背景介绍：旱地覆盖了全球陆地面积近一半，在支持生物多样性和人类福祉方面发挥关键作用。土壤微生物是地球关键生物类群，支持着旱地土壤健康和功能。然而，微生物极易受到全球干旱加剧的影响。大多数工作都集中于土壤上层几厘米的土壤微生物组，但对生活在低氧、连通性差的深层土壤中的微生物的分布格局知之甚少。全球气候变化通过改变土壤微生物多样性和功能影响陆地生态系统服务。随着气候的持续变化，干旱已在全球范围内发生，将对陆地生态系统产生重要影响。干旱已被证明是表层（ <1 m）土壤微生物群落组成和活性的主要驱动因素。同时，外部气候变量被证明可以通过植物根系、土壤矿物学特性影响底层土壤温度敏感性、碳分配和水分消耗，这些因素均是微生物群落分布的潜在驱动因素。然而，对于深层土壤微生物是否及如何随干旱而变化，我们依然知之甚少（图1）。与此同时，针对表土的大量研究得出结论，微生物群落分布与土壤变量的相关性比地理距离更强。然而，考虑到土壤也具有垂直异质性，土壤微生物沿空间和环境梯度分布特征的理解可能仍然有限。鉴于此，我们使用扩增子测序方法，沿气候和生态系统生产力梯度研究了中国黄土高原半干旱森林生态系统15个18 m深剖面土壤的细菌、古菌和真菌群落结构、潜在功能及空间格局。

研究结果： 表层土壤细菌、真菌的α多样性和细菌、古菌群落相似性显著下降，深层土壤细菌、真菌α多样性保持相对稳定。尽管如此，深层土壤微生物群落仍展现出氮循环、植物源有机质降解、资源交换和水分协调等功能潜力（图2和图3）。深层土壤微生物比表层土壤微生物具有更紧密的物种共现关系（物种间关联和细菌-真菌关联，图3），扩散限制在群落组装中的影响较大。地理距离对深层土壤细菌和古菌的影响大于表层土壤（图4）。进一步的结果发现，干旱与深层土壤古菌、真菌丰富度，古菌群落相似性，植物腐生菌相对丰度和细菌-真菌关联数呈负相关，但增加了深层土壤中好氧氨氧化菌、锰氧化菌和丛枝菌真菌的相对丰度（图5）。根系扎根深度、根系复杂性、土壤体积水分和粘土含量在介导干旱对深层土壤微生物的间接影响中起关键作用（图6）。

我们发现 即使是深层土壤中的微生物群落和养分循环也容易受到干旱引起的水分可用性变化的影响，这对理解旱地生态系统可持续性和全剖面土壤对干旱化的响应有深远意义。此外，在未来气候变化下，忽略土壤深度可能会低估土壤水分在旱地生态系统中的作用。同时，我们的研究也预示，由于深根系植物在旱地的广泛分布及植物根系对水气的运输作用，未来评估气候变化对土壤微生物多样性与生态功能的影响时，至少应考虑到深根系所能到达的深度。

以上研究成果以“Deciphering microbiomes dozens of meters under our feet and their edaphoclimatic and spatial drivers”为题，于2023年11月发表于生态学顶级期刊Global Change Biology（IF: 11.6）上发表。第一作者为西北农林科技大学资源环境学院在读博士生何浩然，通讯作者为方临川教授。论文的合作单位有中国科学院地球环境研究所（周京雄博士，王云强研究员，陈骥研究员），西北农林科技大学（焦硕教授、钱勋教授、陈立博士、潘海博博士），华中农业大学（谭文峰教授、刘玉荣教授），华中师范大学（刘济副教授），西班牙塞维利亚自然资源和农业生物研究所（Manuel Delgado-Baquerizo教授），瑞典隆德大学（Albert C. Brangarí教授），北京大学（崔勇兴博士），美国伊利诺伊理工大学（田仁茂博士），西班牙加迪斯大学（Raúl Ochoa-Hueso教授）和中国科学院南京土壤研究所（梁玉婷研究员）。该研究得到了国家自然科学基金重点项目（U21A20237）、中国科学院战略重点研究项目（XDB40020202）的资助。