亚高山云杉时序序列中，演替性土壤酸化将细菌群落变化与氮循环基因潜力联系起来

《Applied Soil Ecology》：Successional soil acidification links bacterial community shifts to nitrogen-cycling gene potential in a subalpine spruce chronosequence

　　

摘要
森林演替重塑了土壤条件和微生物群落，然而细菌和真菌响应在土壤深度上的差异如何，以及这些响应是否与功能基因潜能相关，仍未得到完全解决。我们研究了青藏高原上一个超过 100 年的亚高山云杉时间序列，利用土壤理化性质和酶分析、16S rRNA 和 ITS 扩增子测序，跨越五个演替阶段、三个土壤深度和四个重复样地（n = 60），并结合表层土壤的鸟枪法宏基因组学和宏基因组组装基因组（MAG）分析（n = 20）。演替伴随着显著的土壤酸化和有机碳积累，在表层土壤中最为强烈。细菌α 多样性随演替下降，而真菌多样性表现出较弱、依赖深度的响应。群落组装在域之间分化：确定性过滤主导表层土壤细菌组装，而真菌组装主要是随机的，这种分化随深度减弱。在表层土壤中，碳、氮和磷循环中各自的总基因丰度在演替阶段间无显著差异，而几个单独的功能模块被重新组织：反硝化和异化硝酸盐还原为铵（DNRA）基因潜能显著下降，碳固定基因潜能显著增加，有机磷矿化基因潜能趋于增加。基因组分辨率分析表明，推测的细菌载体与这些转变一致，包括下降的氮循环载体谱系和富集的疣微菌门相关载体。曼特尔检验、偏冗余分析和分段结构方程模型支持一条从演替酸化通过细菌转变到氮循环基因潜能的关联路径，而真菌组成未显示出与测定的功能基因谱的可检测关联。综上所述，这些发现表明，演替土壤酸化代表了一个中心环境轴，连接了亚高山云杉演替期间细菌群落转变与表层土壤氮循环基因潜能。

引言
森林演替是一个基本过程，在几十年到几个世纪的时间尺度上重塑陆地生态系统，深刻改变植被结构、土壤属性和地下生物群落（Bardgett 等，2005 年；Wardle 等，2004 年；Zhou 等，2017 年）。随着森林的发展，凋落物质量和数量、根系分泌物组成以及冠层微气候的渐进变化修改了土壤环境，对土壤微生物群落产生 shifting 的选择压力（Baldrian，2017 年）。最近来自青藏高原东部一个亚高山森林时间序列的证据以及对中国的森林生态系统的荟萃分析进一步表明，细菌和真菌群落对演替的响应可能不同，且这些响应在不同森林系统中有所不同（Pan 等，2025 年；Wang 等，2022 年）。土壤细菌和真菌是有机质分解和养分循环的主要媒介，介导包括固氮、硝化、反硝化、碳降解和磷矿化在内的关键生物地球化学过程（Delgado-Baquerizo 等，2018 年；Van Der Heijden 等，2008 年）。因此，了解这些微生物群落如何响应演替，以及这些响应是否与养分循环潜能相关，对于评估森林土壤功能的长期变化至关重要（Fierer，2017 年）。然而，大多数研究集中在演替变化的水平维度，而垂直维度——演替效应如何随土壤深度减弱或转化——尽管有越来越多的证据表明微生物群落在森林土壤中表现出显著的深度分层，但仍相对研究不足（Eilers 等，2012 年；Fierer 等，2003 年）。

