一、文章基本信息

原名：Contrasting patterns of microbial community and enzyme activity between rhizosphere and bulk soil along an elevation gradient

譯名：根際土壤微生物群落和酶活性沿海拔梯度的變化規(guī)律

作者：Chengjie Ren，et al.

期刊：Catena

影響因子：5.198

發(fā)表時(shí)間：2021.

二、文獻(xiàn)閱讀內(nèi)容

1 關(guān)鍵詞

海拔梯度；土壤微生物多樣性和酶；外生菌根真菌和腐養(yǎng)真菌；根際效應(yīng)；氣候變化。

2 研究主題和背景

（1）背景：土壤系統(tǒng)中微生物群落和酶活性沿海拔梯度的分布規(guī)律已引起廣泛關(guān)注；然而，根際土壤微生物多樣性和酶活性的差異及其驅(qū)動(dòng)因素尚不清楚。

（2）主題：本研究覆蓋六個(gè)海拔水平梯度，范圍從海拔1308米到2600米。利用Illumina MiSeq對(duì)16S rRNA基因和ITS-1基因進(jìn)行測(cè)序，分析根際和非根際土壤中細(xì)菌、真菌總量、外生菌根真菌(EcM)和腐養(yǎng)真菌群落；同時(shí)分析了土壤胞外酶活性。

3 科學(xué)問(wèn)題或科學(xué)假說(shuō)

（1）科學(xué)問(wèn)題：沿海拔梯度下根際/非根際微生物群落結(jié)構(gòu)和酶活性分布規(guī)律及其驅(qū)動(dòng)因素？

（2）科學(xué)假說(shuō)：

由于根際與非根際之間土壤理化性質(zhì)的差異，如SOC， 是導(dǎo)致根際/非根際土壤微生物多樣性和酶活性顯著差異的重要因素，但隨海拔升高而減小，而海拔梯度下植物特征和氣候因素變化對(duì)其影響極小。

4 以往研究及研究現(xiàn)狀

在一些研究中已經(jīng)使用了海拔實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)氣候變化對(duì)土壤微生物的影響，這些實(shí)驗(yàn)表明，微生物多樣性和酶活性表現(xiàn)出不一致的模式，即隨海拔變化單調(diào)減少，駝背或無(wú)。這是因?yàn)榄h(huán)境條件會(huì)隨著海拔的變化而變化，從而為微生物創(chuàng)造了復(fù)雜的條件，雖然有一些研究報(bào)道了微生物群落的海拔分布，但大多數(shù)研究考慮的是全土，很少有研究考慮根際，特別是根際土壤和整體土壤在海拔梯度上的差異不太明確，根際土壤的養(yǎng)分轉(zhuǎn)化率一般高于非根際土壤。

5 材料與方法

A.樣地與土壤樣品采集與保存：該實(shí)驗(yàn)于2018年7月進(jìn)行采樣，6個(gè)海拔高度覆蓋3種植被類型。1308m、1603m-QVA；1915m、2292m-QW；2406m、2600m-BA，這三種共生樹(shù)種通常與外生菌根真菌(EcM)有關(guān)，外生菌根真菌在這些森林的土壤微生物群落中占主導(dǎo)地位。每個(gè)海拔梯度取三個(gè)重復(fù)。為了進(jìn)行原位植物群落描述，在每個(gè)站點(diǎn)隨機(jī)選擇3個(gè)10 × 10 m象限、5個(gè)5 × 5 m象限和10個(gè)1 × 1 m象限，分別測(cè)定喬木、灌木和草本植物的豐富度和Shannon多樣性，同時(shí)采取根際很非根際土壤。

B. 植物特性及土壤理化性質(zhì)分析

通過(guò)磨細(xì)測(cè)定樹(shù)葉和樹(shù)根中的碳、氮、磷含量；土壤pH；TC、TN、TP；MBC、MBN、MBP；硝態(tài)氮、氨態(tài)氮；土壤容重：在105°C烘箱烘干24小時(shí)后和之前的巖心重量測(cè)定，并根據(jù)單個(gè)巖心體積進(jìn)行校正。

C. 土壤酶活性分析

測(cè)定土壤酶活：BG、NAG+LAP、AP分別為C、N、P獲取酶。

D. 土壤DNA提取，PCR擴(kuò)增，Illumina MiSeq測(cè)序

使用FastDNA旋轉(zhuǎn)試劑盒從新鮮土壤中提取DNA (MP Biomedicals，美國(guó)克利夫蘭)。通過(guò)分光光度計(jì)(NanoDrop2000, Thermo Scientific，美國(guó)威爾明頓,德)。提取的土壤DNA在?80℃保存至PCR擴(kuò)增和分析。序列使用QIIME進(jìn)行。

E.數(shù)據(jù)分析

PLS-PM揭示沿海拔梯度下哪些環(huán)境變量對(duì)微生物多樣性和酶活性的影響更大；采用冗余分析(RDA)方法分析了土壤微生物與氣候、植物性質(zhì)、土壤性質(zhì)等環(huán)境變量的關(guān)系；采用單因素方差分析(ANOVA)分析了海拔梯度對(duì)氣候因子、植物性狀、土壤性狀、土壤微生物生物量、微生物多樣性、優(yōu)勢(shì)菌門和酶活性的影響。

