生物固氮每年能向陸地生態(tài)系統(tǒng)提供40~100Tg的氮素，其中共生和自生固氮菌是生物固氮的主要貢獻(xiàn)者，它們能將大氣中的氮還原成氨，可為植物生長提供有效氮，維持森林生態(tài)系統(tǒng)土壤肥力并提高植物生產(chǎn)力。因此，闡明固氮菌群落分布格局可為理解森林氮循環(huán)過程以及調(diào)控氮素供給策略提供重要支撐。

為此，中國科學(xué)院成都生物研究所研究人員對全國146個(gè)森林樣地進(jìn)行土壤采樣，從五指山熱帶闊葉林到大興安嶺寒溫帶針葉林，跨越5類氣候帶和3種森林類型，同時(shí)對土壤樣品中的固氮菌nifH基因進(jìn)行擴(kuò)增子測序，測定土壤大量/微量元素含量、氣候因子和植物相關(guān)變量。研究目的在于探討各森林類型土壤固氮菌群落結(jié)構(gòu)、組成、多樣性的差異特征，并揭示土壤/氣候/植物變量對固氮菌空間分布的調(diào)控機(jī)理。

近日，相關(guān)成果以“Broad-scale distribution of diazotrophic communities is driven more by aridity index and temperature than by soil properties across various forests”為題，發(fā)表于國際期刊Global Ecology and Biogeography。劉慶研究員為本文通訊作者，趙文強(qiáng)副研究員、寇涌蘋助理研究員為共同第一作者。

據(jù)介紹，固氮菌群落分布特征在不同采樣地點(diǎn)和生態(tài)系統(tǒng)類型之間具有明顯差異。過去針對森林、草地、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)的小尺度研究結(jié)果顯示，土壤pH與養(yǎng)分含量是固氮菌群落空間分布的決定性因子，然而大尺度(> 3000千米)條件下固氮菌分布是否仍然受土壤變量主導(dǎo)，目前并不清楚。其次，以往研究主要關(guān)注同一區(qū)域不同林分下的土壤固氮菌群落特征，不同氣候帶或森林類型下的固氮菌群落組成有何差異，仍需進(jìn)一步解答。此外，土壤C、N、P等大量元素在固氮菌分布格局中的作用已有大量文獻(xiàn)進(jìn)行闡述，而土壤微量元素(Fe、Mo、Na、Mg、Al、Ca、Mn、Cu、Zn)所扮演的角色仍有待驗(yàn)證。

此次研究的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，我國森林土壤固氮菌在綱水平上的組成主要是Alphaproteobacteria，其次是Betaproteobacteria、Cyanophyceae、Actinobacteria以及 Gammaproteobacteria;在屬水平上，嗜熱型Bradyrhizobium與嗜冷型Azospirillum占據(jù)著不同的氣候生態(tài)位。熱帶、亞熱帶、暖溫帶、溫帶、寒溫帶等不同氣候帶的固氮菌多樣性/群落結(jié)構(gòu)之間存在顯著差異，且氣候帶與森林類型(闊葉林、針葉林、混交林)的交互作用對3種α多樣性指標(biāo)(observed OTUs、Chao1、Shannon indices)均產(chǎn)生顯著影響。

SMR、VPA、MRM、PLS-PM等統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，干旱指數(shù)(AI)和年平均溫度(MAT)主要是通過對其它變量的間接作用(如土壤pH、土壤養(yǎng)分和植物生產(chǎn)力)，來主導(dǎo)森林土壤固氮菌多樣性與群落結(jié)構(gòu)的大尺度空間變異特征。土壤微量元素(Ca、Mg、Fe、Mn、Na、Cu、Zn)與植物變量(NDVI、植物覆蓋度)對固氮菌群落分布的影響要低于氣候因子，并且構(gòu)成固氮酶的重要組成元素Mo，也無法顯著影響固氮菌的群落結(jié)構(gòu)，這可能與森林土壤較高的Mo含量有關(guān)。

不同于以往大量工作，我們首次發(fā)現(xiàn)研究范圍從樣地、區(qū)域向大尺度轉(zhuǎn)變過程中，土壤變量的主導(dǎo)作用逐漸被氣候因子所取代，即使統(tǒng)計(jì)變量中增加了與固氮菌生理代謝相關(guān)的多種土壤微量元素，也無法扭轉(zhuǎn)氣候因子的主導(dǎo)地位。在全球變化背景下，干旱事件增加與氣候變暖將急劇改變固氮菌的群落分布格局并進(jìn)而影響森林固氮潛力。

本研究得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2017YFC0505000)、國家自然科學(xué)基金(31870607)和中科院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(2019363, 2017424)等項(xiàng)目的資助