不同干旱环境下植物与土壤微生物多样性对多功能性的调控机制  兰州大学供图

近日，兰州大学生命科学学院、草地农业生态系统国家重点实验室教授邓建明团队在《自然—通讯》发表题为《干旱驱动的生物多样性—土壤多功能关系的转变》的论文，探究了我国北方旱区生态系统土壤多功能性与植物和土壤微生物多样性间的内在关系及其沿干旱环境梯度的变化规律，并提出相关建议。

研究发现相比于单个土壤功能，土壤多功能性对干旱的响应更敏感，因此，对单个功能或过程分析的结果，往往会低估干旱对土壤功能的负效应；土壤微生物（细菌、真菌和古菌）多样性及土壤功能与多功能性沿干旱梯度呈非线性变化趋势，而且植物和土壤微生物多样性与多功能性关系的相对强度沿干旱梯度发生了转变。

研究人员针对该转变机制，创新性地提出了以下科学假设：①生态系统多功能性的动态变化主要由植物（即生产者）多样性及其生产力和土壤微生物（即分解者）多样性进行联合调控，②在低干旱水平下如半干旱与干旱半湿润区，随着干旱程度的增加，因植物多样性及其生产力快速下降而成为土壤多功能性的关键限制性因素，土壤微生物多样性及其功能服务则相对冗余，即土壤多功能性遵循自下而上（Bottom-up）的调控原理，因此可预测植物多样性与多功能性将呈现较强的正相关，③相反，在高干旱水平下如干旱与极旱区，随着干旱程度的增加，因土壤微生物多样性及其生物量的急剧下降及生物残体分解难度大幅增加和分解速率的下降，致使土壤微生物多样性成为土壤多功能性的关键限制性因素，即土壤多功能性遵循自上而下（Top-down）的调控原理，因此可预测土壤微生物（特别是土壤真菌和腐生真菌）多样性与多功能性将呈现较强的正相关。上述科学假说在本研究中得到了很好的野外调查实验与室内控制实验验证。

更重要的是, 作者还发现随着干旱胁迫的增加，植物与土壤微生物多样性对多功能性的调控机制在约0.8的干旱水平（即干旱与半干旱气候的分界线），将由Bottom-up的调控模式转变为Top-down的调控模式。

此外，作者进一步预测了未来中等排放情景（RCP4.5）和高排放情景（RCP8.5）下，我国北方干旱与极旱区（干旱水平高于0.8）的面积变化特征，发现在高排放情景下，21世纪末该区域面积相比1970-2000年将扩张高达28%，扩张将主要发生在内蒙古自治区的中部和东部。

上述研究表明，因地制宜地制定我国旱区的生态管理与保护政策等方面具有重要的科学指导意义。比如，在低干旱水平区域，植物多样性及其生产力是影响生态系统功能与稳定性关键限制性因素，这意味着该区域的生态保护更应优先保护植物多样性。而在高干旱水平区域，土壤微生物多样性作为影响生态系统功能与稳定性关键限制性因素，因此，更优先保护该区域的土壤微生物多样性如土壤结皮则极为重要。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-25641-0