凋落物介导的海拔梯度下微生物群落变化促进腐殖化驱动的土壤有机碳积累

《Applied Soil Ecology》：Litter-mediated shifts in microbial communities along an altitudinal gradient enhance humification-driven soil organic carbon accumulation

本文通过中条山海拔梯度研究，揭示了凋落物输入通过改变微生物群落（特别是稀有类群）结构直接/间接调控腐殖化进程的机制。研究发现海拔升高虽增加养分含量却降低腐殖质，证实稀有微生物对土壤有机碳（SOC）固存的关键驱动作用，为预测环境变化下森林土壤碳稳定性提供新视角。

　　

Highlight

海拔梯度引起的环境异质性显著影响凋落物/土壤性质及腐殖质化学组分。关于腐殖质形成路径存在多种假说：微生物合成理论认为植物纤维素经微生物转化后参与腐殖质合成；化学聚合假说强调多酚-氨基酸缩合途径；而木质素理论则关注木质素降解产物的直接贡献。本研究证实凋落物质量、土壤特性及微生物群落共同驱动腐殖化进程，其中凋落物稀有类群通过调控土壤微生物网络结构间接增强腐殖质积累。

研究地点描述

本研究在山西省中条山自然保护区（35°25′38″N, 111°58′22″E至112°4′37″E）开展。该区域属暖温带季风大陆性气候，夏季暖湿、冬季干冷，最高海拔2321.8米（秦，2024）。年均温10.4°C–11.9°C，年降水量580–610毫米（冯等，2022a）。海拔梯度形成的植被垂直带谱（落叶阔叶林→针阔混交林→针叶林）为研究凋落物-土壤连续体互作提供理想平台。

海拔梯度下凋落物与土壤理化性质、腐殖质特征及有机碳组分的演变规律

如图1所示，凋落物与土壤理化性质沿海拔梯度呈现显著差异。中高海拔（≥1500米）凋落物及土壤呈酸性（pH<7）（图1a）。海拔>1500米处水分含量（WC）显著高于低海拔区（图1b）。凋落物全氮（TN）、全磷（TP）与全硫（TS）浓度在1800米达峰值，整体呈现随海拔升高而增加的趋势（图1c-e）。土壤全碳（TC）、全氮（TN）及碳氮比（C/N）沿海拔梯度上升而显著增加（图1f-h），但腐殖质含量在低海拔区更高（图1i）。有机碳组分分析显示活性碳（LOC）与惰性碳（NLC）占比沿海拔无显著差异，但微生物残体碳（MRC）在低海拔区贡献率更高（图1j）。

环境异质性对海拔梯度腐殖质积累的影响

凋落物质量、土壤特性及微生物群落结构共同调控腐殖化进程。冗余分析（RDA）表明土壤pH、水分含量（WC）、全磷（TP）和微生物生物量氮（MBN）是驱动微生物群落海拔分异的关键因子（图2a-d）。曼特尔检验进一步揭示腐殖质与有机碳组分不仅受土壤属性影响，还与凋落物化学性质及凋落物微生物多样性密切相关（图3）。值得注意的是，凋落物稀有类群对腐殖质和有机碳积累的贡献显著高于优势类群（图4）。混合效应模型验证腐殖质含量是有机碳固存的关键预测指标（图5）。结构方程模型（SEM）阐明早期定殖于凋落物的微生物直接促进腐殖质与有机碳储存，并通过重塑土壤微生物群落结构间接强化腐殖化进程（图6）。

结论

本研究揭示不同海拔凋落物输入引起的微生物群落变化调控腐殖化与有机碳固存的机制。尽管高海拔区凋落物与土壤养分更丰富，但低海拔区腐殖质积累更显著。凋落物与土壤中的稀有类群与优势类群沿海拔呈现迥异的分布模式。凋落物质量、土壤属性及微生物群落协同驱动腐殖化，其中凋落物稀有类群通过调控土壤微生物网络间接增强腐殖质形成。研究结果深化了对森林土壤有机质动态的理解，为环境变化背景下土壤碳稳定性的预测提供科学依据。