《CATENA》：Species identity outweighs richness in shaping soil microbial resource limitation in subtropical mixed
Pinus massoniana-broadleaved plantations
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微生物代谢受磷限制主导，物种丰富度呈现单峰效应，而物种身份（如Schima superba缓解磷限制，Elaeocarpus decipiens加剧碳需求）影响更为显著，存在非加性交互作用，揭示碳磷代谢双路径机制。
李毅|方曦|向文华|雷丕峰|陈亮|欧阳帅|邓向文|胡彦婷|吴慧丽
中南林业科技大学生态与环境学院，中国长沙410004
摘要
本研究利用向量-阈值元素比率模型（Vector-Threshold Element Ratio model），探讨了树种丰富度和多样性对马尾松（Pinus massoniana）针叶-阔叶混交林中土壤微生物代谢限制的影响。研究发现，微生物代谢主要受到磷（P）的限制，而非碳（C）。树种丰富度对微生物的碳需求没有显著影响，但与磷的限制呈单峰关系：在树种贫乏的混交林中，树种丰富度最初能缓解磷的限制；而在树种最丰富的混交林中，这一限制反而加剧。相比之下，树种特性是更为关键的因素。Schima superba的存在最能有效缓解微生物对磷的限制，而Elaeocarpus decipiens则显著增加了微生物的碳需求。当混交林中同时存在阔叶树种时，这些效应会减弱或逆转，显示出复杂的非加性混合效应。路径分析揭示了两种不同的机制：（1）丰富度驱动的机制：更高的树种丰富度提高了凋落物质量，从而增加了土壤pH值并降低了微生物的碳利用效率（CUE），进而提高了碳需求同时缓解了磷的限制；（2）特性驱动的机制：S. superba和E. decipiens的共同存在显著降低了凋落物层的生物量，减少了土壤中的碳含量和碳氮比，提高了CUE并降低了碳需求，同时增加了土壤水分含量，从而加剧了磷的限制。我们的研究结果表明，基于功能性特征优化树种组合，而不仅仅是最大化丰富度，对于调节微生物过程至关重要。我们建议种植马尾松和S. superba的混交林，以促进更平衡的微生物代谢，从而支持亚热带生态系统的土壤碳稳定和养分循环。
引言
森林人工林对全球重新造林、木材生产和减缓气候变化具有重要意义（Canadell和Raupach，2008；Bastin等人，2019）。然而，当前普遍采用的单一种植模式往往伴随着生态问题，如土壤退化、生物多样性丧失和生态系统韧性下降（Van der Putten等人，2010）。为了解决这些问题，将单一种植转变为混交林已成为提高生态系统多功能性的有效策略。
在中国亚热带地区，马尾松（Pinus massoniana）是主要的造林树种，占全国森林面积的4.41%（国家林业和草原管理局，2019）。通过将马尾松与本地阔叶树种间作来建立混交林，被广泛认为可以改善土壤碳（C）稳定和养分循环等生态服务（Shu等人，2022）。理论研究表明，树种混合可以通过互补效应优化资源分配（Feng等人，2022）。多样化的凋落物输入和根系分泌物为土壤微生物创造了异质的栖息地和资源环境（Zhang等人，2019），增加了能量和养分的可用性（即超产效应；Tilman和Wedin，1991），从而可能缓解微生物的资源限制（Xiao等人，2023）。例如，混交林通常表现出较低的土壤碳氮比（C/N）和较高的磷（P）可用性，这可以增强微生物活性（Gillespie等人，2021）。一项全球元分析进一步证实，植物多样性通过显著增加土壤中可利用的磷和磷酸酶活性，积极影响了磷的循环（Chen等人，2022）。
然而，树种混合对微生物养分动态的影响仍存在争议。一些研究报道混合种植能够缓解微生物的磷限制，这归因于真菌介导的磷释放增加（Huang等人，2022）；相反，其他研究观察到微生物的碳限制加剧，这与难降解碳化合物（如芳香聚合物）的积累有关（Wu等人，2023a），或者由于植物-微生物竞争加剧而导致磷限制加重（Gao等人，2024）。这些差异突显了混交林中碳和磷循环之间的复杂相互作用，强调了需要一个更精细的框架来量化微生物代谢限制。
