海南岛热带海岸防护林土壤微生物生物量：季节特征及其对环境因子的响应

《Frontiers in Plant Science》：Soil microbial biomass in tropical coastal shelterbelts of Hainan Island: seasonal characteristics and responses to environmental factors

　　

引言：土壤微生物通过养分转化调控植物营养，森林土壤微生物生物量是生态系统健康与养分循环的关键。热带海岸防护林对海岸生态安全至关重要，但其森林土壤微生物生物量的季节变异及环境驱动机制仍认识不足。方法：为明确热带海岸防护林土壤微生物生物量季节变化及环境调控因子，研究人员选取海南文昌4种代表性防护林类型——次生林(SF)、混交林(MF)、椰子林(CO)与木麻黄林(CA)，比较干湿季土壤微生物生物量特征，以相关分析与冗余分析(RDA)为核心方法识别环境因子与微生物生物量的关联，并以探索性结构方程模型作补充以可视化潜在调控路径。结果：两季中SF的微生物生物量磷(MBP)、微生物生物量氮(MBN)与微生物生物量碳(MBC)均显著高于其他林型；由干季进入湿季，各林分微生物熵、微生物生物量化学计量比及微生物生物量水平均上升。微生物生物量及其化学计量比与环境因子关联的方向在两季间大体一致，强度随季节变化。RDA判定土壤全磷(TP)、有效磷(AP)与降水量(PRCP)为关联微生物生物量水平及其元素化学计量比变异的主要因子，其主导地位不随季节转换改变。探索性补充分析进一步支持环境调控路径的季节重构。讨论：上述发现揭示了热带海岸防护林土壤微生物生物量依林型与季节分异的模式，并阐明微生物生物量对环境因子的响应如何被季节降水变异重塑。

研究背景与立项依据

热带海岸防护林位于海陆交错带，面临沙质贫瘠、盐雾、台风与季风等持续胁迫，其土壤保水保肥能力差、养分淋失强烈，生态系统脆弱性高于多数内陆森林。土壤微生物生物量（含MBC、MBN、MBP）是土壤生物区系代谢活跃核心，驱动枯落物分解、碳氮磷矿化与有机质转化，并通过微生物熵（qMBC、qMBN、qMBP）与化学计量比反映资源利用效率与养分限制。既有热带研究多聚焦内陆雨林与次生林，对海岸沙质生境中微生物生物量的季节动态及环境驱动尚缺系统刻画。为此，研究人员以海南文昌典型热带海洋性季风气候区（年均温约23.9℃、年降水>1600 mm、干季11月至翌年4月、湿季5–10月）为对象，设置SF、MF、CO、CA四种10年生林型各3个20 m×20 m样方，探究"林型–季节"双维度下微生物生物量特征及关键环境驱动，成果发表于《Frontiers in Plant Science》。

主要技术方法概括

研究人员依托海南文昌森林生态系统长期观测站，于2023年12月（干季）与2024年7月（湿季）在0–10 cm土层采用五点法采集表层土，同步用自动气象站记录土壤含水量(SW)、土壤温度(ST)、相对湿度(RH)、气温(TEMP)、降水(PRCP)月均值；土壤化学测定pH、全碳(TC)、全氮(TN)、全磷(TP)、有效氮(AN)、有效磷(AP)。微生物生物量经氯仿熏蒸提取法获MBC、MBN、MBP（转换系数K_C=0.45、K_N=0.54、K_P=0.40），由MBC/MBN、MBC/MBP、MBN/MBP得化学计量比，按qMBC=MBC/TC×100%、qMBN=MBN/TN×100%、qMBP=MBP/TP×100%算微生物熵。统计上以单因素ANOVA与LSD多重比较检验差异，Spearman秩相关析环境–微生物关联，vegan包RDA提取主轴解释率与因子贡献，Hmisc包做相关，再以PCA提取微生物生物量与化学计量比PC1得分，用piecewiseSEM包建分段结构方程作探索性路径分析（样本量小，仅作补充）。

研究结果

3.1 热带海岸防护林环境特征

3.1.1 水文与热量特征：四林型季节格局一致，湿季TEMP、RH、PRCP、ST、SW均升；SF气温与地温最低、湿度与含水最高且季节波动最小，CO的PRCP与ST季节变幅最大。

3.1.2 土壤化学特征：生境整体酸性，SF的TC、TN、AN两季均显著最高，CO的TP、AP显著最高；由干入湿，pH、TC、TN、TP下降，除MF外AN、AP亦降，反映沙壤强淋失与湿季微生物耗养。

3.2 土壤微生物生物量特征

SF的MBP、MBN、MBC两季均最高；CA的MBC/MBP与MBC/MBN显著偏高，CO的MBN/MBP显著偏高；湿季各林型MBC、MBN、MBP及化学计量比均较干季上升。微生物熵方面，SF的qMBP最高、CO的qMBN最高、CA的qMBC最高，湿季四林型qMBC（除MF外）显著提升，整体熵值随湿季改善的水热条件走高。

3.3 微生物生物量与环境因子关系

3.3.1 相关性：干季微生物生物量与TEMP、ST、TP、AP负相关，与RH、SW、TC、TN、AN正相关；湿季与TEMP、ST负向更强、与TP、AP负向减弱，与TC正向增强、与TN、AN维持强正。化学计量比方向大体反向，MBC/MBN与PRCP由干季显著正关转为湿季显著负关。

3.3.2 RDA：干季前两轴解释98.39%变异，TP、PRCP、AP贡献12.47%、12.31%、12.22%居首；湿季前两轴98.76%，TP、PRCP仍居前（12.00%、11.99%），TEMP、RH、AP次之。季节未改磷组分与降水之主导，仅微调解释占比。

讨论浓缩

海岸沙壤低粘粒、低磷吸附、酸性和强淋失使有效磷成为微生物增长首要限制，故P与PRCP而非C/N主导RDA，区别于内陆细土研究。干季低水低湿下温度与磷共同约束微生物，湿季水热改善令TC供给权重上升，但过量降水经厌氧与淋失对PRCP保留负向直路。SF凭复杂冠层、厚枯落物与高C/N底物缓冲水热波动、积累微生物量，纯林CA/CO则因漏光强、基质保蓄差而熵低且偏真菌或偏磷限。探索性SEM显示环境调控路径随季节重构，但小样本仅作示意。

结论翻译

本研究调查海南文昌4种代表性热带海岸防护林土壤微生物生物量特征及驱动机制。结果显示，SF在两季均具MBC、MBN、MBP累积优势；四林型虽绝对值有别，但由干入湿一致上升。环境因子、化学计量比与微生物生物量关联方向跨季稳定、强度随季变：干季受TEMP、SW与土壤磷(TP、AP)主调，湿季PRCP及土壤碳氮影响凸显。土壤磷与PRCP为区域微生物生物量及其化学计量比变异关键因子，主导地位不随季节转换改变；但环境因子作用机制被季节转换重塑——干季PRCP、SW、AP呈强负向调节，湿季SW与AP转正向、PRCP抑制仍较强。上述发现深化了对热带海岸防护林土壤微生物生态过程适应机制的理论认知，管理上应将土壤磷与PRCP的季节波动纳入框架，以平衡生态保护与养分循环功能，为可持续管护提供理论基础。