王晓东 王 晖 王 甦 孔 静 石益海 成 扬 吕 飒 朱风尚 朱 峰 刘 红 刘 晖 刘鸿凌 许 钟 孙 航 阳学风 苏永华 杜锡林 李 海 李 智 李 巍 杨 力 杨 田 杨志云 杨 玲 杨积明 吴河水 吴 健 张丽军 张丽菊 张宏伟 张国梁 陈平圣 陈国凤

[背景]锡林河-河滨湿地-阶地草原是蒙古高原典型草原区代表性的水生-湿生-陆生生境,但不同生境中反硝化菌群的空间分布特征尚不明晰.[目的]阐明典型草原区不同生境反硝化菌群的组成、丰度、空间分布特征及异质性成因.[方法]利用16S rRNA基因测序研究锡林河流域水生、湿生、陆生生境6个样带沉积物/土壤细菌群落组成及相对丰度.基于2014年及以前文献报道的反硝化细菌及16S rRNA基因信息构建参比菌库,筛选生境关联的反硝化菌属.通过典范对应分析等探究反硝化菌群空间异质性成因.[结果]参比菌库包含80种反硝化细菌(65个属),6个样带测序获得的469个细菌属中36个为反硝化细菌属.3种生境共存的反硝化细菌有14个属,其中黄杆菌属(1.65％?14.17％)和噬氢菌属(1.56％?1.69％)是水生和湿生生境共有的优势菌,假单胞菌属(1.85％)是低河漫滩样带的优势菌.空间分布特征显示反硝化菌群沿水生-湿生-陆生生境呈现先升后降的分布趋势,在低河漫滩湿地达到最高值.典范对应分析表明:黄杆菌属、噬氢菌属、气单胞菌属、鞘氨醇单胞菌属等与pH值、水分及沙粒含量呈正相关关系,而芽孢杆菌属、链霉菌属、马杜拉放线菌属等与粘粒、粉粒、有机质、总氮含量等呈正相关关系.[结论]典型草原区反硝化菌群组成及丰度具有明显的生境异质性,低河漫滩湿地是反硝化细菌生长繁殖的最佳生境,由颗粒组成、水分含量和pH等环境因子共同驱动.

锡林河流域作为内蒙古典型草原最具代表性的区域,研究其草地生物量的动态变化特征及其与环境因子的关系,可以为草地生态系统碳循环研究提供基础数据,同时为草地的合理利用和管理提供理论支撑.本研究以半干旱草原型流域——锡林河流域为对象,基于野外实测数据,运用相关分析、分类回归树、非线性回归分析方法,定量分析了流域上游和下游不同时间(2016年6月20日、7月5日、7月20日、8月6日左右)地上生物量与其关键驱动因子的关系.结果 表明:(1)随着生长季的推进,地上生物量在7月变化最为显著,并在8月6日达到极值,上、中、下游的地上生物量分别为79.64、74.87、69.34 g·m-2;空间上呈现从东南向西北减小的趋势.(2)影响流域上游不同时间地上生物量的关键因子分别是4月的降水量、7月5日的土壤含水量、7月20日的土壤含水量、8月6日的Simpson指数,除Simpson指数对地上生物量为负效应外,其余因子对地上生物量均有显著的正效应;对应关键因子分别可解释地上生物量变异的77％、72％、79％、65％.(3)经度、6月的降水量、7月的降水量、7月的降水量分别与下游6月20日、7月5日、7月20日、8月6日左右的地上生物量呈显著二次正相关关系;对应关键因子分别可解释地上生物量变异的88％、75％、85％、82％.该研究结果可为今后分析较大尺度上生物量的时空变异特征提供案例参考,同时也可为草地生态系统的深入研究及长期监测提供数据累积.

