在气候变暖的条件下，牦牛排泄物对高山沼泽土壤细菌群落的影响

《Applied and Environmental Microbiology》：Impact of yak excreta on soil bacterial community in alpine marsh under warming conditions

　　本研究通过实验室培养实验，探讨牦牛粪尿及气候变暖对高海拔沼泽土壤微生物群落的影响。结果表明，粪处理显著改变土壤理化性质（pH、有机碳、铵态氮等），并导致微生物多样性降低，优势菌群结构变化，而尿处理影响较小；气候变暖增加微生物多样性，但粪处理与变暖的交互作用使微生物群落结构更敏感。研究揭示了粪尿对沼泽土壤微生物群落的差异化影响及气候变暖的调节作用，为高原草甸生态管理提供依据。

　　### 中文解读：牦牛排泄物与气候变暖对湿地土壤微生物群落的影响

#### 引言

湿地是生态系统中极为重要的组成部分，不仅在维持生物多样性方面发挥着关键作用，还在调节气候、净化水质以及碳循环中具有重要作用。然而，随着人类活动和全球气候变化的加剧，湿地正面临前所未有的挑战。其中，牲畜放牧对湿地的破坏尤为显著，这种影响不仅改变了植物群落，还对土壤和微生物群落结构产生了深远的影响。尽管已有大量研究探讨了放牧对湿地生态系统的综合影响，但对于牲畜排泄物（尤其是牦牛粪便和尿液）对湿地土壤微生物群落的具体影响，特别是与气候变暖的相互作用，仍存在许多未知之处。

近年来，全球变暖已经成为影响湿地生态系统的重要因素。研究表明，气温升高不仅会改变土壤的物理和化学特性，还会影响微生物的活动和多样性。在青藏高原东南缘的云南西北部，由于其独特的地理位置和生态系统，湿地对气候变化尤为敏感。牦牛作为该地区的主要放牧动物，其排泄物在湿地生态系统中扮演着重要角色。因此，了解牦牛排泄物对湿地土壤微生物群落的影响，对于保护和管理这一生态系统至关重要。

本研究通过实验室培养实验，探讨了牦牛粪便和尿液在气候变暖条件下的作用机制。我们设计了一组实验，分别模拟了自然湿地土壤（CK）、添加牦牛粪便（DS）和添加牦牛尿液（US）三种处理，并在不同温度条件下（13°C、19°C和25°C）观察了这些处理对土壤微生物群落的影响。研究的主要目的是揭示牦牛排泄物与温度对湿地土壤微生物群落的综合影响，并探讨这些因素如何相互作用，从而改变微生物的组成和功能。

#### 材料与方法

本研究的样本采集地点位于中国西南部的纳帕海湿地，其地理位置为北纬27°47′–27°55′，东经99°35′–99°43′，海拔约为3260米。该区域处于青藏高原、亚热带季风气候和印度支那半岛季风气候的交汇处，年平均气温为5.4°C，夏季最高气温可达25°C，年平均降水量约为619.9毫米，其中76%的降水集中在6月至9月。

在该地区，我们设立了三个重复的样地（每个样地大小为10米×20米，间隔10米）。在移除植被后，使用手动钻孔器（直径2.5厘米）从每个样地的0至10厘米深度采集土壤样本，并采用S型排列方式确保样本的代表性。每个样地采集了10个样本，然后混合成一个统一的复合样本，储存在塑料袋中并运送到实验室进行后续处理。

为了获取牦牛排泄物样本，我们选择了10头位于研究区域附近的牦牛。在夜间，这些牦牛被安置在营地中，次日清晨，我们手动收集新鲜的粪便和尿液样本，并将其储存于4°C的冰箱中，以保持其活性。所有样本的化学特性均通过实验测定并记录在附表S1中。

在实验室中，我们对复合土壤进行了空气干燥、均质化和过2毫米筛网处理。随后，将100克筛过的土壤放入500毫升的锥形瓶中，并密封以防止空气交换。所有锥形瓶在黑暗环境中放置一周进行预培养，以模拟自然环境中的土壤条件。实验分为三个组：对照组（CK，仅自然湿地土壤）、牦牛粪便组（DS，添加牦牛粪便的湿地土壤）和牦牛尿液组（US，添加牦牛尿液的湿地土壤）。根据现场调查确定了牦牛粪便的添加量，而牦牛尿液的添加量则参考了van Groenigen等的研究。

在实验过程中，我们分别在13°C、19°C和25°C下进行培养，并在1天和28天后对土壤进行破坏性采样。随后，我们测量了土壤的物理化学特性，包括土壤含水量、pH值、总有机碳（TOC）、总氮（TN）、总磷（TP）、氨氮（NH??–N）、硝酸盐氮（NO??–N）和有效磷（AP）。同时，我们还通过高通量测序技术（Illumina MiSeq）分析了土壤微生物群落的结构和多样性。

为了分析土壤微生物群落的多样性，我们使用了Ace、Chao1和Shannon等指数。此外，我们还构建了微生物共现网络，以揭示不同微生物之间的相互作用。通过统计分析方法，包括单因素方差分析（ANOVA）和双因素方差分析，我们评估了牦牛排泄物和温度对土壤物理化学特性和微生物群落的综合影响。

