杉木与闽楠混交通过加速土壤有机质分解和提高养分有效性增加微生物多样性与功能潜力

《Microbiology Spectrum》：Chinese fir-Phoebe mixture increases microbial diversity and functional potential by accelerating SOM decomposition and increasing nutrient availability

　　

摘要：近自然营林实践作为优化林分立地条件和提升森林生产力的可持续林业策略日益受到重视。这些生态系统过程的发挥与土壤微生物密切相关。然而，关于微生物如何响应此类营林干预措施仍缺乏系统性表征，这一关键知识空白限制了研究人员预测森林生态系统长期演替轨迹的能力。此外，混交林中微生物群落的具体功能在很大程度上仍然未知。本研究分析了沿林分类型梯度的细菌和真菌群落的组成与功能特征谱，包括九块近自然杉木（Cunninghamia lanceolata）与闽楠（Phoebe bournei）混交人工林（采用3×3析因设计，每个物种设置三种密度）以及一块纯杉木林分。结果表明，混交种植通过加速土壤有机质（SOM）分解和总氮（TN）矿化作用，同时提高土壤pH值、有效磷（AP）和速效钾（AK）含量，增强了细菌和真菌的多样性并改变了其群落结构。值得注意的是，混交种植增加了参与碳和氮代谢的细菌以及腐生和共生真菌的相对丰度，同时降低了病原真菌的相对丰度。此外，不同混交处理间的微生物群落变异强于不同土层深度之间的变异，且降低杉木密度比增加闽楠密度对微生物群落的影响更大。这些发现强调树种多样性和种植密度共同决定了土壤微生物的组装。因此，本研究为预测近自然营林对微生物群落的影响提供了实证依据，并为优化杉木人工林的管理提供了见解。

研究背景与科学问题

长期以来，杉木（Cunninghamia lanceolata）是中国南方主要的本土针叶树种，被广泛用于造林项目。然而，长期的杉木纯林经营导致了一系列生态问题，如生物多样性丧失、土壤退化和土壤肥力下降。大量研究证实，建立针阔混交林可以有效改善土壤肥力并促进森林生态系统整体生产力。尽管已知微生物在维持土壤肥力和生态系统功能中扮演着至关重要的角色，但在将杉木人工林近自然改造为混交林的过程中，地下微生物群落的动态变化尚未得到充分研究。微生物是土壤-植物系统中的关键组成部分，作为土壤与植物之间物质循环和能量流动的媒介。它们不仅参与有机质分解和养分循环等基本生态过程，还对植物的生长和抗逆性产生重要影响。反之，地上植物可通过凋落物输入和根系分泌物影响土壤性质，进而特异性塑造微生物群落。因此，系统调查森林类型转变后微生物群落的变化，对于阐明森林生态系统中的关键生态过程至关重要。通过间种阔叶树种对针叶人工林进行近自然改造，是提升森林生产力和实现可持续管理的先进策略。闽楠（Phoebe bournei）作为一种珍贵的阔叶用材树种，不仅木材品质优良，而且根系发达、落叶量大。杉木与闽楠的混交因其显著的生态和经济效益而备受青睐。例如，杉木与闽楠混交显著提高了土壤总碳（TC）、总氮（TN）和总磷（TP），有助于改善土壤质量。然而，关于杉木与闽楠间作后微生物群落功能变化的研究仍不充分，这限制了对土壤养分循环过程的理解。