6 結(jié)果

（1） 土壤特性和植物特性。氣候變量(氣候因子和植物-土壤性質(zhì))沿海拔梯度的變化；沿海拔梯度優(yōu)勢(shì)樹(shù)種的變化由QVA-QW-BA，豐富度和Shannon多樣性隨海拔升高先增加后降低。葉片和根系養(yǎng)分水平(C、N和P)最高的是在1915m，除了根C，最高在2292m，土壤性質(zhì)表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)；MBC、MBN、MBP、TN、SOC和NH4+在1915 m處最高。

（2）圖1、圖2：根際土壤與土壤微生物群落的差異。根際和非根際土壤中微生物多樣性隨海拔升高呈駝背曲線變化。根際土壤微生物群落多樣性差異(除腐養(yǎng)群落多樣性外)隨海拔升高顯著減小。根際和非根際細(xì)菌多樣性存在顯著性差異。

（3）根際土壤與非根際土壤酶活性的差異。海拔高度顯著影響土壤酶活性。其中，C -獲取酶(BG)、N-獲取酶(NAG + LAP)和P-獲取酶(AP)活性均隨海拔升高而顯著降低，且根際土壤的活性顯著高于非根際土壤。與微生物多樣性響應(yīng)一致，C、N、P獲取酶的活性在根際和非根際土壤中的差異隨著海拔的增加顯著的降低。

（4）根際和非根際土壤微生物群落和酶活性差異的影響因素。結(jié)果顯示微生物多樣性分別解釋了90.1%、62.4%、82.3%的根際、非根際以及差異的變異方差。此外，除對(duì)氣候因子的響應(yīng)外，根際土壤微生物多樣性(通徑系數(shù)= 0.786)主要受植物特性的直接影響，而非根際土壤微生物多樣性則受植物特性的直接影響。結(jié)果表明，不同海拔梯度對(duì)根際土壤酶活性變化的貢獻(xiàn)率分別為96.3、95.2和91.2%。RDA和Pearson相關(guān)性分析表明，根際土壤和非根際土壤中的微生物細(xì)菌和真菌類群對(duì)環(huán)境因子的響應(yīng)不同。其中，氣候因子(MAT和MAP)、BD、pH、TP和NH4+對(duì)根際土壤和非根際土壤細(xì)菌和真菌類群變異的解釋作用更大。

7 討論

（1）根際土壤微生物群落多樣性隨海拔升高而顯著變化，根際與非根際土壤微生物群落多樣性的差異隨海拔升高而顯著減小，驗(yàn)證第一個(gè)假設(shè)。 空間屬性、氣候因素、植物群落和其他生物和非生物變量可能解釋了土壤微生物多樣性的動(dòng)態(tài)變化，以及根際效應(yīng)對(duì)微生物多樣性的重要性。此外，根際土壤微生物多樣性高于非根際土壤，主要是由于植物根系分泌物釋放的養(yǎng)分流向周圍土壤，較高的溫度會(huì)加速養(yǎng)分釋放。因此，海拔依賴性的土壤溫度下降可以導(dǎo)致較低的養(yǎng)分波動(dòng)。

（2）隨著海拔梯度的增加，BG， NAG，LAP和酸性磷酸酶(AP)活性均顯著降低。與巴塔哥尼亞南部土壤酶活性對(duì)海拔梯度沒(méi)有顯著響應(yīng)的研究不一致，土壤酶是由微生物響應(yīng)環(huán)境信號(hào)而表達(dá)并釋放到環(huán)境中的，這種差異可能是由于不同樣帶樣點(diǎn)，植被類型也不同造成的。也有一些研究表示，海拔依賴性的土壤微生物組成變化導(dǎo)致土壤酶活性的不同響應(yīng)；此外，土壤酶活性也可能取決于海拔梯度上的復(fù)雜條件，如土壤溫度、水分和土壤養(yǎng)分有效性等。此外，根際和非根際土壤的酶活在高海拔梯度非常相似，說(shuō)明高海拔，環(huán)境越惡劣，根-土系統(tǒng)中養(yǎng)分獲取酶的相似性越高。與以往研究一致，高海拔低土壤溫度可以創(chuàng)造相對(duì)穩(wěn)定的生境，導(dǎo)致微生物代謝活性較低，導(dǎo)致根際土壤和整體土壤在海拔梯度上差異減小。

（3）根際和非根際土壤中微生物群落和酶活性的差異與環(huán)境條件有關(guān)。氣候因子對(duì)微生物群落的形成起著至關(guān)重要的作用，低溫和高海拔增加的生理脅迫會(huì)限制微生物的生長(zhǎng)，最終降低微生物的多樣性，

8 總結(jié)與思考

（1） 土壤細(xì)菌、真菌總量、EcM、腐養(yǎng)真菌群落多樣性及土壤酶活性在海拔梯度上均發(fā)生顯著變化，根際和非根際土壤間的差異隨海拔升高而顯著減小。

（2） 土壤微生物多樣性和酶活性的差異主要取決于氣候因素，表明氣候是影響根際和非根際土壤微生物多樣性和酶活性差異的最重要的生態(tài)因子。除了氣候因子，土壤性質(zhì)也影響根際和非根際土壤在海拔梯度上的的微生物多樣性和酶活，證實(shí)土壤養(yǎng)分水平可以解釋微生物多樣性和酶活性沿海拔梯度的差異。

（3） 綜上，研究結(jié)果強(qiáng)調(diào)了以海拔引起的微生物多樣性和酶活的變化為代表的根際效應(yīng)的重要性，并預(yù)測(cè)氣候變化的潛在結(jié)果。