生物多樣性保護對人類社會的生存和發展至關重要，研究生物多樣性的產生和維持機制有助于預測生態系統功能的演變方向和深入挖掘未知生物資源。土壤微生物是重要的分解者，是生態系統物質循環與能量流動的引擎，影響土壤發育和生態系統演替。土壤微生物還是重要的戰略生物資源，擁有海量的物種和基因資源。因此研究土壤微生物多樣性在不同環境的地理分布格局，具有重要的生態和現實意義。 

 我國西南山地是全球36個生物多樣性熱點地區之一，是我國重要的生態安全屏障和重點生態功能區。在山區，海拔梯度包含了溫度、濕度、植被和光照等各種環境因子的差異，其變化要比緯度梯度上快1000倍，因而在山地系統進行生物多樣性保護、多樣性分布格局及其驅動因素的研究具有重要意義。但長期以來，由于微生物個體微小、監測手段缺乏等限制，相關研究長期滯后于動植物的生物地理學。直到2008年，Bryant等在PNAS上發文，首次描述了土壤酸桿菌（Acidobacteria）多樣性的海拔分布格局與植物存在顯著差異，即隨海拔上升，土壤酸桿菌多樣性線性減小，而植物多樣性呈單峰型分布。自此，土壤微生物多樣性海拔分布格局研究受到了極大的重視。 

 在隨后的大量研究中，關于土壤微生物的海拔分布格局，不同研究的結果缺乏一個普遍的變化趨勢。但大多數文獻數據表明，土壤微生物多樣性隨海拔升高呈現降低的趨勢，其它模式還包括無趨勢、單峰或者倒U型等分布格局。這些零散的研究大多局限在土壤總細菌和真菌，缺乏各類功能微生物的相關研究，比如參與碳、氮、磷循環的功能微生物，更沒有在同一生態系統中比較不同類群微生物多樣性的海拔分布格局和驅動因素。 

 貢嘎山位于我國西南山地橫斷山脈，是我國第三高峰，被譽為“蜀山之王”。東坡海螺溝從山麓至山頂分布有亞熱帶至寒帶的各種氣候帶，貢嘎山是中國生物氣候帶垂直分布清晰、帶譜多的山地，是研究土壤微生物多樣性時空分布格局的理想平臺（圖1）。中國科學院成都生物研究所李香真研究員、李家寶副研究員團隊，從2014年起在該地區持續開展了多物種微生物多樣性研究，系統比較了土壤總細菌、真菌、甲烷氧化菌、固氮菌、氨氧化菌、反硝化菌和磷代謝微生物多樣性的海拔分布格局，揭示了潛在驅動機制，取得一系列研究成果。 

　　圖1 貢嘎山東坡海螺溝的樣點設置和環境因子的海拔分布 　  

 1. 細菌與真菌的海拔分布格局。沿海拔1800米到4100米的海拔梯度上，土壤總細菌α多樣性隨海拔升高呈現階梯型（stair-step)下降模式，在2600-2800米是轉折點（圖2A）。細菌群落結構也呈現出高、低海拔兩種大的周轉類型（圖2B）。相關分析表明，土壤pH是總細菌多樣性的關鍵驅動因子，這與前人在微生物大尺度生物地理學的研究結果一致。進一步分析表明，確定性生態過程（deterministic processes）是細菌群落組裝的主導因素。 

　　圖2貢嘎山海螺溝土壤總細菌α（a）和β（b）多樣性的海拔分布格局 

 與細菌不同，土壤總真菌的α多樣性并未出現階梯式下降的格局，而是隨海拔上升呈現平緩下降的趨勢（圖3），溫度、降雨、植物豐富度均是真菌α多樣性的重要影響因子。 

　　圖3 山地土壤總真菌α多樣性的海拔分布格局 

 隨后考察了土壤總細菌和真菌多樣性的季節變化規律。在常綠闊葉林 (2100米) 和暗針葉林 (3000米)這兩個典型植被帶上，季節對土壤總細菌α多樣性的影響不顯著（數據未展示），但對真菌α多樣性有顯著影響（圖4）。總體來說，夏季真菌多樣性要高于春季和秋季，溫度和降雨是關鍵影響因子。由此可見，研究細菌多樣性海拔分布格局時，一次性的取樣能夠代表細菌群落的整體海拔變化模式。 