研究内容与结论

研究人员通过在湖南省西山林场设立包含九个不同密度的杉木-闽楠混交处理和一个纯杉木对照林分的实验样地，系统研究了混交种植对土壤微生物群落的影响。实验设计将杉木分为四个密度水平（S25、S35、S45、S70，分别代表每公顷375、525、675和1050株），其中S70作为纯杉木对照。在每个S25、S35和S45水平下，又设置了三个闽楠密度梯度（N40、N50、N60，分别代表每公顷600、750和900株）。研究于2022年11月采集了0-20厘米和20-40厘米两个土层的样品。结果表明，与纯杉木相比，混交种植显著改变了土壤性质，包括提高土壤pH值、增加有效磷和速效钾含量，同时加速了土壤有机质的分解并降低了总氮含量。混交种植显著提高了细菌和真菌的Shannon多样性指数，其中真菌多样性对混交种植的响应比细菌更为敏感。非度量多维尺度分析和置换多元方差分析显示，混交种植和土壤深度均显著改变了细菌和真菌的群落结构，且混交种植的影响大于土壤深度。在门水平上，混交种植普遍降低了酸杆菌门（Acidobacteriota）和疣微菌门（Verrucomicrobiota）的相对丰度，同时提高了变形菌门（Proteobacteria）、浮霉菌门（Planctomycetota）和放线菌门（Actinobacteriota）的相对丰度。对于真菌，混交种植显著改变了群落组成，特别是增加了毛霉门（Mucoromycota）和担子菌门（Basidiomycota）的相对丰度。基于FAPROTAX数据库的功能预测表明，混交种植显著富集了参与反硝化、硝酸盐还原、甲醇氧化、固氮、硝化等碳氮循环相关的细菌功能类群。基于FUNGuild方法的真菌功能注释显示，混交种植促进了腐生型和共生型真菌的生长，同时抑制了病理营养型真菌。这项研究的重要意义在于，它揭示了树种多样性和种植密度共同驱动土壤微生物群落的组装，为预测近自然营林对微生物群落的影响提供了实证依据，并为优化杉木人工林的可持续管理提供了科学指导。

主要关键技术方法

1. 1.
   实验设计与样地设置：在湖南省西山林场选择2004年营造的杉木纯林，经2015年疏伐后，于林冠下间种两年生闽楠容器苗，形成九个不同密度的混交组合和一个纯杉木对照林分，每个处理设三个重复样地。
2. 2.
   土壤样品采集与分析：于2022年11月按等距采样法采集0-20厘米和20-40厘米两个深度的土壤样品，测定土壤pH、有机质、总氮、总磷、全钾、碱解氮、有效磷和速效钾等理化性质。
3. 3.
   高通量扩增子测序：提取土壤总DNA，利用特异性引物对细菌16S rRNA基因的V3-V4区域和真菌ITS基因的ITS2区域进行PCR扩增，并在Illumina NovaSeq 6000平台上进行双端测序。
4. 4.
   生物信息学与统计分析：使用UPARSE软件按97%相似度聚类获得操作分类单元，并分别与SILVA和UNITE数据库比对进行物种注释。利用FAPROTAX和FUNGuild数据库分别预测细菌和真菌的生态功能。采用单因素方差分析、非度量多维尺度分析、置换多元方差分析和基于距离的冗余分析等统计方法评估差异及其与环境因子的关系。

研究结果

土壤性质

与纯杉木对照相比，大多数混交处理提高了土壤pH值，尤其在S25N50、S25N60和S35N60处理中最为明显。在0-20厘米土层，S35N50、S45N40和S45N60处理的土壤有机质（SOM）含量分别降低了43%、39%和36%。在20-40厘米土层，所有混交处理的SOM含量均下降了44%-71%。同样，多数混交处理的总氮（TN）含量也下降了35%-65%。相反，S25N50、S25N60和S35N60处理的总磷（TP）含量分别是S70的1.08倍、1.56倍和1.24倍。此外，在0-20厘米土层，S25N50、S25N60、S35N60、S45N40和S45N50处理的速效钾（AK）含量增加了一倍以上。虽然未达到统计学显著性，但与S70相比，S25N40、S25N50和S25N60处理的有效磷（AP）含量增加了超过1.6倍。

不同处理下细菌和真菌群落的α多样性

混交种植显著改变了土壤细菌和真菌群落的α多样性。细菌Shannon指数范围在7.64至8.80之间。与S70相比，S25N50、S25N60、S35N40和S45N50处理在0-20厘米土层的细菌多样性增加了9%，在20-40厘米土层增加了10%。此外，在S25和S45水平下，随着闽楠密度的增加，细菌多样性呈现上升趋势。真菌多样性对混交种植的响应比细菌更敏感，闽楠的影响比杉木更显著。真菌Shannon指数范围在5.40至6.99之间。在0-20厘米土层，S25N50、S35N40和S45N50处理的真菌多样性相对于S70分别增加了7%、13%和6%。

