武夷山国家公园海拔梯度下粗木质残体分解缓解土壤微生物磷限制但加剧碳限制的生态机制

本研究通过武夷山国家公园海拔梯度实验，揭示了粗木质残体(CWD)分解过程中土壤微生物代谢限制的动态变化规律。研究发现CWD分解通过改变土壤pH和氧化酶活性，显著加剧微生物碳(C)限制同时缓解磷(P)限制，且这一效应随海拔升高而增强。该成果为理解植物残体-土壤-微生物互作对碳循环的影响提供了新视角，对预测全球气候变化下土壤碳储存机制具有重要意义。

　　

引言

土壤微生物在生物地球化学循环中扮演关键角色，通过分解植物残体形成土壤有机质(SOM)影响碳(C)储存。粗木质残体(CWD)作为植物残体的重要组分，其分解过程持续释放C和养分，显著调控微生物代谢活动。然而，CWD分解对微生物代谢限制的影响机制，特别是沿环境梯度（如海拔）的变化规律尚不明确。武夷山国家公园的亚热带森林生态系统为研究这一问题提供了理想场所。

材料与方法

研究在武夷山四个海拔植被带（常绿阔叶林EBF、针阔混交林CBF、针叶林CF、亚高山矮林DF）开展。按5个腐烂等级(DC)采集CWD周边土壤，测定理化性质（pH、SWC、DOC、AN、AP）、微生物生物量（真菌F、细菌B）和酶活性（BG、CBH、NAG、LAP、ACP、POX、PER）。通过酶化学计量(EES)和矢量分析（vector length/angle）量化微生物C/P限制，采用方差分析、随机森林(RF)和结构方程模型(SEM)解析驱动因素。

结果

土壤理化与微生物特性：随DC增加，土壤含水量(SWC)、有效氮(AN)和磷(AP)上升，pH和DOC:AN/DOC:AP下降。海拔升高导致SWC、DOC、AN、AP增加而pH降低。真菌生物量(F)和真菌细菌比(F:B)随DC显著上升，DF区域微生物生物量最高。

酶活性与代谢限制：CWD分解过程中，碳水解酶(BG+CBH)和氧化酶(POX+PER)活性增强，EES_C:N/EES_C:P升高。矢量分析显示微生物C限制（vector length）随DC和海拔增加而加剧，P限制（vector angle>45°）则显著缓解。

调控机制：SEM表明，pH是微生物C限制的主要驱动因子（路径系数-0.52），而氧化酶活性直接负向调控P限制（-0.41）。土壤含水量(SWC)通过影响养分运输间接调节代谢限制。

讨论

CWD分解的生态效应：微生物优先利用CWD中的易分解C导致后期顽固C积累，引发C限制；同时N酶投资增加缓解了P限制。这与生态化学计量理论一致，即高C:N残体输入打破养分平衡，迫使微生物调整资源获取策略。

海拔梯度的影响：低温低氧的高海拔环境抑制C分解效率，加剧C限制；而低海拔区域P淋溶作用更强，导致更显著的P限制。研究首次证实CWD分解对代谢限制的海拔依赖性，填补了山地生态系统C循环模型的空白。

土壤碳汇意义：尽管微生物C需求增加，但CWD输入提供了稳定C源，通过微生物生命周转（如残体碳形成）促进SOC储存。"酶锁"效应（氧化酶激活水解酶）进一步维持了碳平衡，这对全球变暖背景下土壤固碳潜力评估具有启示意义。

结论

该研究阐明了CWD分解通过pH-氧化酶轴调控微生物代谢限制的机制，揭示了植物残体输入对土壤C循环的级联效应。未来需进一步探究微生物群落组成与功能性状的协同演化，以精准预测生态系统碳收支。