在全球氣候變化加劇的背景下，降水模式的時空異質(zhì)性顯著改變，深刻影響著生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。作為高等植物稀疏的干旱區(qū)地表“皮膚”，以荒漠藍藻為建群物種的生物結(jié)皮通過微生物群落驅(qū)動了碳氮循環(huán)、水土保持等關(guān)鍵生態(tài)功能。然而，傳統(tǒng)研究多關(guān)注單一年均降雨量對生態(tài)系統(tǒng)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(dǎo)的級聯(lián)效應(yīng)。

中國科學(xué)院水生生物研究所特殊環(huán)境藻類生物學(xué)研究團隊，以我國西北干旱區(qū)為研究對象，結(jié)合38年高精度歷史氣象數(shù)據(jù)與多營養(yǎng)級微生物群落特征分析，系統(tǒng)揭示了降水多維度特征通過微生物多樣性調(diào)控荒漠生物結(jié)皮多功能性的級聯(lián)機制（圖1）。相關(guān)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(fā)表于生態(tài)學(xué)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?dāng)?shù)據(jù)，研究團隊發(fā)現(xiàn)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(jié)皮多功能性具有更強的解釋力。高降水變異性會導(dǎo)致土壤微生物群落中關(guān)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(fā)現(xiàn)揭示了傳統(tǒng)研究中以年均降雨量為核心的氣候響應(yīng)模型的局限性，強調(diào)了極端降水波動對干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的潛在威脅。研究進一步解析了不同營養(yǎng)級微生物對多功能性的貢獻模式：異養(yǎng)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(yǎng)藍藻則可依賴系統(tǒng)發(fā)育多樣性（即物種間的進化差異）驅(qū)動功能穩(wěn)定性（圖2）。這一發(fā)現(xiàn)與團隊前期關(guān)于生物結(jié)皮以藍藻為優(yōu)勢的固碳—固氮關(guān)鍵類群研究相呼應(yīng)（Li et al.,2021 Global Ecol Biogeogra），該研究揭示藍藻系統(tǒng)發(fā)育差異對荒漠土壤多功能性的主導(dǎo)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(tài)系統(tǒng)功能的貢獻。

圖2. 生物結(jié)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(jié)果表明，微生物群落在不同地點的物種替換（而非物種數(shù)量差別）是維持區(qū)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(dāng)局部區(qū)域因降水波動導(dǎo)致部分功能喪失時，鄰近區(qū)域的物種替換可通過功能互補維持整體生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)為理解荒漠生態(tài)系統(tǒng)的空間韌性提供了新視角。通過結(jié)構(gòu)方程模型，揭示了降水變異性影響多功能性的級聯(lián)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(zhì)，進而驅(qū)動微生物β多樣性變化，最終導(dǎo)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(dǎo)的間接效應(yīng)對生態(tài)系統(tǒng)多功能性的解釋力是直接氣候效應(yīng)的數(shù)倍。這表明，通過接種等方式調(diào)節(jié)土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，可能有效緩沖氣候變化對干旱區(qū)生態(tài)系統(tǒng)的沖擊。

圖3. 氣候環(huán)境異質(zhì)性與多營養(yǎng)級微生物β多樣性組分對多功能性差異的級聯(lián)效應(yīng)

本研究構(gòu)建了“降水多維度特征—微生物多樣性—生態(tài)系統(tǒng)功能”的級聯(lián)框架，明確了氣候響應(yīng)研究聚焦于單一維度的局限。該成果為荒漠生態(tài)恢復(fù)提供了新思路，在人工培育生物結(jié)皮時，可優(yōu)先選擇系統(tǒng)發(fā)育差異大的藍藻菌株以增強功能穩(wěn)定性；此外，在氣候變化敏感區(qū)，需重點監(jiān)測降水變異性的長期效應(yīng)。

本論文第一及通訊單位為水生所，中國科學(xué)院武漢植物園為研究合作單位，畢業(yè)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(xué)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(guān)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