中国生物多样性丰富，现有各类自然保护地2672处，覆盖面积180万平方公里，占国土陆域面积的18.8%。研究显示，这些保护地沿“胡焕庸线”呈西密东疏格局，且多分布于不同气候带。为探究土壤微生物β-多样性驱动机制，研究团队沿4300公里跨纬度样带，在6类典型陆地生态系统设置207个采样点，系统分析细菌与真核生物群落地理分布特征。研究发现，土壤pH值在大尺度调控微生物群落动态中的核心作用，由于细菌与真核生物在细胞结构和代谢途径上的生理适应性差异，土壤酸化可能导致两者β-多样性分异趋势加速。该成果发表于国际环境与生态学顶级期刊Global Change Biology（2024年IF=12.1）。中国科学院西北生态环境资源研究院段育龙副研究员为第一作者，李玉强研究员为通讯作者；上海美吉生物医药科技有限公司高级产品工程师张俊彪为共同第一作者，英国纽卡斯尔大学Evangelos Petropoulos教授为合著者。

         跨4300公里采样：解码微生物“距离-衰减”关系

研究团队沿中国六个典型陆地生态系统布设了总长4300公里的样带，在207个采样点收集0-20 cm的表层土壤样本，结合新一代基因测序技术与机器学习模型，系统分析了细菌和真核生物群落的β-多样性（空间异质性）变化（图1）。研究发现，土壤pH值作为气候与土壤条件的综合代理变量，主导微生物群落呈现出经典的“距离-衰减”关系，即群落相似性随地理距离增加而降低的规律，但细菌与真核生物却表现出截然相反的趋势（图2）。 过去认为pH只是反映土壤状态的指标，但本研究证明它更像一个调控微生物世界的“开关”。该发现将土壤pH确立为大规模生物多样性保护的核心变量，特别是在中国自然保护区的管理中，监测和调控土壤pH或成为维持生态韧性的关键策略。

         土壤酸化下的“分道扬镳”：细菌趋同 vs. 真核生物趋异

当土壤pH值降低（酸化）时，细菌群落的β-多样性显著下降，呈现趋同化特征；而真核生物群落的β-多样性反而升高，呈现更强的空间异质性（图3）。这一“此消彼长”的现象表明，酸化可能打破两类微生物原有平衡关系。研究进一步发现，低pH环境下细菌-真核生物的资源竞争加剧，优势菌群及群落组成发生重构（图4），例如，酸敏感菌种被耐酸菌种替代，而真核生物（如真菌）的多样性则在竞争压力下提升。 

         生态保护警示：酸化或引发微生物“解耦危机”

气候变化或人为因素导致的土壤酸化，可能迫使细菌与真核生物群落向相反方向演化，削弱两者间的功能协同性，进而威胁生态系统稳定性。例如，在酸性土壤中，分解有机物的细菌多样性降低可能减缓物质循环，而真菌的过度增殖可能改变土壤碳储存模式。这种“解耦效应”在自然保护区管理中需高度重视。研究认为未来应建立基于pH动态的微生物多样性预警体系，并将跨生态系统微生物互作机制纳入全球变化模型，以更精准预测生态响应（图5）。这一成果不仅为中国山水林田湖草系统保护提供了科学抓手，也为全球生物多样性治理贡献了新范式。

本研究得到了甘肃省科技计划项目（24ZD13FA004）、第二次青藏高原综合科学考察项目（2019QZKK0305）；国家重点研发计划（2017YFA0604803）；国家自然基金面上项目（31971466）和中国科学院青年促进会人才项目（2023449）等的资助。

图1. 中国六类典型陆地生态系统表土（0-20 cm）土壤微生物多样性及丰度特征。A: 本研究土壤采样点空间分布：西南喀斯特地区（KS，23个）、西南农牧交错带（AS，31个）、青藏高原（QT，47个）、黄土高原（LP，33个）、森林-草原过渡带（FG，35个）、河西走廊荒漠区（HC，38个）；B: 中国六类生态系统土壤细菌与真核生物Chao1丰富度指数，采用学生t检验分析组间差异，不同小写字母表示区域间存在显著差异（p < 0.05），柱状图显示均值±标准差；C: 中国六类生态系统土壤细菌与真核生物β多样性指数，采用Wilcoxon秩和检验分析组间差异，不同小写字母表示区域间存在显著差异（p < 0.05）；D: 基于相对丰度排序的中国六类生态系统土壤细菌与真核生物门水平前十类群。

图2. 中国六类典型陆地生态系统表土（0-20 cm）土壤微生物β-多样性特征。A:土壤细菌与真核生物群落组成的方差分解分析（VPA），解析空间距离、气候因子（年均温[MAT]、年降水量[MAP]）及土壤变量（pH、总碳[TC]、总氮[TN]、碳氮比[TC/TN]、电导率[EC]）及其交互作用对群落变异的解释比例。百分比数值表示三类环境因子分别解释的细菌或真核生物群落组成变异量。B: 六类生态系统土壤细菌与真核生物β多样性的关键环境驱动因子显著性分析。基于非度量多维标度（NMDS）的随机森林模型显示，环境因子对β-多样性的预测重要性以均方误差增量百分比（IncMSE%）表示，箱内数值表示模型解释的变异量，柱状图上方的星号标记显著性水平：*p < 0.05，**p < 0.01。

图3. 中国六类典型陆地生态系统表土（0-20 cm）土壤微生物群落组成的多因子作用路径。A: 基于偏最小二乘路径模型（PLS-PM）解析多因子对土壤细菌与真核生物群落组成的直接与间接效应。箭头宽度与路径系数（标准化系数）强度成正比；红色与蓝色箭头分别表示正、负相关关系。路径系数及决定系数（R²）经999次Bootstrap检验计算得出，显著性标记为：*p < 0.05，**p < 0.01，***p < 0.001。B: PLS-PM模型中多因子对微生物群落组成的标准化总效应（直接效应+间接效应）。

图4. 土壤酸化背景下土壤细菌-真核生物互作关系的变化特征。A: 三种土壤pH条件下细菌与真核生物群落的共生网络。红色连线表示正相互作用，绿色连线表示负相互作用，边宽与斯皮尔曼相关系数（|r| > 0.6且p < 0.01）成正比。B: 基于Zi-Pi图展示三种pH条件下细菌-真核生物群落网络中关键属的拓扑角色分布，Zi和Pi阈值分别设定为2.5和0.62。C: 热图显示三种pH条件下关键属相对丰度的差异性分布。

图5. 研究建立的概念模型揭示：受人类活动加剧和全球气候变化影响，全球表土pH值呈现不可逆降低趋势，由此导致土壤细菌与真核生物β-多样性呈现相反变化趋势，即细菌β-多样性逐渐降低，而真核生物β-多样性显著增加，二者解耦进程持续加速。