　　圖4 不同季節和海拔下土壤總真菌α多樣性的分布格局 

 土壤微生物之間會形成復雜的交互作用，微生物共發生網絡（co-occurrence）可用于揭示潛在的交互作用。與高海拔相比，土壤總細菌的網絡在低海拔更復雜致密，而真菌表現出相反的趨勢（圖5）。環境因素(土壤pH)和生物因素 (composition)是細菌網絡形成的關鍵因子，而生物因素(diversity)是真菌網絡形成的關鍵因素。 

　　圖5土壤總細菌和真菌co-occurrence網絡沿海拔的分異及驅動因子 

 2. 甲烷氧化菌的海拔分布格局。甲烷是僅次于二氧化碳的溫室氣體，山地土壤是甲烷重要的匯，甲烷氧化菌是主要的功能微生物。土壤甲烷氧化菌α多樣性隨海拔升高總體呈現“正弦函數”分布格局。如果僅考慮森林土壤，從1800米到3600米, α多樣性則呈單峰模式。土壤pH、溫度和降雨是其多樣性的關鍵影響因子。 

　　圖6山地土壤甲烷氧化菌α多樣性的海拔分布模式（a、b）及其與土壤pH的回歸分析（c,d） 

 3. 自由固氮菌的海拔分布格局。可以將空氣中的氣態N₂轉化為化合態氮，是陸地生態系統中重要的氮素來源。我們發現土壤自由固氮菌α多樣性隨海拔升高在海拔3200米到3600米之間開始下降（圖7a），主要受土壤全氮和全碳驅動。確定性和隨機性過程的相互作用影響著固氮菌群落結構在整個海拔梯度空間分異，確定性過程的作用大小隨海拔先降低后升高，其中在中海拔地區，隨機性過程（stochastic process）對固氮菌群落結構的影響起主要作用（圖7b）。 

　　圖7土壤自由固氮菌α多樣性（a）和SES（b）的海拔分布格局 

　　SES用于表征隨機性過程和確定性過程的相對作用大小。 

 4. 氨氧化微生物的分布格局。硝化作用是全球氮循環中至關重要的環節，不僅影響著陸生生態系統中N的命運，還會促進土壤中N₂O的釋出與硝酸鹽的淋溶。硝化作用中最關鍵的一步——氨氧化反應，主要由氨氧化古菌（AOA）與氨氧化細菌（AOB）介導。雖然行使相同的功能，但AOA和AOB沿海拔梯度上的α多樣性分布格局存在顯著差異。AOA的α多樣性呈遞降趨勢（a），而AOB的α多樣性沿海拔呈現“正弦函數”分布（b）。年均溫、植物生物量是AOA的重要驅動因子，而植物豐富度、土壤電導率是AOB的關鍵影響因子。 

　　圖8土壤氨氧化古菌（a）和氨氧化細菌（b）多樣性的海拔分布格局 

 5. 反硝化細菌的分布格局。反硝化作用是硝態氮還原成氮氣的微生物過程，是氮循環中的重要環節，山地土壤氣態氮釋放是森林生態系統氮損失的重要途徑。其中亞硝酸鹽轉變成一氧化氮這一步是反硝化作用的關鍵步驟，主要由nirK型和nirS型反硝化細菌完成，在海拔梯度上，nirK型反硝化細菌α多樣性分布隨海拔升高呈現階梯下降型，在2800米和3000米之間是轉折點，而nirS型反硝化細菌呈現“正弦函數”模式分布（圖8）。土壤pH和植物豐富度分別是nirK和nirS型反硝化細菌群落構建的關鍵影響因子。

