《Soil Biology and Biochemistry》：Distinct Pathways Link Ectomycorrhizal and Ericoid Mycorrhizal Fungi to Soil Carbon Storage across a Boreal Forest Harvest Intensity Gradient
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北方森林土壤是全球重要的碳（C）储库，主要以土壤有机质（SOM）的形式存在。土壤微生物群落是SOM损失与积累过程的关键驱动因子。更为具体地，真菌通过其生物量及分泌的微生物产物在SOM形成中发挥关键作用。然而，真菌亦通过产生酶参与SOM分解，从而导致土壤C损失。
北方森林土壤是全球重要的碳（C）储库，主要以土壤有机质（SOM）的形式存在。土壤微生物群落是SOM损失与积累过程的关键驱动因子。更为具体地，真菌通过其生物量及分泌的微生物产物在SOM形成中发挥关键作用。然而，真菌亦通过产生酶参与SOM分解，从而导致土壤C损失。北方森林土壤微生物群落受到多种干扰的影响，其中主要的人为干扰为森林采伐，全球三分之二的北方森林处于经营状态。森林覆盖的全部或部分移除可导致土壤条件变化，包括温度、含水量、pH以及地上和地下有机质输入的数量与质量，进而引起微生物群落组成与活性的改变。以往研究表明，真菌群落对森林经营的敏感性高于细菌群落。更为具体地，针叶林中的外生菌根真菌（EMF）被发现尤其受到皆伐的影响。由于EMF依赖宿主树木根系提供的光合产物，树木的全部或部分移除减少了这一供应，导致EMF丰度随采伐强度增加而下降。尽管以往已对皆伐对土壤真菌群落的影响进行了研究，但关于北方森林中部分采伐影响的研究仍然匮乏。采伐引起的菌根真菌群落组成变化，包括EMF和杜鹃花类菌根真菌（ErMF），可能影响跨越土壤 horizons 的C储存与稳定途径，并调控颗粒态有机质（POM）和矿物结合态有机质（MAOM）组分的形成。POM主要由相对未受保护的植物源物质组成，而MAOM主要来源于与矿物表面结合的微生物产物和可溶性植物输入，因而更不易被分解。EMF在C储存中可发挥两种截然不同的作用：一方面，某些类群能够产生氧化酶，可分解木质素等复杂有机质，从而导致土壤C损失；另一方面，某些类群产生高度黑色素化的菌丝，其生化组成使其在转化为坏死体后不易被分解。某些EMF类群氧化矿质土壤POM组分中SOM的能力已被证实。多项研究还提示EMF通过Fenton化学（一种非酶促过程）发挥主导作用，该过程修饰SOM并产生微生物残留物。被修饰的SOM和这些残留物均可吸附于矿物表面，并对MAOM组分做出实质性贡献。在北方森林中，研究还提示ErMF及其宿主植物可能在矿质土壤C积累中发挥重要作用。它们对POM和MAOM组分的贡献可能归因于其抗分解的黑色素化菌丝以及吸附金属的能力。尽管越来越多的证据表明森林采伐可显著影响真菌群落组成，但这些变化对SOM储存机制的后果仍不清楚。据研究人员所知，尚无在北方森林中同时评估细菌和真菌对 contrasting 采伐强度响应、并将菌根真菌相对丰度（RA）与深层矿质土壤中POM和MAOM储存相联系的研究。理解这些关系对于预测森林采伐如何改变北方森林土壤长期C储存至关重要，这可能对全球土壤C积累与损失产生后果。因此，本研究旨在理解森林采伐强度如何影响土壤微生物群落，以及将菌根真菌变化与北方森林土壤C储存相联系起来的机制。研究人员首先评估了皆伐和部分采伐相对于保护（无采伐）如何塑造加拿大东部 upland 北方香脂冷杉（Abies balsamea (L.) Mill.）林有机层和矿质土壤中的土壤细菌和真菌群落。随后，研究人员检验了源自文献的先验概念框架，这些框架将关键菌根真菌类群（EMF和ErMF）、土壤理化性质以及C储量和组分相联系，以识别从有机层到矿质土壤 horizons 55 cm深度的C储存潜在途径。完整的假设集及相应的路径模型在材料与方法部分呈现。
