水生所揭示降水格局通過微生物多樣性級聯調節干旱區生物結皮生態功能
在全球氣候變化加劇的背景下，降水模式的時空異質性顯著改變，深刻影響著生態系統的穩定性。作為高等植物稀疏的干旱區地表“皮膚”，以荒漠藍藻為建群物種的生物結皮通過微生物群落驅動了碳氮循環、水土保持等關鍵生態功能。然而，傳統研究多關注單一年均降雨量對生態系統的影響，忽視了降水多維度特征（如變異性、頻次）及其通過微生物群落介導的級聯效應。
中國科學院水生生物研究所特殊環境藻類生物學研究團隊，以我國西北干旱區為研究對象，結合38年高精度歷史氣象數據與多營養級微生物群落特征分析，系統揭示了降水多維度特征通過微生物多樣性調控荒漠生物結皮多功能性的級聯機制（圖1）。相關研究成果以"Multifaceted precipitation patterns impact biocrust functionality in drylands: A cascade of variability via species replacement in soil microbiota"為題，近期發表于生態學期刊《Global Ecology and Biogeography》。
圖1. 本研究的圖形摘要及整體研究框架
通過分析歷史降水數據，研究團隊發現與年均降雨量（MAP）相比，降水變異性（PV，即降雨強度的波動程度）對生物結皮多功能性具有更強的解釋力。高降水變異性會導致土壤微生物群落中關鍵功能物種的相對豐度降低，并促使低功能重要性物種聚集。這一發現揭示了傳統研究中以年均降雨量為核心的氣候響應模型的局限性，強調了極端降水波動對干旱區生態系統的潛在威脅。研究進一步解析了不同營養級微生物對多功能性的貢獻模式：異養細菌和真菌主要通過物種豐富度維持局部功能（α-多功能性），而光合自養藍藻則可依賴系統發育多樣性（即物種間的進化差異）驅動功能穩定性（圖2）。這一發現與團隊前期關于生物結皮以藍藻為優勢的固碳—固氮關鍵類群研究相呼應（Li et al.,2021 Global Ecol Biogeogra），該研究揭示藍藻系統發育差異對荒漠土壤多功能性的主導作用，表明針對特定功能類群的多樣性分析能更精準捕捉微生物對生態系統功能的貢獻。
圖2. 生物結皮微生物多樣性對土壤α-多功能性的影響
研究量化了微生物β多樣性（即空間物種差異）對多功能性的貢獻。結果表明，微生物群落在不同地點的物種替換（而非物種數量差別）是維持區域尺度多功能性差異與異步變化（β-多功能性）的核心機制（圖3），當局部區域因降水波動導致部分功能喪失時，鄰近區域的物種替換可通過功能互補維持整體生態系統穩定性。這一發現為理解荒漠生態系統的空間韌性提供了新視角。通過結構方程模型，揭示了降水變異性影響多功能性的級聯作用路徑：降水波動首先改變土壤pH和鹽分含量等理化性質，進而驅動微生物β多樣性變化，最終導致多功能性差異。值得注意的是，降水變異性通過微生物介導的間接效應對生態系統多功能性的解釋力是直接氣候效應的數倍。這表明，通過接種等方式調節土壤微生物群落結構，可能有效緩沖氣候變化對干旱區生態系統的沖擊。
圖3. 氣候環境異質性與多營養級微生物β多樣性組分對多功能性差異的級聯效應
本研究構建了“降水多維度特征—微生物多樣性—生態系統功能”的級聯框架，明確了氣候響應研究聚焦于單一維度的局限。該成果為荒漠生態恢復提供了新思路，在人工培育生物結皮時，可優先選擇系統發育差異大的藍藻菌株以增強功能穩定性；此外，在氣候變化敏感區，需重點監測降水變異性的長期效應。
本論文第一及通訊單位為水生所，中國科學院武漢植物園為研究合作單位，畢業生郭曉雨是論文第一作者，李華副研究員為論文通訊作者，碩士生王佐文、楊海劍博士、宋立榮研究員、胡春香研究員參與了該研究工作。本研究得到了國家自然科學基金重點項目、面上基金與湖北省杰出青年基金的資助。
相關論文鏈接：
Guo XY,Wang ZW,Li H,et al. Global Ecol Biogeogra 2025. http://doi.org/10.1111/geb.70061
Li H,Chen YX,Yu GL,et al. Global Ecol Biogeogra 2021. https://doi.org/10.1111/geb.13295
