在不同石灰质土壤演替序列中，特定受体对微生物群落组成及生态酶活性的影响

《Applied Soil Ecology》：Recipient-specific donor effects on microbial community composition and ecoenzymatic activity following soil inoculation across a calcareous soil chronosequence

　　

摘要

微生物接种可能有助于恢复土壤微生物群落和功能，但接种体的表现很大程度上取决于受体土壤的背景。在此，我们通过一个基于钙质土壤演替序列的因子灭菌-接种微宇宙实验，研究了在两种季节性实验条件下标准化30天培养后细菌和真菌群落的组成及其生化活性。供体和受体的特性共同影响了微生物群落，细菌和真菌群落均表现出显著的非加性供体-受体效应。受体特性解释了细菌群落变异的最大部分（35.6–36.4%），而非加性供体-受体效应分别解释了15.2–17.6%的细菌变异和21.6–22.2%的真菌变异。中性模型分析表明，群落更替主要受非选择因素驱动，尤其是扩散限制，尽管在原始基质中细菌的选择性差异较为明显。酶活性主要受受体特性影响，而供体-受体相互作用在旱季实验中更为普遍。与真菌相比，细菌的群落-酶关联更为一致，尽管许多细菌的协变量与供体和受体相关的群落结构重叠。综合分析细菌多样性、真菌多样性和酶活性后发现，表现最佳的供体在不同受体土壤中的效果各不相同，且各供体-受体组合的排名稳定性也存在差异。总体而言，钙质土壤中微生物对接种的反应既反映了受体相关效应，也体现了非加性的供体-受体变异，这表明供体的表现取决于受体土壤的背景，因此选择用于恢复的供体时应考虑受体的特征。

引言

钙质土壤广泛分布于喀斯特地貌中，这类土壤经常支撑着生态脆弱的陆地系统。碳酸盐的缓冲作用维持了中性至微碱性的pH值，但由于浅层土层和长期的营养限制，植被的生长受到限制，从而影响了生态系统的稳定性（Bolan等人，2023年）。由于这些环境中的土壤形成过程受到碳酸盐岩性质的严格控制，土壤形成过程较为缓慢，早期发育阶段受到强烈的土壤学限制。微生物对此过程有所贡献。研究表明，微生物可以通过多种机制促进碳酸盐的风化及早期土壤的形成。首先，它们分泌有机酸，增强矿物的溶解和养分的移动（Uroz等人，2009年；Ribeiro等人，2020年；Adeleke等人，2017年）。其次，它们通过酶活性分解复杂的有机底物并调节低分子量代谢物的供应（Sinsabaugh等人，2009年；Burns等人，2013年）。第三，它们通过局部代谢活动改变二氧化碳（CO₂）的动态和质子流（Wild等人，2022年）。这些过程在初始土壤中启动了养分循环，并可能在岩石荒漠化的演替和恢复过程中塑造酶活性。在此期间，微生物群落往往会对变化的有机输入和矿物有效性作出显著的结构和功能重组（Li等人，2023年）。

在中国西南部，钙质土壤通常被认为是从初始（原始）土壤逐渐发展到黑色、棕色、黄色阶段，最终成为高度风化的红色钙质土壤的土壤演替过程。这一发展梯度表现为逐渐脱碳、铁（Fe）和铝（Al）氧化物积累的增加，以及有机物状态和养分可用性的变化。研究这一连续体有助于在共同的岩石学框架下确定土壤发展的方向轨迹，并明确与岩石荒漠化缓解相关的特定阶段限制。由此产生的一个基本问题是关于恢复过程，即来自更成熟土壤的微生物联合体是否能够改变早期钙质基质中的微生物群落发展和生化活性。

野外研究表明，这一演替序列中的微生物群落组成与物理化学梯度之间存在强烈关联。Liang等人（2021年）展示了不同钙质土壤类型中深度依赖的细菌分层现象，指出土壤有机碳是丰度和分类更替的主要相关因素。在表面尺度上，Yan等人（2022年）报告了从初始阶段到黑色、棕色、黄色、红色阶段微生物组成的协同变化及推断的代谢潜力。然而，野外观察将接种体供应与受体限制因素混在了一起，使得难以区分微生物来源输入（历史偶然性和优先效应）和早期培养阶段受体土壤环境过滤的相对贡献。同样，初始群落组装过程中随机和确定性组装过程的相对重要性，以及组装动态转化为生化活性的程度，仍然尚未明确。