不同处理下细菌和真菌群落的结构

混交种植和土壤深度都显著改变了细菌和真菌的群落结构，且混交种植的影响比土壤深度更显著。非度量多维尺度排序显示，S25、S35和S45水平的细菌群落与对照组显著分离，并且随着杉木密度的降低，距离逐渐增大。细菌群落主要由酸杆菌门（占所有序列的40%）组成，其次是绿弯菌门（Chloroflexi）、变形菌门、疣微菌门、浮霉菌门和放线菌门。混交种植总体上降低了酸杆菌门和疣微菌门的相对丰度，同时增加了变形菌门、浮霉菌门和放线菌门的相对丰度。环境因子拟合分析显示，土壤pH、有机质、总氮和碱解氮是改变细菌群落结构的重要非生物因子。真菌群落在各处理间也存在显著差异，其变化依赖于杉木和闽楠的密度。真菌群落主要由子囊菌门（Ascomycota）（占55%）主导，其次是担子菌门、毛霉门、被孢霉门（Mortierellomycota）和罗兹菌门（Rozellomycota）。混交种植显著改变了真菌群落组成，其中毛霉门和被孢霉门的变化最为显著。环境因子拟合分析显示，土壤pH、总磷、有效磷和全钾是影响真菌群落结构最重要的非生物因子。

不同处理下细菌和真菌群落的生态功能

基于FAPROTAX的预测，混交种植显著改变了与不同营养和代谢途径相关的细菌功能谱。与S70相比，S25水平的细菌群落在反硝化、硝酸盐还原、硝酸盐呼吸、甲基营养、烃降解、铁还原和发酵等功能上显著富集。在S35水平，细菌群落主要富集了纤维素水解、化能异养、硫代硫酸盐氧化、几丁质水解和尿素分解等功能。在S45水平，硝化作用、硫酸盐呼吸、固氮、锰氧化和光能自养等功能显著富集。基于FUNGuild的功能注释显示，混交种植促进了腐生型和共生型真菌，同时抑制了病理-腐生-共生型和腐生-共生型真菌。进一步分类鉴定出74个不同的功能类群。与S70相比，除S45N40外，所有混交处理均降低了苔藓寄生-粪生-外生菌根-真菌寄生-叶寄生-植物寄生-未定义腐生-木材腐生真菌的相对丰度，降幅高达5.31倍。相反，S25N60、S35N50和S35N60处理使外生菌根真菌的相对丰度增加了超过20.38倍。

讨论与结论

讨论部分指出，混交种植对微生物多样性的积极影响可能与观察到的总磷和有效磷的增加有关。凋落物的分解为微生物活动提供能量和养分，从而促进微生物多样化。混交林中土壤有机碳的下降表明有机质分解加速。针阔混交通过改善植物残体的质量和数量来提高微生物多样性。有趣的是，细菌和真菌多样性随着闽楠密度的增加而降低，这可能是因为某些微生物类群的富集降低了群落均匀度。真菌多样性在混交处理间的变化比细菌更显著，这与真菌比细菌更直接依赖树木凋落物的证据一致。

混交种植通过改变土壤性质，刺激具有特定生态功能的细菌类群，特别是那些参与养分循环的类群，从而改变细菌群落。真菌群落比细菌群落表现出更大的组成变异，这可能归因于真菌拥有更广泛的生态位和更多样的胞外酶。混交种植显著富集了担子菌门和毛霉门，这可能与凋落物数量和质量的增加有关，从而扩大了具有专门底物利用策略的真菌类群的可利用生态位。

混交种植显著改变了土壤细菌的功能谱，表明树种多样性和密度是驱动微生物功能分布的关键因素。研究人员观察到参与甲醇氧化、固氮、硝化和反硝化的微生物功能显著增强，这表明混交种植增强了土壤中碳和氮的生物地球化学循环。混交种植还强烈改变了具有不同营养策略的真菌类群的比例分配，总体上促进了腐生型真菌，同时抑制了病原型真菌。较高的闽楠种植密度特别促进了共生型真菌，尤其是外生菌根真菌，这不仅促进了树木生长，也改善了混交林的分地条件。

研究结论：与杉木纯林相比，杉木与闽楠混交林显著提高了细菌和真菌的多样性，改变了土壤中的群落结构，并强化了相关的生态功能。杉木的种植密度对细菌和真菌群落的影响均强于闽楠。值得注意的是，在混交林中，真菌群落比细菌群落表现出更显著的变化，腐生型和共生型真菌的生长得到强烈促进。此外，由于0-20厘米和20-40厘米土层具有不同的理化性质，土壤深度对细菌和真菌群落也有显著影响。研究结果表明，通过近自然营林改造的杉木与闽楠混交林可以重塑土壤微生物群落及其功能谱，特别是参与碳和氮循环的功能，从而改善立地条件并可能提高森林生产力。