氮富集通过降低与林下植物的碳氮化学计量失衡促进等足类动物种群

本研究通过10年氮(N)富集实验，揭示了长期氮添加通过降低林下植物群落碳氮比(C:N)，缓解其与等足类动物的化学计量失衡，从而促进这一关键碎屑动物的丰度和生物量。该发现阐明了氮沉降影响土壤食物网的新机制，即通过林下植物质量而非林冠层凋落物介导的季节性途径调控土壤动物。

　　

1 引言

气候与土壤碳循环之间的反馈受到微生物和无脊椎动物的共同调节。作为关键的碎屑动物和真菌取食者，陆生等足类动物在凋落物分解、养分循环和土壤肥力方面扮演着至关重要的角色。等足类通过直接消耗和破碎凋落物来加速分解过程，从而增加可供微生物活动的表面积。此外，陆生等足类将凋落物转化为粪便，这可以增强微生物代谢，进一步影响凋落物的分解速率。陆生等足类也是重要的真菌取食者，对腐生真菌施加强烈的“自上而下”的控制，从而影响碳-气候反馈。它们广泛分布于全球各种陆地自然栖息地，极地和高海拔地区除外，在城市环境中也有发现。

氮富集被认为是可能改变土壤无脊椎动物群落的主要全球变化驱动因子。然而，实证研究报告显示，无脊椎动物总丰度对氮输入增加的反应并不一致；相反，不同类群表现出环境特异性的反应。值得注意的是，等足类在很大程度上被忽视，很少被纳入检验氮富集效应的荟萃分析中。因此，我们对氮富集如何影响等足类丰度的理解仍然非常有限。

土壤无脊椎动物的丰度可能通过几种营养机制受到氮富集的影响。首先，富氮可以增加凋落物产量，这为无脊椎动物提供了额外的碎屑资源，从而促进其在栖息地中的丰度增加。其次，由于它们消耗的凋落物相比，其体内的碳氮比较低，土壤无脊椎动物常常面临养分限制。氮富集可以通过降低凋落物的碳氮比来缓解这种化学计量失衡，从而有利于土壤无脊椎动物。或者，食物网底部的变化可能对更高营养级产生深远影响。氮富集的效应可以驱动初级生产者多样性的变化，将这些效应通过营养级传播。多样化的凋落物输入为土壤无脊椎动物提供了增加的饮食补偿机会。然而，氮富集通常导致植物多样性减少以及植物群落组成的变化；因此，它可能进一步影响初级生产力或其质量。

造林是退化土地恢复、提供生态系统服务和减缓气候变化的关键策略。人工林的一个关键特征是植物多样性低，林下植被对整体植物多样性贡献显著。多样化的林下植物可能为碎屑食物网提供重要的补偿性食物资源，这在诸如造林景观等植物多样性低的生态系统中可能尤为重要。氮富集的效应如何通过植物传递给消费者，特别是多样性对碎屑动物的“ afterlife effects ”，仍然是一个关键的知识空白。为了研究氮富集对陆生等足类动物的影响，我们在一个杨树人工林中进行了10年的氮富集实验，连续2年跨越8个季节监测了其密度和生物量。此外，还评估了杨树落叶、林下植物和林地地表凋落物的数量和质量（碳氮比），以及林下植被的多样性。我们假设：（1）氮富集将通过提高植物凋落物的数量和质量（降低碳氮比）、扩大栖息地可用性和缓解氮限制来增加等足类的活动密度和生物量；（2）氮富集导致人工林林下植被植物多样性降低和群落组成改变，从而影响资源数量和质量，同时间接控制等足类的密度和生物量。

2 材料与方法

2.1 试验地点与设计

我们的试验地点位于中国东部江苏省东台林场。该林场建于1965年，面积约3000公顷，该地区气候属海洋性季风气候。1960年至2020年的年平均气温为14.92°C，降水量为1056.6毫米。森林覆盖率为85%，土壤为脱盐沙壤土，根据联合国粮食及农业组织的分类属于冲积土，土壤pH_1:2.5w为8.54。主要的人工林树种有美洲黑杨和水杉。

