《Frontiers in Microbiology》：Divergent successional responses and environmental drivers of soil bacterial and fungal communities in subalpine forests of the Eastern Qilian Mountains
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引言：土壤微生物群落和胞外酶活性(extracellular enzyme activities)在调控森林生态系统碳(C)、氮(N)和磷(P)循环中起关键作用。然而，在长期亚高山森林演替过程中，细菌和真菌群落是否表现出相似或分异的演替轨迹，以及环境因子如何调
引言：土壤微生物群落和胞外酶活性(extracellular enzyme activities)在调控森林生态系统碳(C)、氮(N)和磷(P)循环中起关键作用。然而，在长期亚高山森林演替过程中，细菌和真菌群落是否表现出相似或分异的演替轨迹，以及环境因子如何调控这些响应，仍知之甚少。
方法：研究人员调查了祁连山东部兴隆山从阔叶混交林到成熟 Picea wilsonii 林的天然演替序列，采用高通量测序(high-throughput sequencing)结合土壤理化性质(soil physicochemical properties)、微生物生物量(microbial biomass)和胞外酶活性(extracellular enzyme activities)测定。
结果：森林演替显著改变土壤环境条件，表层土壤 pH 从 S1 阶段的 7.15 增至 S5 阶段的 7.49，而总磷(total phosphorus, TP)含量在演替早期下降，随后保持相对稳定。森林演替显著影响细菌和真菌群落组成，但未显著影响 α 多样性(α-diversity)。细菌群落在各演替阶段表现出优势类群相对丰度的阶段特异性变化，而表层土壤真菌群落表现出更明显的组成重组。Mantel 检验(Mantel tests)表明，细菌群落组成与广泛的土壤资源变量和环境条件显著相关，包括 pH、碳(C)和氮(N)有效性、微生物生物量和水解酶(hydrolytic enzymes)活性；真菌群落组成主要与土壤 pH 和 TP 相关。
讨论：总体而言，研究人员的发现表明，在祁连山东部亚高山森林发育过程中，土壤细菌和真菌群落表现出分异的演替响应策略。细菌群落受多种资源相关和环境因子塑造，而真菌群落与土壤 pH 和 TP 联系更紧密。该研究揭示了钙质土条件下亚高山森林发育过程中土壤细菌和真菌群落的分异演替响应，为理解森林演替过程中微生物群落组装过程和环境调控提供了新见解。
论文主体解读
森林演替通过改变植物群落、碳输入和土壤环境条件，驱动土壤微生物群落组成和生态功能重组。土壤微生物及其胞外酶活性(extracellular enzyme activities)是生物地球化学循环的关键调节者，对维持森林生态系统功能和稳定性至关重要。然而，微生物对森林演替的响应并非普遍一致，而随森林类型、演替阶段和土壤环境条件而变化。细菌和真菌作为土壤微生物群落的主要组成，在资源获取策略、生态功能和环境敏感性上存在根本差异，可能导致相反的演替轨迹。细菌通常代谢多样性高、功能冗余大，群落动态主要受土壤 pH、碳有效性、碳氮化学计量和养分可获得性调控；真菌，尤其外生菌根真菌，与植物源碳输入和养分获取过程联系更紧密，群落组成更易响应植被组成和有机质质量变化。已有证据表明，森林演替中真菌群落常比细菌群落发生更明显的组成周转，但驱动二者分异响应的环境机制尚不清楚。土壤 pH 是控制微生物群落组成的关键环境过滤器。在钙质土中，碳酸盐缓冲和矿物风化可增强土壤抗酸化能力，从而减弱植被发育和有机质分解相关的 pH 变化。祁连山东部亚高山 Picea wilsonii 林具有从阔叶混交林到成熟 P. wilsonii 林的天然演替序列，处于典型钙质土条件，为检验这一问题提供了理想系统。研究人员据此提出：H1，钙质土条件下森林演替改变土壤 pH、养分有效性和资源供应，驱动微生物群落结构定向变化，但不同微生物类群响应幅度不同；H2，细菌和真菌群落具有相反的演替响应策略，细菌主要受土壤资源有效性和环境过滤调控并通过优势类群变化维持结构稳定，真菌因更依赖植物源碳输入和菌根关联而对森林演替更敏感。研究人员采用空间代时间方法，整合土壤理化性质、微生物生物量、胞外酶活性和高通量测序(high-throughput sequencing)，阐明整个森林演替中土壤环境条件、微生物群落组成及其环境驱动因子的变化，并比较细菌和真菌群落的演替响应策略。结果表明，森林演替显著重塑细菌和真菌群落结构而不改变 α 多样性(α-diversity)，细菌和真菌表现出分异响应策略，细菌与广泛资源变量和环境条件相关，真菌主要与土壤 pH 和总磷(total phosphorus, TP)相关。该研究为理解钙质土条件下亚高山森林演替中微生物群落组装和环境调控提供了新见解。