在这一背景下，一个关键但尚未得到充分重视的因素是树种特性的作用。越来越多的证据表明，树种的特性通过其独特的功能特征，对生态系统过程的影响比单纯树种丰富度更为显著（Abalos等人，2014；Scheibe等人，2015）。这与“单一假设”一致，即每个物种都对生态系统功能有独特的影响（Eisenhauer等人，2010）。诸如凋落物化学成分（如碳氮比和木质素含量）、根系结构、菌根关联以及养分再吸收效率等特征，直接决定了有机输入的数量和质量，从而塑造了微生物群落及其代谢生态位（Yan等人，2019；Xiao等人，2023）。在单一种植实验中，具有易分解凋落物的落叶树种通常支持更高的胞外酶活性（EEAs），比产生难降解木质素和单宁的针叶树种更有效地缓解微生物的磷限制（Zheng等人，2022）。然而，混交林并不简单地反映单一种植的叠加效应。促进或竞争性相互作用可能导致非加性结果，从而增强或减弱预期的效果（Ball等人，2008）。因此，尚不清楚在混合种植中，树种特性相对于树种丰富度在调节微生物代谢养分限制方面是否具有更强的作用。
微生物资源限制是土壤养分状况和生态系统功能的有效指标（Wu等人，2023b）。向量-阈值元素比率（V-T）模型结合了酶的化学计量学和阈值元素比率，通过计算酶活性向量与理论平衡的偏差，提供了一种精确量化这些限制的先进工具（Cui等人，2021；Xu等人，2023）。该模型特别适用于解析混交林等复杂系统中碳（C）、氮（N）和磷（P）的同时限制。在这里，我们创新地将V-T模型应用于混交林，超越了简单的酶化学计量比，实现了对微生物代谢限制的定量评估。
在这项研究中，我们建立了一个重复性良好的共同花园实验，其中包含马尾松与三种不同的亚热带阔叶树种：快速生长的落叶树Liquidambar formosana（产生快速分解的凋落物），以及两种常绿树Elaeocarpus decipiens和Superba（它们的凋落物质量和养分释放动态不同）。这种选择旨在创造功能特征的多样性，为评估树种特性的影响提供坚实基础。这种严谨的实验设计，包括树种丰富度（1到4种）和组成的梯度，使我们能够区分树种丰富度和树种特性的影响。我们利用V-T模型来量化微生物代谢限制。基于资源互补利用和植物-土壤-微生物相互作用的理论，我们提出以下假设：（1）树种丰富度与微生物代谢限制之间的关系不一致，这取决于互补凋落物输入（缓解碳限制）与加剧的植物-微生物竞争（加剧磷限制）之间的权衡。（2）树种特性在驱动微生物碳和磷限制方面比树种丰富度更具主导作用，主要通过特定树种的凋落物特征来实现（例如，落叶树L. formosana的高质量凋落物预计会引发与常绿阔叶树不同的微生物代谢模式）。此外，我们还将探讨这些地上效应如何通过耦合的凋落物-土壤系统传递到地下微生物代谢中。
研究地点和实验设计
本研究在中国湖南省长沙县进行（28°23′–28°24′ N，113°17′–113°27′ E）。该地区地形以低山和丘陵为主，海拔高度在55至260米之间，坡度大多在18°到25°之间。该地区属于亚热带季风湿润气候，季节变化明显。年平均气温为17.3°C，月极端温度范围从1月份的10.3°C到7月和8月份的39.8°C。
所有人工林中的微生物代谢限制
大多数V-TC限制和V-TN/P限制的数据点分布在第二象限（图2a），表明土壤微生物代谢主要受到磷的限制，而非碳。然而，不同类型的人工林中微生物的碳需求存在显著差异。具体来说，PE、PLS、PES和PLES人工林中的V-TC限制显著高于P、PL、PS和PLE人工林（p < 0.05；图2b），这表明这些人工林中的微生物碳需求相对较高
讨论
在具有均匀环境条件的共同花园中进行的研究表明，观察到的土壤微生物资源限制主要由树种组合引起，而非特定地点的异质性。
结论
我们的研究结果表明，亚热带人工林中的土壤微生物代谢主要受到磷的限制，而非碳。值得注意的是，树种特性对这些微生物限制的影响远大于树种丰富度。广泛存在的非加性混合效应进一步表明，植物混合对地下过程具有调节作用，这些结果是单一种植表现的总和无法预测的。我们通过
CRediT作者贡献声明
李毅：撰写——初稿、方法论、调查、数据管理、概念化。方曦：撰写——审稿与编辑、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。向文华：撰写——审稿与编辑、资金获取。雷丕峰：撰写——审稿与编辑。陈亮：撰写——审稿与编辑。欧阳帅：撰写——审稿与编辑。邓向文：撰写——审稿与编辑。胡彦婷：
资助
本研究得到了国家自然科学基金（U23A20154）和宁夏回族自治区重点研发计划（2022BEG02007）的财政支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们衷心感谢毕业生范世才、孙龙、孙白辉、何梓琪以及研究生卢巧璐和梁婷婷在野外调查和实验室分析中的宝贵贡献。
