在喀斯特森林演替过程中，环境、分类群和功能的级联效应决定了微生物碳磷循环之间的权衡

《Applied Soil Ecology》：Cascading effects of environment, taxa, and function drive microbial C-P cycling trade-offs during karst forest succession

　　摘要 土壤微生物在陆地碳、氮、磷循环中起着关键作用，但生态系统恢复过程中，尤其是在脆弱的喀斯特地区，其功能平衡如何重新调整，目前仍不甚明了。我们在中国贵州省的灌木丛、次生林和原始林这三个演替阶段进行了宏基因组测序，分析了六种核心微生物功能模块的演变趋势、权衡关系以及环境驱动因素：无机磷溶解、有机磷矿化、硝化作用、反硝化作用、碳生物合成以及碳分解。演替过程导致微生物功能潜力出现高度选择性的收缩，其中碳生物合成和无机磷溶解的潜力分别下降了12.1%和11.9%，而碳分解、有机磷矿化、硝化作用和反硝化作用的潜力则保持稳定。因此，碳生物合成与碳分解的比值以及无机磷溶解与有机磷矿化的比值显著下降，这表明微生物的代谢策略从碳固定和无机磷获取转向了有机碳分解和有机磷循环利用。同时，功能耦合网络也从早期的以碳生物合成为中心的结构，转变为成熟森林中以反硝化作用-无机磷溶解和碳分解-有机磷矿化协同作用为特征的结构。这种功能转变得益于微生物群落的分类组成从大量繁殖型假单胞菌类向少量繁殖型放线菌类的转变。冗余分析和结构方程模型进一步证实了环境因素与微生物分类、功能之间存在密切的层级关联，土壤有机碳含量和pH值的上升是抑制碳生物合成和无机磷溶解潜力以及导致微生物群落组成变化的主要土壤因素。总体而言，我们的研究结果表明，喀斯特森林的恢复会促使微生物获取营养的潜力发生根本性重组，形成一种高效、注重循环利用的代谢框架，为理解成熟生态系统的功能生态学提供了重要见解。

引言 土壤微生物是陆地生物地球化学循环的核心驱动力量，它们参与碳、氮、磷等元素的复杂转化，这些元素对于维持生态系统生产力、养分保留和气候调节至关重要（Falkowski等人，2008；Bardgett和van der Putten，2014）。由于微生物细胞在能量、酶活性和化学计量方面受到严格限制，将资源分配到某一特定的生物地球化学途径必然会导致其他方面的投入减少。这种基于细胞代谢的权衡关系会进一步影响整个微生物群落的功能结构（Sinsabaugh等人，2009；Mooshammer等人，2014）。因此，了解生态系统发展过程中这些功能权衡关系的变化，对于预测微生物在养分循环中的作用以及维持长期土壤健康具有重要意义（Schimel和Schaeffer，2012；Treseder等人，2012）。

生态演替会形成逐渐变化的非生物环境梯度，表现为有机碳积累、pH值变化以及植物来源的养分输入日益多样化，这些因素共同推动微生物群落从快速生长的大量繁殖型物种向生长缓慢的少量繁殖型物种转变（Fierer等人，2007；Nemergut等人，2013；Ho等人，2017）。由于不同生命史策略意味着微生物在生物合成、矿物风化和有机物分解等方面的投入重点不同，这种分类组成上的变化预计会改变微生物在各种代谢途径中的功能潜力，从而导致碳、氮、磷循环之间出现特定的权衡关系（Allison和Martiny，2008；Malik等人，2020）。在这里，功能潜力指的是微生物群落通过基因编码所具备的执行特定生物地球化学过程的能力，它是通过相关功能基因的丰度来衡量的，而非实际发生的反应速率。然而，目前还缺乏实证研究来明确哪些功能对之间存在权衡关系，哪些功能对协同作用，哪些则相互独立。在那些地质化学条件对微生物代谢施加严重限制的生态系统中，这一知识缺口更为明显。