研究背景方面，北方森林土壤是全球重要的碳储库，主要以土壤有机质形式存在，而土壤微生物群落是SOM损失与积累过程的关键驱动因子。真菌既通过生物量和分泌产物促进SOM形成，也通过产酶参与SOM分解导致碳损失。北方森林微生物群落面临的主要人为干扰是采伐，全球三分之二北方森林处于经营状态。森林覆盖的全部或部分移除改变土壤温度、水分、pH及有机质输入的数量与质量，进而改变微生物群落组成与活性。以往研究表明真菌群落对森林经营比细菌更敏感，针叶林中外生菌根真菌（EMF）尤其受皆伐影响，因为EMF依赖宿主根系提供光合产物。然而，关于北方森林部分采伐影响的研究仍然匮乏。此外，采伐引起的菌根真菌群落变化可能影响跨土壤horizons的碳储存与稳定途径，调控颗粒态有机质（POM）和矿物结合态有机质（MAOM）的形成，但这些变化对SOM储存机制的后果仍不清楚。据作者所知，尚无北方森林研究同时评估细菌和真菌对 contrasting 采伐强度的响应，并将菌根真菌相对丰度与深层矿质土壤POM和MAOM储存相联系。因此，本研究旨在理解采伐强度如何影响土壤微生物群落以及将菌根真菌变化与土壤碳储存相联系的机制。研究在加拿大东部魁北克Forêt Montmorency的upland北方香脂冷杉-白桦林进行，设置皆伐（n=15，含极端采伐、全树采伐和仅树干采伐）、部分采伐（n=8，含扩展型和连续覆盖不规则 shelterwood）和对照（n=15，成熟林和老龄林）共38个样地。研究人员采用宏条形码技术表征微生物群落，结合土壤理化性质数据，并运用结构方程模型（SEM）检验先验假设。结论表明，微生物对采伐强度的响应主要由真菌而非细菌群落驱动；皆伐显著改变真菌群落组成并将EMF相对丰度降低至55 cm矿质土壤深度，而部分采伐与对照林的真菌群落组成相似。菌根真菌类群通过跨土壤horizons的不同机制与土壤碳储存相关联：在有机层中，EMF发挥双重作用，具有Mn过氧化物酶能力的类群与较低碳储量相关，而黑色素化菌丝类群通过土壤化学条件间接与较高碳储存相关；在矿质土壤上部35 cm，ErMF相对丰度通过焦磷酸盐可提取Fe和Al及MAOM C:N比与MAOM碳储量正相关，同时直接与较高POM碳储量相关。与EMF不同，ErMF相对丰度在皆伐后得以维持。这些发现表明，菌根真菌对土壤碳储存的影响不仅取决于菌根类型（EMF与ErMF），还取决于EMF内部的关键功能性状。该研究通过识别EMF和ErMF跨土壤horizons与碳储存相联系的不同途径，为预测森林采伐如何影响北方森林长期土壤碳储存提供了机制框架，并强调在评估森林采伐对土壤碳储存影响时应考虑功能性菌根类群。论文发表在《Soil Biology and Biochemistry》。
关键技术方法方面，研究在加拿大魁北克Forêt Montmorency的香脂冷杉-白桦林38个样地开展，样地分属皆伐、部分采伐和对照三种采伐体系。采集有机层（FH horizons）及矿质土壤0–15、15–35和35–55 cm深度的样品，每个样地按网格随机选取采样点，有机层和0–15 cm采集5个位置，15–35 cm采集3个位置，35–55 cm采集1个位置。采用DNeasy PowerSoil Kit提取土壤DNA，以515F-Y/926R引物扩增16S rRNA基因V4-V5区表征细菌和古菌，以ITS9F/ITS4R引物扩增ITS2区表征真菌，在Illumina MiSeq平台进行双端测序（2×250 bp）。生物信息学分析在Q2Pipe（基于QIIME2）流程中完成，使用DADA2去噪，SILVA 138和UNITE 8.2数据库分别进行细菌和真菌分类注释，FUNGuild预测真菌功能 guild。统计分析采用混合效应线性模型评估α多样性，基于稳健Aitchison距离的PERMANOVA评估群落组成差异，ANCOM-BC进行差异丰度分析，并运用分段结构方程模型（piecewiseSEM）检验先验假设路径。
