真菌网络在土壤微宇宙实验中限制微型动物驱动的氮矿化作用

本研究通过土壤微宇宙实验揭示了真菌网络在氮循环中的主导作用，挑战了传统认知中微型动物（如线虫）通过捕食微生物促进氮矿化的观点。研究发现，尽管细菌捕食者（如食细菌线虫）数量增加，但真菌驱动的氮固定过程（表现为腐生真菌增殖和高线虫通道指数CI）反而抑制了矿化作用。该成果为理解土壤养分保留机制提供了新视角，对可持续农业中减少氮流失具有重要启示。

　　

摘要

土壤微型动物（如线虫）长期以来被认为是氮（N）转化的关键调节者，主要通过捕食和迁移机制发挥作用。然而，在真菌主导的生态系统中，这些生物对整体养分循环的贡献尚不明确。一项非改良土壤微宇宙实验结合形态学观察、定量PCR和高通量测序技术，揭示了出乎意料的结果：尽管细菌捕食者和细菌丰度增加，微型动物的微生物捕食并未如预期增强氮矿化。相反，实验观察到显著的由真菌驱动的氮固定过程，表现为腐生真菌增殖、食真菌线虫增加以及高线虫通道指数（CI）。绝对丰度分析进一步支持了Sordariomycetes类真菌在调控氮转化中的核心作用。

1 引言

土壤食物网中，低营养级的摄食率通常高于高营养级，因此微型动物（如线虫）被认为是土壤微生物的主要捕食者，从而更有效地参与氮循环。线虫通过三种机制影响氮转化：微生物迁移、通过捕食将固定的微生物氮转化为矿化形式，以及通过捕食或杂食产生的间接效应。尽管大量研究证实了线虫对氮矿化的贡献，但微生物与微型动物群落在氮循环中的相互作用仍需深入探索。

2 材料与方法

实验采用砂壤土，通过加热法去除原有动物群落，并接种来自天然植被的微型动物（含线虫、轮虫和缓步动物）。设置四组处理：微型动物+微生物（FM）、仅微型动物（F）、仅微生物（M）和对照组（C）。通过定量PCR测定细菌（16S rRNA）和真菌（ITS）基因拷贝数，并结合高通量测序分析微生物群落结构。线虫功能群和通道指数（CI）用于评估营养路径。

3 结果

1. 氮动态：铵（NH₄⁺）在FM处理中短暂升高，但所有矿质氮组分随时间显著下降，表明净固定过程。
2. 线虫群落：FM组中食细菌线虫（c-p 1类）初期占优，后期食真菌线虫（c-p 2类）和杂食者增加，CI指数持续上升。
3. 微生物响应：FM组细菌丰度显著高于对照组，而真菌在M组暂时性增长。Sordariomycetes类真菌在实验末期成为优势类群。
4. 群落结构：细菌和原生动物群落呈现处理依赖性差异，而真菌群落结构稳定，以Ciliophora（原生动物）和Sordariomycetes（真菌）为主导。

4 讨论

与传统假设相反，微型动物与微生物的协同作用未导致持续的氮矿化增强。真菌驱动的固定过程通过以下证据确立：

• 真菌丰度与矿质氮呈负相关
• 食真菌线虫和CI指数同步升高
• Sordariomycetes类真菌的绝对优势
  研究指出，在非改良土壤中，真菌网络通过生物量积累有效截留氮素，而细菌主导的快速循环被抑制。这一发现对理解土壤养分保留机制和减少农业氮流失具有实际意义。

5 结论

真菌网络在调控土壤氮循环中发挥核心作用，其固定能力可抵消微型动物驱动的矿化效应。该研究强调了在评估土壤养分动态时需统筹细菌和真菌途径的重要性，为可持续土壤管理提供了理论依据。