中国片段化森林中低磷土壤与高共生真菌丰富度抑制植物地上生物量的研究

《Communications Biology》：Low soil phosphorus and high symbiotic fungal richness inhibits plant aboveground biomass in fragmented forests in China

本研究针对生境片段化如何通过土壤养分和真菌共生影响植物地上生物量（AGB）这一关键问题，在千岛湖陆桥岛屿系统开展了多尺度研究。结果表明：岛屿面积通过提升土壤磷（P）含量和降低共生真菌丰富度正向驱动植物AGB；低P土壤与高共生真菌丰富度共同导致小岛屿植物AGB降低。该研究揭示了环境过滤在片段化森林中对植物生长的调控作用，为森林生态系统管理提供了理论依据。

　　

随着城市化进程加速，生境片段化已成为生物多样性丧失的主要驱动力。当连续森林被分割成孤立片段时，不仅栖息地面积缩小、连通性下降，更引发微气候改变和土壤养分失衡等连锁反应。然而当前研究多聚焦于物种数量与岛屿面积的经典关系，对植物生物量这一关键生态系统功能指标在片段化景观中的变化机制认知仍存空白。

在中国亚热带地区的千岛湖陆桥岛屿系统中，由10个同龄但面积各异的岛屿构成了天然实验场。研究人员选取10种木本植物，系统测定其地上生物量（AGB）、根际真菌群落及土壤理化指标。令人惊讶的是，与传统认知相反，共生真菌丰富度随岛屿面积增大而降低，而植物AGB与土壤磷（P）含量呈正相关，与共生真菌丰富度呈负相关。这一发现挑战了“真菌多样性必然促进植物生长”的常规认知，揭示出在磷限制的亚热带森林中，土壤磷有效性对植物生长的主导作用。

通过结构方程模型解析多因子耦合关系发现：大岛屿因边缘效应减弱而保有更丰富的磷库，植物可减少对共生真菌的碳投资，直接将资源分配给生长；而小岛屿的磷匮乏环境迫使植物依赖真菌共生网络，高多样性的真菌群落可能包含低效共生菌株，反而成为碳汇抑制宿主生长。这种“磷-真菌”权衡机制在不同菌根类型（AM/ECM）和叶型（针叶/阔叶）植物中均保持一致，彰显环境过滤对生态系统功能的普适性调控。

本研究创新性地将岛屿生物地理学理论延伸至微生物-植物互作层面，证实生境片段化通过改变土壤磷循环和真菌群落结构间接影响森林生产力。相关成果为片段化景观的生态恢复提供了新视角：在磷缺乏区域，补充磷肥可能比接种菌根真菌更能快速提升植被生产力。

主要技术方法包括：在10个岛屿设置30个400平方米样方，采集288份根际与批量土壤样本；采用Illumina NovaSeq平台对真菌ITS2区域进行高通量测序；利用FUNGuild数据库进行功能群划分；通过主成分分析降维土壤指标；构建结构方程模型解析多因子路径关系。

研究结果

土壤真菌与植物AGB的变异规律

批量土壤真菌丰富度显著高于根际土壤（P<0.001）。针叶树（马尾松）根际真菌丰富度显著低于落叶阔叶树种。外生菌根（ECM）植物AGB在个体、样方和岛屿尺度均显著高于丛枝菌根（AM）植物。

岛屿空间特征与生物因子的关联

ground biomass. a Chao1 richness of overall fungi. b Chao1 richness of symbiont.c Chao1 richness of saprotroph.d Chao1 richness of pathogen.e ABIN,per sampled individual plant aboveground biomass(AGB).fABP,average AGB per individual of the target plant species in the 400 m2 plot.g ABIS, average AGB per individual of the target plant species on the entire island.'>

总体真菌丰富度与岛屿面积呈正相关（P<0.001），而共生真菌丰富度却呈现负相关（P<0.001）。植物AGB与岛屿面积正相关，与共生真菌丰富度负相关（均P<0.01）。

植物AGB的关键驱动因子

主成分分析显示磷含量轴（PC2）解释29.2%方差。岛屿面积、土壤磷水平和共生真菌丰富度对AGB影响显著，其中面积和磷含量呈正向效应，共生真菌丰富度呈负向效应。

岛屿属性与生物量的链式机制

结构方程模型表明：岛屿面积通过提升土壤磷含量（路径系数0.45）和降低共生真菌丰富度（-0.38）间接促进AGB；岛屿隔离度通过降低磷含量抑制AGB，但通过减少共生真菌产生正向效应。

讨论与结论

在亚热带磷限制生态系统中，大岛屿通过维持高磷环境降低植物对共生真菌的依赖性，从而优化碳分配促进生长；小岛屿的磷匮乏迫使植物维持高多样性真菌群落，但部分低效共生菌株可能成为碳汇。这种“磷-真菌”权衡机制揭示了环境过滤在片段化生境中对植物生产力的深层调控，为理解全球变化下森林生态系统响应提供了微生物维度的新证据。研究成果强调在森林管理中需结合土壤养分状况制定差异化恢复策略，尤其在磷缺乏的片段化景观中，磷补给可能比菌根接种更具生态效益。