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背景介绍：随着气候的持续变化，全球范围内的干旱正在加剧，影响旱地生物多样性和生态系统功能。土壤微生物及其产生的酶在分解土壤有机质和为植物生长提供养分方面起重要作用。以往的研究表明，底层土壤（> 20 cm）储存了超过50%的土壤有机碳（SOC）和60%的土壤微生物生物量。尤为重要的是，土壤剖面被视为地质历史记录仪和土壤生态过滤器，沿剖面土壤形成了高度异质性的梯度环境，土壤微生物影响整个土壤剖面的生物地球化学过程。然而，当考虑垂直尺度的环境异质性时，微生物对气候变化的响应如何还缺乏充足的证据。为此，我们在中国黄土高原地区沿着干旱梯度（干旱度阈值：0.51-0.78）选取了5个点位（具有天然的景观格局和植被类型差异），共15个钻孔，采集了0-1 m深的土壤样本（共计75个，图1），并采用16S rRNA和ITS高通量测序技术和生态酶化学计量矢量分析方法研究了土壤微生物群落组成、多样性及代谢限制对干旱梯度的响应（图2）。

研究结果： 结果表明，随着土壤深度的增加，微生物多样性急剧下降，微生物相对磷（P）限制增加，微生物相对碳（C）限制降低。干旱度导致了1 m土壤剖面微生物群落组成的一致性剧烈变化，而对微生物多样性的影响则较小，其更多是由土壤本身固有的生物特性—微生物生物量化学计量比（即MBC:MBP或MBN:MBP）驱动（图3，图4，图5）。这表明土壤微生物群落组成可能更容易呈现气候梯度分布模式，而微生物多样性在区域尺度上往往呈现深度依赖性分布。干旱度影响土壤pH和土壤C：P或N：P对微生物资源限制特征间接产生阈值效应（图2，图6，图7）。当干旱度阈值（1-降水量/蒸散发量）超过0.65时，干旱与微生物资源需求的关系解耦；但在干旱阈值=0.65时，微生物相对C限制和C获取酶活性骤降（图6）。据此我们推测0.65的干旱度可能是干旱地区的过渡带，在较潮湿的地点（干旱度 < 0.65），降水的垂直渗透会扰乱底土中微生物的代谢需求，从而可能影响土壤SOM的转化。在较干旱的地点（干旱度> 0.65），许多地点的微生物C限制普遍较高，但随干旱度的变化不敏感（图6）。 我们的研究结果表明，土壤微生物多样性或酶的化学计量特征可能不能准确反映旱地水分有效性状态的变化，而微生物群落组成可以很好地解释干旱度的变化。此外，在干旱、且呈碱性的土壤中，干旱度×土壤pH×胞外酶活性（EEA）的相互作用可能是确定干旱阈值的重要机制。研究结果将有助于加深我们对微生物与当地栖息地和环境变异性之间关系的理解，特别是在不同的气候背景下。

以上研究成果以“Linking soil depth to aridity effects on soil microbial community composition, diversity and resource limitation”为题，于2023年7月被土壤学主流期刊Catena（IF: 6.2）接受录用。第一作者为西北农林科技大学资源环境学院在读博士生何浩然，通讯作者为方临川教授。合作单位有中国科学院水利部水土保持研究所（徐明哲、陈亚南、曾奕）、西北农林科技大学（李雯婷、陈立、张志琴）、美国托莱多大学（Daryl L. Moorhead教授）、瑞典隆德大学（Albert C. Brangarí教授）、华中师范大学（刘济副教授）、北京大学（崔勇兴）、山西农业大学（段成娇）和武汉理工大学（黄敏副教授）。该研究得到了国家自然科学基金重点项目（U21A20237）、中国科学院战略先导计划（XDB40020202）的资助。

论文题目：Linking soil depth to aridity effects on soil microbial community composition, diversity and resource limitation

期刊：Catena

论文下载: DOI: https://doi.org/10.1016/j.catena.2023.107393