树木多样性调控无梗栎凋落物挥发性有机化合物排放的生态化学机制

《Chemoecology》：Effects of tree diversity on oak litter VOC emissions

本研究针对树木多样性如何影响凋落物挥发性有机化合物（VOC）这一生态学空白问题，通过优化固相微萃取-气相色谱-质谱联用（SPME-GC-MS）技术，系统分析了无梗栎（Quercus petraea）凋落物VOC排放特征。结果表明，样地多样性显著改变了凋落物VOC组成，具体表现为脂肪酸类排放增加，而萜类化合物（如(-)-β-波旁烯和(E)-β-石竹烯）及乙醇排放随多样性升高呈下降趋势。此外，凋落物碳氮比（C:N）与萜类排放呈显著负相关。该研究首次揭示了树木多样性通过调控养分循环和微生物活动间接影响凋落物化学信号，为理解森林生态系统分解过程提供了新视角。

　　

在温带森林中，凋落物的分解过程是生态系统养分循环的核心环节，其中微生物和土壤动物通过分解凋落物将有机质转化为可利用养分。然而，凋落物的化学组成尤其是挥发性有机化合物（VOC）如何影响分解者群落，至今仍缺乏系统研究。更关键的是，树木多样性是否通过改变凋落物VOC排放进而调控分解过程，成为生态学中亟待解答的问题。

以往研究多关注绿色叶片VOC的生态功能，例如萜类化合物在植物防御草食动物和吸引天敌中的作用，但对凋落物VOC的关注较少。凋落物VOC不仅可能作为分解微生物的碳源，还可能通过化学信号吸引或排斥无脊椎分解者（如跳虫、螨类），从而影响分解速率。此外，树木多样性已知会改变绿色叶片的代谢组，这种变化是否延续到凋落物阶段，并通过VOC影响分解过程，是本研究的核心科学问题。

为解决上述问题，研究人员以德国MyDiv树木多样性实验平台为依托，选取无梗栎（Quercus petraea）凋落物为研究对象，通过优化SPME-GC-MS方法，系统分析了不同多样性样地（纯栎林、栎+1树种、栎+3树种）中凋落物VOC的组成与排放规律。

关键技术方法

研究采用野外凋落物收集与室内分析相结合的策略。在MyDiv实验地设置凋落物收集网，采集无梗栎凋落物样本后，经液氮研磨处理，利用SPME-GC-MS技术检测VOC排放。化合物鉴定通过Wiley/NIST20和MoNa数据库匹配，并结合保留指数（RI）验证。统计分析包括主坐标分析（PCoA）、置换多元方差分析（PERMANOVA）和线性混合模型（LMM），以评估多样性和C:N比对VOC的影响。

研究结果

1. 多样性对凋落物VOC组成的整体影响

PCoA分析显示，高多样性（栎+3树种）样地的VOC谱与低多样性样地显著分离（PERMANOVA，R²=0.164，p=0.025）。进一步按化合物类别分析发现，多样性对脂肪酸类排放有显著促进作用（p=0.04），而对萜类的影响呈边缘显著（p=0.064）。

2. 关键VOC类别的响应模式

乙醇排放量随多样性增加呈下降趋势（LMM，p=0.068），可能与微生物活动减弱有关。脂肪酸中2-丁酮的排放随多样性升高而增加，其作为微生物代谢产物可能抑制真菌活性。萜类中(-)-β-波旁烯和(E)-β-石竹烯在纯栎林中排放最高，暗示草食压力诱导的防御反应在凋落物阶段仍有残留。

3. C:N比对VOC排放的调控作用

C:N比与萜类总排放量显著负相关（LMM，p=0.026），表明氮含量较高的凋落物更利于萜类合成。相反，脂肪酸排放与C:N比无显著关联，说明不同VOC类别受养分可利用性的调控机制存在差异。

结论与意义

本研究首次证实树木多样性通过直接（微生物群落调控）和间接（养分循环）途径影响凋落物VOC排放。多样性升高可能通过降低草食压力减少防御性萜类残留，同时通过改变微生物活动调控乙醇和脂肪酸排放。这些VOC变化可能进一步影响分解者群落的组成与功能，最终调控森林生态系统的碳氮循环。该研究为理解生物多样性-生态系统功能（BEF）关系提供了化学视角，对预测森林响应全球变化的生态过程具有重要价值。