土壤碳氮比揭示南半球温带湿润森林菌根群落演替轨迹的驱动机制

这篇研究通过滑坡时间序列分析，揭示了南半球温带森林中外生菌根(ECM)与丛枝菌根(AM)树种竞争的环境驱动机制。研究发现，早期演替阶段菌根组成仅与年均温显著相关，而成熟林阶段土壤碳氮比(C:N)是抑制AM树种入侵的关键因子，其受初始土壤氮含量和ECM树种正反馈调控。该成果为预测气候变化下森林碳储存格局提供了新视角。

　　

引言

南半球温带森林中，外生菌根(ECM)树种Nothofagus（假山毛榉）与丛枝菌根(AM)树种的分布格局长期存在未解之谜。传统解释多聚焦气候和干扰因素，却忽视了菌根共生对养分循环的影响。ECM真菌能直接分解有机氮，而AM植物依赖矿化氮源，这种差异可能通过改变土壤碳氮动态影响群落演替轨迹。

材料与方法

研究团队在智利、新西兰和塔斯马尼亚的53个滑坡序列样地中，采用点中心四分法调查植被组成，并测定土壤总碳(C)、总氮(N)、总磷(P)及PRS探针估算的矿质养分有效性。通过结构方程模型(SEM)检验两个假设：(1)早期演替阶段土壤N:P比调控ECM/AM树种定殖能力；(2)成熟林阶段土壤C:N比决定AM树种入侵潜力。

结果

大陆尺度差异：塔斯马尼亚土壤C:N比(25.4)显著高于智利(17.8)和新西兰(16.3)，且总磷含量最低。与之对应，塔斯马尼亚成熟林林下AM树种占比(61.6%)显著低于其他地区(88%-91%)。

假设验证：

1. 早期演替阶段：土壤N:P比与滑坡年龄正相关，但与Nothofagus多度无显著关联。年均温(MAT)是唯一显著预测因子，温暖地区ECM定殖率较低。

2. 成熟林阶段：土壤C:N比强烈抑制AM树种入侵(路径系数-0.44)，其自身受Nothofagus冠层优势度(+0.43)和初始土壤总氮(-0.34)调控。ECM树种通过提高凋落物C:N比，减缓有机质分解，形成"氮封锁"正反馈。

意外发现：尽管塔斯马尼亚土壤C:N比最高，PRS探针却检测到反常的高矿质氮有效性，可能与母岩(辉绿岩/石英岩)特性有关。

讨论

生态启示：

• 大陆间Nothofagus更新策略差异（智利依赖干扰 vs 塔斯马尼亚可天然更新）源于土壤母质驱动的C:N比分化

• ECM真菌通过"氮循环重编程"形成替代稳态，解释了传统气候模型无法预测的"山毛榉空缺"现象

• 智能手机冠层分析工具(CanopyCapture)对光环境的低敏感性提示需改进林下光资源测量方法

气候变暖影响：

虽然升温可能削弱ECM树种定殖优势，但CO₂升高可能通过缓解ECM植物的氮限制产生补偿效应。研究强调需将菌根策略纳入森林碳循环模型，尤其关注ECM系统在贫氮土壤中维持高碳储存量的能力。

方法论局限

• PRS探针的氮有效性数据与理论预期存在矛盾

• 20世纪滑坡年龄估算可能偏差（尤其智利1960年地震遗留样地）

• 未量化真菌群落组成对ECM树种定殖的影响

这项跨大陆研究首次证实土壤C:N比是调控温带森林菌根演替的关键枢纽，为理解菌根共生-土壤反馈-碳封存的级联效应提供了实证框架。