[背景]硝化螺菌属(Nitrospira)驱动的全程及半程硝化过程在全球氮循环中发挥关键作用,但关于锡林河流域Nitrospira的生态位分化和环境驱动力及其可能发挥的全程硝化功能尚不明晰.[目的]阐明锡林河流域不同生境Nitrospira的生态位分化及环境驱动力,探究可能的全程硝化功能.[方法]利用16S rRNA基因高通量测序及生物信息学分析研究不同生境沉积物及土壤Nitrospira类群的组成、丰度、生态位分化及其环境驱动力,并预测其全程硝化功能.[结果]共检测到9类Nitrospira,其中Nitrospira1、2、4主要分布在旱生环境,与沙粒、水分含量、pH及氨氮间存在负相关关系,与硝态氮、可溶性盐、总有机碳、全氮、全磷、粉粒和粘粒含量间存在正相关关系;Nitrospira5、6、7、8、9主要分布在水生及湿生环境,与粉粒等存在负相关关系,与沙粒等存在正相关关系(Nitrospira9与氨氮存在负相关除外);Nitrospira 3优先分布在河床中心水生环境,仅与沙粉粒含量存在正相关关系,与其他环境因子存在负相关关系.[结论]锡林河流域Nitrospira类群有明显的生态位分化和广泛的生境适应性.Nitrospira1、2、4最适于营养相对丰富的旱生环境;Nitrospira 5、6、7、8、9最适于相对寡营养的水生及湿生环境;Nitrospira 3偏爱粉沙、自由水及低氨寡营养水生环境.粉粒含量、可溶性盐和氨氮是导致Nitrospira类群生态位分化及空间分异的最主要环境驱动力.推测Nitrospira3很可能是驱动全程硝化的完全氨氧化菌(comammox),而Nitrospira1、2、4、5、6、7、8、9是否为Comammox有待探究.

生态系统稳定性已经成为研究的热点,对于认识生态系统功能,科学进行生态系统管理提供了重要的理论基础.本文结合内蒙古锡林河流域羊草(Leymus chinensis)草原放牧退化演替特征,建立了适用于该区的结构-功能状态转变模型,综述了羊草草原放牧退化演替过程中出现的几种草地生态系统状态及其相互之间的转变条件及特征,并阐述了该区草地生态系统的不稳定性和利用方式的不合理性.由状态转变模型可知,内蒙古羊草草原退化演替过程中出现了4种不同退化状态,其中,不退化的羊草+杂类草、轻度退化的羊草+针茅和中度退化的羊草+糙隐子草3种群落具有相似的环境特征,且这3种状态之间既可正向也可负向相互转化.但是,当草地进一步退化到冷蒿群落时,群落结构和功能将会发生较大的变化,且环境条件也严重恶化.因此,冷蒿群落的恢复,可能无法完成向前一个状态糙隐子草群落的演替,而是出现一种新的功能较低的群落类型.

[目的]为了阐明锡林河不同景观要素间疣微菌群的空间分布异质性及环境驱动力.[方法]本文基于生境及微地形差异选择水生的河床中心、河床边缘与牛轭湖床,湿生的低河漫滩与高河漫滩,旱生的低阶地与高阶地等景观要素,基于16S rRNA基因高通量测序技术研究不同景观要素土壤疣微菌群的景观异质性,结合土壤湿度等环境变量研究其驱动力.[结果]景观要素内疣微菌群呈协同的分布特征,景观要素间呈趋异的分布特征.斯巴达杆菌纲的Chthoniobacter成员及疣微菌纲的突柄杆菌属等成员主要分布在水生河床中心,与砂粒含量存在显著正相关关系(P＜0.05);丰祜菌纲成员主要分布在湿生河漫滩,与pH存在正相关关系(P＜0.05或P＞0.05);斯巴达杆菌纲的DA101_soil_group成员主要分布在旱生河流阶地,与盐度及养分含量等存在极显著正相关关系(P＜0.01).双组与三组环境变量的变异权重分析表明,湿度、盐度、pH对疣微菌群景观异质性的解释度分别高达24.7％与21.4％、24.3％与22.7％、23.1％与20.8％.[结论]锡林河流域疣微菌群存在景观异质性.Chthoniobacter和突柄杆菌属等成员是河床中心景观要素的指示生物,DA101_soil_group是阶地景观要素的指示生物.湿度、盐度、pH协同驱动疣微菌群的景观异质性.