　　圖8土壤nirK和nirS型反硝化細菌多樣性的海拔分布格局 

 6. 磷循環微生物的分布格局。磷元素通常被認為是山地生態系統中生物生長的限制因子，微生物可以通過溶磷作用和有機質礦化途徑補充磷元素。傳統觀點認為，在具有酸性特征的森林土壤中，酸性磷酸酶（phoC）的作用更重要，而堿性磷酸酶（phoD）的作用長期被忽略。近期陸續發現phoD微生物的含量比phoC微生物高1-2個數量級，暗示其可能起重要作用。我們的研究發現，在峨眉冷杉生長的高海拔地區（2800米到3500米），無論是生長季（8月）還是非生長季（10月），phoD微生物的多樣性呈現遞減模式，在海拔3200米到3500米之間開始下降（圖9）。多樣性的分布模式主要受土壤pH和總磷含量的影響。 

　　圖9土壤phoD微生物多樣性的海拔分布格局 

 7. 綜上所述，借助高通量測序技術和生物信息學分析，我們的研究系統揭示了山地土壤微生物多樣性的海拔分布格局及驅動因素（圖10）。雖然不同微生物類群的海拔分布模式區別較大，但總體來說高海拔區域的微生物多樣性要普遍低于低海拔。多樣性呈現不同海拔格局的原因，可能主要在于不同微生物的生態位差異巨大，導致關鍵控制因子存在不同，而這些因子在海拔梯度上呈現出復雜的變化規律，從而最終造就了不同微生物異彩紛呈的海拔多樣性分布格局。 

　　圖10貢嘎山土壤不同微生物多樣性的海拔分布格局和驅動因子 

 由于貢嘎山獨特的海拔梯度特征，在該區域開展的微生物海拔多樣性研究具有廣泛的代表性。我們的研究在世界范圍內第一次圍繞一個山地系統，同時系統監測了總細菌、真菌以及參與碳、氮和磷代謝的功能微生物，獲得微生物多樣性的信息更加全面，為其他微生物多樣性海拔分布格局研究提供了重要參考。 

 該系列研究獲得了國家自然基金、中國生物多樣性監測網（SinoBON）土壤微生物專項網的支持。發表論文如下： 

 Li J., Shen Z., Li C., Kou Y., Wang Y., Tu B., Zhang S. and Li X. (2018). Stair-step pattern of soil bacterial diversity mainly driven by pH and vegetation types along the elevational gradients of Gongga Mountain, China. Frontiers in Microbiology 9: doi: 10.3389/fmicb.2018.00569 

 Wang Y., Li C., Shen Z., Rui J., Jin D., Li J. and Li X. (2018). Community assemblage of free-living diazotrophs along the elevational gradient of Mount Gongga. Soil Ecology Letters 1: 136-146. doi: 10.1007/s42832-019-0013-y 

 Li J., Li C., Kou Y., Yao M., He Z. and Li X. (2020). Distinct mechanisms shape soil bacterial and fungal co-occurrence networks in a mountain ecosystem. FEMS Microbiology Ecology 96: doi: 10.1093/femsec/fiaa030 

 Zhu B., Li C., Wang J., Li J. and Li X. (2020). Elevation rather than season determines the assembly and co-occurrence patterns of soil bacterial communities in forest ecosystems of Mount Gongga. Applied Microbiology Biotechnology 104: 7589-7602. doi: 10.1007/s00253-020-10783-w 

 Li C., Tu B., Kou Y., Wang Y., Li X., Wang J. and Li J. (2021). The assembly of methanotrophic communities regulated by soil pH in a mountain ecosystem. Catena 196:  doi: 10.1016/j.catena.2020.104883 

 Li J., Xie T., Zhu H., Zhou J., Li C., Xiong W., Xu L., Wu Y., He Z. and Li X. (2021). Alkaline phosphatase activity mediates soil organic phosphorus mineralization in a subalpine forest ecosystem. Geoderma 404: doi: 10.1016/j.geoderma.2021.115376 

 Kou, Y., Liu, Y., Li, J., Li, C., Tu, B., Yao, M., Li, X. (2021). Patterns and drivers of nirK-type and nirS-type denitrifier community assembly along an elevation gradient. mSystems, 6(6), e00667-21. doi: 10.1128/mSystems.00667-21 

 Kou Y., Li C., Tu B., Li J. and Li X. (2022). The responses of Ammonia-Oxidizing microorganisms to different environmental factors determine their elevational distribution and assembly patterns. Microbial Ecology doi: 10.1007/s00248-022-02076-8