通过使用环境DNA宏条形码技术和生物多样性潜力指数来评估土壤群落对森林结构的敏感性

《Forest Ecology and Management》：Evaluating soil communities sensibility to forest structure through the use of eDNA metabarcoding and the Index of Biodiversity Potential

本研究在法国西南部低地与高地森林区采集86个样地，结合IBP指数与eDNA宏基因组学分析土壤生物多样性。结果显示，IBP中deadwood（死木）、habitat-trees（栖息树）等结构因子与真菌、原生生物多样性显著相关，且不同门类响应方向存在差异。研究证实IBP可用于评估土壤生物多样性，但需结合区域环境背景（如海拔、管理历史）进行解读。

　　本研究探讨了森林管理对土壤生物多样性的影响，并评估了生物多样性潜力指数（IBP）在反映土壤生物多样性方面的作用。随着1992年里约环境与发展大会和森林会议的召开，可持续森林管理被纳入保护生物多样性的义务。然而，监测森林管理对生物多样性的影响仍然具有挑战性，主要是由于分类调查的复杂性、成本以及所需的专业知识。为此，2008年开发了IBP，作为一种快速的栖息地评估工具，已被证明能够有效反映许多物种的地上生物多样性。然而，大多数森林生物多样性实际上存在于土壤中，因此问题在于IBP是否也能反映地下生物多样性的变化。

为了验证这一假设，研究人员在法国西南部的两个不同地区采集了86个森林样地，通过环境DNA（eDNA）的宏条形码分析，针对真核生物的18S条形码进行研究，以表征土壤群落。同时，对每个样地进行了IBP评估，并测量了多个物理化学参数。研究重点在于IBP的十个因素与当地生物多样性及群落组成之间的关系，并比较了不同门类在两个地区内的响应情况。研究结果表明，IBP总分及其各个因素与某些门类之间存在显著的正负相关关系，且在两个地区之间也表现出不同的结果，这表明相关性可能部分依赖于特定的环境条件。

进一步分析发现，成熟林分的结构特征，如枯木、栖息树和大直径树木，对土壤生物多样性的影响与地上生物多样性类似。这一发现支持了eDNA宏条形码分析和IBP评估在识别关键森林结构特征及其对土壤生物多样性重要性方面的互补性。这表明，通过综合使用这两种方法，可以更全面地评估森林管理对生物多样性的影响，并为森林管理提供更科学的依据。

森林生态系统是陆地物种的重要栖息地，其生物多样性对生态系统服务如碳循环、森林生产力、水调节和气候缓解具有重要贡献。然而，全球变化对森林生态系统构成了严重威胁，导致森林生物多样性面临重大挑战。因此，保护森林生物多样性已成为全球可持续森林管理的重要组成部分。尽管如此，森林管理者在进行生物多样性监测和库存时仍然面临诸多困难，这主要是由于分类或遗传学专业知识的需求，以及这些方法可能带来的高昂成本和长期努力。

目前，多种生物多样性指标被用于森林管理，这些指标基于物种丰富度或间接参数，如森林结构。例如，基于森林结构的生物多样性指标，如乔木胸径的平均值和标准差、枯木的体积以及森林高度，被广泛用于探索管理决策对生物多样性的影响，并实施大规模的森林生物多样性监测。然而，这些指标可能无法全面反映不同物种或功能群体的响应，尤其是地下生物多样性。另一方面，基于物种库存的丰富度指标需要更多的专业知识，可能无法被森林管理者直接应用。此外，没有任何一个单一的分类群被证明能够有效评估生物多样性的整体变化，因为不同分类群之间的协调性通常较低。

因此，研究森林结构指标与生物多样性指标之间的关系变得尤为重要。这不仅可以帮助森林管理者更好地理解森林管理对生物多样性的影响，还可以促进科学评估方法与实际管理需求之间的对话。特别是，通过eDNA宏条形码分析生成多分类群库存，为评估IBP评分与分类或功能多样性变化之间的关系提供了新的机会，同时也能为地下群落的多样性评估提供潜在的指数。

为了探索这些关系，研究人员利用了法国南部两个不同地区的土壤eDNA和IBP采样活动。其中一个地区是低地森林，另一个是比利牛斯山脉地区。为了确保多分类群的库存，研究人员针对eDNA的18S真核生物条形码进行了分析，并使用了相同的分析方法来处理两个数据集。此外，研究人员还纳入了土壤因子，如pH值和碳氮比，因为这些因子是土壤真菌多样性的主要驱动因素。

