火烧烈度驱动高山森林土壤微生物群落与功能性状的长期分化

《Microorganisms》：Fire Severity Drives Long-Term Divergence of Soil Microbial Communities and Functional Traits in an Alpine Forest

　　

摘要专业翻译 气候变化下日益加剧的火烧烈度可能改变高山森林地下恢复轨迹，然而火烧对土壤微生物群落的长期影响仍知之甚少。本研究在中国四川西部高山森林中，于火烧后八年，对未火烧、低烈度、中烈度和高烈度火烧样地的土壤理化性质及微生物群落进行了调查。火烧烈度与0–10 cm土层微生物群落的持续分化密切相关，土壤有机碳（SOC）、土壤含水量（SWC）、有效氮（AN）及微生物生物量均发生显著变化。高烈度火烧显著降低了有效氮（AN）和有效磷（AP），而中烈度火烧则维持了最高的土壤有机碳（SOC）和土壤含水量（SWC）。细菌α多样性相对稳定，而高烈度火烧下真菌丰富度显著下降，表明真菌对火烧干扰更为敏感。火烧烈度分别解释了细菌和真菌群落变异的57.35%和87.32%，结构方程模型（SEM）表明，微生物响应主要由养分有效性、土壤水分及微生物生物量的变化所介导。在功能上，微生物群落由低烈度火烧下的资源获取策略，逐步转向高烈度火烧下的潜在胁迫耐受及腐生主导策略。中烈度火烧增强了细菌网络复杂度，并增加了特定菌根类群（如红菇属）的丰度，而高烈度火烧则促进了放线菌门（Actinobacteriota）和青霉属（Penicillium）等腐生及抗逆类群的增加，同时抑制了菌根真菌类群。总体而言，火烧烈度作为一种持续的环境过滤器，重组了高山森林表层土壤微生物群落结构与功能策略，提示火烧烈度增加可能延缓土壤生态系统的地下恢复进程，并削弱生态系统的恢复力。

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一、研究背景与科学问题

在全球气候变化与人为活动加剧的背景下，近年来野火的发生频率、范围和烈度均显著上升，火烧已成为影响全球森林生态系统动态的重要驱动因素。土壤微生物在有机质分解、养分循环和植物养分获取等关键地下过程中发挥核心作用。火烧通过改变土壤热环境、水分状况、养分库及植被覆盖，重塑微生物栖息地，进而影响群落组成与生态功能。然而，以往研究多集中于火烧后最初几年的短期响应，关于火烧烈度对微生物群落长期演替的影响仍存在明显知识空白，尤其是在高山森林生态系统中，低温与缓慢的养分周转可能延长生态恢复进程，使火烧的遗留效应更加显著。

中国四川西部高山森林地处青藏高原东缘，是重要的生态安全屏障，具有重要的水源涵养和碳储存功能，但近年来在气候变暖背景下野火活动日益频繁。由于该区域生态恢复缓慢，亟需系统研究火烧后土壤微生物群落的长期演替规律及其驱动机制。基于此，本研究提出三个假设：（1）火烧烈度升高与细菌和真菌群落组成的持续分化相关，真菌对火烧干扰的敏感性高于细菌；（2）火烧烈度升高促进微生物功能策略由资源获取向胁迫耐受和分解过程转变；（3）火烧引起的微生物群落变化部分由土壤水分和养分有效性的改变所介导。

二、研究内容与结论

为验证上述假设，研究人员于2025年7月（火烧后8年）在四川省甘孜藏族自治州雅江县八角楼乡更觉村（101°07′–101°16′ E，30°05′–30°14′ N）的高山针叶林（主要树种为高山松，Pinus densata）火烧迹地开展野外调查。该区域属大陆性气候，年均温11.1°C，年均降水量822.2 mm。2018年2月19日发生森林火灾，过火面积约100公顷。研究人员按照火烧烈度（基于死亡立木比例和冠层烧焦程度）设置了未火烧对照（U）、低烈度（L）、中烈度（M）和高烈度（H）四种处理，每种处理设置3个20 m×20 m样地，样地均位于海拔2800 m以上的中坡位置。每个样地内采用五点采样法采集0–10 cm土层样品，部分样品用于土壤理化性质分析，部分样品在?80°C条件下保存用于微生物群落分析。

