不同亚热带森林类型间微生物功能潜力与土壤 - 大气温室气体通量

《Applied Soil Ecology》：Microbial functional potential and soil–atmosphere greenhouse gas fluxes across subtropical forest types

　　

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  凋落物和土壤特性与微生物功能特征及代谢物谱共变。
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  阔叶林的累积土壤CO₂通量最高。
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  所有森林类型均为净CH₄汇，其中阔叶林的累积吸收量最大。
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  CH₄变化与土壤性质的关联比与组学特征的关联更为紧密。
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  组学模式并未简单并行于各森林类型的环境梯度。

引言

土壤是陆地生态系统中最大的碳库（1500–2400 Pg）（Batjes, 1996; Chen et al., 2024）。森林贡献了全球土壤碳储量的约40%（Huang et al., 2019; Shen et al., 2024）；因此，森林土壤碳库的微小变化都可能对全球碳循环产生深远影响。土壤碳周转和温室气体交换在很大程度上由土壤微生物介导，这些微生物分解有机质，并调节陆-气界面处二氧化碳（CO₂）的排放和甲烷（CH₄）的交换（Zhou et al., 2025）。由于不同森林类型在优势植被、凋落物输入、根系活性和土壤微环境方面存在差异，它们可能为微生物碳转化以及温室气体的产生或消耗创造不同的生态条件。

既往研究表明，森林土壤温室气体排放不仅受温度和水分等气候因素的调控，还强烈受到森林生态属性的影响，包括凋落物化学性质、凋落物水文特性、土壤物理结构和土壤养分状况（Yi et al., 2023; Pan et al., 2024; Bright et al., 2025）。其中，凋落物质量代表了一个关键的生化驱动力：木质素含量和化学计量比等指标与有机基质的可降解性密切相关，并可能影响微生物对复杂多糖的利用及相关的代谢活动（de la Casa et al., 2025; Zhao et al., 2025）。除化学质量外，凋落物的水文特性，如持水能力和干湿动态，可以影响土壤表面的水分条件以及溶解性有机基质从凋落物向土壤的转运（Liu et al., 2023; Zhou et al., 2024）。同时，土壤结构特征，如孔隙度、持水能力和容重（BD），会影响氧气扩散和水分保持，从而对与微生物碳加工相关的物理环境做出贡献（Hartmann and Six, 2023; Mattila, 2024; Philippot et al., 2024）。土壤化学性质可能通过基质供给、养分条件和碳/氮/磷（C/N/P）化学计量比的变异进一步影响微生物碳加工。综合来看，凋落物化学性质、凋落物水文特性、土壤物理结构和土壤化学条件提供了多种地上和地下环境维度，这些维度可能与微生物群落组成和功能潜力相关联。

尽管凋落物和土壤性质与微生物功能潜力之间存在联合关联已日益受到关注，但整合这些多层次控制的实证研究仍然有限。大多数研究倾向于单独考察植物性状、凋落物质量、土壤结构或土壤养分状况的影响，缺乏对其交互作用的系统分析（Hartmann and Six, 2023; Oh et al., 2023; Wang et al., 2025）。更具体地说，尽管水分和养分条件对微生物代谢的影响已得到充分认知，但对凋落物水文特性如何与凋落物化学质量和土壤化学条件交互作用，以及它们与微生物碳加工功能、资源利用和碳矿化之间的关联，关注较少。

尽管森林凋落物层可以保持大量水分，从而影响地表气体交换和土壤水分动态，但在估算森林土壤碳预算时，其干湿行为往往被独立于凋落物化学质量和地下养分条件而考虑（Zagyvai-Kiss et al., 2019; Jourgholami et al., 2022; Pereira et al., 2022; Floriancic et al., 2023）。此外，近期主要依赖16S rRNA和ITS测序的研究在代谢途径分析方面留下了盲点，因为宏基因组和代谢组学研究仍然稀缺，这限制了我们对未来环境变化下森林生物地球化学循环响应进行预测的能力（Zhang et al., 2023; Zhong et al., 2023; Hou et al., 2024; Zheng et al., 2024）。因此，不同森林类型之间凋落物化学性质、凋落物水文特性、土壤物理结构和土壤化学性质的变异如何与微生物功能潜力和土壤温室气体交换联合关联，目前仍不清楚。

