鹅的食草作用改变了亚北极湿地土壤微生物群落功能潜力

《Functional Ecology》：Goose herbivory alters soil microbial community functional potential in a sub-Arctic wetland

　　

食草作用（herbivory）通过直接和间接机制改变地下资源动态，然而其对微生物功能潜力（microbial functional potential）的影响仍知之甚少，这限制了研究人员对动物、植物和微生物在动物地球化学循环（zoogeochemical cycles）中功能角色之间联系机制的理解。研究人员在亚北极阿拉斯加（sub-Arctic Alaska）沿海湿莎草草甸（wet-sedge meadow）中，考察了模拟鹅食草作用对土壤微生物群落功能和组装的影响。为此，研究人员在两个生长季内应用了一个全因子实验（full-factorial experiment），模拟食草性鹅改变土壤环境的三种不同途径：植物放牧（即去叶，grazing）、粪便沉积（faeces deposition）和踩踏（trampling）。放牧（grazing），而非粪便沉积或踩踏，是潜在和表达微生物功能变化的主要驱动因素。放牧导致与氮和磷循环（nitrogen and phosphorus cycling）相关的基因预测丰度增加，可能提高营养通量速率（nutrient flux rates）。此外，在第一个生长季，放牧增加了磷获取酶（phosphorus-acquiring enzymes）相对于碳和氮获取酶的表达活性，表明磷循环的相对增加。放牧也是微生物群落组成和多样性变化的主要驱动因素，而粪便和踩踏的作用主要限于交互效应。放牧影响了真菌和原核生物群落组成，最强效应出现在第一个生长季。在第一个生长季，放牧增加了真菌腐生菌（fungal saprotrophs）和二形酵母（dimorphic yeasts）的丰度，并降低了真菌和原核生物群落的α多样性（alpha diversity）。通过零模型（null modelling）方法确定，真菌群落主要受随机组装过程（stochastic assembly processes）影响，而原核生物群落更受确定性组装（deterministic assembly）影响。这些过程的相对强度受放牧影响较小。研究结果表明，在亚北极湿地中，鹅的食草作用主要通过放牧可以快速改变微生物群落并改变其在动物地球化学循环中的作用。确定性组装对塑造原核生物群落最为重要，表明鹅食草引起的原核生物功能变化可能具有可预测性。相比之下，随机性在塑造真菌群落中的强烈影响表明，真菌群落功能的变化可能更具变异性。

**研究背景、问题与目的**
动物食草作用（herbivory）通过直接和间接途径影响生态系统中的碳、氮、磷的流动与储存，然而经典动物地球化学理论（zoogeochemistry theory）强调植物质量是核心中介，但日益认识到仅凭植物质量不足以解释食草效应。土壤微生物群落（soil microbial communities）在调节营养循环中起关键作用，但其功能潜力（functional potential）如何受食草作用影响尚未明确。尤其在北半球亚北极湿地，候鸟（如鹅）大量聚集形成“放牧草坪”（grazing lawns），显著改变植被形态、土壤微气候和凋落物化学性质。然而，这些变化如何通过不同食草途径（放牧、粪便沉积、踩踏）影响微生物功能潜力和群落组装过程，仍是空白。本研究旨在填补这一缺口，通过模拟实验揭示鹅食草作用对土壤微生物群落功能潜力及组装机制的影响，为将动物地球化学整合到基于微生物的生态系统模型中提供依据。论文发表在《Functional Ecology》。

**主要技术方法**
研究在阿拉斯加育空三角洲国家野生动物保护区（Yukon Delta National Wildlife Refuge）的Kashunuk河沿岸（61.34°N, 165.45°W）进行，样地为近单优种Carex subspathacea湿地。设置6个区组，每区组8个2m×2m样地，采用全因子设计（放牧、粪便沉积、踩踏各两水平），共48个样地。处理包括：用电剪模拟放牧（剪至<2cm并移除剪屑）；用木板模拟踩踏（施加约11kPa压力，相当于黑雁脚力）；从附近自然放牧草坪收集鹅粪均匀撒布（0.5个/m2/天）。在两个生长季（2022和2023年6月至8月）中每8天处理一次，共7次。每季早、中、晚期采集0-5cm土样，分析：土壤温度（iButton记录仪）、土壤含水量（烘干法）；凋落物化学（C、N浓度及C:N、木质素:N比例，通过元素分析和顺序消化法）；胞外酶活性（β-葡萄糖苷酶BG、纤维二糖酶CB、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶NAG、亮氨酸氨基肽酶LAP、酸性磷酸酶AP、多酚氧化酶POX，基于对硝基苯酚底物，计算比例）；DNA提取后对16S rRNA基因V4区和ITS1区域进行Illumina Miseq测序，用QIIME2流程处理，DADA2去噪，分配原核和真菌分类；原核功能潜力通过PICRUSt2基于系统发育推断酶委员会（EC）基因丰度；真菌功能群通过FungalTraits数据库（v1.2）按属级分配主要生活方式和生长型；群落组装通过β最近分类单元指数（βNTI）和Raup-Crick Bray-Curtis（RC）差异的零模型方法计算确定性（均质化/异质性选择）和随机（扩散限制/漂变）过程的相对贡献。统计采用线性混合模型、PERMANOVA、差异丰度分析（edgeR和maaslin3），Benjamini-Hochberg校正。