在表征森林演替期间的微生物群落变化方面已取得相当进展，但仍存在几个关键空白。首先，尽管已知细菌和真菌在基本生活史性状上存在差异——包括世代时间、扩散能力和环境敏感性（Nemergut 等，2013 年；Peay 等，2016 年）——但大多数演替研究都是孤立地研究其中一个域。在单系统内进行的有限比较分析揭示了域特异性响应：细菌群落在恢复中的桉树林中显示出可预测的演替轨迹，而真菌群落则没有（Banning 等，2011 年），在亚热带森林演替期间随机过程日益主导真菌组装，而细菌没有显示出可比的趋势（He 等，2022 年），在次生热带森林中细菌对干扰的响应比真菌更快（Lu 等，2024 年）。然而，细菌和真菌响应是否在不同的土壤深度上一致存在差异，以及这些域特异性响应是否显示出与养分循环潜能的可比关联，仍然不清楚。

其次，土壤 pH 值通常在演替过程中与几个共变的土壤因素一起被考虑，留下了未解决的问题：它是否作为连接微生物群落变化与养分循环基因潜能的焦点非生物相关因子。三个考虑因素使 pH 值成为本系统中一个特别信息丰富的焦点。在大陆和海拔尺度上，pH 值是土壤细菌多样性和群落组成最一致的预测因子之一（Fierer 和 Jackson，2006 年；Lauber 等，2009 年；Shen 等，2013 年），并且在六个全球时间序列中，它与细菌组装中的随机 - 确定性平衡的关联比与演替年龄本身的关联更强（Tripathi 等，2018 年）。在单一连续坡面上代表的五个演替阶段中，表层土壤 pH 值下降了 1.16 个单位，提供了显著的局部酸化梯度。在生理上，随着外部条件变得更加酸性，维持细胞内 pH 稳态的能量成本可能更高，为与 pH 相关的细菌类群过滤提供了生理基础（Krulwich 等，2011 年）。通过将 pH 值视为焦点相关因子而非唯一的环境驱动因子，并使用互补方法（如曼特尔检验、冗余分析和结构方程模型）评估其与其他测定的植物、土壤和微生物变量的关联，可以解决这个问题（Grace 等，2010 年）。

第三，宏基因组学研究越来越多地记录了生态系统发育过程中养分循环功能基因的转变（Jiang 等，2021 年；Zhong 等，2018 年），但这些分析通常报告聚合途径水平的变化（例如，总氮循环或碳循环潜能），留下了各个功能模块之间的内部重组——例如反硝化与固氮的相反轨迹，或纤维素降解与碳固定——研究不足。此外，功能基因转变很少与特定的系统发育载体联系起来，因为基于扩增子的分类学谱系分析和宏基因组功能注释在不同的分析流程上运行。演替期间的分类周转是否伴随着功能基因潜能的成比例转变，或者功能冗余是否缓冲养分循环潜能以抵抗组成转变，仍然是一个有争议的问题，证据矛盾（Allison 和 Martiny，2008 年；Louca 等，2018 年）。宏基因组组装基因组（MAGs）提供了一种基因组分辨率的方法来弥合这一差距，通过在基因组水平上将分类学与功能基因潜能联系起来（Parks 等，2017 年；Wu 等，2022 年），然而这种方法很少应用于森林演替系统以评估哪些微生物谱系可能有助于观察到的功能基因潜能转变。

三江源地区青藏高原的亚高山云杉（Picea likiangensis var. rubescens）森林为回答这些问题提供了一个合适的野外系统。青藏高原，常被称为“第三极”，是一个全球重要且生态敏感的区域，土壤 pH 值已被确定为细菌生物地理学和固氮群落组装的主要驱动因素（Wang 等，2017 年；Shen 等，2019 年；Li 等，2022 年）。三江源地区位于长江、黄河和湄公河的源头，拥有跨度超过 100 年森林发育的清晰时间序列，从早演替灌木 - 桦树林分通过混合桦树 - 云杉森林到成熟云杉优势林分。该系统的一个关键特征是，针叶林分发育沿着上述演替酸化梯度发生，并与凋落物输入和土壤有机质积累的变化重合；这些并发的环境变化可能对细菌和真菌群落产生不同的影响。高海拔设置最小化了土地利用历史和人为干扰的混杂效应，而五个演替阶段和三个土壤深度（0–20、20–40 和 40–60 厘米）与重复采样的因子组合，使得能够同时评估微生物群落组装的水平（演替）和垂直（深度）驱动因素。

