中国科学院战略性先导科技专项(B类)

土壤-微生物系统功能及其调控

项目 - 课题2:典型草地土壤微生物空间分布格局与形成机理

课题2:典型草地土壤微生物空间分布格局与形成机理

核心科学技术问题:

  1. 我国典型草地土壤微生物群落组成及其多样性的生物地理格局;
  2. 我国典型草地土壤微生物空间格局形成的驱动机制及其尺度依赖性;
  3. 我国典型草地土壤微生物组成、多样性对草地管理和气候变化的响应机理。

 

解决问题的思路与方法:

根据我国草地土壤、植被和气候特点,在三大区域(温性草地、高寒草地和次生草地)八种类型(温性草甸草原、典型草原、荒漠草原,高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠,次生的暖性灌草丛和热性灌草丛)上选择典型样地(主样地),研究土壤微生物群落在中小尺度的分布格局;利用水热梯度样线和辅助样地,研究大尺度分布格局;结合环境因子的同步监测,分析不同尺度格局形成的机制。利用野外台站现有的控制试验平台,解析土壤微生物组成、多样性对草地管理和气候变化的响应及其机理。

 

技术路线:

以我国主要的草地类型,包括温性草甸草原、典型草原、荒漠草原,高寒草甸、高寒草原、高寒荒漠,次生的暖性灌草丛和热性灌草丛八种类型为研究对象,以CERN等院内外草地野外台站为依托,利用其控制试验平台设置主样地、样带和辅助样地系统采集土壤样品,提取DNA,通过高通量测序、qPCR等方法分别检测微生物群落组成和重要功能基因的丰度。结合土壤理化性状、植物性状、气候环境因子等,利用除趋势对应分析、非度量多维测度法和冗余分析方法研究微生物群落结构,采用相似性分析、主轴临距法等分析微生物群落的空间关系类型,采用回归方法分析土壤微生物组成、多样性的种—面积关系、距离—衰减关系;运用GIS软件建立基于空间信息的土壤微生物基因数据库。本课题技术路线如图16所示。

 

主要研究内容:

1. 典型草地土壤微生物空间分布格局及其尺度依赖特征

根据我国草地土壤和植被的分布特点,采取点(主样地)、线(水分梯度样带)、面(辅助样地)结合的方式,在温性草地、高寒草地和次生草地上选择典型样地,采集上层土壤样品,提取土壤DNA,研究土壤细菌、真菌等及氮周转相关功能群的群落组成和多样性,分析其在不同尺度上的地理分布格局,解析格局的尺度依赖关系。

2. 典型草地土壤微生物空间格局形成的驱动机制

基于上述典型草地土壤微生物多尺度分布格局,结合土壤理化性状、植被性状、气候环境因子以及管理措施,分析斑块(patch)、点位(site)、局域(local)、区域(regional)及更大尺度上草地土壤微生物组成及分布的驱动因素;利用空间分析技术,区分历史因素和当代条件对草地土壤微生物分布格局的相对贡献。

3. 典型草地土壤微生物组成和多样性对管理和干扰的响应

利用现有的草地放牧/围封、模拟增温、控制降水、模拟氮沉降、植物功能群去除等试验平台,结合不同年限退耕还草调查,研究管理与干扰下典型草地土壤微生物群落组成和多样性的时间动态;结合土壤理化性状、植被性状、气候环境因子等,研究我国典型草地土壤微生物群落结构的稳定性和恢复力。

4. 典型草地土壤微生物基因数据库的建立

建立我国典型草地土壤基因资源数据库。

 

方向设置与团队分工:

本课题设置3个方向,分别设置一个子课题。

子课题1:典型草地土壤微生物空间分布格局及其尺度依赖特征。崔骁勇教授和程晓莉研究员负责,其中崔骁勇负责温性草地和高寒草地,程晓莉负责次生草地,揭示多尺度分布格局,并辅助建立土壤微生物基因数据库;

子课题2:典型草地土壤微生物空间格局形成的驱动机制。王艳芬教授负责,解析草地土壤微生物生物地理格局形成的驱动机制;

子课题3:典型草地土壤微生物组成和多样性对管理和干扰的响应。余志晟教授负责。通过控制试验,阐明草地土壤微生物组成、多样性对管理和气候变化的响应及其机理。

 

此外,王艳芬教授负责课题组织、整体方案设计、实施和协调;王艳芬教授、崔骁勇教授和余志晟教授负责课题三部分研究结果的整合分析。

 

年度目标:

年度 年度目标
2014 建立方法、确定样带和控制试验平台、完成格局总采样量的30%;完成当年样品的测定。
2015 完成格局总采样量的90%;控制试验的动态监测与采样;完成当年样品的测定。
2016 完成格局总采样量的100%;控制试验的动态监测与采样;完成当年样品的测定;完成格局数据的解析,初步确定典型草地土壤微生物概貌。
2017 控制试验的动态监测与采样;完成当年样品的测定;数据深度分析,解析多尺度格局,微生物组成对管理和气候变化的响应。
2018 进行数据整合分析,解析草地微生物格局形成机制,以及对管理和气候变化响应的机制;协助完成我国典型草地土壤微生物基因数据库的建立。
五年成果
具体体现
中国典型草地土壤细菌、真菌及氮周转相关功能基因空间分布图; 发表SCI论文20-30篇,本领域Top 5文章5-10篇;培养学术骨干和学科带头人3-5名;培养博士后和研究生15-20名,建立国际水平的草地土壤微生物学研究团队。