灭菌-接种微宇宙实验通过独立操控供体来源和受体土壤特性，提供了一个可控的框架来区分接种体的来源和受体土壤的背景。移植和接种研究表明，受体土壤的土壤学背景（包括pH值、湿度、养分状态和矿物表面特性）往往比接种体本身对接种后的群落有更强的影响（Xun等人，2015年；Li等人，2024年；Causevic等人，2025年）。同时，实验系统也表明微生物输入可以影响早期酶活性和与土壤形成相关的过程，包括关键带中的生物风化作用（Coban等人，2022年；Wild等人，2022年；Rodríguez等人，2024年；Peddle等人，2025年）。然而，针对钙质土壤的因子机制测试仍然较少，因为碳酸盐的地球化学特性可能以与非钙质系统不同的方式影响组装模式。

为了解决这些不足，我们采用了Yan等人（2022年）描述的钙质土壤演替序列，进行了一个因子灭菌-接种微宇宙实验。将来自不同土壤发育阶段的微生物接种体引入经过灭菌的受体土壤中，并在受控条件下培养30天。我们的目标是：（i）确定接种体身份或受体土壤身份对接种后微生物群落组成的影响哪个更大；（ii）推断30天培养后微生物群落的随机和确定性组装过程的相对贡献；（iii）评估微生物群落组成与生化活性之间的关系；（iv）描述不同受体土壤中特定供体对群落组成、多样性和酶活性的影响。

节选

土壤采样、供体接种体准备、受体基质和微宇宙培养

钙质土壤样本来自中国广西壮族自治区隆州县的广西农岗国家自然保护区（坐标：106°42′28″–107°04′54″E，22°13′56″–23°39′09″N）。采样地点和总体程序遵循Yan等人（2022年）的研究方法，以确保与之前描述的演替阶段一致。湿季实验使用的土壤采集于2023年6月，而旱季实验使用的土壤采集于2022年11月。

在两种实验条件下，不同供体-受体组合之间的微生物α多样性存在差异。双向ANOVA显示细菌和真菌群落的响应模式存在对比（表S1）。细菌α多样性在大多数多样性指标上均表现出供体接种体和受体基质的显著主要效应，而供体×受体相互作用在两个实验中都对细菌丰富度有显著影响，但在旱季实验中仅对Shannon多样性有影响。

讨论

总体而言，这项因子灭菌-接种实验表明，在标准化的30天培养期间，受体土壤的身份一致地改变了微生物接种体对群落组成、酶活性和综合供体表现的影响。群落组装主要受非选择因素驱动，而与真菌相比，细菌的群落-酶关联更为一致。这些发现共同强调了……

结论

钙质土壤中微生物对接种的反应既反映了受体相关效应，也体现了非加性的供体-受体变异。受体土壤的身份对细菌群落组成和生化活性尤为重要，而供体效应在不同受体土壤中存在差异。群落更替主要受非选择因素驱动，尽管在原始土壤中尤其明显存在受体特异性的确定性特征。

CRediT作者贡献声明

Ying Chen：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，研究，数据分析，数据管理。Qiang Li：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源协调，项目管理，方法论，研究，资金获取，概念构思。

在准备本工作时，作者使用了ChatGPT（OpenAI）来改进手稿的英语表达和可读性，并帮助检查参考文献的格式。使用该工具后，作者根据需要对内容进行了审阅和编辑，并对已发表文章的内容负全责。

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

本研究得到了国家自然科学基金（资助编号：42172341）和广西壮族自治区自然科学基金（资助编号：2023GXNSFAA026368）的支持。我们感谢广西农岗国家自然保护区提供的野外访问和采样支持。

Ying Chen|Qiang Li

桂林医学院分子生物学系，中国桂林，541100