研究结果方面，3.1 采伐体系对土壤微生物多样性和DNA浓度的影响：采伐体系对四个采样深度细菌α多样性无显著影响，有机层中皆伐Shannon多样性指数接近显著高于对照（p=0.080）。真菌α多样性对采伐体系响应更显著，有机层中皆伐的Pielou均匀度、Shannon多样性和物种丰富度均显著高于部分采伐和对照，0–15 cm矿质土壤中皆伐真菌均匀度和Shannon多样性显著高于部分采伐和对照，15–35 cm中皆伐真菌均匀度显著高于对照，35–55 cm无显著影响。采伐体系对微生物DNA浓度无显著影响。3.2 采伐体系对土壤微生物群落组成的影响：PERMANOVA表明细菌群落组成在采伐体系间有显著差异，但排序图显示处理间大量重叠，采伐体系仅解释有机层2.67%和矿质土壤1.72%的变异，矿质土壤深度解释7.90%的变异，细菌群落组成与土壤理化性质无显著相关。真菌群落组成在有机层和上部35 cm矿质土壤中采伐体系间显著不同，采伐体系与土壤深度交互作用显著（p<0.001），皆伐真菌群落与部分采伐和对照明显区分，后两者重叠。3.3 采伐体系对土壤微生物分类学特征的影响：采伐体系一般不影响有机层和矿质土壤细菌属的相对丰度，细菌群落以Acidobacteriales未培养谱系和Acidobacteriae Subgroup_2为主。采伐体系显著影响真菌属相对丰度，最强差异出现在皆伐与部分采伐和对照之间；Tylospora、Lactarius、Sebacina、Piloderma、Russula和Alternaria等多深度一致受影响，部分采伐和对照中有机层和0–15 cm中Tylospora和Lactarius相对丰度显著高于皆伐而Alternaria较低；部分采伐和对照中Fusarium、Gibberella和Pleosporales未鉴定属相对丰度显著低于皆伐；15–35和35–55 cm中前20个最丰富真菌属在部分采伐与对照间无显著差异；所有深度最丰富的两个属为Mortierella（腐生）和Tylospora（EMF）。3.4 采伐体系对土壤真菌功能 guild 的影响：部分采伐和对照真菌功能谱高度相似，均以EMF为主；皆伐功能谱不同，腐生菌相对丰度更高；采伐体系对真菌功能谱的影响在表层最强并随深度减弱；最显著的影响是EMF相对丰度，ANCOM-BC显示部分采伐和对照在所有土壤深度显著高于皆伐。有机层中皆伐附生真菌相对丰度显著高于部分采伐和对照，酵母相对丰度在皆伐中较低（p<0.10），内生真菌和丛枝菌根真菌相对丰度在皆伐中显著高于对照；部分采伐植物病原菌相对丰度显著低于对照。0–15 cm中皆伐软腐真菌相对丰度显著高于对照而地衣化真菌较低，皆伐白腐真菌显著高于对照；15–35 cm中部分采伐酵母显著低于对照；35–55 cm除EMF外无显著差异。3.5 菌根真菌、土壤理化性质与碳储量之间的关系：有机层路径分析含所有采伐体系时模型拟合良好（Fisher's C=7.557，p=0.478）但仅解释25%碳储量变异；黑色素化菌丝EMF与交换性Al正相关，交换性Al与Mn:lignin比负相关，Mn:lignin比与碳储量负相关，C:N比与Mn:lignin比正相关；仅含部分采伐和对照时模型拟合良好（Fisher's C=9.506，p=0.301）并解释69%碳储量变异，碳储量直接受Mn过氧化物酶能力EMF影响，间接受黑色素化菌丝EMF影响，Mn过氧化物酶能力EMF与C:N比正相关，C:N比与Mn:lignin比负相关。