野火扰动下兴安落叶松林土壤微生物群落结构、网络与构建过程的响应机制

《Journal of Plant Ecology》：The effects of wildfires on soil microbial community structure, network and assembly in Larix gmelinii forest

本研究针对野火干扰对北方森林土壤微生物的影响机制这一关键生态问题，以中国高纬度多年冻土区优势树种兴安落叶松(Larix gmelinii)林为研究对象，通过火烧与未火烧林地的夏冬季土壤采样，结合扩增子测序技术，揭示了野火显著提高土壤微生物多样性并改变群落结构的规律。研究发现土壤pH是影响微生物群落的关键环境因子，火烧后微生物共现网络复杂性和稳定性降低，真菌相关相关性比例显著升高，且确定性过程在细菌和真菌群落构建中的相对重要性均下降。该研究从多维度阐明了野火对土壤微生物的影响机制，为火灾后森林生态功能恢复提供了重要理论依据。

　　

在全球气候变化加剧的背景下，森林生态系统正面临着日益频繁的野火威胁。作为北方森林的重要组成部分，兴安落叶松林在维持高纬度地区生态平衡中发挥着关键作用。土壤微生物作为森林生态系统的"隐形工程师"，通过参与生物地球化学循环、促进植物养分吸收等过程，维持着生态系统的稳定运行。然而，野火这一自然干扰因子如何影响土壤微生物的群落结构、种间互作关系及其组装机制，仍是当前生态学研究的重要课题。

以往研究多集中于火灾对微生物分类组成的影响，而对微生物网络结构、功能角色及群落组装过程的认知仍存在明显不足。特别是对于中国唯一高纬度多年冻土区的兴安落叶松林而言，明确野火干扰下土壤微生物的响应规律，对理解寒温带森林生态系统的恢复机制具有重要科学意义。

为解决这一问题，北京林业大学的研究团队在《Journal of Plant Ecology》上发表了最新研究成果。该研究以中国东北部兴安落叶松林为研究对象，在火灾发生5年后，分别于夏季(7月)和冬季(10月)采集了火烧与未火烧林地的土壤样品，通过高通量测序技术分析了土壤细菌和真菌的群落特征，并从群落结构、共现网络和组装过程三个维度系统揭示了野火对土壤微生物的影响机制。

研究采用了一系列关键技术方法：在内蒙古根河地区设置火烧和未火烧对照样地，使用五点采样法获取20厘米深土壤样品；通过Illumina MiSeq平台对细菌16S rRNA基因V4-V5区和真菌ITS1区进行扩增子测序；利用QIIME2进行微生物生物信息学分析；采用主坐标分析(PCoA)和置换多元方差分析(PERMANOVA)评估群落差异；通过Spearman相关性构建微生物共现网络；应用iCAMP模型解析群落组装过程。

Wildfire significantly altered soil microbial community structure

研究结果显示，野火显著改变了土壤微生物群落结构。从120个样本中获得5,733,933条细菌高质量序列和7,744,222条真菌高质量序列，聚类得到6,106个细菌操作分类单元(OTUs)和4,780个真菌OTUs。α多样性分析表明，火烧地土壤细菌和真菌的Chao1丰富度、Pielou均匀度和Shannon多样性指数均显著高于未火烧地。主坐标分析显示，火烧与未火烧样地的微生物群落沿PCo1轴(细菌32.4%，真菌23.2%)明显分离，PERMANOVA分析证实野火是影响微生物群落的最主要因素(细菌R²=0.206，真菌R²=0.173)。

pH significantly affected soil microbial communities

环境因子分析揭示土壤pH是影响微生物群落的关键因素。火烧地土壤pH显著升高，而阳离子交换量(CEC)显著降低。Mantel检验表明，除有效磷(AP)外，所有环境变量均与微生物群落结构显著相关，其中pH与细菌群落的相关性最强(R=0.484)。Spearman相关分析进一步证实，pH与所有微生物α多样性指数均呈显著正相关，而总氮(TN)、土壤有机碳(SOC)和CEC与多样性指数多呈负相关。

The effect of wildfire on the complexity and stability of soil microbial networks

微生物共现网络分析表明，火烧地网络的复杂性显著降低。与未火烧地相比，火烧地网络的节点数、边数、平均度(avgK)和连接度(Con)均减少，而模块性(M)增加。特别值得注意的是，真菌相关相关性(B-F和F-F)的比例在火烧地显著升高，表明真菌在火灾后微生物网络重建中扮演着更为重要的角色。

The process of soil microbial community assembly affected by wildfire

群落组装过程分析显示，确定性过程在细菌群落组装中占主导(47.4-54.6%)，而以均质选择(HoS)为主要形式；真菌群落组装则主要受随机过程控制，其中扩散限制(DL)和漂变(DR)起关键作用。火烧后，同一季节内确定性过程在细菌和真菌群落中的相对重要性均下降，表明确定性过程的减弱和随机过程的增强。

讨论部分深入分析了野火影响土壤微生物的多重机制。研究发现火灾后微生物多样性的增加可能与生态位分化和功能互补有关，幸存的微生物在次生演替中获得初始优势。真菌对火的响应比细菌更为直接和迅速，这与真菌和植物更为密切的共生关系有关。火烧后林下优势植物从兴安落叶松变为越桔(Vaccinium vitis-idaea)和杜香(Ledum palustre)，这种植被变化与真菌组成的显著改变密切相关。

土壤pH作为影响微生物群落的关键因子，其升高可能与燃烧过程中灰分输入有关。细菌对pH变化的敏感性高于真菌，这解释了细菌群落与pH的强相关性。研究还发现，尽管火烧五年后，土壤微生物网络仍处于低稳定性状态，但红菇属(Russula)等外生菌根真菌在火烧地的富集，一定程度上证实了火灾后土壤微生物的积极恢复。

研究的创新之处在于从多维度揭示了野火对土壤微生物的影响机制：不仅关注群落组成变化，还深入分析了网络结构和组装过程的响应规律。研究发现火灾后真菌在微生物网络中的作用增强，随机过程在群落组装中的重要性提高，这些发现为理解火灾后生态恢复机制提供了新视角。

该研究的结论强调，野火通过改变土壤性质(特别是pH)间接影响微生物群落，降低了微生物网络的稳定性，同时增强了真菌在生态恢复中的关键作用。研究成果对预测气候变化背景下森林生态系统对火灾的响应模式、制定科学的火灾后生态恢复策略具有重要指导意义。