长期的大气金属沉积会改变半干旱沙质生态系统中的生物结皮细菌群落以及土壤的多功能性

《Plant and Soil》：Long-term atmospheric metal deposition alters biocrust bacterial communities and soil multifunctionality in semi-arid sandy ecosystems

生物土壤结皮对长期燃煤重金属粉尘输入的功能响应及微生物驱动机制研究。通过设立高沉积区（PLI=1.68）和参考区（PLI=0.92）的藻类、混合及苔藓生物结皮样方，结合高通量测序和PLS-PM模型分析，发现高沉积区生物结皮多功能性显著提升，尤其苔藓结皮。长期重金属输入导致藻类结皮细菌丰富度与多样性增加，而混合和苔藓结皮则降低。微生物群落中Actinobacteria和Proteobacteria相对丰度升高，Bacteroidetes和Cyanobacteria下降。PLS-PM表明参考区重金属直接促进多功能性，高沉积区则通过抑制土壤因子间接增强。关键物种从K策略Proteobacteria转向耐应力Cyanobacteria和Bacteroidetes。

　　

摘要

目的

通过大气沉降输送的重金属是陆地生态系统的主要压力源。作为土壤-大气边界上的“活皮肤”，生物土壤壳（biocrusts）直接暴露在富含金属的尘埃沉积中，可以作为大气金属输入的敏感生物指示器。然而，我们对生物土壤壳如何响应长期来自煤炭的大气金属沉降以及微生物在此过程中所起作用的理解仍然有限。本研究探讨了生物土壤壳对持续金属富集尘埃输入的功能性响应，并阐明了金属沉降、细菌群落和土壤多功能性之间的联系途径。

方法

在中国西北部的一个半干旱沙质生态系统中，我们沿着主导风向，在一座燃煤电厂周围设立了一个高沉降区域（PLI = 1.68）和一个参考区域（PLI = 0.92），并在每个区域设置了藻类、混合（藻类+苔藓）和苔藓生物土壤壳的重复实验地块。使用高通量测序技术对细菌多样性和群落组成进行了分析。随机森林分析用于识别影响土壤多功能性的微生物预测因子，偏最小二乘路径模型（PLS-PM）被用来推断金属沉降水平、土壤多功能性和微生物群落属性之间的因果关系。

结果

高金属沉降区域的生物土壤壳表现出显著更高的多功能性，其中苔藓生物土壤壳的增强效果最为明显。长期金属沉降增加了藻类生物土壤壳中的细菌丰富度和多样性，但降低了混合和苔藓生物土壤壳的这两项指标。细菌预测因子显示了对金属富集尘埃的特定响应：放线菌和变形菌的相对丰度增加，而拟杆菌和蓝细菌则减少。PLS-PM分析表明，在参考区域，金属输入直接且正向地影响了多功能性；而在高沉降区域，这种直接影响消失了，取而代之的是一种间接途径，即金属沉降通过抑制土壤因素来增强多功能性。在金属沉降增加的情况下，关键微生物类群从K-策略型变形菌转变为耐逆境的蓝细菌和拟杆菌。

结论

在受长期大气排放影响的地区，生物土壤壳充当了土壤的“守护者”。通过重新组织优势微生物群体的功能角色，它们能够适应持续的来自煤炭的金属输入，并维持土壤的多功能性。因此，生物土壤壳在作为指示器和减轻退化工业景观中重金属污染的途径方面具有巨大潜力。

目的

通过大气沉降输送的重金属是陆地生态系统的主要压力源。作为土壤-大气边界上的“活皮肤”，生物土壤壳（biocrusts）直接暴露在富含金属的尘埃沉积中，可以作为大气金属输入的敏感生物指示器。然而，我们对生物土壤壳如何响应长期来自煤炭的大气金属沉降以及微生物在此过程中所起作用的理解仍然有限。本研究探讨了生物土壤壳对持续金属富集尘埃输入的功能性响应，并阐明了金属沉降、细菌群落和土壤多功能性之间的联系途径。

方法

在中国西北部的一个半干旱沙质生态系统中，我们沿着主导风向，在一座燃煤电厂周围设立了一个高沉降区域（PLI = 1.68）和一个参考区域（PLI = 0.92），并在每个区域设置了藻类、混合（藻类+苔藓）和苔藓生物土壤壳的重复实验地块。使用高通量测序技术对细菌多样性和群落组成进行了分析。随机森林分析用于识别影响土壤多功能性的微生物预测因子，偏最小二乘路径模型（PLS-PM）被用来推断金属沉降水平、土壤多功能性和微生物群落属性之间的因果关系。

结果

高金属沉降区域的生物土壤壳表现出显著更高的多功能性，其中苔藓生物土壤壳的增强效果最为明显。长期金属沉降增加了藻类生物土壤壳中的细菌丰富度和多样性，但降低了混合和苔藓生物土壤壳的这两项指标。细菌预测因子显示了对金属富集尘埃的特定响应：放线菌和变形菌的相对丰度增加，而拟杆菌和蓝细菌则减少。PLS-PM分析表明，在参考区域，金属输入直接且正向地影响了多功能性；而在高沉降区域，这种直接效应消失了，取而代之的是一种间接途径，即金属沉降通过抑制土壤因素来增强多功能性。在金属沉降增加的情况下，关键微生物类群从K-策略型变形菌转变为耐逆境的蓝细菌和拟杆菌。

结论

在受长期大气排放影响的地区，生物土壤壳充当了土壤的“守护者”。通过重新组织优势微生物群体的功能角色，它们能够适应持续的来自煤炭的金属输入，并维持土壤的多功能性。因此，生物土壤壳在作为指示器和减轻退化工业景观中重金属污染的途径方面具有巨大潜力。