#### 结果

在土壤物理化学特性方面，牦牛粪便和尿液的添加对土壤产生了显著影响。具体而言，牦牛粪便（DS）显著增加了土壤的含水量、pH值、TOC和AP，但降低了NO??–N的含量。而牦牛尿液（US）则显著增加了土壤的含水量、NH??–N和NO??–N。这些结果表明，牦牛排泄物的添加对土壤环境具有重要的调控作用。

在不同温度条件下，对照组（CK）的土壤含水量和pH值均表现出显著的变化。例如，随着温度的升高，CK组的土壤含水量逐渐降低，pH值也呈现出下降趋势。然而，牦牛粪便组（DS）的pH值在不同温度条件下均高于CK组，表明其对土壤pH值的调节作用更为显著。而牦牛尿液组（US）的pH值则在13°C时最高，但在25°C时最低，这可能与尿液的化学成分有关。

在微生物多样性方面，我们发现，温度和牦牛排泄物的添加对土壤微生物群落的多样性产生了显著影响。在对照组（CK）中，随着温度的升高，土壤微生物的α多样性（包括Ace、Chao1和Shannon指数）显著增加，而牦牛粪便的添加则显著降低了这些指数。这表明，温度对微生物多样性的影响更为显著，而牦牛粪便的添加则对微生物多样性产生了相反的影响。相比之下，牦牛尿液对微生物多样性的影响几乎可以忽略不计。

在微生物群落结构方面，我们发现，不同处理组的微生物组成存在显著差异。例如，DS组的土壤中，Proteobacteria和Firmicutes的相对丰度显著增加，而Chloroflexi、Acidobacteria和Gemmatimonadetes的相对丰度则显著降低。US组的土壤中，Firmicutes的相对丰度增加，而Proteobacteria和Chloroflexi的相对丰度则降低。这些结果表明，牦牛粪便和尿液的添加对微生物群落结构产生了不同的影响。

在微生物共现网络方面，我们发现，DS组的网络节点和边的数量显著高于CK组和US组。这表明，牦牛粪便的添加增加了微生物群落的复杂性。此外，DS组的网络平均路径长度较短，表明其内部信息传递更为高效，能够更快地响应环境变化。相比之下，US组的网络较为简单，可能与其对微生物群落的调节作用较弱有关。

#### 讨论

本研究的结果表明，牦牛排泄物对湿地土壤的物理化学特性和微生物群落具有显著影响。牦牛粪便的添加不仅增加了土壤的含水量、pH值、TOC和AP，还降低了NO??–N的含量，这可能与粪便中的有机物质和微生物促进了氮的转化和固定有关。而牦牛尿液的添加则显著增加了NH??–N和NO??–N的含量，这可能与尿液中的尿素迅速分解为氨氮，并进一步氧化为硝酸盐氮有关。

在温度的影响方面，我们发现，随着温度的升高，土壤的α多样性显著增加。这可能与高温促进了微生物的生长和代谢活动有关。然而，牦牛粪便的添加则显著降低了土壤微生物的多样性，这可能与其对微生物群落的调控作用有关。例如，牦牛粪便的添加可能抑制了某些寡养微生物的生长，导致其相对丰度下降。

在微生物共现网络方面，我们发现，牦牛粪便的添加显著增加了网络的复杂性，而牦牛尿液的添加则减少了网络的复杂性。这可能与两种排泄物对微生物群落的调控机制不同有关。例如，牦牛粪便可能通过增加土壤中的营养物质和微生物活性，促进了更多的微生物之间的相互作用，而牦牛尿液可能由于其对氮的快速释放，导致某些微生物的竞争加剧，从而减少了共现网络的复杂性。

此外，我们还发现，土壤的物理化学特性与微生物群落之间存在显著的关联。例如，土壤含水量与Ace、Shannon和Chao1指数呈正相关，而硝酸盐氮与这些指数呈负相关。这表明，土壤的含水量对微生物多样性具有重要的促进作用，而硝酸盐氮则可能抑制微生物的生长和多样性。同样，土壤的pH值、TOC和AP也与微生物群落的组成和多样性密切相关。

#### 结论

本研究的结果表明，牦牛排泄物对湿地土壤的物理化学特性和微生物群落具有显著影响。在气候变暖的背景下，牦牛粪便的添加对土壤微生物群落的调控作用更为显著，而牦牛尿液的影响则相对较小。此外，温度的升高对土壤微生物多样性产生了积极影响，但对微生物群落的组成产生了相反的影响。

在微生物共现网络方面，牦牛粪便的添加显著增加了网络的复杂性，而牦牛尿液的添加则减少了网络的复杂性。这表明，牦牛粪便可能通过促进微生物之间的相互作用，增加了土壤微生物群落的复杂性。而牦牛尿液可能由于其对氮的快速释放，导致某些微生物的竞争加剧，从而减少了共现网络的复杂性。

本研究的发现对于理解牦牛排泄物对湿地土壤微生物群落的影响具有重要意义。在气候变暖的背景下，牦牛排泄物的添加可能会加剧土壤微生物群落的结构变化，从而影响湿地生态系统的功能和稳定性。因此，合理管理牦牛排泄物，对于保护和恢复湿地生态系统具有重要的现实意义。