《Arctic, Antarctic, and Alpine Research》：The geoecological development of soil microbial communities following glacier retreat
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本文研究了瑞士Bricola冰川前缘土壤细菌群落沿180年时间序列的演变，揭示了微生物多样性在冰川消退初期下降而非上升的新模式，并阐明了土壤发育（pH下降、碳氮积累）与季节动态是驱动群落组成变化的关键因素，为理解二十一世纪加速冰川退缩背景下的前缘生态系统形成机制提供了重要见解。
引言
自小冰期结束以来，冰川和冰盖的退缩暴露了大片前缘区域，这些区域迅速发育成新的生态系统。在这些环境中，土壤微生物（细菌、古菌）比高等生物受营养匮乏和干扰的限制更小，成为最早的定殖者。它们驱动的生物地球化学变化开启了土壤发生过程。通常通过时间序列来研究冰川前缘生态系统的发育，但土壤微生物组的生态轨迹以及当地环境因素对群落组成的影响仍不清楚。本研究调查了瑞士西南部Bricola冰川前缘沿180年时间序列的细菌群落组成，重点关注沉积物微生物学、地球化学和环境背景之间的联系。
微生物在冰川消退区土壤形成中的作用
冰川消退后露出的冰碛物通常质地粗糙，持水能力低，有机质含量贫乏。高频度、高强度的扰动限制了维管植物等高等生物的定殖。因此，新暴露区域的先驱生命形式通常是微生物（如细菌、古菌）。它们作为生态系统工程师发挥着关键作用，即使在冰川消退后不久也能贡献碳(C)和氮(N)的固定，通过化能无机营养作用释放阳离子，并通过形成生物膜垫提高土壤持水能力，甚至在稳定冰碛物方面发挥作用。微生物的活动触发了生物地球化学变化，允许土壤形成和生态演替，但也改变了环境生态位，导致群落和功能多样性的丧失。
时间序列研究方法及其局限性
时间序列研究是评估冰川消退后生态系统发展的经典方法，其中距离冰川前缘的距离近似代表暴露时间。然而，这种“空间换时间”的替代方法在空间异质性高的环境中存在争议。它依赖于沿样带每个地点都遵循相似发展轨迹的假设，即生物和非生物过程平行演化，这被称为“生态趋同”。但冰川前缘的非生物条件具有高度的时空变异性，可能影响微生物群落组合。此外，季节性动态（如积雪覆盖、融雪期、夏季）和地形等因素增加了复杂性，可能挑战基于时间序列方法的假设。
研究空白与研究假设
尽管对冰川前缘微生物演替的兴趣日益增长，但很少有研究同时考察生物地球化学与动态环境驱动因素（如地貌扰动、季节变化、太阳辐射）在塑造微生物多样性中的作用。本研究通过检验时间序列方法在评估冰川退缩后土壤性质和微生物组演化方面的相关性来弥补这一空白。我们假设土壤微生物群落和土壤性质应遵循趋同的轨迹，时间序列方法才具有相关性；否则，局部环境驱动因素会干扰生态演替模型。
方法
研究区域：Bricola冰川前缘位于瑞士西南部阿尔卑斯山，海拔2581至2932米之间。该区域岩性均一，主要由富含多硅白云母和黑云母的片麻岩等富硅岩石组成。前缘包含了多种冰缘地貌和清晰的土壤发育环境梯度。选择该区域是因为其高海拔和低植被覆盖率，这意味着DNA和生物地球化学参数主要归因于土壤微生物活动，便于在没有复杂植物-微生物相互作用的情况下研究演替模式。
地点选择与沉积物采样：在2023年6月21日至10月17日期间，每月进行一次，共进行了五次野外采样。根据历史地形图和正射影像确定了五个土壤暴露年龄等级。在每个年龄等级内选择2到4个地点作为空间重复。在每个采样点的2×2米区域内，采集0-10厘米深度的沉积物样本，混合均匀后送至实验室。
DNA提取、定量与测序：使用改进的QIAGEN DNeasy PowerSoil Pro Kit从沉积物中提取DNA。对16S rRNA基因的V4区进行靶向扩增，使用Illumina MiSeq平台进行测序。使用DADA2 R包推断扩增子序列变体(ASVs)，并利用SILVA数据库进行分类。
环境数据分析：测量或计算了土壤含水量、土壤温度、潜在太阳辐射、降水量等地形和季节性变量。分析了土壤粒度、交换性酸度、磷含量、有机碳含量、总氮含量和pH值等地球化学因素。
统计分析：所有统计分析在RStudio中进行。使用MicroViz包生成微生物群落组成热图。计算了属水平的物种丰富度和香农(Shannon)、辛普森(Simpson)多样性指数。通过Spearman相关和Kruskal-Wallis检验评估环境变量与距离冰川前缘距离及采样月份的关系。使用主成分分析(PCA)和基于距离的冗余分析(db-RDA)将群落组成与环境数据联系起来，并通过PERMANOVA评估每个环境约束的贡献。
结果
