固氮树种（NFTs）而非树种丰富度（TSR）主导亚热带人工林土壤有机碳（SOC）分子多样性及稳定性

《Forest Ecosystems》：Nitrogen-fixing trees rather than tree species richness dominate the molecular diversity of soil organic carbon in subtropical planted forests

　　

多物种造林（multi-species afforestation）被广泛认为是一种有前景的基于自然的解决方案，用于增强碳固持（carbon sequestration）以支持气候变化减缓。然而，树种多样性对土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）分子多样性的影响仍知之甚少。本研究中，研究人员在中国亚热带建立了具有四个树种丰富度（tree species richness, TSR）水平（1、2、4和6种）以及有或无固氮树种（nitrogen-fixing tree species, NFTs）的野外控制人工林，以研究TSR和NFTs对SOC分子多样性的影响。研究人员采用热解-气相色谱-质谱联用（pyrolysis-gas chromatography-mass spectrometry, Py-GC-MS）通过高分辨率分子指纹识别SOC分子组分，以计算SOC分子多样性。结果表明，TSR对SOC分子的数量、Shannon指数和Pielou均匀度没有显著影响。相比之下，引入NFTs使Pielou均匀度显著增加3.75%，并使Shannon指数边缘显著增加3.46%。此外，NFTs的存在使矿物结合有机碳（mineral-associated organic carbon, MAOC）含量显著增加18.96%，MAOC/颗粒有机碳（particulate organic carbon, POC）比值显著增加28.48%，二者均与SOC分子的Shannon指数和Pielou均匀度显著正相关。微生物群落多样性和碳获取酶（C-acquiring enzymes）是调控SOC分子多样性的关键因素。真菌多样性对SOC分子多样性产生正效应，而细菌多样性表现出相反关系。NFTs的存在显著提高了土壤氮有效性，缓解了微生物碳和磷限制，同时提高了真菌多样性和r/K策略比，最终导致SOC分子多样性和网络复杂性增加。这些发现表明，将NFTs引入混交林比单纯增加TSR更能有效提高SOC分子多样性和稳定性，为亚热带地区优化人工林设计和增强人工林碳汇提供了科学依据。

研究背景：造林和再造林被视为缓解气候变化的基于自然的解决方案，可提供木材生产和碳固存等多种生态系统服务。越来越多证据表明，混交林通常优于单一林，能够提高生产力和碳储量。土壤有机碳（soil organic carbon, SOC）是最大的活跃陆地碳库，对扰动敏感，其微小波动可显著改变大气CO₂并增加气候变化预测的不确定性。SOC由多样化合物组成，其分子多样性反映来源、组成异质性和转化的复杂性，被认为是SOC持久性的关键决定因素。然而，树种多样性如何塑造SOC分子多样性仍不清楚。SOC分子多样性与稳定性关系仍有争议：一方面，较高分子多样性可促进不同官能团与矿物表面异质结合，占据更多位点并产生空间位阻，增强SOC稳定性；另一方面，更大多样的分子基质可能提供能量或养分，刺激微生物共代谢天然难降解碳，可能解吸或置换已稳定的矿物结合有机碳，削弱稳定性。树种多样性对SOC动态的影响依赖树种丰富度（tree species richness, TSR）和物种身份。较高TSR通常提高凋落物和根系输入的数量及化学多样性，通过氧化性和还原性化合物共存使SOC分子组成多样化；但TSR也可能触发微生物选择性分解或保存特定分子，导致分子多样性下降或无显著变化。某些关键物种可通过特定性状深刻影响土壤碳过程。固氮树种（nitrogen-fixing tree species, NFTs）是森林生态系统的重要先锋，可通过共生固氮提高生物量生产和土壤碳储量，因此将NFTs引入混交林被视为增强生态系统功能的有效策略。NFTs可提高凋落物质量，为微生物合成代谢提供更广谱有机化合物，从而改变SOC分子组成和多样性。此外，SOC分子组成受土壤质地、pH、养分有效性、凋落物数量和质量、微生物群落、胞外酶等多因素强烈调控，但这些生物和非生物控制的相对强度及中介路径尚未充分量化。为此，研究人员在中国亚热带建立野外控制人工林，设置4个TSR水平（1、2、4、6种）及有/无NFTs，研究TSR和NFTs对SOC分子多样性和稳定性的影响，并评估生物和非生物因素的调控作用。研究结论表明，引入NFTs比单纯增加TSR更有效提高SOC分子多样性和稳定性，为优化人工林设计和增强亚热带人工林碳汇提供了科学依据。