研究采用的主要技术方法包括：土壤理化性质测定（包括pH、电导率EC、土壤含水量SWC、有效磷AP、有效钾AK、铵态氮AN、硝态氮NN、土壤有机碳SOC、水溶性有机碳WSOC、易氧化有机碳EOC、团聚体稳定性指标MWD和GMD等）；基于Illumina NovaSeq平台的高通量测序技术对细菌16S rRNA基因V3–V4区和真菌ITS1区进行扩增测序；QIIME2（202202版本）进行生物信息学处理，DADA2进行ASV去噪；基于Silva数据库和UNITE数据库进行物种注释；利用PICRUSt2和FunGuild进行微生物功能预测；采用LEfSe分析筛选差异物种和生物标志物；利用RDA（冗余分析）分析微生物群落与环境因子的关系；采用PLS-SEM（偏最小二乘结构方程模型）解析火烧烈度、土壤环境因子与微生物群落及功能之间的直接和间接关系。

三、研究结果

3.1 火烧烈度重塑土壤环境条件

研究结果显示，火烧烈度显著影响土壤理化性质。与未火烧对照相比，火烧样地总体上表现为电导率（EC）、有效磷（AP）和水溶性有机碳（WSOC）降低。AP随火烧烈度升高呈明显下降趋势：低烈度处理相对对照下降9.17%（不显著），中烈度和高烈度处理分别显著下降15.51%和56.18%。有效氮（AN）在低烈度下显著增加24.10%，但在中烈度和高烈度下分别显著下降26.11%和61.00%。土壤水分（SWC）、有效钾（AK）和土壤有机碳（SOC）在中烈度处理下达到最高值。所有火烧处理下SWC均显著高于对照。土壤团聚体稳定性指标（MWD和GMD）同样在中烈度下最高，高烈度下MWD最低。微生物生物量碳（MBC）、氮（MBN）和磷（MBP）随火烧烈度增加而递增，高烈度下MBC、MBN、MBP分别较对照增加66.97%、48.09%和39.61%。总体而言，高烈度火烧显著降低了关键速效养分（AP和N）及速效有机碳（WSOC）的有效性，并削弱了土壤团聚体稳定性；而中烈度火烧则增强了土壤水分并维持了团聚体稳定性和有机碳水平。

3.2 火烧烈度驱动微生物群落演替

细菌α多样性对火烧烈度总体保持稳定：Chao1丰富度指数、Pielou均匀度指数和Shannon多样性指数在各处理间均无显著差异，但Simpson指数在高烈度下显著低于对照，优势度则显著升高。相比之下，真菌α多样性对火烧烈度响应更为敏感：所有火烧样处理的Chao1丰富度均显著低于对照，其中中烈度处理最低（275.065±5.391）；所有火烧处理的Pielou均匀度均显著高于对照；低烈度处理的Shannon和Simpson指数显著高于其他所有处理。

在门水平上，细菌群落以变形菌门（Proteobacteria，33.25–41.02%）、放线菌门（Actinobacteria，20.59–32.12%）和酸杆菌门（Acidobacteria，15.56–22.88%）为主。放线菌门丰度随火烧烈度增加而升高，而酸杆菌门和疣微菌门（Verrucomicrobia）则下降。在属水平上，RB41（3.29–11.89%）为优势菌属，随着火烧烈度增加而下降，而慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）则增加。真菌群落以子囊菌门（Ascomycota，53.26–69.05%）和担子菌门（Basidiomycota，25.90–43.40%）为主，占序列总数的90%以上。随着火烧烈度增加，子囊菌门逐渐增加，担子菌门下降。在属水平上，Geminibasidium（21.08–40.63%）为优势属，火烧烈度增加导致其丰度下降（高烈度相对对照下降19.55%），而青霉属（Penicillium）则显著增加（+15.41%）。值得注意的是，Hypomyces在火烧样地中完全消失，而Archaeorhizomyces和Sphaerosporella仅出现在火烧土壤中，其中Sphaerosporella仅在高烈度下检出。

