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青藏高原河流微生物群落结构及功能与NDVI波动关系研究。通过高通量测序和CNPS基因芯片分析发现，低NDVI流域（拉萨河）水底微生物多样性更高且碳降解基因丰度提升1.8倍，可能通过营养输入驱动微生物网络重构，影响碳氮循环效率。
薛慧|朱文进|张伟宏|万文杰|杨玉义
中国科学院武汉植物园湖泊与流域水安全科学重点实验室，中国武汉430074
摘要
青藏高原上的土壤侵蚀是一个关键的生态问题，受到山坡植被覆盖的显著影响。然而，土壤侵蚀对高山河流中微生物群落的影响仍很大程度上未被探索，特别是关于高山河流生态系统的浮游和底栖微生物组。本研究利用高通量测序技术以及碳、氮、磷和硫基因芯片，分析了青藏高原高山河岸沉积物中浮游微生物组和底栖微生物组的群落结构及功能潜力，在两种不同的归一化差异植被指数（NDVI）波动条件下进行了研究。结果表明，微生物在调节侵蚀高山河流中的元素循环中起着重要作用。NDVI较低的流域与河岸沉积物中较高的营养浓度和更高的底栖微生物多样性相关，而浮游微生物群落的模式则相反。NDVI较低的流域（拉萨河）中微生物群落的组装受到更强的扩散限制，导致浮游和底栖群落都具有更大的随机性。从夏季（T6）到秋季（T9）的网络动态表明，流域间的NDVI变化主要调节了原生动物驱动的关联。值得注意的是，NDVI较低的拉萨河流域（T9）中碳降解基因（xylA、abfA、frdA、rbcL）增加了1.8倍（拉萨河T9 vs. 尼昂河T3），这表明微生物功能发生了变化，可能增强了碳的输出。总体而言，NDVI通过营养驱动的细菌过程和功能基因耦合来调节碳/氮循环，这一结论通过偏最小二乘路径模型得到验证。这些发现阐明了侵蚀高山河流微生物群落的结构和功能动态，同时为NDVI梯度上的自上而下调控提供了实证证据。
引言
青藏高原（QTP）的高山河流生态系统被誉为亚洲的水塔和全球生物多样性热点地区，正面临着由气候变暖和永久冻土退化加剧的土壤侵蚀所带来的日益严重的压力（Zhou等人，2021；Ying等人，2024）。植被覆盖作为防止侵蚀的基本生物屏障，能够稳定土壤结构并减少沉积物流失（Gyssels等人，2005；Poesen，2018）。在这种情况下，归一化差异植被指数（NDVI）被用作衡量植被密度的指标，以及反映景观调节土壤稳定性和陆地-水域养分联系能力的综合指标（Pettorelli等人，2005；Mao等人，2024）。NDVI在高山流域的变化显著影响生物地球化学过程，因为它决定了进入河流生态系统的土壤来源物质的量（Robison等人，2023）。NDVI值较低的流域——其特征是植被覆盖稀疏——更容易受到物理风化和地表径流的影响，这会破坏有机-矿物复合体并加速沉积物产量（Paruelo等人，1997；Gao等人，2016；Doetterl等人，2018；Wang等人，2022）。
在高山河流生态系统中，低NDVI地区的土壤移动会促进富含营养的细颗粒物进入水生栖息地。这种由侵蚀驱动的过程选择性地富集了河岸沉积物中的颗粒结合有机物和营养物质，同时可能增加水中的浊度和溶解成分（Kayler等人，2019）。易受侵蚀地区的碳、氮和磷富集比率在1.47到3.4之间（Berhe等人，2018）。这些输入的性质随着景观生产力的不同而变化：高NDVI的生态系统会损失易分解的碳库，而低生产力的生态系统则通过微生物分解释放矿物结合的碳（Plaza等人，2022）。因此，阐明在不同植被覆盖条件下侵蚀强度下微生物群落在元素循环中的作用变得至关重要。在植被缓冲作用减弱和沉积物输送加剧的情况下，QTP高山河流生态系统中的微生物群落结构和功能响应，尤其是网络层面的相互作用，仍然知之甚少。