主要关键技术方法：研究地点为中国广西凭祥市中国林业科学研究院热带林业实验中心，亚热带季风气候；2015年在曾为马尾松纯林采伐迹地建立野外控制人工林，来自8个树种随机组合，形成17种物种组成，4个TSR水平，有/无NFTs，完全随机区组4重复，共68块样地。2024年7月于每个20 m×20 m样地内以16个5 m×5 m样方取0–10 cm土芯混合。关键技术包括土壤颗粒有机碳（particulate organic carbon, POC）和矿物结合有机碳（mineral-associated organic carbon, MAOC）分组评估SOC稳定性；热解-气相色谱-质谱联用（Py-GC-MS）进行SOC分子指纹识别；细菌16S rRNA V4-V5和真菌ITS1扩增子测序及qPCR；β-1,4-葡萄糖苷酶（BG）、纤维二糖水解酶（CB）、β-1,4-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、酸性磷酸酶（AP）活性及酶向量分析；网络分析、双因素方差分析、线性回归、Pearson相关、主成分分析（PCA）和分段结构方程模型（piecewiseSEM）。

研究结果：
3.1. TSR和NFTs对SOC分子多样性和稳定性的影响。双因素方差分析显示，TSR、NFTs及其交互对多糖、芳香类、木质素、蛋白质、非蛋白含氮化合物、脂类、酚类含量无显著影响，对SOC分子化合物数量也无显著影响；但NFTs存在显著提高SOC分子Pielou均匀度3.75%，Shannon指数边缘显著提高3.46%。网络分析显示NFTs提高SOC分子网络复杂性，复杂性指数由1.33升至1.67。TSR显著影响MAOC含量和MAOC/POC比值；NFTs使MAOC含量增加18.96%，MAOC/POC比值增加28.48%。线性回归显示MAOC含量和MAOC/POC比值与Shannon指数和Pielou均匀度正相关；POC含量与Pielou均匀度负相关。

3.2. TSR和NFTs对微生物丰度、多样性和生活史策略的影响。对细菌而言，TSR、NFTs及交互不影响丰度、OTU数、Shannon指数和Pielou均匀度，但Shannon指数和Pielou均匀度与TSR显著负相关。NFTs使真菌丰度降低47.65%，但OTU数增加9.60%，Shannon指数增加6.95%，Pielou均匀度增加5.53%。TSR、NFTs及交互不影响细菌r策略、K策略、r/K和rrn拷贝数；NFTs使真菌K策略丰度降低37.52%、外生菌根真菌（ECM fungi）降低44.09%，提高真菌r/K和SAP/ECM。NFTs提高NAG活性69.45%，降低AP 35.88%、CB 15.65%，降低向量长度（VL）17.92%和向量角度（VA）14.69%；VL随TSR增加而下降。

3.3. SOC分子多样性的驱动因子。相关分析显示SOC分子多样性PC1与总磷（TP）、NH₄⁺-N、粉粒、容重（BD）、CB活性和细菌多样性PC1显著负相关，与黏粒、真菌多样性PC1、细菌和真菌r/K、rrn拷贝数、SAP/ECM显著正相关。结构方程模型（SEM）解释45%的SOC分子多样性方差：细菌属性PC1负直接效应?0.385，真菌属性PC1正直接效应0.387；土壤属性PC1正直接效应0.304和负间接效应?0.475；CB负直接效应?0.381；TSR和NFTs均具正间接效应，NFTs（0.201）强于TSR（0.083）。

