亚热带落叶阔叶林封育时长对土壤微生物碳源代谢功能恢复的影响

《Forests》：Effects of Forest Enclosure Duration on Soil Microbial Carbon Metabolic Functions in a Subtropical Deciduous Broadleaved Forest

　　

森林封育被广泛用于退化森林恢复；然而，在亚热带落叶阔叶次生林中，不同封育时长下微生物功能恢复仍知之甚少。本研究利用封育0–1、5–6、11–12、20–24和28–34年的森林时间序列，并以老龄林为参照，评估了微生物碳代谢恢复及相关环境因子。森林封育显著增强了微生物碳代谢能力和功能多样性。平均颜色变化率（Average Well Color Development, AWCD）以及香农（Shannon）、辛普森（Simpson）和麦金托什（McIntosh）指数随封育时长增加而升高，在0–1年林分中最低，在老龄林中最高。封育时长显著改变了碳源利用模式，尤其是氨基酸和羧酸类碳源；封育5–6年后，羧酸类成为优势利用的碳源类别。此外，Bray-Curtis距离分析显示，随着封育时长增加，微生物碳源利用谱逐渐趋向老龄林参照状态（Spearman ρ = ?0.61，p = 0.0155）。土壤碳、氮、水分、容重、pH和微生物多样性与这些功能变化显著相关。这些发现凸显微生物碳源利用谱可作为土壤功能恢复的有效指示指标，并为将来森林恢复与管理策略纳入微生物性状提供见解。

全球森林退化问题严峻，尤其热带和亚热带地区生物多样性丧失、土壤养分耗竭等问题突出。土壤微生物是土壤生态系统核心组分，其碳源代谢功能可反映土壤有机质分解和养分周转能力，Biolog-ECO微平板法借助平均颜色变化率（AWCD）和功能多样性指数可评估这一能力。然而，亚热带落叶阔叶次生林中不同封育时长下微生物功能恢复动态及其驱动因子尚不清楚。为填补这一空白，研究人员选择安徽省青阳县亚热带落叶阔叶次生林，采用时间序列法开展研究。

研究人员选取封育0–1、5–6、11–12、20–24、28–34年的林分和老龄参照林，每个阶段3个独立样地，并设20 m × 20 m样方；采集0–10 cm土壤样品，分析土壤理化性质、微生物碳代谢功能多样性及微生物α多样性。主要技术方法包括：Biolog-ECO微平板法测定31种碳源利用能力，并计算AWCD、Shannon、Simpson和McIntosh指数；测定土壤总碳、全氮、全磷、有效磷、铵态氮、硝态氮、pH、水分和容重；细菌α多样性来自研究人员前期工作，真菌ITS2扩增子测序在Illumina NovaSeq平台完成。统计方法包括方差分析、LSD多重比较、主成分分析（PCA）、PerMANOVA、Bray-Curtis距离分析、冗余分析（RDA）和Pearson相关分析。

**3.1 封育时长对土壤性质的影响**

单因素方差分析显示，封育时长显著影响土壤理化性质（p < 0.05）。土壤总碳由0–1年的13.52 g kg^-1升至老龄林的41.11 g kg^-1，全氮由1.65 g kg^-1升至3.67 g kg^-1，水分由21.48%升至31.98%；pH由5.85降至中后期和老龄林的4.69–4.80，老龄林容重最低。NH₄⁺-N和NO₃^--N在20–24年阶段较高后波动，全磷后期降低。总体表明封育有利于碳氮累积和土壤物理环境改善。

**3.2 封育时长对土壤微生物碳代谢功能多样性的影响**

AWCD在培养24 h后快速升高，48 h增速最快，老龄林最高、0–1年最低。24–216 h的AWCD曲线下面积（AUC）总体随封育年限增加而上升。AWCD、Shannon、Simpson和McIntosh指数均随封育时长增加而升高，老龄林最高（AWCD 0.27，Shannon 3.06），0–1年最低。封育时长显著影响氨基酸和羧酸类碳源利用（p < 0.05），封育5–6年后羧酸类成为利用最多的碳源类别，酚酸类利用始终较低。基于31种碳源的PCA表明PC1和PC2解释90.4%变异，PerMANOVA显示阶段间差异显著（F = 2.38，p = 0.003，R² = 0.498）。Bray-Curtis距离分析显示，封育林分碳源利用谱与老龄参照的距离随封育时长增加总体减小（Spearman ρ = ?0.61，p = 0.0155），表明碳源利用谱趋向老龄林状态。

**3.3 微生物α多样性与碳源利用谱的关系**

以细菌和真菌α多样性指数为解释变量的RDA显著（F = 2.106，p = 0.0048，校正R² = 0.163），其中RDA1显著。条件效应检验表明，控制真菌丰富度和真菌Shannon指数后，细菌丰富度仍与碳源利用谱显著相关（p = 0.0118），提示细菌丰富度与碳源利用谱变化关联更稳定。

**3.4 微生物功能多样性指数与土壤理化性质的相关性**

Pearson相关分析显示，AWCD、Shannon、Simpson和McIntosh指数与土壤碳、氮显著正相关，与pH显著负相关；AWCD还与水分和NO₃^--N正相关、与容重负相关；Shannon指数还与NO₃^--N正相关，与全磷和容重负相关。说明碳氮累积和水文、结构的改善与微生物碳代谢功能提升相伴。

**3.5 封育阶段与碳源利用谱的约束排序**

以封育阶段为约束变量的RDA显示，不同阶段碳源利用谱发生分离（F = 1.37，p = 0.026），前两轴解释72.12%的约束变异，阶段解释37.7%的变异。贡献较高的碳源包括L-丝氨酸（D4）、D-纤维二糖（G1）、D-苹果酸（H3）、γ-羟基丁酸（E3）和L-苯丙氨酸（C4），表明氨基酸、碳水化合物和羧酸是区分不同封育阶段的关键基质。

讨论部分指出，封育通过植被恢复增加地上凋落物和细根输入，促进土壤碳氮累积和物理结构改善，从而提高了微生物碳代谢能力。不同碳源类型对封育的响应不同，氨基酸和羧酸类利用增强与土壤氮累积和有机质分解相关；酚酸类利用低可能与结构复杂有关。pH与功能指数的负相关更可能是恢复过程中的伴随环境变化，而非独立驱动。微生物碳源利用谱可作为评估退化次生林土壤功能恢复的补充指标。研究局限性包括时间序列代替长期监测、Biolog-ECO反映潜在能力而非原位过程，未来需结合酶活性和群落组成进一步验证。

结论（翻译）：本研究的时间序列比较表明，封育时间越长，表层土壤碳、氮、水分越高，容重越低，林分结构逐渐成熟。随封育时长增加，土壤微生物AWCD和碳代谢功能多样性总体增加，0–1年最低，老龄林最高。封育阶段显著影响氨基酸和羧酸类碳源利用，封育5–6年后羧酸类利用均值最高。31种碳源性状在阶段间差异显著，主要涉及碳水化合物、羧酸和氨基酸。恢复样地与老龄参照的Bray-Curtis距离随封育时间总体下降，存在阶段性波动。土壤理化因子与微生物功能多样性指数显著相关，阶段约束RDA前两轴解释72.12%的约束变异；微生物α多样性解释了部分变异，细菌丰富度条件关联显著。总体而言，森林封育是恢复亚热带退化落叶阔叶次生林土壤功能的重要途径。