我们的氮富集试验于2012年5月建立，分别选择了13年生（幼龄林）和17年生（中龄林）的纯杨树人工林作为样地，立地条件和管理措施大致均匀。13年生和17年生杨树人工林的平均高度分别为18.1米和21.3米，平均胸径（DBH）分别为16.2厘米和23.1厘米，冠层覆盖率分别为43.6%和53.6%。采用随机区组设计，设置五个氮富集水平（0、5、10、15和30 g N m^?2 year^?1），四个重复区组。每个氮处理样方面积为25米×30米，相邻样方之间有10米宽的缓冲区。为确保隔离，相邻区组之间的距离不小于500米。氮富集速率的选择考虑了该区域环境氮沉降速率约为5 g N m^?2 year^?1。氮以硝酸铵形式在生长季（5月至10月）添加。我们计算了硝酸铵的年沉降量，并将其六分之一溶解在20升水中，使用背负式喷雾器在冠层下均匀喷洒，以模拟自然氮富集。对照样方接受等体积的水（20升）。

2.2 采样方法

2.2.1 等足类活动密度与生物量

在2年内的8个季节（2020年8月至2022年6月）对等足类进行采样，共进行8次采样事件。使用含有饱和氯化钠溶液的陷阱法收集等足类。在样地中随机放置六个陷阱。陷阱上方约10厘米处放置圆形一次性板以防止凋落物和降水进入。陷阱每次设置7天，之后回收并带回室内。我们的样本中存在三种陆生等足类物种的成虫：普通卷甲虫、光滑鼠妇和拉氏粗颈虫。所有这三种物种先前都在当地文献中有记载。由于我们的研究侧重于等足类的总密度和生物量，且鉴定未成熟个体相当困难，我们包括了所有个体（成虫和幼体），未区分物种。对等足类进行计数，并在60°C下烘干至恒重后称量干重。活动密度和生物量计算公式为：活动密度或生物量（个体数或克 米^?2 天^?1）= N / (A × t)，其中N为陷阱期内捕获的等足类总数，t为陷阱持续时间（7天），A为陷阱开口面积，基于7厘米直径计算为0.00385平方米。

实验所使用的等足类未列入IUCN濒危物种红色名录，所有程序均遵循伤害最小化原则。根据研究时的机构政策，不需要正式的伦理批准。

2.2.2 林下植被多样性与生物量

在每个重复样地的五个随机分配的2米×2米样方内调查林下植被。两名观察者识别样方内的植物物种，并目测估计和记录每个物种的覆盖百分比。林下物种按功能群（草本、禾草和豆科）分组，其多度以占总覆盖度的百分比计算。对于林下生物量，在每个样方内随机选择两个采样点，放置50厘米×50厘米的采样框，将框内植被齐地剪下并收集。植被样本转移到实验室，在60°C烘箱中烘干至恒重，然后测量干重。

2.2.3 林地地表凋落物收集

在每个重复样地中，随机选择五个采样点。在每个采样点放置一个收集框（50厘米×50厘米）以收集林地地表凋落物。收集的凋落物装入自封袋带回实验室，在60°C下烘干至恒重，并称量干重。

2.2.4 杨树落叶收集

每个样地随机放置六个0.5米×0.5米的凋落物收集器，用于在每次采样事件中收集林冠层凋落物。同一地块六个收集器中的落叶合并后放入塑料袋中运回实验室。将材料装入信封，在60°C烘箱中烘干至恒重，然后称量杨树落叶的干重。

2.2.5 碳氮分析

使用研钵研磨等足类、杨树落叶、林下植被凋落物和混合凋落物。对于等足类，从每个样地收集的标本中随机选择20个干燥个体，随后一起研磨用于碳氮测量（不区分体型大小或物种，N=40）。对于植物材料，我们测量了每次采样事件和每个样地的样本（N=320）。使用元素分析仪测定样品的碳氮浓度。