MAOM路径分析含所有采伐体系在0–15、15–35和35–55 cm均拟合良好，分别解释59%、40%和51%的MAOM碳储量变异；ErMF对上部35 cm MAOM碳储量有间接效应，0–15 cm中ErMF与交换性Fe和焦磷酸盐可提取Fe和Al正相关，交换性Fe与MAOM C:N比正相关，MAOM C:N比与MAOM碳储量正相关，焦磷酸盐可提取Fe和Al与C:N比和MAOM碳储量正相关，Fenton反应EMF与交换性Fe正相关；15–35 cm中ErMF与焦磷酸盐可提取Fe和Al、MAOM C:N比和交换性Fe正相关；35–55 cm中交换性Fe与MAOM C:N比正相关，焦磷酸盐可提取Fe和Al与MAOM碳储量正相关。POM路径分析含所有采伐体系在0–15、15–35和35–55 cm均拟合良好，分别解释78%、30%和71%的POM碳储量变异；ErMF对0–15和15–35 cm POM碳储量有直接正效应，Mn过氧化物酶能力EMF对15–35 cm有直接正效应；0–15 cm中pH与ErMF和交换性Al负相关但与Mn过氧化物酶能力EMF正相关；15–35 cm中pH与Mn过氧化物酶能力EMF正相关并与交换性Al负相关，交换性Al与Mn过氧化物酶能力EMF正相关；35–55 cm中pH与交换性Al和Mn过氧化物酶能力EMF负相关，交换性Al在0–15和35–55 cm与POM碳储量正相关。
讨论部分总结：研究结果表明，采伐强度对土壤细菌多样性和组成无显著影响，但皆伐显著改变真菌群落组成，尤其使有机层至55 cm矿质土壤中EMF相对丰度降低。路径分析揭示，黑色素化菌丝EMF相对丰度在所有采伐体系中间接与较高土壤碳储量相关，而Mn过氧化物酶能力EMF相对丰度在部分采伐和对照有机层中直接与较低碳储量相关；ErMF相对丰度在所有林分上部35 cm矿质土壤中与POM和MAOM碳储量正相关。该研究的关键贡献在于将多个假设整合到单一框架中，将菌根真菌功能类群相对丰度与跨土壤horizons的土壤理化性质和碳储量相联系，从而提供土壤碳储存途径的机制视角。在4.1节中，作者指出森林采伐虽引起土壤微气候和SOM输入变化，但采伐后7–10年细菌群落多样性和组成未受显著影响，这与部分以往研究一致，可能与采伐未显著改变包括pH在内的土壤理化性质有关，且观测群落以耐胁迫的Acidobacteria为主。与细菌不同，真菌群落显著受皆伐影响且效应随深度减弱，部分采伐与对照差异很小，这与瑞典北方森林和魁北克南部温带森林的观察一致。皆伐导致有机层和0–15 cm中Tylospora、Piloderma、Russula和Lactarius等EMF类群相对丰度显著降低，同时使Alternaria和Epicoccum等腐生菌相对丰度增加。皆伐后真菌多样性在有机层和0–15 cm中高于部分采伐和对照，可能与采伐后地面植被丰富度和多样性增加、早期演替物种促进丛枝菌根真菌增加以及EMF减少释放竞争资源有关。然而皆伐引起的真菌群落显著变化未反映在土壤碳储量上，各采伐体系间碳储量无显著差异，提示真菌群落通过调整组成适应采伐条件，且功能冗余可能使碳动态与分类学组装解耦，当采伐未显著改变有利于微生物分解的土壤理化条件时，采伐残留物输入可补偿碳损失从而维持采伐后十年内土壤碳储量。在4.2节中，作者指出EMF相对丰度在部分采伐和对照有机层中既与较高也与较低土壤碳储量相关，提示使用高分类层级的功能 guild 解释土壤碳过程存在局限，将EMF属进一步细分为关键功能类群支持黑色素化EMF吸附交换性Al、Al积累抑制Mn过氧化物酶活性从而增加碳储量的机制框架，而Mn过氧化物酶能力EMF相对丰度直接与较低碳储量相关，提示其在碳损失中的潜在作用，尽管该关系未经Mn:lignin比中介，可能因属级分类分辨率不足以检测更强功能关系。