**研究结果**
**3.1 模拟食草对土壤环境的影响**
放牧显著提高了土壤温度（2022年从8.2°C增至10.4°C；2023年从9.7°C增至10.7°C，均p<0.001），对土壤含水量无显著影响，但2023年整体含水量高于2022年。放牧改变了凋落物化学：2022年，放牧使凋落物N浓度增加25%，C:N降低约21%；放牧与踩踏交互增加木质素12%，放牧与粪便交互降低木质素:N；三因素交互降低可溶性物质。2023年，放牧使N增加67%，C:N降低44%；踩踏降低C浓度7%；放牧降低木质素:N 40%。

**3.2 微生物群落组成与多样性**
PERMANOVA分析显示，放牧在两个年份均显著影响原核和真菌群落组成（p<0.001），且2023年踩踏以及三因素交互对原核群落有显著影响。放牧在2022年降低了原核Shannon多样性（p=0.03）和真菌观察丰富度（p=0.004）与Shannon多样性（p=0.03）；2023年真菌α多样性受踩踏×粪便交互影响。

**3.3 真菌功能群**
2022年，放牧增加了土壤腐生菌和未指定腐生菌的相对丰度，减少了动物寄生虫、根内生菌、植物病原菌和未知类群；放牧增加了二形酵母丰度，减少了丝状菌丝真菌和未知生长型真菌。2023年无显著影响。

**3.4 原核群落功能潜力**
PICRUSt2推断的EC基因丰度显示，放牧是唯一显著影响原核功能的处理。2022年，放牧增加与木质素和芳香族降解相关的氧化还原酶基因（EC1.13.11, EC1.14.14）、氨基酸和有机酸降解基因（EC1.4.3, EC1.4.5, EC1.5.3, EC1.5.8, EC1.13.12, EC1.14.16），减少甲烷/乙酸循环和硫循环相关基因；增加氮循环相关水解酶基因（EC3.4.x, EC3.5.x, EC3.9.1）和磷循环基因（EC3.9.1），以及氮循环裂解酶基因（EC4.3.1, EC4.3.2）。2023年效应减少，氮和硫循环基因有增有减，磷循环水解酶基因（EC3.1.26）增加，氮循环水解酶基因（EC3.4.23, EC3.5.5）增加，多糖裂解酶基因（EC4.2.2）减少。

**3.5 胞外酶活性**
2022年，放牧降低了碳/磷获取酶活性比（(BG+CB)/(BG+CB+AP)）和氮/磷比（(NAG+LAP)/(NAG+LAP+AP)），表明磷获取酶活性相对增加；三因素交互影响BG、NAG、LAP、AP、POX及总酶活性，总体模式为放牧与踩踏共同降低酶活性，而同时施加粪便可抵消此效应。2023年无显著处理效应。

**3.6 群落组装**
原核群落组装在各处理中均以均质化选择（homogenizing selection）为主导（相对重要性>92%），放牧使βNTI值略微升高（降低均质化选择），但未大幅改变其相对重要性。真菌群落组装主要由生态漂变/未主导过程（drift/undominated）和扩散限制（dispersal limitation）主导。2022年，放牧将扩散限制贡献从49%降至32%，同时将漂变/未主导过程从49%增至62%。2023年存在三因素交互影响均质化选择贡献，以及放牧×踩踏交互影响扩散限制和漂变贡献。

**讨论与结论**
讨论部分指出，放牧是食草作用影响微生物群落、功能和组装的主要途径，粪便和踩踏作用较小，这与全球“放牧草坪”特征一致。放牧增强了氮磷循环功能潜力，与凋落物质量提高相关，但凋落物质量单独解释的方差有限，提示其他环境因素（如温度）也起重要作用。磷循环响应在2022年突出，反映了亚北极湿地微生物生长可能受磷限制，需进一步研究。真菌群落向酵母型腐生菌转变，可能影响碳积累，但随机组装导致其效应不稳定。原核群落以确定性组装为主，表明其功能变化可预测；真菌随机性主导，预测困难。结论：食草作用通过放牧改变微生物群落功能，原核可预测性为整合动物地球化学进入生态系统模型提供可能，但环境因子与微生物功能之间关系复杂，需重新评估以植物质量为中心的传统框架。

**研究结论部分翻译**
食草动物对营养循环的动物地球化学效应最终通过土壤微生物群落组成和功能的变化来介导。在此，研究人员追溯了放牧动物影响土壤营养循环的自上而下途径。放牧塑造了微生物对参与碳和营养循环的一系列酶的投资。与此同时，食草动物的踩踏和粪便沉积对微生物群落有更微妙的影响，尽管不能排除在更长时间尺度上出现更强反应的可能性。研究人员发现，放牧引起的原核群落变化可能易于建模，因为这些群落主要由确定性过程塑造。这为将动物地球化学整合到标准生态系统模型中带来了希望：如果原核群落的变化是可预测的，那么它们介导的生物地球化学功能也将是可预测的。然而，微生物功能、系统发育周转与食草作用改变的环境条件（即温度、土壤水分和凋落物化学）之间的弱关系表明，连接食草作用与营养循环的机制可能比传统假设的更复杂，有必要重新评估将植物质量置于这些过程中心的经典动物地球化学框架。最终，模拟放牧对微生物群落分类学和基因组学特征的影响，为在动物地球化学研究和模型中更好地表征土壤群落提供了依据。