为弥补这些空白，我们通过对凋落物化学和水文特征、土壤物理和化学性质、宏基因组功能特征以及非靶向代谢组学的整合，研究了三种典型的亚热带森林类型（阔叶林、针叶林和竹林）。我们假设，不同森林类型之间对比的凋落物和土壤条件将与微生物碳加工潜力的差异相关联，特别是与降解结构复杂碳基质和相对易降解碳基质相关的功能基因。我们进一步预期，这些功能差异连同代谢物谱将与不同森林类型之间土壤CO₂通量和CH₄吸收的变异相关联。为检验这些假设，本研究（i）考察了不同森林类型之间凋落物质量和土壤理化性质的差异及其与微生物功能潜力的关联，（ii）评估了微生物功能特征和代谢物组成与不同森林类型之间土壤CO₂通量和CH₄吸收变异的关联，（iii）在一个基于关联的框架内综合了这些多层次关系，以刻画亚热带森林类型之间凋落物特征、土壤性质、微生物功能潜力、代谢物谱和温室气体通量之间的协同变异。

章节片段

研究区域与实验设计

本研究在中国广东省英德市的石门台国家级自然保护区开展（24°22′29″～24°30′41″N, 113°05′00″～113°30′50″E）。该地区位于南亚热带与中亚热带气候区的过渡地带，属亚热带季风气候。年降水量平均为1882.8 mm，年平均气温为20.9 °C，平均无霜期为319天。主要土壤类型为

凋落物化学与水文学特征的差异

三种森林类型之间凋落物化学性质存在显著差异（图1a）。阔叶林凋落物的LTN显著低于针叶林和竹林凋落物，而阔叶林凋落物的LTC最高，其次为针叶林凋落物。因此，阔叶林的LC/N显著最高，其次为针叶林，然后为竹林。阔叶林和针叶林凋落物中的木质素含量显著高于

凋落物和土壤性质与微生物功能潜力的关联

本研究显示，不同森林类型之间凋落物化学性质、凋落物水文特性和土壤物理化学性质的差异伴随着微生物功能潜力和代谢物谱的差异，且这些环境特征和分子特征在统计上与土壤温室气体通量的变异相关联。就凋落物水文特性而言，凋落物层的水分调节能力在塑造土壤表层微环境方面起着关键作用

结论

不同森林类型之间在上方凋落物化学和水文特性、下方土壤物理化学条件、微生物功能潜力以及代谢物组成方面均表现出显著差异，但这些多层次特征与CO₂和CH₄交换的关联却呈现对比性。CO₂通量与广泛的凋落物、土壤、微生物功能和代谢物变量相关联，表明土壤呼吸的变异与地上和地下的综合

CRediT作者贡献声明

Bing Xue（薛冰）：撰写—审阅与编辑，撰写—初稿，可视化，验证，方法学，调查。Guoping Tang（唐国平）：撰写—审阅与编辑，验证，监督，调查，经费获取，数据管理。Zhongkai Ren（任中凯）：调查，形式化分析，数据管理。Xupeng Fang（方旭鹏）：调查，形式化分析，数据管理。Houbing Chen（陈厚兵）：调查，形式化分析，数据管理。Yan Jiang（江艳）：监督，调查。Linwei Zeng（曾林威）：监督，资源，

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本工作得到国家自然科学基金委员会（编号：42171025）和广东省科学技术计划项目"研究与创新平台"（编号：2024B1212040005）的资助。

Bing Xue|Guoping Tang|Zhongkai Ren|Xupeng Fang|Houbing Chen|Yan Jiang|Linwei Zeng|Xiaobin Li|Yuqi Li