全球變化下的山地微生物組和生態(tài)系統功能的研究綜述
山地主要是由造山運動(dòng)等地質(zhì)過(guò)程形成，常具有明顯的海拔落差和氣候環(huán)境差異。山地覆蓋了25％的地球表面，是陸地80%以上淡水資源的發(fā)源地；具有復雜多樣的自然景觀(guān)與豐富的生物多樣性，居住著(zhù)地球上超過(guò)80%的兩棲動(dòng)物和1/3的陸地植物。然而，山地生態(tài)系統也是地球上典型的脆弱生態(tài)系統之一，正處在受全球環(huán)境變化影響的最前沿，其生態(tài)環(huán)境破壞與惡化的趨勢十分明顯，如冰川消融加速、土地利用增加、富營(yíng)養化加劇、生物多樣性喪失等，是全球環(huán)境變化研究的熱點(diǎn)地區、生態(tài)保護與恢復的關(guān)鍵區域。
山地環(huán)境微生物是介導碳氮磷硫等生源要素地球化學(xué)循環(huán)的重要引擎和全球變化的調節器；在氣候變化加劇和人為干擾與日俱增的背景下，微生物群落結構和功能研究的重要性和緊迫性日趨凸顯。250多年來(lái)，山地環(huán)境為植物和動(dòng)物群落梯度研究提供了經(jīng)典的自然系統模型。近10多年來(lái)，山地環(huán)境微生物組的探索也取得了長(cháng)足的進(jìn)展。山地環(huán)境微生物多樣性和生態(tài)系統功能的研究得到廣泛關(guān)注，相應的群落分布規律、形成機制及其對全球環(huán)境變化的響應等方面的研究成果，亟需整合和歸納。
研究檢索了涉及山地湖泊、河流或土壤生境中細菌、真菌、古菌和硅藻等微生物多樣性的文獻資料，系統整合分析和綜述了文獻所報道的238個(gè)數據集，通過(guò)歸納比較山地水體和陸地生態(tài)系統，揭示了微生物群落的垂向分異規律和形成機制，并對相應的前沿關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行初步展望。
圖1 微生物群落沿著(zhù)山地垂直氣候帶的區系分布
圖2 山地水體和陸地微生物α和β多樣性的海拔分布模式
圖3 山地水體和陸地微生物群落形成的驅動(dòng)因子和驅動(dòng)機制
研究發(fā)現，微生物群落組成常常具有沿著(zhù)山地垂直氣候帶（即溫度梯度）分布的生物區系（圖1），表現出經(jīng)典的距離衰減規律，即空間距離越近的微生物，其群落結構越相近。此外，微生物群落的特異性呈現U型的垂向分異規律，即高海拔和低海拔的群落結構最為特殊；然而，微生物alpha多樣性的垂向分異規律在不同生境和生物類(lèi)群之間仍存在差異（圖2）。整體而言，陸地和水體微生物的群落形成均主要受到確定性過(guò)程的影響；通過(guò)建立一種新的關(guān)鍵環(huán)境因子定量方法，研究揭示了陸地生態(tài)系統多樣性的驅動(dòng)因子主要為pH、溫度和植被特征，而水體生態(tài)系統中則為溫度、pH和磷酸鹽（圖3）。
圖4 山地微生物的前沿研究領(lǐng)域和核心問(wèn)題
最后，研究展望了山地微生物組潛在的前沿研究方向和相關(guān)的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題；包括但不限于下述研究方向：圍繞生物多樣性理論，考察多類(lèi)型生境和關(guān)鍵驅動(dòng)要素，依托野外實(shí)驗和功能性狀等新方法，通過(guò)模型模擬等，揭示微生物多樣性-功能的形成和耦合機制，最后建模并預測微生物群落和功能對全球環(huán)境變化的響應（圖4）。整體而言，研究成果為山地環(huán)境微生物組和功能的研究現狀提供了系統回顧、總結和展望，為山地生態(tài)環(huán)境保護和可持續發(fā)展提供了科學(xué)參考。山地系統作為全球變化研究的重要組成部分，全面認識其微生物及功能對全球環(huán)境變化的響應與反饋，將為全球山地生態(tài)系統的保護、水土資源和生物資源的可持續利用等提供決策參考。
相關(guān)研究成果以邀稿研究綜述的形式，發(fā)表在生態(tài)環(huán)境領(lǐng)域經(jīng)典期刊New Phytologist，文章第一作者和通訊作者是中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所王建軍研究員，湖南農業(yè)大學(xué)胡盎副教授和王建軍課題組博士研究生孟凡凡為共同第一作者。研究得到了清華大學(xué)楊云鋒教授、赫爾辛基大學(xué)Janne Soininen教授、南京大學(xué)沈吉教授、俄克拉荷馬大學(xué)周集中教授等指導，也得益于安芷生院士、賀紀正教授、吳慶龍研究員、褚海燕研究員、李香真研究員、張更新研究員、葛源研究員、劉勇勤教授、王子健研究員、申聰聰副研究員、羅煜副教授、戴中民副研究員、Holly Slater博士、Francis Martin院士等專(zhuān)家長(cháng)期大力支持。研究受到國家自然科學(xué)基金、第二次青藏科考、中科院中-非聯(lián)合研究中心、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、中科院前沿重點(diǎn)等項目的資助。特別感謝美國國家地理、中國科學(xué)院南京地理與湖泊研究所等提供了啟動(dòng)項目，支持了山地環(huán)境微生物的前期研究。
文章鏈接：https://doi.org/doi:10.1111/nph.18051