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海拔高度、土壤pH和Ca的可利用性決定了熱帶和亞熱帶森林中 PhoD 基因豐度的空間分布模式
有機(jī)磷礦化是調(diào)控土壤磷有效性的關(guān)鍵生物地球化學(xué)過(guò)程，直接決定植物可利用的磷資源水平。土壤微生物PhoD基因作為編碼堿性磷酸酶的關(guān)鍵功能基因，已成為表征磷礦化過(guò)程的重要分子標(biāo)識(shí)。攜帶該基因的土壤微生物通過(guò)分泌胞外堿性磷酸酶驅(qū)動(dòng)有機(jī)磷的礦化轉(zhuǎn)化。該基因廣泛分布于多個(gè)細(xì)菌門(mén)類(lèi)，在農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)(尤其施肥響應(yīng)方面)的功能已有充分研究，然而PhoD基因在自然生態(tài)系統(tǒng)中沿環(huán)境梯度的空間分布格局及其對(duì)磷素循環(huán)產(chǎn)生的影響仍不清楚。
該研究選取海拔梯度較大、緯度范圍較小的熱帶森林(納板河和補(bǔ)蚌樣點(diǎn))和亞熱帶常綠闊葉林(哀牢山樣點(diǎn))20公頃樣地開(kāi)展土壤微生物PhoD基因多度的空間分布和相關(guān)環(huán)境因子調(diào)查，其目的在于：(a)探明PhoD基因多度的空間分布格局;(b)查明在局域和區(qū)域尺度上驅(qū)動(dòng)其多度變化的關(guān)鍵因子;(c)解析土壤化學(xué)性質(zhì)對(duì)其分布的影響。主要結(jié)果顯示：不同森林中的PhoD基因多度和檢出率呈現(xiàn)顯著差異。中海拔的納板河熱帶森林樣地(1015.86–1235.64米)PhoD基因多度最高且分布最為廣泛，低海拔的補(bǔ)蚌熱帶森林樣地(712.05–860.05米)次之，而高海拔的哀牢山亞熱帶常綠闊葉林樣地(2443.78–2586.13米)多度最低且常未達(dá)檢出限，其中哀牢山森林的最高未檢出率與其他樣地呈現(xiàn)顯著差異。進(jìn)一步分析表明，在區(qū)域尺度上，海拔、土壤pH和鈣含量是預(yù)測(cè)PhoD基因多度與分布的主導(dǎo)因子;土壤pH在區(qū)域與局域尺度均對(duì)PhoD基因多度表現(xiàn)明顯的驅(qū)動(dòng)作用。區(qū)域尺度上，海拔主要通過(guò)改變土壤pH及大量營(yíng)養(yǎng)元素(全碳、全氮、全磷)間接影響PhoD基因多度空間分布，而在局域尺度上，PhoD基因多度空間變異則與土壤母質(zhì)的變化密切相關(guān)，其進(jìn)一步調(diào)控土壤pH與鈣的動(dòng)態(tài)。
綜上，PhoD基因多度變化在森林生態(tài)系統(tǒng)間具有顯著差異。研究揭示了由海拔驅(qū)動(dòng)的環(huán)境變化如何影響磷礦化過(guò)程中土壤微生物功能基因的潛在功能，同時(shí)強(qiáng)調(diào)需要開(kāi)展更大尺度的研究來(lái)預(yù)測(cè)這一關(guān)鍵微生物過(guò)程對(duì)全球變化的響應(yīng)。相關(guān)研究成果以“Elevation, soil pH and calcium availability shape regional and local scale spatial patterns of PhoD gene abundance in tropical and subtropical forests”為題發(fā)表在國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊Functional Ecology上。中國(guó)科學(xué)院西雙版納熱帶植物園(以下簡(jiǎn)稱“版納植物園”)土壤生態(tài)學(xué)研究組副研究員Sandhya Mishra為該論文第一作和共同通訊作者，楊效東研究員為共同通訊作者。該研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金國(guó)際(地區(qū))合作與交流項(xiàng)目、云南省基礎(chǔ)研究重點(diǎn)基金、云南省興滇人才計(jì)劃項(xiàng)目和版納植物園自主部署科研項(xiàng)目的支持。
圖1.三個(gè)不同海拔梯度森林大樣地(補(bǔ)蚌、納板河和哀牢山)土壤PhoD基因豐度的空間分布格局及關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素
圖2.PhoD基因豐度驅(qū)動(dòng)因素的路徑分析(a)PLSPM模型展示了海拔、土壤理化性質(zhì)對(duì)PhoD基因豐度的直接和間接影響路徑;(b)標(biāo)準(zhǔn)化效應(yīng)的大小(直接效應(yīng)、間接效應(yīng)、總效應(yīng))
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