2.3 重复性说明

推断尺度	感兴趣因子应用的尺度	适当尺度下的重复数
等足类种群	五个氮富集水平；两个林龄；八次采样时间（超过2年）	每个氮富集水平四个重复；总共40个样地和320个观测值

2.4 统计分析

使用广义线性混合模型分析不同氮富集水平下陆生等足类丰度和生物量的变化。氮富集水平、林龄和采样时间设置为固定效应，包括这三个因素之间所有可能的交互作用，样方ID嵌套在区组ID内作为随机因子。考虑到等足类丰度数据中存在大量零值，测试了考虑非负、零膨胀计数数据的各种分布，并使用DHARMa包检查模型残差。通过残差诊断后，比较使用不同分布的模型的AIC值，并采用AIC最低的分布。最终，使用Tweedie分布对等足类丰度进行建模。此外，我们使用emmeans包的‘emtrend’函数检查了每个时间点氮富集的斜率。

对于林下植被碳氮比数据，氮富集水平、林龄和采样时间设置为固定效应，包括这三个因素之间所有可能的交互作用，样方ID嵌套在区组ID内作为随机效应，假设高斯分布。对于林下植被丰富度数据，氮富集水平及其二次项、林龄和采样时间设置为固定效应，包括氮富集速率及其二次项与另外两个因素的所有可能交互作用，样方ID嵌套在区组ID内作为随机效应。比较泊松分布和高斯分布，发现高斯分布通过了残差检查且AIC较低。

我们使用piecewiseSEM包拟合分段结构方程模型，以评估氮富集速率、林下植被及其多样性（丰富度）和组成（豆科比例）、杨树叶和凋落物的碳氮比对等足类丰度的直接和间接影响。为了检验我们的GLMM揭示的等足类对氮富集的夏季特异性反应的机制，分别对夏季数据和非夏季数据拟合了SEMs。

3 结果与讨论

研究结果显示，氮富集显著增加了陆生等足类的丰度和生物量。相对于环境氮水平，氮富集水平为5、10、15和30 g N m^?2 year^?1时，等足类活动密度的相应增加估计分别为11.6%、24.5%、38.9%和92.9%。这表明等足类对氮添加呈明显的剂量依赖性正响应。

值得注意的是，氮富集并未改变等足类身体的碳氮比，但降低了杨树落叶、林下植物和碎屑的碳氮比。这意味着氮添加改善了等足类食物的质量，而非改变其自身的身体化学计量。同时，氮富集降低了林下植物多样性并改变了林下植物物种组成，这与许多关于氮沉降导致生物多样性丧失的研究结论一致。

结构方程模型揭示了等足类丰度对氮富集的响应始终与林下群落的碳氮比呈负相关，而与杨树落叶质量无关。这一发现指向了一个核心机制：氮富集主要通过影响林下植被的质量来调控等足类种群，而非通过林冠层树木的凋落物。这阐明了一种新的机制，即氮富集通过影响林下植物而非林冠层的质量来促进土壤无脊椎动物。

本研究结果暗示，长期氮富集通过林下植物群落介导的季节性途径影响土壤碎屑动物。这揭示了一个先前未被认识的氮沉降影响土壤食物网结构的机制。在植物多样性较低的生态系统如人工林中，林下植被作为补偿性食物资源的作用可能尤为重要。氮富集虽然降低了林下植物多样性，但通过提高剩余植物（可能包括更适口或营养价值更高的物种）的组织氮含量，总体上改善了等足类的食物资源基础，缓解了其碳氮化学计量失衡，最终促进了其种群增长。

这项长达十年的实验研究提供了关于氮沉降对关键土壤碎屑动物长期效应的宝贵见解，强调了在评估全球变化对地下生态系统影响时，考虑不同植物组成部分（林冠与林下）以及营养级联效应的重要性。未来的研究可以进一步探讨这种效应在不同生态系统类型、不同土壤动物类群中的普适性，以及其对生态系统过程（如分解和养分循环）的最终影响。