微生物群落在驅動陸地生態(tài)系統(tǒng)關鍵的生態(tài)過程和功能（如有機碳周轉）中起著至關重要的作用。群落穩(wěn)定性代表這些群落內部的變化程度或更替率，主要歸因于物種多樣性、網(wǎng)絡特性和聚集過程。然而，關于這些屬性如何影響永久凍土等脆弱環(huán)境中的微生物動態(tài)，尤其是在不同的垂直剖面和退化梯度上，仍然存在知識缺口。永久凍土是地球陸地冰凍圈的主要組成部分，為微生物提供了獨特的棲息地。與高緯度地區(qū)相比，青藏高原擁有世界最大的中低緯度高海拔山地（高山）永久凍土區(qū)，具有更厚的活動層和更高的年平均地溫，這些獨特條件很可能產生不同的微生物模式。目前對青藏高原微生物群落屬性的理解仍集中在活動層，對永久凍土層特別是更深層的認識存在顯著差距。永久凍土退化正在青藏高原日益普遍，嚴重威脅著其巨大的碳庫。先前研究表明，永久凍土退化顯著降低了活動層表層的微生物多樣性和穩(wěn)定性，并與碳損失顯著相關。然而，這些在活動層觀察到的模式是否適用于永久凍土層仍存在很大的不確定性。

永久凍土性質在深達15米的垂直剖面上表現(xiàn)出顯著變化。活動層的永久凍土溫度、含水量、有機質和總氮顯著高于永久凍土層，而pH值則顯著低于永久凍土層。氧化還原電位在兩層之間無顯著差異。從表層活動層到底層活動層，含水量、有機質和總氮呈現(xiàn)劇烈變化，而從凍結緣層到底層永久凍土層變化較小。沿著從S1到S5的退化梯度（基于永久凍土退化指數(shù)PDI排序），活動層內的溫度顯著升高，而含水量、有機質和總氮顯著降低；在永久凍土層內，溫度和含水量則隨著退化顯著增加。

五大類主要細菌門在五個巖心中保持一致，但其相對豐度在主要層位（活動層與永久凍土層）和子層位（從表層活動層到底層永久凍土層）間存在顯著變化。例如，從表層活動層到底層永久凍土層，變形菌門的相對豐度大幅增加，而放線菌門的相對豐度則下降。在物種水平上，一些物種的相對豐度沿垂直剖面或退化梯度呈現(xiàn)顯著的線性變化趨勢。

細菌α多樣性（豐富度和香農指數(shù)）在活動層顯著高于永久凍土層，并從表層活動層到次活動層顯著降低，但從凍結緣層到底層永久凍土層則無明顯變化。隨著永久凍土退化，活動層內的α多樣性下降，而永久凍土層內無顯著變化。基于Bray-Curtis距離的主坐標分析和置換多元方差分析表明，群落組成在主要層和子層之間，以及在活動層和永久凍土層內的退化梯度上均發(fā)生了顯著變化。細菌群落離散度和β多樣性在主要層和子層間顯著增加，并且在活動層內隨著退化顯著增加。

核心細菌類群（基于出現(xiàn)頻率和相對豐度定義）以變形菌門、擬桿菌門和厚壁菌門為主。在屬水平上，Ralstonia和Pseudomonas是主要成分。核心類群的相對豐度從主要層、子層到退化梯度上均顯著增加。

細菌群落聚集主要由隨機過程主導，且在永久凍土層的隨機性比率顯著高于活動層。具體而言，隨機性比率從表層活動層到凍結緣層顯著增加，之后到次永久凍土層無顯著變化。沿著退化梯度，隨機性比率在活動層內顯著增加，但在永久凍土層內沒有變化。此外，遷移率和生態(tài)位重疊在垂直剖面和退化梯度上均顯著下降。修改后的Mantel檢驗顯示，在活動層，細菌群落組成和隨機性比率與除氧化還原電位外的所有變量均存在顯著相關性，其中深度表現(xiàn)出最強的相關性；而在永久凍土層，兩者均與氧化還原電位顯著相關，且與溫度的相關性最強。細菌豐富度與深度呈最密切的負相關，核心類群的相對豐度則對活動層和永久凍土層的隨機性比率有顯著影響。