喀斯特地貌为这类研究提供了理想的场所。中国约有15%的面积属于喀斯特地貌，全球范围内也有超过10%的陆地表面为喀斯特地形。这类地貌的特点是土壤层薄、分布零散且富含钙质，一旦植被被清除，很容易出现石漠化现象（Luo等人，2015；Sheng等人，2018）。不过，在废弃的喀斯特坡地上，随着时间的推移，植被从灌木丛逐渐发展到原始森林，这一自然演替过程能够大量固定土壤有机碳，改变pH值，增加有效氮含量，并在数十年到数百年间恢复植物多样性。这一过程在相对较短的时间尺度内形成了极为明显的多因素环境梯度（Zhu等人，2021）。由于非生物环境发生了巨大变化，且演替过程具有较好的时间可追溯性，喀斯特地区的生态恢复为研究环境变化、微生物分类组成变化以及功能重组之间的关联提供了理想的自然实验场。尽管如此，现有的喀斯特微生物学研究大多集中在单一的生物地球化学过程或宏观的群落结构上（Xue等人，2017；Du等人，2020a，Du等人，2020b），关于碳、氮、磷循环功能如何在这些演替梯度上发生重塑和平衡的综合研究仍然十分缺乏。

在这三种大量元素中，磷循环在钙质喀斯特生态系统中具有尤为重要的地位。这类土壤中较高的钙离子浓度会导致溶解态磷酸盐迅速沉淀为难溶的钙磷化合物，因此，尽管土壤中的总磷含量较高，但无机磷却长期处于无法被微生物利用的状态（Zhu等人，2021）。在这种地质化学条件下，土壤微生物面临着一个核心抉择：要么投入精力进行无机磷的获取，即分泌有机酸和质子来溶解结合在矿物中的磷（Richardson和Simpson，2011），要么优先进行有机磷的循环利用，通过分泌磷酸酶将磷从不断积累的土壤有机质中释放出来（Bergkemper等人，2016）。值得注意的是，由于无机磷的获取需要合成并分泌以碳为基础的有机酸，而有机磷的循环利用又依赖于用于碳分解的相同有机底物，因此微生物的磷获取策略很可能与碳代谢的内部平衡密切相关。这两种过程都会对土壤有机质的积累以及喀斯特演替过程中pH值的变化极为敏感。氮素转化则构成了这个相互关联的体系：硝化作用是将铵盐氧化为硝酸盐的微生物过程，它决定了有效氮的存在形式和移动性；而反硝化作用则是将硝酸盐逐步还原为气态氮的过程，它是氮素流失的主要途径（Levy-Booth等人，2014）。因此，这两种相反过程的平衡决定了随着生态系统的发展，氮素是会被保留还是流失。由于喀斯特地区的钙质土壤通常具有较高且稳定的有效氮含量（Sheng等人，2018），我们预计氮循环的平衡相比碳和磷循环更具稳定性，可以作为衡量碳磷循环变化的参考基准。尽管碳磷耦合在喀斯特地区生态恢复中具有重要意义，但目前尚未有研究在统一的宏基因组框架下整合和量化碳、氮、磷循环之间的潜在权衡关系。

要深入理解喀斯特地区的功能重组机制，就不能仅仅关注孤立的环境因素与单个功能之间的简单关联，而需要建立一个能够整合四个层次结构的分析框架：首先是由演替过程形成的环境梯度，其次是微生物群落组成的变化，然后是功能模块潜力的变化，最后是不同生物地球化学途径之间的权衡关系。基于大量繁殖型与少量繁殖型微生物的生命史策略框架（Fierer等人，2007；Malik等人，2020），我们提出以下假设：第一，喀斯特森林的演替会导致支撑碳、氮、磷循环的微生物功能潜力出现不对称而非均匀的变化，因为这些功能模块由具有不同生态策略的微生物谱系所承担；第二，这些功能变化会通过演替过程中的分类组成变化，产生相互关联的权衡关系，比如碳磷耦合；第三，喀斯特地区生态恢复过程中同时发生变化的某些土壤特性是驱动因素，它们将演替进程转化为具体的功能权衡表现。