讨论部分总结：
4.1. TSR和NFTs的相对重要性。TSR无显著影响而NFTs提高Shannon和均匀度，表明树种身份可能比丰富度更强，与第一假设一致。物种间凋落物化学和分解差异可能掩盖TSR作用。NFTs提高分子多样性并非因化合物丰富度增加，而是分子群落组成周转。机制包括：NFTs富氮凋落物提高土壤养分有效性，改善酶化学计量，促进微生物利用和转化更广碳底物；刺激微生物活性提高微生物代谢物相对丰度，占据优势分子分解后空出的化学生态位，使丰度分布更均衡；新生成活性化合物与矿物表面竞争，置换部分已结合有机分子，重构有机碳分子池丰度结构。因此人工林建立应优先纳入NFTs而非仅追求物种丰富度。

4.2. 分子多样性与稳定性关系。MAOC/POC与Shannon和Pielou正相关，支持第二假设。机制：分子多样性提高底物异质性和分解生化屏障，降低碳矿化，促进有机碳在矿物表面积累；多样分子含羧基和酚羟基等官能团，扩大与矿物表面配体交换或阳离子桥接反应位点，促进有机-有机和有机-矿物结合；维持更复杂代谢互补网络，微生物将植物来源大分子转化为矿物亲和碳中间体，优先保留在MAOC。NFTs提高SOC分子均匀度和网络复杂性，促进矿物结合，增加MAOC/POC。NFTs样地中含氮化合物中介中心性高，成为拓扑枢纽；非NFT样地网络连接更依赖芳香化合物。含氮化合物和蛋白质的Shannon和Pielou在NFTs样地更高。但MAOC/POC不与含氮化合物和蛋白质含量相关，而与其Shannon和Pielou相关，表明分子水平结构异质性而非单纯丰度决定其对MAOC贡献。

4.3. 微生物属性和胞外酶的关键作用。微生物属性和CB酶对SOC分子多样性影响强于土壤性质和凋落物性状。微生物通过合成代谢和胞外修饰生成或引入新有机分子。真菌多样性正效应、细菌多样性负效应。真菌，尤其腐生和菌根真菌，具广泛菌丝网络和广谱胞外酶，将植物大分子解聚为多样低分子量有机碎片，促进多样且化学稳定有机碳组分形成；细菌倾向快速矿化活性低分子量有机碳，细菌多样性越高竞争越强，加速活性组分周转，可能降低SOC分子多样性。CB活性负效应：其提高促进纤维素水解为纤维二糖和葡萄糖，易被矿化且保留差；加速周转释放的碳可再合成化学组成更均一的微生物源化合物，导致植物源多糖耗竭，分子谱均一化。NFTs提高真菌多样性而不影响细菌多样性，可能因NFTs诱导土壤酸化，真菌比细菌更耐酸；同时缓解微生物碳和磷限制，真菌较细菌更多受益。酶VL与真菌多样性负相关支持该解释。NFTs提高真菌r/K，表明向快速资源获取的r策略类群相对富集。

4.4. 局限性、不确定性与意义。研究位于中国亚热带单一位点野外控制人工林，林分较年轻，观测期有限，土壤性质和SOC分子组成可能未达长期平衡；TSR和NFTs效应是否随林龄、气候带、土壤类型和深度变化需多地点长期验证。Py-GC-MS会裂解大分子并可能诱导二次反应，高度缩合芳香结构和含氮部分易被低估或未检测；未来可结合全二维热解气相色谱-飞行时间质谱等高分辨技术。虽确认微生物属性是关键调控因子，但特定微生物功能群贡献未量化，未来需同位素示踪或宏基因组功能分析验证因果。意义：为亚热带人工林土壤碳固存管理和将树种组成尤其NFTs纳入管理策略提供依据。

研究结论翻译：本研究为树种多样性、有机碳分子多样性与SOC稳定性之间的级联机制提供了分子层面证据，为基于自然的气候解决方案提供了新理论视角。结果表明，SOC分子多样性有潜力作为评估SOC稳定性的代理指标。与TSR本身相比，NFTs的存在对SOC分子多样性和稳定性影响更强。NFTs通过缓解微生物养分限制、促进真菌多样性和调控真菌功能群，提高SOC分子多样性和网络复杂性。这些发现为亚热带人工林土壤碳固存管理提供了科学依据，并支持将树种组成，特别是NFTs，纳入人工林管理策略，以提高土壤碳储量、土壤健康和长期生产力。