冠层氮添加与林下去除对亚热带森林土壤微生物β多样性和呼吸作用的影响机制

《European Journal of Soil Biology》：Linking microbial community assembly to β-diversity and soil respiration under canopy nitrogen addition and understory removal in a subtropical forest

本研究针对全球变化背景下β多样性对生态系统功能贡献机制不清的科学问题，通过五年野外控制实验，揭示了氮添加（2.5 g N m?2 year?1）和林下去除通过强化环境过滤作用，促使细菌群落构建转向确定性过程（同质化选择），降低细菌β多样性并抑制土壤呼吸的关键机制。研究发现真菌群落对此不敏感，证实林下植被对维持土壤功能多样性具有缓冲作用，为氮沉降背景下人工林管理提供理论依据。

　　

在全球气候变化和人类活动加剧的背景下，森林生态系统正面临着氮沉降加剧和土地利用方式改变的双重压力。亚热带地区作为全球氮沉降热点区域，其典型的人工林生态系统如何响应这些变化，特别是土壤微生物多样性如何调控关键生态系统功能，成为生态学研究的焦点问题。土壤呼吸作为陆地生态系统碳循环的关键环节，其动态变化直接影响大气CO₂浓度和全球气候反馈。然而，传统研究多关注α多样性（局部多样性）与生态系统功能的关系，对于β多样性（物种组成在空间上的周转）如何响应环境变化并调控生态系统功能的认知仍存在显著空白。

正是在这一科学背景下，李德宝等研究人员在《European Journal of Soil Biology》上发表了他们的最新研究成果。他们以中国亚热带广泛种植的杉木（Cunninghamia lanceolata）人工林为研究对象，设计了一项为期五年的野外控制实验。该实验采用因子设计，设置了对照（CT）、冠层氮添加（CN）、林下植被去除（UR）以及氮添加与林下去除结合（CN+UR）四种处理，旨在探究氮沉降和林地管理措施如何通过改变土壤微生物群落构建过程，进而影响微生物β多样性，并最终调控土壤呼吸这一关键生态系统功能。

关键技术方法概述

本研究在福建三明官庄林场（117°43′ E, 26°30′ N）的杉木人工林内建立长期实验样地。研究人员通过冠层喷洒方式模拟氮沉降（每年添加2.5克氮/平方米），并人工清除林下灌草植被实现林下去除。定期监测土壤温度、湿度、pH值、养分（如铵态氮NH₄⁺-N、硝态氮NO₃^?-N、有效磷、总碳氮）含量及土壤呼吸速率。采用高通量测序技术分析土壤细菌和真菌群落组成，并利用零模型（Null model）分析群落构建过程（如确定性过程中的同质化选择），通过距离衰减关系等方法量化微生物β多样性。

研究结果

Effects of experimental treatments on soil variables（实验处理对土壤变量的影响）

研究发现，林下去除和氮添加处理显著改变了土壤环境。林下去除通过减少植被覆盖，导致土壤温度升高、湿度降低，并显著降低了土壤呼吸速率和有效磷含量。氮添加则提高了土壤硝态氮（NO₃^?-N）含量和总碳储量，但降低了土壤pH值。当两种处理结合时，对土壤呼吸的抑制效应更为明显。这些环境变化共同构成了强烈的环境过滤效应，为微生物群落的演变设定了新的选择压力。

Discussion（讨论）

核心发现表明，林下去除和氮添加处理显著降低了土壤细菌的β多样性，但其对真菌β多样性未产生显著影响。机制分析揭示，环境变化（如土壤温度、湿度、养分有效性的均质化）强化了确定性过程在细菌群落组装中的作用，具体表现为同质化选择（homogeneous selection）过程的增强。同质化选择是指相似的环境条件筛选出相似的物种组合，从而导致不同位点间的细菌群落组成趋于一致，β多样性因而降低。与此形成对比的是，真菌群落由于其不同的生活史策略（如菌丝网络传播可能缓冲环境变化）可能对环境变化的响应不如细菌敏感，其群落构建过程未发生显著改变。

进一步分析发现，土壤细菌β多样性的降低与土壤呼吸速率的下降存在显著正相关关系。这表明，细菌β多样性的丧失可能导致微生物群落功能冗余度下降，进而削弱其对多种有机底物的分解能力，最终影响碳循环关键过程——土壤呼吸。研究还发现，在林下去除的情况下，氮添加对细菌β多样性的负面效应得到一定程度的缓解，暗示林下植被的存在能够缓冲氮沉降的不利影响，维持土壤微生物的功能多样性。

Conclusion（结论）

本研究通过长期野外实验证实，在亚热带杉木人工林中，林下管理（去除）和大气氮沉降通过改变土壤环境，增强了细菌群落构建中的同质化选择过程，从而降低了细菌β多样性。细菌β多样性的减少与土壤呼吸功能的减弱密切相关。这一发现强调了β多样性在连接环境变化与生态系统功能中的关键桥梁作用。研究结果对人工林管理具有重要启示：保留林下植被可以作为一项有效的管理措施，在一定程度上缓解氮沉降对土壤微生物多样性和生态系统碳循环功能的负面影响，对于维持人工林生态系统的长期健康和稳定性具有重要意义。