研究预期（i）某些由IBP测量的森林结构属性，特别是与林分成熟度相关的属性（如枯木和大直径树木），会与土壤真核生物群落的多样性呈正相关；（ii）真核生物群落组成的变化会与IBP因素的变化相关；（iii）不同真核生物谱系会有不同的响应，研究人员对所有通过eDNA检测到的主要谱系进行了测试；（iv）IBP因素在低地和高地之间的范围可能不同，这与森林管理历史相关，并比较了两个数据集之间的响应，特别是相关性的方向。

研究区域位于法国西南部，属于温带植被区。研究人员选择了两个不同的地区（分别称为“低地”和“高地”），以涵盖具有不同管理实践的古老森林。在两个地区中，研究人员选择了43个成年林分（年龄均超过80年）。低地地区的林分主要由山毛榉和橡树组成，而高地地区的林分则主要由不同的树种构成。研究还考虑了不同林分的管理历史，以分析其对生物多样性的影响。

研究发现，不同地区之间的物种组成和环境条件存在显著差异。通过分析获得的10,919,241条序列，研究人员在低地地区检测到了5,621,054条序列，而在高地地区检测到了5,298,187条序列。生物信息学分析识别出总共5000个分类单元（MOTU）。其中，低地地区检测到了4345个MOTU，每个样地的平均值为2108个（最大值为2526，最小值为1583）（见图1）。在高地地区，检测到了4634个MOTU，每个样地的平均值为2872个（最大值为3343，最小值为2459）。相对丰度基于序列数量进行计算，显示出明显的差异。

讨论部分指出，研究人员分析了整体IBP评分及其组成部分与群落多样性及组成之间的关系。结果显示，某些组成部分与特定门类之间存在显著的正负关联。这表明，IBP评分及其各个因素可能在不同环境中对生物多样性产生不同的影响。此外，研究还发现，某些森林结构特征对土壤生物多样性的影响与地上生物多样性类似，这进一步支持了IBP评估在识别关键森林结构特征及其对土壤生物多样性重要性方面的有效性。

研究还探讨了IBP评分与土壤生物多样性之间的关系，特别是在不同管理历史下的林分。结果表明，IBP评分在低地和高地之间的变化可能与森林管理的历史有关，并且在不同地区之间的响应方向可能不同。这提示，IBP评分可能需要在不同环境中进行调整，以更准确地反映土壤生物多样性的情况。

此外，研究还发现，某些IBP因素与土壤生物多样性之间的关系可能受到环境条件的影响。例如，pH值和碳氮比作为土壤真菌多样性的主要驱动因素，可能在不同地区表现出不同的影响。这表明，IBP评分的适用性可能需要结合具体的环境条件进行分析，以提高其在不同生态系统中的准确性。

研究还发现，某些森林结构特征对土壤生物多样性的影响可能与地上生物多样性类似。例如，枯木和大直径树木对土壤生物多样性的贡献可能与地上生物多样性类似，这表明，通过综合考虑这些结构特征，可以更全面地评估森林管理对生物多样性的影响。这一发现支持了IBP评估和eDNA宏条形码分析在识别关键森林结构特征及其对土壤生物多样性重要性方面的互补性。

研究还指出，IBP评分的适用性可能受到不同环境条件的影响。例如，在低地和高地之间，IBP评分可能表现出不同的响应，这可能与森林管理的历史有关。此外，不同门类对IBP评分的响应可能也存在差异，这提示需要进一步研究不同门类对森林结构指标的敏感性，以更好地理解森林管理对生物多样性的影响。

总之，本研究通过结合IBP评估和eDNA宏条形码分析，探索了森林管理对土壤生物多样性的影响。研究结果表明，某些森林结构特征对土壤生物多样性的影响与地上生物多样性类似，这为森林管理者提供了更科学的依据，以评估森林管理对生物多样性的影响。同时，研究还发现，IBP评分可能需要在不同环境中进行调整，以更准确地反映土壤生物多样性的情况。这一发现不仅有助于提高IBP评分的适用性，还为森林管理者提供了更全面的工具，以更好地保护森林生物多样性。