PCoA分析表明，火烧烈度显著影响细菌和真菌群落结构（细菌：R2=0.7708，p<0.01；真菌：R2=0.9405，p<0.01），分别解释了细菌和真菌群落变异的57.35%和87.32%。LEfSe分析显示，未燃烧对照中富集了RB41、鞘氨醇单胞菌属（Sphingomonas）等9个细菌生物标志物；中烈度下放线菌门显著富集，主要由链霉菌目（Streptomycetales）驱动；高烈度下放线菌纲（Actinobacteria）、微球菌目（Micrococcales）等成为优势生物标志物。真菌群落中，未燃烧对照富集19个生物标志物（以Geminibasidium和Talaromyces为主），低烈度下富集16个类群（包括Penicillium和Umbelopsis），中烈度下富集Thelebolales、Archaeorhizomycetes和Russula，高烈度下仅检出8个生物标志物，以Leotiomycetes为主，同时富集了Pyronemataceae、Pezizomycetes和Sphaerosporella。

3.3 网络分析与功能预测

细菌共现网络主要由酸杆菌门和放线菌门组成。中烈度火烧下细菌网络具有最高的边数、正相互作用比例和复杂度，其次为低烈度和高烈度，未燃烧对照最低。真菌网络主要由子囊菌门和担子菌门组成，未燃烧对照具有最高的网络复杂度和连通性，中烈度下最低。总体而言，细菌网络比真菌网络更复杂，中烈度火烧与更高的网络连通性相关。

功能预测结果表明，火烧样与未燃烧样在细菌KO水平上明显分离。火烧后，肽/镍转运系统（ABC.PE.S、ABC.PE.P）、乙酰辅酶A代谢（EC:2.3.1.9）和脂肪酸生物合成（fabG）等第一模块功能显著上调；而ABC转运蛋白和应激调节因子rpoE等第二模块功能则呈混合模式。在代谢通路水平上，中烈度和高烈度处理聚类在一起，而未燃烧和低烈度形成另一组。丙酮酸发酵产生异丁醇和脂肪酸回收途径在火烧后显著增加，而有氧呼吸、氨基酸生物合成（L-缬氨酸、L-异亮氨酸）和脂肪酸延伸途径在高烈度下最低。

真菌营养模式分析显示，未燃烧对照以腐生营养为主，低烈度下富集混合营养策略，中、高烈度下共生营养和未分类功能增加。生态位分析表明，未燃烧对照以动物病原菌和未定义腐生菌为主，中烈度富集土壤腐生菌，高烈度富集外生菌根和动物病原–粪便腐生菌类群，低烈度则富集杜鹃花类菌根真菌和植物病原相关类群。

物种-功能关联网络显示，细菌门与KO功能之间存在火烧烈度依赖性关联：变形菌门与肽/镍转运系统正相关，与ABC转运蛋白负相关；放线菌门与乙酰辅酶A C-乙酰转移酶和ABC转运蛋白亚家族B正相关，与rpoE负相关。在真菌中，子囊菌门与共生营养型正相关，与腐生营养型负相关；担子菌门则相反。在生态类水平上，未定义腐生菌与担子菌门、壶菌门和球囊菌门正相关，与子囊菌门负相关；外生菌根真菌与子囊菌门正相关，与担子菌门负相关。

3.4 土壤环境因子对微生物响应的调控

Mantel检验显示，细菌Simpson指数与有效磷（AP）显著正相关（p<0.01），与电导率（EC）、有效氮（AN）和有效钾（AK）显著正相关（p<0.05）；真菌Chao1丰富度与电导率（EC）、微生物生物量碳（MBC）、土壤含水量（SWC）和微生物生物量氮（MBN）极显著正相关（p<0.01）。功能特征方面，KO功能与EC、MBC、MBN极显著相关（p<0.01），真菌营养模式和生态功能均与EC、SWC、AN、SOC、MBC、MBN和MBP极显著相关（p<0.01）。

