土壤细菌多样性驱动植被恢复过程中生态系统多功能性的关键作用

本研究通过5年实地监测揭示：紫花苜蓿（AF）与无芒雀麦（SB）植被恢复策略分别通过提升地上（AEMF）和地下多功能性（BEMF）增强生态系统多功能性（EMF），并证实细菌多样性（非植物/真菌多样性）是EMF的核心驱动因子，土壤pH通过直接与间接途径调控该过程。

　　

Highlight

生态系统多功能性通过植被恢复得到增强

我们的研究结果发现，与自然恢复（CK）相比，不同的植被恢复措施能显著改善生态系统多功能性（EMF）（图1）。与我们的第一个假设一致，重新播种紫花苜蓿（AF）显著提高了地上多功能性（AEMF），而无芒雀麦（SB）处理对地下多功能性（BEMF）的影响更大。这种现象可归因于紫花苜蓿在2017至2021年间表现出显著更高的凋落物重量，从而对AEMF做出实质性贡献（图S1 c和图S2）。相比之下，无芒雀麦的纤维根系可能通过改善表层土壤结构、促进有机质积累和增强养分循环，更有效地提升BEMF。

恢复过程中细菌多样性驱动生态系统多功能性

与植物和真菌多样性相比，细菌多样性在植被恢复过程中与EMF呈显著正相关（图2a-c）。这一发现支持了我们的第二个假设，即在单一种再播种的恢复模式下，植物多样性对EMF的影响较弱，而微生物多样性（尤其是细菌多样性）成为EMF的主要驱动力。具体而言，细菌α多样性（如香农指数）与EMF和BEMF均呈正相关（图2d，e；表S4）。此外，细菌群落网络稳定性（如模块性）与土壤多功能性呈动态正相关（图3），表明细菌群落的结构稳定性对维持多功能性至关重要。

土壤pH调节生态系统多功能性

结构方程模型（SEM）分析表明，土壤pH对EMF既有直接负向影响，又通过调节细菌和真菌多样性间接影响EMF（图4）。具体而言，pH降低会直接促进EMF提升（路径系数：-0.38），同时通过正向影响细菌多样性（路径系数：0.42）和负向影响真菌多样性（路径系数：-0.36）间接调控EMF。这一结果验证了我们的第三个假设，并强调pH在植被恢复过程中作为关键环境因子的双重调节作用。

Conclusion

本研究提供实证证据表明，植被恢复可增强华北地区退化土地的生态系统多功能性。紫花苜蓿主要通过提升地上多功能性来增强EMF，而无芒雀麦则通过提高地下多功能性实现这一目标。显然，细菌多样性（而非植物或真菌多样性）对恢复过程中的EMF产生积极影响。研究结果还突显了细菌群落网络稳定性与土壤多功能性之间的动态关联。结构方程模型表明，pH对EMF有直接负向影响，并通过影响微生物多样性间接调节EMF。这些发现深化了我们对植被恢复过程中生物多样性与生态系统功能关系的理解，有助于制定更精准有效的恢复策略。