(qū)動(dòng)因素

結(jié)論：

本研究表明細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)在冰川退縮后啟動(dòng)土壤P循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用。在富磷高寒土壤中，無論演替階段如何，細(xì)菌對(duì)P_O礦化的高潛力可能更多地是由于細(xì)菌對(duì)C的需求而不是對(duì)P的需求。這些發(fā)現(xiàn)從功能角度提出了富磷土壤中P_O礦化是一個(gè)雙元素（C和P）生物礦化過程的概念。此外，細(xì)菌分類中豐度和功能成分主要控制土壤磷周轉(zhuǎn)，盡管它們動(dòng)員磷的能力隨著土壤磷的耗竭而下降。在全球變暖和人為干擾加劇的背景下，該研究對(duì)理解細(xì)菌群落在早期生態(tài)演替中的作用以及管理微生物資源以恢復(fù)富磷退化生態(tài)系統(tǒng)具有重要意義。此外，研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了將注意力轉(zhuǎn)向冰川退縮后新興生態(tài)系統(tǒng)中微生物介導(dǎo)的C和P耦合動(dòng)力學(xué)的重要性，這可能會(huì)加速全球冰川前期土壤有機(jī)質(zhì)的退化。