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土壤微生物特性解释了凋落物分解的主场优势,New Phytologist

花匠小妙招
2024-11-09 05:48

介绍

凋落物分解是森林生态系统中碳和养分循环的基本步骤（Coûteaux等， 1995 ）。尽管许多实地研究历史上考察了气候变量、土壤特性和凋落物质量对凋落物分解率的影响（Coûteaux等， 1995 ；Aerts， 1997 ；Delgado-Baquerizo等， 2015 ），但最近的研究表明，微生物群落是不同规模凋落物分解的主要控制因素（Bradford等， 2017 ）。鉴于土壤性质和气候条件是影响土壤微生物活动的主要因素（Bardgett等， 2008 ），微生物分解凋落物的能力，称为“土壤分解能力”，可能会根据环境因素而变化（Keiser等， 2008）。， 2014 ；奥斯本等人， 2022 ）。这种能力可以用“土壤影响”和“气候影响”来理解，“土壤影响”涉及土壤特征差异导致的微生物群落之间的功能变化（Keiser等人， 2014 ），“气候影响”假设微生物群落的分解能力微生物群落与气候条件密切相关，代表了气候变化引起的微生物群落之间的功能差异。换句话说，气候对凋落物分解的影响代表了微生物分解能力仅受气候变量的影响，而与起源土壤无关。越来越多的证据支持气候与微生物分解之间的密切关系（Keiser & Bradford， 2017 ；Wang等人， 2020 ）。例如，Keizer & Bradford（ 2017 ）报道，气候对分解的直接影响是由微生物群落分解能力的差异决定的。这些发现强调了微生物群落之间功能差异在控制分解过程中的重要性。

相比之下，另一种观点是微生物分解者可以局部适应其环境（Strickland等人， 2009 年；Veen等人， 2019 年）。这种现象通常被称为凋落物分解的“主场优势”（HFA），它指出植物凋落物在其来源的树种下比在不同的树种下分解得更快（Gholz等人， 2000 年；Ayres等人， 2009b ）。对森林生态系统中枯枝落叶相互移植研究的荟萃分析表明，HFA 效应使枯枝落叶分解率平均加速 8%，最高可达 29%（Ayres等人， 2009b ）。由于 HFA 效应最合理的解释是分解者群落的特异性，因此最近的几项研究调查了微生物群落对 HFA 的贡献及其作用（Lin等人， 2019 ；Benito-Carnero等人， 2021 ；Pastorelli等人） ., 2021 )。然而，报告的趋势差异很大：真菌和细菌群落均导致 HFA（Benito-Carnero等， 2021 ），真菌而非细菌群落驱动 HFA（Lin等， 2019 ），或者没有微生物群落相关使用 HFA（Pastorelli等人， 2021 ）。因此，已经报道了 HFA 效应强度的显着变化，并且通过微生物过程对 HFA 的基本理解仍未得到解决。由于之前的研究仅关注 HFA 与整个微生物群落之间的关系，因此尚不清楚是否存在用于凋落物分解的特定微生物群落及其对 HFA 影响的重要性。

在窝移植实验中，HFA 的影响由多种环境因素而非单一驱动因素调节（Veen等， 2019 ）。因此，用于垃圾分解的特定微生物群落可以通过多种环境因素的组合来形成。最近的研究提出，群落与环境 (C × E) 的相互作用控制着凋落物的分解过程 (Matulich & Martiny, 2015 )。例如，格拉斯曼等人。（ 2018 ）沿着气候梯度相互移植凋落物微生物群落，并观察到凋落物质量损失取决于群落与其气候之间的相互作用（即群落与气候的相互作用）。 HFA 效应在概念上代表了凋落物在其源土壤（土壤起源效应）和源气候（气候起源效应）中更好分解的综合优势，这两个组成部分可能分别对整体效应做出贡献。关于 HFA 在凋落物分解中的研究通常涉及仅在研究地点之间移植凋落物（Gholz等人， 2000 ；Ayres等人， 2009b ），导致观察到显着的 HFA 效应，因为所有环境因素都与凋落物的环境因素相匹配。家居环境。然而，如果特定的微生物群落对温度变化具有鲁棒性，那么温度的变化不会影响独特的凋落物-微生物关系，因此，HFA 效应可以维持。确定特定微生物群落与环境因素之间的关系可能会揭示 HFA 效应变化的原因，并有助于通过微生物群落加深对垫料分解过程机制的理解。由于实验设计，环境条件在控制分解过程中的作用被夸大了（Bradford等人， 2016 ），这可能导致之前的现场研究中 HFA 效应不一致。为了阐明HFA效应与微生物群落之间的关系，有必要进行相互移植田间实验，考虑气候带之间的所有凋落物和土壤组合，从而可以分别量化微生物群落对土壤和气候的影响。

除了微生物群落与其环境之间的相互作用外，分解过程中微生物群落的时间变化也可以解释 HFA 效应的变化（Ayres等人， 2009a ）。因为分解过程中剩余的凋落物质量的变化可以用负指数衰减模型来表示（例如 Olson， 1963 ；Gholz等人， 2000 ），所以在高级阶段，在家和远离地点的凋落物分解率几乎变得恒定。因此，在分解的早期阶段，HFA 的影响预计会随着时间的推移而增加，但在分解的后期阶段会减少。艾尔斯等人。 ( 2009a )重点关注这一点，在实验室和现场实验中使用三种不同质量的垃圾研究分解过程中 HFA 的时间变化，并观察到低质量垃圾对这一假设的明确支持。然而，很少有研究调查凋落物分解中微生物群落的时间动态。鉴于森林生态系统的几项研究表明，凋落物质量损失与真菌和细菌群落同时变化（Purahong等， 2016 ；Tláskal等， 2016 ），导致 HFA 的特定微生物群落可能会被替换为时间。为了了解微生物群落在 HFA 效应中的作用，有必要暂时识别凋落物分解的微生物群落特征。

在这项研究中，使用了在高海拔和低海拔的冷温带森林中占主导地位的两个物种的凋落物来研究微生物群落特性与 HFA 对凋落物分解的影响之间的关系。测试了三个假设：（1）特定微生物群落假设，该假设假设适合凋落物分解的特定微生物分解者是造成观察到的 HFA 效应的原因；（2）凋落物-土壤-气候亲和性假说，该假说指出，当土壤和气候都符合其原始条件时，微生物特性只会促进凋落物分解，但如果土壤或气候不同于这些原始条件，则不会加速分解（这假设基于微生物群落促进生态系统功能的 C × E 相互作用；Matulich & Martiny， 2015 ）； (3)时间衰变假说，该假说预测微生物群落特性与 HFA 效应之间的关系仅在凋落物分解的早期阶段才明显（Ayres等人， 2009a ）。为了分离土壤和气候来源对凋落物分解的影响，本研究进行了高海拔和低海拔之间的土壤和凋落物的相互移植实验（图1）。此外，还采集了凋落物分解过程中不同时期的土壤和凋落物样本，利用高通量测序技术对真菌和细菌群落进行了调查。

图1

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田间土芯和垃圾袋易位的实验设计和照片。采用铁杉和水青冈的实验设计示意图 (a)。充满土壤的聚氯乙烯管恰好安装在土壤孔中 (b)。在主办地点安装了土芯（c）。将垃圾袋放置在垃圾层的中心，然后用不锈钢丝网覆盖以保护土芯和垃圾袋（d）。

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