在本研究中，我们整合了 16S rRNA 和 ITS 扩增子测序、鸟枪法宏基因组学和宏基因组组装基因组分析，跨越一个超过 100 年的亚高山云杉时间序列，以评估森林演替如何与细菌和真菌群落组装及养分循环基因潜能相关联。我们检验了三个核心假设：（H1）细菌和真菌群落沿演替土壤 pH 梯度显示出分化组装模式，细菌的确定性过滤更显著，而真菌的随机过程更显著，且这种分化随土壤深度减弱；（H2）演替与表层土壤中养分循环基因潜能的模块特异性而非聚合水平重组相关，通过基因组分辨率宏基因组学评估推测的分类载体；（H3）土壤 pH 是细菌群落转变的主要非生物相关因子，且氮循环基因潜能与细菌群落属性的关联比与真菌群落属性的关联更密切。通过整合分类学、功能基因和基因组分辨率证据，本研究旨在阐明在易酸化森林演替期间哪个微生物域最能反映养分循环基因潜能重组，并确定连接演替变化与表层土壤功能基因潜能的土壤环境轴。

部分片段
研究区域与采样设计
本研究在中国青海省班玛县三江源麦曲林区进行，位于大渡河源头，青藏高原东南部。所有 20 个样地均建立在一个靠近仁钦果村（北纬 32°45′，东经 100°50′；海拔 3340–3513 米；表 S1A）的约 14 公顷的连续坡面上。气候为高原温带大陆性，年平均气温为 2.4°C，年平均降水量为 638.4 毫米（主要为
演替过程中的植被和土壤环境梯度
植物群落组成沿演替梯度发生显著变化（PERMANOVA：R2 = 0.372，F = 2.22，P = 0.002；表 S2），而α 多样性指数在各阶段间无显著差异（所有 P > 0.05；表 S2），表明演替主要通过物种周转而不是改变整体多样性水平来重组群落组成。
土壤理化性质沿演替梯度发生显著变化（表 S3）。在表层土壤中
演替土壤酸化与细菌同氮循环基因潜能的关联
我们的结果表明，森林演替伴随着一条以 pH 为中心的细菌路径，连接了演替土壤酸化、细菌群落重组和表层土壤氮循环基因潜能，而真菌组成未显示出与测定的 C/N/P 基因谱的可检测关联。具体而言，分段结构方程模型（SEM）支持一条五节点关联路径，从演替阶段到土壤 pH 值、细菌组成、细菌α 多样性，并最终到氮循环基因
结论
通过整合超过 100 年的亚高山云杉时间序列中的土壤理化性质和酶分析、扩增子测序、鸟枪法宏基因组学和基因组分辨率分析，本研究表明，森林演替伴随着显著的土壤酸化、有机碳积累和依赖深度的微生物重组。表层土壤细菌群落受确定性环境过滤的影响比真菌群落更大，且这种确定性
CRediT 作者贡献声明
白航宇：写作 – 原稿，可视化，软件，方法论。王冰津：写作 – 原稿，方法论。杨秀玲：资源，项目管理，调查。薛顺智：资源，资金获取。李文远：资源，调查。齐彩顺：资源，调查。马坤：资源，调查。李登武：监督，项目管理，形式分析。
竞争利益声明
作者声明，他们没有已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能出现在影响本报告工作之中。
致谢
这项工作得到了青海省林业和草原局和麦河林业局的支持，通过青海省麦河林区天然林监测项目（编号 00600-K4050424581）和青海省麦河林区丽江云杉变种森林抚育与管理技术研究项目（编号 00600-K4050424580）。
白航宇 | 王冰津 | 杨秀玲 | 薛顺智 | 李文远 | 齐彩顺 | 马坤 | 李登武
西北农林科技大学林学院，杨凌，712100，中国