植被覆盖变化及其相关的侵蚀率所引发的环境变化预计将在重塑河岸沉积物中的微生物共现网络中发挥关键作用，可能通过功能特征的转变来放大元素循环速率（Feng等人，2024；Yang等人，2025）。例如，侵蚀和随后的沉积物负荷可以通过改变生态位可用性来影响微生物网络的复杂性，从而改变代表微生物分类单元或扩增子序列变异体（ASVs）的节点数量，以及表示主要关联或潜在生态相互作用的边，同时增加拓扑参数，如介数和同配性（Qiu等人，2021；Hao等人，2022）。这些结构变化通常与关键分类单元的变化同时发生（Qiu等人，2021；Hu等人，2024）。此外，通过侵蚀进入的陆地营养物质和矿物质可能通过改变关键养分循环基因（如碳降解相关基因和反硝化基因）的相对丰度来重塑微生物的功能潜力（Sienkiewicz等人，2020；Zhang等人，2021；Luo等人，2022）。然而，功能基因相对丰度的变化和互惠相互作用的破坏可能会削弱养分循环的长期稳定性，尽管短期内周转率会增加（Oliver等人，2015；Nizamani等人，2024）。这些扰动强调了将微生物网络动态整合到侵蚀-生态系统研究中的必要性，特别是在NDVI下降加剧这些风险的高山河流生态系统中（Breidenbach等人，2022）。尽管已经认识到陆地侵蚀与水生栖息地之间的联系，但不同微生物分类单元如何在不同自然NDVI梯度上参与相互作用网络的组织和生态系统功能仍不清楚。因此，这些微生物网络对侵蚀驱动的环境过滤的响应尚未得到充分描述。
在这里，我们使用高通量测序技术和碳、氮、磷、硫（CNPS）基因芯片，研究了QTP两种不同NDVI条件下高山河流水体和河岸沉积物中浮游和底栖微生物组的结构和功能潜力。我们假设，由于侵蚀导致的营养物质输入较高，NDVI较低的流域支持具有丰富养分循环基因的独特底栖微生物组合。我们将河流流域作为协变量来推断共现网络，并区分了由植被驱动的关联和背景微生物相互作用。我们的研究结果揭示了浮游和底栖微生物对高山河流生态系统微生物相互作用网络的级联效应。此外，原生动物、细菌和真菌群落在植被覆盖梯度上表现出不同的响应。我们的结果强调了高山河流中微生物相互作用对陆地植被覆盖的敏感性，强调了它们在持续的气候和土地覆盖变化下的潜在级联影响。
实验设计和样本收集
在这项研究中，我们重点研究了QTP雅鲁藏布江的主要支流尼昂河（NY；NDVI较高）和拉萨河（LA；NDVI较低），关注它们的季节性动态（图1a）。LA和NY是雅鲁藏布江的两条相邻的支流，它们穿越的景观具有相似的高山植被类型，如高山草甸、山地灌木丛和针叶林。尽管它们具有相似的区域地质和微气候特征
由NDVI梯度塑造的不同生物地球化学景观
两个河流流域在河岸植被覆盖和水生物理化学性质方面表现出显著的异质性。在整个研究过程中，NY流域的NDVI值始终显著高于LA流域，证实它是一个植被覆盖较高的系统（图S1）。这种景观层面的差异在水生栖息地的生物地球化学特征中也得到了体现。具体来说，NDVI较高的NY流域的水体显示出显著升高的
局限性
尽管本研究的结果为高山河流中的微生物动态提供了基础理解，但仍存在一些局限性需要考虑。首先，我们的研究设计比较了两个NDVI水平不同的代表性河流流域，但缺乏每个植被类别的重复河流系统。因此，尽管观察到的模式为这些特定流域内的侵蚀驱动机制提供了强有力的证据，但在解释时应谨慎
结论
土壤侵蚀是一个关键的生态问题，特别是在像QTP这样脆弱的生态系统中，水蚀对生态系统稳定性和服务功能构成重大威胁。我们的结果提供了关于侵蚀高山河流生态系统中微生物群落结构和功能潜力的全面见解。这些发现为NDVI波动下微生物群落的自上而下调控提供了实证证据
作者贡献声明
薛慧：撰写——原始草稿、资源获取、方法论、概念化。朱文进：调查、资金获取。张伟宏：软件、资源、调查。万文杰：撰写——审稿与编辑、验证、软件。杨玉义：撰写——审稿与编辑、监督、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
该项目得到了中国教育部青藏高原生物多样性与环境重点实验室开放基金 [资助编号：KLBE2025014的支持。