[目的]为了探究锡林河流域中游不同植被带土壤绿菌门(Chlorobi)成员的空间分布特征及驱动因子.[方法]本文选择典型河滨带环境为研究对象,沿河流中心至河流阶地(陆向)方向,在无植被带(BC)、水莎草沼泽(BS)、灯芯草沼泽化草甸(LF)、鹅绒委陵菜草甸(HF)、河流阶地羊草草原(LT)、丘陵坡地大针茅典型草原(HT)中分别采集0-10 cm土壤样品.基于16S rRNA基因高通量测序分析土壤绿菌门微生物群落的组成、丰度及空间分布特征;结合土壤理化因子分析绿菌门微生物群落空间异质性的驱动因子.[结果]在属水平上共检测到来自绿菌目(Chlorob iales)和Ignavibacteriales目的9个类群.Chlorobiales1、2、6及Ignavibacteriales7、9类群的最高相对丰度低于0.40％;Ignavibacteriales3、4、5、8类群的最高相对丰度介于0.54％-1.06％.Chlorobiales1、2类群在HF、LT和HT的相对丰度显著高于BS (P＜0.05),Chlorobiales1类群的相对丰度与pH和总有机碳含量呈极显著正相关(P＜0.01);Chlorobiales2类群的相对丰度与粉黏粒含量呈极显著正相关(P＜0.01);Ignavibacteriales3、5、7、9和Ignavibacterium4类群在LF的相对丰度显著高于BC (P＜0.05),与含水量呈极显著正相关(P＜0.01);Chlorobiales6和Ignavibacteriales8类群在BS的相对丰度显著高于其他植被带(P＜0.05),与氨态氮含量呈极显著正相关(P＜0.01).变异权重分析表明,土壤含水量解释了绿菌门微生物群落空间变异的65.7％.[结论]锡林河流域不同植被带土壤绿菌门微生物群落存在明显的空间异质性;土壤含水量是不同植被带绿菌门微生物群落空间异质性的主要驱动因子.

[目的]为探明锡林河流域潜在不产氧光合细菌(anoxygenic photosynthetic bacteria,AnPB)的陆向分异特征及影响因素.[方法]本研究沿着陆向梯度依次采集水生湍流带、缓流带、滞流带、水偏湿生样带、湿偏旱生样带、旱生样带土壤样品.基于文献建立AnPB在科水平的数据库,运用16SrRNA基因高通量测序筛选科水平潜在AnPB类群及其组成丰度的陆向分异,运用皮尔逊相关性及冗余分析等研究土壤理化因子对潜在AnPB陆向分异的影响.[结果]紫色硫细菌(外硫红螺菌科)和紫色非硫细菌(红杆菌科、红环菌科、醋酸杆菌科、丛毛单胞菌科、全噬菌科)主要分布在水生及水偏湿生生境,其相对丰度与湿度呈显著(P＜0.05)或极显著(P＜0.01)正相关关系;紫色非硫细菌(红螺菌科、慢生根瘤菌科、生丝微菌科、红菌科)、芽单胞菌科、酸杆菌科、绿色非硫细菌(蔷薇菌科)等主要分布在湿偏旱生和旱生环境中,其相对丰度与盐度和全氮含量呈显著(P＜0.05)或极显著(P＜0.01)正相关关系;多元回归树分析显示,盐度、湿度、全氮对潜在AnPB陆向分异的总解释度分别为62.39％、14.01％、12.68％;结构方程模型拟合结果显示,盐度对红环菌科及全氮和湿度对红杆菌科均发挥正向直接作用.[结论]锡林河流域潜在AnPB具有明显的陆向分异规律,盐度、湿度、全氮是直接或间接驱动潜在AnPB陆向分异的主要环境因子.[意义]该研究结果有助于加深对锡林河流域AnPB生物多样性与生态系统功能的认识,为减少大气中CO2排放和增加土壤固碳提供科学依据.

[目的]为了探究土壤稳定性有机碳组分和优势细菌门类的陆向分布特征及相关性.[方法]本文选择锡林河流域沿着由水及陆的方向依次采集长期性水流、季节性水流、长期性无水流的湿地及旱地土壤,基于国际腐殖物质协会推荐的方法和16S rRNA基因高通量测序技术分别检测土壤稳定性有机碳组分(富里酸、胡敏酸、胡敏素)含量和优势细菌门类的相对丰度,结合Pearson相关性及冗余分析和结构方程模型研究两者的相关性.[结果]三类稳定性有机碳及酸杆菌门、放线菌门、芽单胞菌门呈大致升高的陆向分布趋势,在长期性无水流的旱地土壤中达到峰值;拟杆菌门则呈现降低的陆向分布趋势.结果显示,芽单胞菌门、酸杆菌门和放线菌门作为长期性无水流旱地土壤的优势细菌门类与胡敏酸、胡敏素含量存在显著(P＜0.05)或极显著(P＜0.01)正相关关系;拟杆菌门作为长期和季节性水流湿地土壤的优势菌门与富里酸、胡敏酸、胡敏素的含量均呈极显著(P＜0.01)负相关关系.结构方程模型结果显示,稳定性有机碳组分与优势细菌门类间存在直接和间接作用.[结论]锡林河流域土壤稳定性有机碳组分及优势细菌门类存在陆向分布特征,稳定性有机碳的升高与芽单胞菌门、酸杆菌门、放线菌门有关,其降低与拟杆菌门的增加有关.