冗余分析（RDA）表明，对于细菌群落，RDA1和RDA2分别解释72.70%和10.68%的变异（累计83.38%），有效氮（AN）是最主要的影响因子（贡献率25.4%，p=0.044），其次是SWC（22.2%）、MBC（14.0%）和MBP（10.7%）。对于真菌群落，RDA1和RDA2分别解释64.53%和15.44%的变异（累计79.97%），微生物生物量氮（MBN）是最强驱动因子（23.8%，p=0.016），其次是AK（22.6%）、MWD（20.7%）和MBC（11.0%）。

PLS-SEM分析显示，模型拟合良好（细菌GOF=0.7015，真菌GOF=0.7479）。火烧烈度对电导率（EC）和有效养分产生显著负效应（细菌：?0.854和?0.879；真菌：?0.854和?0.876，p<0.05），而对土壤含水量（SWC）和微生物生物量产生显著正效应（0.899和0.566/0.569，p<0.05）。SWC正向调控微生物生物量（细菌0.453，真菌0.450）和真菌多样性（0.426），但对细菌多样性影响微弱（0.009）。微生物生物量正向调控优势细菌属（0.472）和真菌属（0.565），后者进而对细菌功能基因和通路（?0.892、?0.851）以及真菌营养模式和生态功能（?0.918、?0.856）产生显著负效应。

四、讨论与结论

讨论

研究结果表明，火烧烈度在火烧后8年仍对土壤微生物群落产生持续影响，火烧烈度通过长期改变土壤有机碳、水分、有效氮磷和微生物生物量来调控微生物群落组装和功能潜力。中烈度火烧维持了较高的土壤水分和有机碳水平，促进了细菌网络复杂性和特定菌根真菌（如Russula）的丰度；高烈度火烧则导致养分持续缺乏，富集了耐胁迫和腐生类群（如放线菌门），抑制了菌根真菌的恢复。真菌群落比细菌群落对火烧更为敏感，其丰富度和网络复杂度在火烧后8年仍未完全恢复。高烈度火烧导致植物–微生物共生关系重建不完整，可能形成地上植被损失与地下微生物功能退化的耦合反馈循环，从而延缓高山森林的恢复进程。相比之下，中烈度火烧可能通过资源重新分配和生态位重构增强系统稳定性，支持了中度干扰假说。研究建议，对低、中烈度火烧区域应促进自然恢复并进行长期监测，对高烈度火烧区域则需采取主动干预措施，如保留粗木质残体、有机改良和菌根接种等。

结论

本研究证实，火烧8年后，川西高山森林土壤微生物群落组成和功能属性仍沿火烧烈度梯度呈现显著分化，凸显了火烧对地下生态系统的持续遗留效应。火烧烈度主要通过长期改变土壤有机碳、水分、有效氮磷和微生物生物量来影响微生物群落组装和功能潜力。高烈度火烧显著富集了耐胁迫和腐生类群（如放线菌门），而寡营养细菌（如RB41）和担子菌门菌根真菌则下降，表明植物–微生物共生关系向分解者相关类群转变。ABC转运活性、脂质代谢和腐生功能的增加，以及核心代谢功能的降低，表明严重火烧条件下微生物策略从资源获取向胁迫响应转变。中烈度火烧维持了较高的土壤水分和有机碳水平，与资源异质性增加、微生物网络连通性增强以及特定菌根类群（如Russula）丰度增加相关。低烈度火烧维持了相对稳定的微生物功能特征，包括支链氨基酸生物合成相关通路。总体而言，真菌群落对火烧烈度的敏感性高于细菌群落，表现为丰富度降低、网络属性改变和未分类功能类群比例增加，表明其恢复轨迹更为缓慢。鉴于偏远高山森林恢复的经济和物流限制，火烧后管理应优先考虑生态系统保护和自然恢复，包括加强防火、在中等烈度区域促进自然恢复并进行长期监测，以及仅在生态效益合理的情况下实施针对性干预措施（如菌根接种和有机改良）。