基于SparCC算法構建的細菌共現(xiàn)網(wǎng)絡分析顯示，從表層活動層到底層永久凍土層，網(wǎng)絡邊數(shù)、密度、傳遞性、度、中心性和復雜性顯著降低，而模塊性和正相關邊的比例增加，表明網(wǎng)絡結構向更穩(wěn)定方向轉變。網(wǎng)絡魯棒性分析（通過移除邊后自然連通性的下降程度來評估）也證實了這一點，表明細菌群落的穩(wěn)定性增加。通過平均變異度方法計算得到的群落穩(wěn)定性（1 - 標準化平均變異度）在主要層和子層間也顯著增加。

類似地，沿著退化梯度，細菌群落穩(wěn)定性在活動層內顯著增加，而在永久凍土層內則沒有顯著變化。研究發(fā)現(xiàn)，細菌豐富度與活動層和永久凍土層的群落穩(wěn)定性均呈強負相關，而隨機性比率僅與活動層的穩(wěn)定性呈正相關。核心類群的相對豐度與活動層和永久凍土層的群落穩(wěn)定性均呈顯著正相關。盡管核心類群之間的相互作用在垂直剖面上沒有顯著變化，但在活動層內隨著退化顯著增強。有趣的是，核心類群的相互作用與活動層的群落穩(wěn)定性呈強正相關，但與永久凍土層呈負相關。隨機森林模型顯示，在活動層，核心類群是群落穩(wěn)定性的主要貢獻者；而在永久凍土層，核心類群的相互作用成為關鍵決定因素。這可能是由于永久凍土層中核心類群之間的邊具有更短的路徑長度和更強的中介中心性，使得擾動信號傳播更快、更廣，從而導致網(wǎng)絡更快、更廣泛地崩潰，最終失去穩(wěn)定性。

永久凍土碳儲存（以有機碳密度POCD表示）在活動層顯著高于永久凍土層，并從表層活動層到底層活動層顯著降低，但從次活動層到底層永久凍土層無明顯變化。隨著退化，活動層內的碳儲存顯著下降，損失程度高達70.2%，且高于永久凍土層。

值得注意的是，細菌群落穩(wěn)定性是影響活動層和永久凍土層碳儲存的最重要因素。群落穩(wěn)定性與POCD在整個垂直剖面上呈顯著負相關，且在活動層效應最強。隨著永久凍土退化，這種負相關變得更加顯著和強烈。對碳水化合物活性酶（CAZymes）基因譜的分析發(fā)現(xiàn)，編碼碳降解酶的基因豐度與活動層和永久凍土層的群落穩(wěn)定性呈強負相關。這種功能喪失涉及針對不穩(wěn)定碳（如淀粉）和頑固碳（如木質素和幾丁質）的酶，表明由永久凍土退化誘導的高度穩(wěn)定群落可能失去了將有機質轉化為土壤碳的酶促能力。

結構方程模型進一步揭示了環(huán)境變量和群落屬性對碳儲存的影響。在活動層，POCD變異的74.5%得到解釋，其中含水量具有最顯著的正向效應；在永久凍土層，POCD變異的26.1%得到解釋，其中群落穩(wěn)定性起主導作用。PDI對活動層的POCD有強烈負效應，對永久凍土層的POCD有微弱但仍為負面的影響，表明永久凍土退化無疑導致了碳損失。

采用袋裝回歸樹和隨機森林等機器學習方法驗證了細菌群落對永久凍土碳儲存的預測能力。模型解釋了碳儲存的高方差，并顯示出較低的均方誤差。對碳儲存最重要的前20個分類群包括甲烷循環(huán)類群（如Methylomonas methanica）和固氮細菌（如Mesorhizobium ciceri），表明永久凍土的碳動態(tài)與碳氮耦合機制緊密相關。

研究發(fā)現(xiàn)，從活動層到永久凍土層，細菌群落穩(wěn)定性增加，這與減弱的環(huán)

