雪松林下水-能平衡调控阿壳虫多样性的海拔梯度格局及其生态指示意义

《Microbial Ecology》：Beneath the Cedars: Exploring the Water-Energy Balance on Arcellinida Biodiversity in Lebanon’s Cedar Forests

本研究针对微生物宏观生态学规则在局域尺度的适用性问题，以生态位狭窄的阿壳虫(Arcellinida)为模型，通过COI基因特异性宏条形码技术分析黎巴嫩四大雪松保护区的122份凋落物样本。研究发现物种丰富度和系统发育多样性呈中海拔峰值格局，降水与实际蒸散是驱动多样性的关键因子，验证了水-能平衡假说；β多样性以物种周转为主导，指示气候变化可能导致群落均质化与功能退化。该成果为土壤原生生物对全球变化的响应机制提供了重要理论依据。

　　

在宏观生态学领域，关于气候如何影响生物多样性分布的规律已有大量研究，但这些规律主要基于动植物等大型生物（macrobes）在广阔地理尺度上的观察。对于微生物而言，类似规律在局域尺度下的适用性却鲜有验证。这构成了当前生态学研究的一个重要空白。原生生物作为土壤微生物群落中最多样的组分，其分布规律研究对于理解生态系统功能至关重要。其中，阿壳虫(Arcellinida)作为一类有壳的肉足虫原生生物，因其生态位狭窄、对环境变化敏感，且是微生物食物网中的顶级捕食者，成为检验宏观生态学理论在微生物中适用性的理想类群。

黎巴嫩的雪松(Cedrus libani)森林，作为受保护的地中海生态系统，为这类研究提供了绝佳的天然实验场。这些森林生长在喀斯特地貌上，土壤pH值和电导率相对稳定，且林下凋落物主要由雪松针叶构成，极大地减少了植被类型和土壤基质不同带来的混杂因素。然而，该地区正面临气候变化导致的日益干旱化威胁，探究其土壤微生物，特别是功能重要的阿壳虫的多样性分布格局，具有紧迫性。此前关于阿壳虫多样性对气候（如温度、降水）响应的研究结果存在矛盾，部分研究显示其在温暖湿润地区多样性更高，符合水-能平衡假说(water-energy balance hypothesis)，而另一些研究则发现其在寒冷气候下多样性更丰富。这些不一致可能源于采样设计、土壤特性或植被类型的差异。因此，在严格控制干扰因素的前提下，系统探究水-能平衡假说是否适用于土壤阿壳虫，是本研究的核心科学问题。

为了回答这一问题，研究人员在黎巴嫩Mount Lebanon山脉西坡的四个雪松森林保护区（绍夫Shouf、坦努林Tannourine、埃赫登Ehden和布舍里Bsharre）沿海拔梯度（1500米至1950米）采集了122份凋落物样本（Ho层，0-5厘米）。这些保护区代表了不同的局部气候。研究采用了一种新型的阿壳虫特异性宏条形码(Metabarcoding)方法，靶向线粒体细胞色素c氧化酶亚基I(COI)基因，该标记能提供物种水平的分类分辨率。通过对测序数据进行严格的生物信息学处理，包括去除标签跳跃(tag-jumping)等测序错误，最终获得697个代表近似物种的操作分类单元(OTUs)，并构建了系统发育树用于分析。

本研究主要应用了阿壳虫特异性COI基因宏条形码技术进行群落多样性分析，结合从Google Earth Engine获取的气候栅格数据（包括降水、实际蒸散AET等），利用广义线性混合模型和PERMANOVA分析环境因子对多样性的影响，并通过β多样性分解（划分为周转组分β_SIM和嵌套组分β_SNE）以及非度量多维标度排序(NMDS)来揭示群落结构差异。

物种丰富度与系统发育多样性

研究结果显示，阿壳虫的丰富度（OTU数目）和系统发育多样性(Phylogenetic Diversity, PD)均呈现单峰分布格局，在中海拔地区（绍夫和坦努林保护区）达到峰值。具体而言，绍夫保护区的丰富度和PD最高，其次是坦努林和埃赫登，而海拔最高的布舍里保护区的多样性与其他保护区相比显著降低。广义线性混合模型分析表明，降水对物种丰富度和PD均有极显著的正面影响，而实际蒸散(AET)的影响则不显著。这支持了水-能平衡假说中水分可用性的关键作用。

群落组成与β多样性

NMDS分析清晰地显示了不同保护区阿壳虫群落的显著差异，尽管存在部分重叠，特别是绍夫与坦努林及埃赫登之间。布舍里的群落与其他保护区有较大重叠，暗示其群落可能是低海拔地区多样性的一个子集。β多样性分解分析表明，总体β多样性主要由物种周转(turnover)驱动，而非嵌套性(nestedness)。这意味着不同地点间的多样性差异主要是由于物种被替换，而不是简单的物种丢失。绍夫保护区的周转值最高，反映了其较高的空间异质性和微生境多样性。值得注意的是，坦努林保护区的嵌套性成分相对较高，作者推测这可能与该地区历史上的 wildfires 和人为干扰导致的局部灭绝和再定殖过程有关。

环境驱动因子

PERMANOVA分析进一步量化了气候变量对群落结构的解释力度。降水是最大的贡献因子（解释5.4%的变异），其次是实际蒸散(AET，解释4.0%）。与土壤湿度更直接相关的HH雷达后向散射系数和归一化差异水分指数(NDWI)虽然统计显著，但解释度较低（分别为1.2%和1%）。这表明大尺度的气候因素（水-能平衡）比局部的土壤水分条件对阿壳虫群落结构的影响更大。

研究结论明确指出，在严格控制植被和基质等混杂因素后，阿壳虫的多样性分布模式支持了水-能平衡假说。中海拔地区（如绍夫）因其相对温暖湿润的条件，成为阿壳虫的多样性热点和潜在的物种库，而高海拔（布舍里）或较低海拔的群落则更像是其生态过滤后的子集。β多样性以周转为主，揭示了阿壳虫群落的高空间异质性，这与该类群狭窄的生态位和有限的扩散能力相一致。

讨论部分强调了本研究的深远意义。首先，它将水-能平衡这一经典宏观生态学规则的适用性成功拓展至单细胞原生生物，丰富了宏观微生物生态学的理论框架。其次，研究结果对预测气候变化下土壤生物多样性的变化具有警示作用。黎巴嫩乃至整个中东地区正经历显著的干旱化过程，冬季降水减少。根据本研究的结果，这种变化很可能导致阿壳虫多样性，特别是高海拔地区多样性的丧失，并引发群落均质化。由于阿壳虫在土壤食物网中作为顶级捕食者，其多样性和功能的变化可能进一步影响养分循环、微生物群落结构乃至植物的抗逆性，从而对整个生态系统功能产生连锁反应。此外，日益频繁的野火等干扰事件可能通过破坏微生境而加剧多样性丧失。因此，保护黎巴嫩这些具有数千年历史的雪松森林，不仅是对植物资源的保护，更是维护其地下庞大而关键的微生物多样性及其生态系统功能的关键。