为了验证这些假设，我们对来自中国西南部三个演替阶段的30个土壤样本进行了宏基因组测序，这些样本分别来自灌木丛阶段、次生林阶段和原始林阶段。我们分析了涵盖碳循环（有机碳生物合成、有机碳分解）、氮循环（硝化作用、反硝化作用）以及磷循环（无机磷溶解、有机磷矿化）的六个功能模块的潜力变化。通过单因素方差分析、成对功能模块比值权衡指数、斯皮尔曼相关网络分析、门水平分类归属分析、曼特尔检验、冗余分析、多元回归以及结构方程模型分析，我们试图回答四个关键问题：第一，演替过程是对这些功能模块产生统一的影响，还是存在针对不同模块的特异性影响？第二，碳、氮、磷功能之间的耦合结构是怎样的，它在演替过程中是如何发生变化的？第三，这种功能重组是由微生物分类组成的变化驱动的，还是由不同微生物谱系的独立变化驱动的？第四，从环境到群落，再到功能，最终到权衡关系的这种层级因果关系在统计上是否成立？哪些土壤变量是驱动因素？这项研究首次从宏基因组层面系统分析了喀斯特森林演替过程中微生物在碳、氮、磷循环方面的功能权衡关系，明确了在喀斯特生态系统恢复过程中可以加以调控的关键土壤因素，从而引导微生物的生物地球化学循环。

研究地点描述 研究工作在中国贵州省南部的毛兰国家级自然保护区进行，该保护区的地理位置位于东经107°52′至108°05′，北纬25°09′至25°20′之间。这里属于喀斯特山地地貌，海拔在550至850米之间，气候为湿润亚热带季风气候，年平均降水量约为1752毫米。这里的植被以亚热带喀斯特地貌典型的常绿和落叶阔叶树种为主，形成了复杂的植被景观。土壤属于FAO分类中的钙质土——浅层、分布零散的钙质土壤。

微生物功能潜力的演替轨迹 宏基因组测序共获得了每份样本平均9.1 Gb的原始数据以及8.9 Gb的干净数据，数据保留率为97.8%。质量控制结果显示，测序质量很高，平均每个碱基的质量评分为Q35.8，所有碱基的位置质量均高于Q30，平均GC含量为64.4%。这些序列被组装成了每份样本2.5×105到5.8×105个连续序列片段，N50值在457至539个碱基对之间，最终得到了一个包含5.98个唯一序列的数据库。

演替导致的选择性功能重组 虽然喀斯特森林的演替并没有导致微生物生物地球化学能力的整体下降，但却引发了某些特定代谢模块的高度选择性收缩。在所研究的六种功能途径中，只有碳生物合成和无机磷溶解能力出现了显著下降，降幅分别为12.1%和11.9%，而碳分解、有机磷矿化以及氮循环相关的功能潜力则保持稳定。

结论 总的来说，喀斯特森林的演替是通过环境、分类组成和功能之间的协同作用来重新构建土壤微生物的碳氮磷循环结构，而不是导致微生物整体活性的均匀下降。在演替过程中，只有碳生物合成和无机磷溶解能力出现了显著下降，而碳分解、有机磷矿化以及氮循环相关的功能潜力则保持稳定。

作者贡献说明 Chen丹梅：项目监督、项目管理、方法设计、资金申请、概念构思、论文修订与编辑、初稿撰写。刘庆富：项目监督、项目管理。臧立鹏：项目监督、项目管理。隋明珍：项目监督、项目管理。张光奇：项目监督、项目管理。

利益冲突声明 作者声明没有已知的财务利益冲突或可能影响本研究结果的个人关系。

致谢 本研究得到了中国国家自然科学基金[32460377；32360380；32360278]、贵州省基础研究计划（自然科学领域）[ZK(2024)101；ZK(2024)068；MS(2026)090；MS(2026)091；ZD(2026)028]以及贵州省林业科学项目[QLKH[2025]21]的支持。

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陈丹梅 | 刘庆富 | 臧立鹏 | 隋明珍 | 张光奇 中国贵州省贵阳市贵州大学林学院，邮编550025