境敏感性、提升的網(wǎng)絡穩(wěn)定特性、增強的魯棒性以及降低的平均變異度相符。活動層頻繁的凍融循環(huán)引入了環(huán)境波動，削弱了擴散限制，并作為過濾壓力刺激了微生物群落的物種更替，從而導致相對較高的確定性過程。相比之下，永久凍土層主要充當長期冷庫，微生物群落在此表現(xiàn)出對零下、寡營養(yǎng)和高鹽條件的適應策略以維持高穩(wěn)定性。低代謝活性和高休眠率，加上凍結狀態(tài)下水分運動的受阻，加劇了擴散限制。盡管耐壓物種在永久凍土層積累，但它們與養(yǎng)分和永久凍土性質關聯(lián)較弱，表明群落組成并非由近期生態(tài)位選擇驅動，而是反映了地質尺度環(huán)境過濾塑造的遺留效應。

值得注意的是，之前的研究表明永久凍土退化降低了活動層表層的微生物群落穩(wěn)定性，但本研究發(fā)現(xiàn)隨著退化加劇，活動層的細菌群落穩(wěn)定性反而增強。這可能與微生物群落對環(huán)境壓力產生適應性和恢復力有關。此外，這種差異也可能歸因于季節(jié)動態(tài)。之前的研究主要關注夏季樣本，而本研究在秋季采樣，可能捕捉到群落向休眠和冷適應過渡的狀態(tài)，這促進了耐壓共現(xiàn)模式的形成，從而表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。然而，這些微生物變化并未發(fā)生在永久凍土層，表明在秋季，高山永久凍土中永久凍土層的微生物群落對退化的敏感性低于活動層。

研究發(fā)現(xiàn)，細菌群落穩(wěn)定性與永久凍土碳儲存呈負相關。雖然穩(wěn)定的群落通常有利于碳固存，但本研究結果與之前的研究一致，表明穩(wěn)定的群落結構可能有助于碳分解。這種高度穩(wěn)定的群落可能保留了原始“功能最優(yōu)”的群落結構，從而能夠充分利用可用資源。同時，微生物群落對增溫適應性的增加（即穩(wěn)定性增強）會加劇碳損失，本研究表明如果群落適應了永久凍土退化，也會發(fā)生同樣的情況。與碳降解酶基因的代謝潛力喪失相關，表明碳損失與微生物同化和轉化有機質的能力受損有關，從而限制了土壤碳庫的補充。

本研究通過分析五個15米深永久凍土巖心中細菌群落屬性的變化，提供了明確證據(jù)：活動層擁有更高的細菌α多樣性，而永久凍土層的群落表現(xiàn)出更高的隨機性過程和穩(wěn)定性。這些群落屬性從表層活動層到次活動層變化顯著，但從凍結緣層到底層永久凍土層變化不顯著。隨著永久凍土退化，活動層內的細菌α多樣性降低，但隨機性過程和群落穩(wěn)定性增加，表現(xiàn)為從厭氧類群（如Geobacter）向耐旱類群（如Rubrobacter）的顯著演替；而這些屬性在永久凍土層內不受退化影響。核心類群在維持群落穩(wěn)定性中發(fā)揮重要作用，其相對豐度在活動層貢獻大，而其相互作用主要驅動永久凍土層的群落穩(wěn)定性。重要的是，在永久凍土退化背景下，觀察到細菌群落穩(wěn)定性與碳儲存呈負相關，且這種關系在活動層比在永久凍土層更強。結合觀察到的碳降解基因功能耗竭，這些結果表明永久凍土退化可能導致微生物介導的碳損失增加，在未來變暖情況下可能引發(fā)積極的氣候反饋。

研究地點位于青藏高原東北緣祁連山西段的疏勒河源區(qū)。2020年10月初，通過鉆探在五個不同地點采集了15米深的永久凍土巖心樣本。基于溫度監(jiān)測數(shù)據(jù)計算的活動層厚度，將五個采樣點的永久凍土垂直剖面一致地劃分為兩個主要層和五個子層。對125個樣本進行了宏基因組測序和理化性質分析。使用Kraken2進行物種分類，并采用多種統(tǒng)計方法分析細菌多樣性、群落聚集過程、共現(xiàn)網(wǎng)絡、穩(wěn)定性及其與環(huán)境變量和碳儲存的關系。核心類群被定義為在所有樣本中出現(xiàn)頻率超過70%且平均相對豐度最高的前5%的物種級分類群。使用結構方程模型探究環(huán)境變量、核心類群、隨機性比率和群落穩(wěn)定性對有機碳密度的影響，并采用機器學習方法驗證細菌群落對碳儲存的預測能力。