方法上，研究地点位于祁连山东部兴隆山国家级自然保护区，土壤为石灰岩母质发育的褐土(cinnamon soil)。天然演替序列为 Populus davidiana–Betula platyphylla 混交林(S1)、B. platyphylla–Picea wilsonii 混交林(S2–S3)、中龄 P. wilsonii 林(S4)和近熟 P. wilsonii 林(S5)。每阶段3个20 m×20 m样地，采集0–20和20–40 cm土层，每层3个土芯混合为复合样，3个样地为独立重复；2024年7月16–17日晴天采样。测定土壤理化性质、微生物生物量(microbial biomass)和胞外酶活性，并进行16S rRNA V3–V4与ITS2扩增、Illumina NovaSeq 6000测序、QIIME2/DADA2生成扩增子序列变体(amplicon sequence variants, ASVs)。统计采用方差分析(ANOVA)、线性混合效应模型、非度量多维尺度(non-metric multidimensional scaling, NMDS)、置换多元方差分析(permutational multivariate analysis of variance, PERMANOVA)、冗余分析(redundancy analysis, RDA)和Mantel检验。
3.1 土壤理化性质、生物学性质及酶活性的变化
通过分层采样和方差分析，研究人员发现表层土壤 pH 从 S1 的 7.15 增至 S5 的 7.49，总磷(total phosphorus, TP)在早期下降后相对稳定。总碳(total carbon, TC)、总氮(total nitrogen, TN)和土壤有机碳(soil organic carbon, SOC)的变化主要出现在亚表层，呈降–升模式，S4 最低；溶解性有机氮(dissolved organic nitrogen, DON)呈相反单峰，S4 最高。微生物生物量碳(microbial biomass carbon, MBC)、微生物生物量氮(microbial biomass nitrogen, MBN)和微生物生物量磷(microbial biomass phosphorus, MBP)无显著阶段差异。胞外酶中，β-葡萄糖苷酶(β-glucosidase, BG)在亚表层呈降–升且显著；N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶(N-acetyl-β-D-glucosaminidase, NAG)和酸性磷酸酶(acid phosphatase, ACP)无显著变化；过氧化物酶(peroxidase, POD)在亚表层、多酚氧化酶(polyphenol oxidase, PPO)在表层呈显著单峰。
3.2 土壤细菌和真菌群落的分类组成
通过高通量测序和分类组成分析，细菌主要由 Acidobacteriota (19.35%)、Proteobacteria (19.16%)、Actinobacteriota (16.52%)、Planctomycetota (12.84%) 和 Chloroflexi (10.42%) 组成。表层 Actinobacteriota 相对丰度总体增加并在 S5 达最大，Planctomycetota 在 S4 达峰后下降，Chloroflexi 持续下降；亚表层 Actinobacteriota 在 S2 最高后下降，Planctomycetota 呈降–升。真菌主要由 Basidiomycota (74.20%)、Ascomycota (17.11%) 和 Zygomycota (6.01%) 组成。表层 Basidiomycota 呈单峰，Ascomycota 相反；亚表层真菌组成相对稳定。科水平上，细菌表现为优势类群阶段特异性变化，如 Nitrosomonadaceae 表层从 S1 的 3.12% 降至 S4 的 0.95%、S5 回升至 1.36%，Nitrospiraceae 下降，Vicinamibacteraceae、Micromonosporaceae 增加，Phyllobacteriaceae 在表/亚表层显著增加，Pirellulaceae 表层增加。