土壤微生物学：研究发现DNA浓度与距冰川前缘的距离存在明确关系，在前缘浓度较低，随着距离增加呈拟对数增长。ASVs数量随距离略有增加。共恢复了9211个ASVs，其中99.1%被鉴定为细菌，0.9%为古菌。最丰富的类群包括放线菌门、变形菌门、疣微菌门、酸杆菌门、拟杆菌门、绿弯菌门和蓝细菌门。群落组成在类水平上的差异与冰川退缩日期等级相关，靠近冰川前缘的地点与其他地点差异明显。物种丰富度在空间或时间上没有特别趋势，但属水平的多样性在冰前缘范围内随着距离冰川前缘的增加而迅速下降。参考站点（冰前缘外）的多样性值与近期退缩站点相似，但细菌群落组成存在显著差异。七月采集的样本多样性较低，且土壤温度与多样性呈显著负相关。
非生物因素：BGF的样本主要由砂质材料组成，粘土含量低。大多数地球化学变量与距冰川前缘的距离显著相关。总有机碳和总氮含量随暴露年龄增加呈对数增长，土壤pH值从6下降到4.5，交换性酸度增加，土壤磷含量线性增加。土壤地球化学未表现出显著的季节性趋势。月平均地温随距冰川前缘距离增加而显著升高。模拟的潜在太阳辐射在六月和七月最高，随后月份显著下降，同时地表温度下降了4.7°C。土壤含水量与降水量密切相关，但呈非线性响应。
土壤微生物组成与环境过程的联系：主成分分析(PCA)的前五个维度解释了82.7%的变异性，其中前两个轴分别与土壤发育程度和季节性相关。基于距离的冗余分析(db-RDA)显示，土壤化学（土壤pH、交换性酸度、磷、有机碳和氮）以及季节性和粒度是显著控制细菌群落组成的变量。土壤发育是解释时间序列中β多样性的最主要贡献者，季节性和粒度分别对第二轴有贡献。这些维度共同解释了采样点之间41.9%的细菌群落差异。
讨论
冰川前缘微生物的生态演替：研究结果表明，随着冰川退缩后的时间推移，BGF沿线的细菌群落组成发生了明显变化。最近暴露的沉积物（少于13年）中，放线菌、热酸菌纲、α-变形菌纲和蓝细菌门等自养类群丰富，它们能够在寒冷贫营养条件下定殖并启动生态演替。蓝细菌在退缩后10至77年的地点占主导，在较老的土壤中显著下降。随着冰川退缩时间增加，属水平的多样性下降，这可能是因为初始类群被更适应土壤发育后期阶段或更高温度的类群所取代。例如，绿弯菌门中的Ktedonobacteria纲的丰度随暴露年龄显著增加。在超过77年的土壤中，异养生物如疣微菌门、嗜酸菌门或共生拟杆菌门占主导。观察到的多样性下降趋势可能源于物种替代和微生境变化的共同作用。与全球尺度上细菌丰富度在0-100年间线性增加然后达到平台期的普遍趋势不同，本研究中观察到的多样性下降可能与BGF的低植被覆盖有关。
土壤随冰川消退时间的平行发育：土壤地球化学随着距冰川前缘距离（即冰川消退时间）的增加而发生显著变化。在冰川消退后的15至115年间，土壤DNA、有机碳、氮和磷含量呈对数增长，土壤pH值下降约两个单位，交换性酸度增加。这些变化可能通过栖息地过滤解释了观察到的生物多样性下降。土壤有机质的微生物循环和先驱植物释放的酸导致生境酸化，有利于嗜酸细菌的建立。研究发现，一些属如Acidothermus和Acidicaldus以及酸杆菌门的丰度随时间显著增加。研究使用PCA来考虑空间自相关并理解空间变异性，结果显示从Bricola冰川到小冰期冰碛物存在清晰的连续体，其中冰碛物区域由于质地粗糙和沉积物移动频率高，表现出更高的非生物变量变异性。
将环境过程整合到微生物时间序列中：尽管对时间序列中生态轨迹尚无共识，但将土壤微生物学、地球化学、季节性和地形联合分析有助于约束生态演替。db-RDA分析表明，土壤化学以及季节性和粒度是显著控制细菌群落组成的变量。土壤发育是最显著的贡献者，其中碳、氮和磷含量的贡献最大，表明养分限制是冰川退缩后微生物初始建立的主要约束。季节性的贡献也很显著，七月较高的温度和降水量可能导致地表径流扰动基质，从而造成短时间尺度的多样性下降。地形在本研究中并未显著解释微生物群落的差异，这可能是因为BGF扰动程度较低，有利于竞争性类群的发展而非耐胁迫类群。然而，地形可能通过控制细颗粒比例、积雪分布或土壤发育程度间接发挥作用。
结论
冰川前缘常用的“空间换时间”替代法依赖于每个地点在冰川退缩后随时间发生相似演变的假设。BGF的研究结果表明，无植被覆盖的冰川前缘细菌群落可能经历强烈的多样性下降，这可能是由于竞争和缺乏扰动所致。同时，冰前缘沉积物细菌群落在时间序列上经历了根本性的组成转变，这可以由（微生物介导的）变化的沉积物和土壤化学以及局部环境背景（如季节性和粒度）来解释。将这些过程整合到时间序列方法中，对于更好地约束生态演替至关重要。此外，冰川退缩后迅速发现的光合自养和耐冷类群，以及有机碳和氮产量的增加，支持了土壤微生物作为生态系统工程师的假设，它们促进了更具竞争力的类群乃至植物的发育。在二十一世纪冰川加速退缩的背景下，本研究结果表明，微生物介导的生物地球化学变化可能驱动生态系统的发展。