路径分析显示含皆伐数据时Mn过氧化物酶能力EMF与C:N比和碳储量以及Mn:lignin比与碳储量之间的关系显著减弱，部分解释皆伐对土壤碳储量无影响的原因；皆伐后EMF相对丰度下降可能伴随真菌群落分解SOM能力丧失，同时黑色素化类群坏死体积累及采伐有机残留物输入有助于维持土壤碳储量。在4.3节中，作者指出未发现支持Fenton反应EMF相对丰度与较高MAOM碳储量相关的证据，路径分析支持ErMF相对丰度与MAOM碳储量间接正相关，符合涉及焦磷酸盐可提取Fe和Al介导的碳稳定途径及MAOM C:N比变化的机制框架；ErMF相对丰度还直接与上部35 cm矿质土壤POM碳储量正相关，但该关系独立于Al吸附途径；与假设相反，Mn过氧化物酶能力EMF相对丰度与POM碳储量正相关，可能与随土壤深度增加微生物丰度和酶活性降低有关。尽管ErMF相对丰度较低（整个土壤剖面平均1.14%），结果提供其与矿质土壤碳储存相关联的合理机制，且其相对丰度似乎不受皆伐影响，从而维持与碳储存的假设途径；ErMF为兼性共生体，可在无宿主植物时作为内生真菌或腐生菌发挥功能，且耐胁迫、生活在低pH和养分贫瘠环境，因此较少受森林干扰引起的宿主光合能力丧失影响。在4.4节研究局限性中，作者指出采伐处理未与采样年份和实验布局完全交叉，皆伐样地及关联成熟林2017年采样而其余处理2019年采样，皆伐和部分采伐处理来自独立区组实验而老龄林在两种设计之外，这些因素可能造成处理间差异，归因于采伐强度时需谨慎。SOM积累与分解是相互依赖的复杂过程，难以与微生物群落相对丰度数据相联系，若干关系较弱且不显著，可能因分析的DNA未完全具有代谢活性，这或可解释黑色素化真菌信号更清晰而将DNA与SOM分解等活跃过程相联系更困难。研究局限还包括细菌和真菌群落基于宏条形码相对丰度数据评估而未独立量化绝对丰度和生物量，未来整合定量或数字PCR有助于确定相对丰度变化反映真实分类单元绝对丰度变化还是其他群落成员丰度变化；由于数据代表相对而非绝对丰度，将菌根真菌路径解释为与功能类群在真菌群落中相对代表性的关联而非真菌生物量或活性的直接估计。微生物DNA浓度已被证明可可靠估计微生物生物量，尽管该代理反映总微生物生物量而非仅真菌生物量，采伐体系对微生物DNA浓度无显著影响为采伐体系间总微生物生物量无实质性差异提供了无证据，因此合理假设观察到的序列相对丰度变化大致反映这些类群生物量变化。SEM检验了观察关系与假设生态途径的一致性并提供包含文献中若干假设的机制框架，该概念框架可指导未来研究测量相关性质以在北方森林背景下验证本文假设。
研究结论部分翻译：本研究表明，北方森林中微生物对森林采伐强度的响应主要由真菌而非细菌群落的变化驱动。采伐后7–10年细菌群落 largely 未受影响，而皆伐显著影响真菌群落组成并将EMF相对丰度降低至矿质土壤55 cm深度，尽管真菌多样性和组成的大部分变化局限于有机层和矿质土壤顶部15 cm。结果表明，菌根真菌类群通过跨土壤horizons的不同机制与土壤碳储存相关联。在部分采伐和未采伐林分的有机层中，EMF似乎发挥双重作用：具有Mn过氧化物酶能力的类群相对丰度与较低碳储量相关，而黑色素化菌丝类群相对丰度通过与减少氧化分解相关的土壤化学条件间接与较高碳储存相关。在矿质土壤上部35 cm，路径分析支持ErMF相对丰度通过其与焦磷酸盐可提取Fe和Al及MAOM C:N比的关系与MAOM碳储量正相关、同时直接与较高POM碳储量相关的机制框架。与EMF不同，ErMF相对丰度在皆伐后得以维持，提示该真菌类群可能继续与矿质土壤碳储存相关联，而北方森林大部分碳储存于矿质土壤中。总之，这些发现表明菌根真菌对土壤碳储存的影响可能不仅取决于菌根类型（EMF与ErMF），还取决于EMF内部的关键功能性状。通过识别EMF和ErMF跨土壤horizons与碳储存相联系的不同途径，本研究为预测森林采伐如何影响北方森林长期土壤碳储存提供了机制框架，并强调在评估森林采伐对土壤碳储存影响时应考虑功能性菌根类群，其可作为生物指示物。