真菌中 Inocybaceae 最丰富，表层和亚表层平均相对丰度分别为 22.04% 和 35.19%，Mortierellaceae 分别为 6.81% 和 3.20%，但二者阶段间不显著；Atheliaceae 从 S1 的 0 增至 S5 的 0.59%，Hebelomataceae 和 Tuberaceae 在 S1 最高，Hygrophoraceae 在 S2 最高后下降至 0.01%，Clavariaceae 和 Clavicipitaceae 在表层阶段间显著，亚表层仅 Atheliaceae、Hebelomataceae 和 Helvellaceae 显著。
3.3 土壤微生物 α 多样性变化
通过 α 多样性指数和线性混合效应模型，细菌和真菌的 Richness、Shannon 指数和 Pielou's evenness 均未受演替阶段、土壤深度及其交互作用的显著影响。说明尽管群落组成明显变化，总体丰富度、多样性和均匀度保持相对稳定。
3.4 土壤微生物群落结构的分异
通过 NMDS 和 PERMANOVA，细菌和真菌群落均沿 NMDS1 呈定向连续重组：S1 多位于负侧，S2 居过渡位置，S3–S5 多聚集于正侧。演替阶段解释细菌群落结构变异的 26.7% (P < 0.01)，土壤深度仅解释 3.3% 且不显著；演替解释真菌 28.9% (P < 0.01)，深度解释 4.8% (P < 0.05)。因此森林演替是主导生态过程，真菌对演替和垂直土壤异质性响应更强。
3.5 主要环境驱动因子塑造土壤微生物群落组成
通过冗余分析(RDA)、Mantel 检验和 Pearson 相关分析，细菌 RDA 前两轴解释 65.9%，土壤有机碳(SOC)、总碳(TC)、总氮(TN)、微生物生物量碳(MBC)、微生物生物量氮(MBN)、微生物生物量磷(MBP)与 RDA1 负轴相关，pH、N-乙酰-β-D-氨基葡萄糖苷酶(NAG)、亮氨酸氨基肽酶(leucine aminopeptidase, LAP)、β-葡萄糖苷酶(BG)、酸性磷酸酶(ACP)与正轴相关；Pirellulaceae、Xiphinematobacteraceae、Bradyrhizobiaceae 与 SOC、TC、TN 和微生物生物量一致，Pyrinomonadaceae 与 pH 强关联。真菌 RDA 前两轴解释 75.9%，SOC 等沿负轴，pH、总磷(TP)、ACP、NAG 沿正轴；Mortierellaceae 和 Cortinariaceae 与 TP、pH、溶解性有机碳(dissolved organic carbon, DOC) 正相关，Inocybaceae、Helvellaceae、Thelephoraceae 与 pH、NAG、ACP 相关。Mantel 检验表明，细菌组成与 pH、TN、TC、TP、SOC、DOC、DON、MBC、MBN、MBP、BG 和 NAG 显著相关；真菌组成仅与 pH 和 TP 显著相关。Pearson 相关显示碳氮磷变量与微生物生物量总体正相关，pH 与养分和微生物生物量主要负相关。结论为细菌受更广泛环境因子影响，真菌与 pH 和 TP 联系更紧密。
讨论部分指出，演替显著重塑细菌和真菌群落结构但不影响 α 多样性，支持 H1；真菌解释力略高于细菌，支持 H2。细菌主要通过优势类群阶段变化适应资源环境变化，真菌在表层发生更明显的分类组成重组，其组装更紧密联系宿主植物组成、植物源碳输入和养分有效性。RDA 和 Mantel 结果进一步显示细菌与多种养分、溶解性有机质、微生物生物量和酶活性相关，真菌主要受 pH 和 TP 过滤。表层土壤比亚表层响应更明显，可能与表层受凋落物输入和根系活动影响更强有关；亚表层资源周转较慢，加上较粗采样间隔可能掩盖细尺度异质性。研究也指出空间代时间假设、历史遗留、微地形、局地微气候和初始土壤条件可能造成混杂，但研究人员通过同一保护区、相似坡向、母质和土壤类型及多证据整合减少偏差，未来需长期固定样地、多尺度观测和操控实验。结论部分翻译如下：森林演替显著改变祁连山东部亚高山森林土壤微生物群落结构，而非 α 多样性变化。细菌和真菌群落表现出分异演替响应策略。细菌群落主要通过优势类群相对丰度的阶段特异性变化响应，并与广泛土壤资源变量和环境条件相关；真菌群落表现出更明显的群落分类组成重组，并与土壤 pH 和 TP 关联更强。这些发现凸显钙质土条件下亚高山森林发育过程中土壤细菌和真菌群落的分异演替轨迹和环境响应策略，为理解森林演替过程中微生物群落组装及其对养分循环和生态系统功能的潜在贡献提供新见解。
