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导读
中国的人工林以单一物种的持续栽培为特色，对木材积累和林下生物多样性不利，这引起了人们对人工林可持续发展的关注。本研究调查了杉木连续单为难刁难土壤性子、溶解性有机质(DOM)和微生物的影响，剖析了第一代至第四代人工林土壤样品的基本化学性子、DOM组分，并通过高通量测序剖析了微生物群落。结果表明，随着杉木连续单作，硝酸盐含量显著低落，同时易降解化合物增加，如碳水化合物、脂肪族/蛋白质、单宁、CHON和CHOS化合物；但难降解化合物，如木质素/CRAMs、稠环芳烃和CHO化合物减少。微生物多样性、丰度和构造随着人工林连作而逐渐降落，真菌群落的生态位宽度也受到影响。细菌群落受到DOM组分的强烈影响，特殊是木质素/CRAMs和单宁。连续单作导致土壤硝酸盐、木质素/CRAMs降落，土壤质量受损，改变土壤化学性子和DOM组分，影响微生物群落组装。这种转变增加了易降解DOM，加速了土壤碳氮循环，终极减少了土壤碳固存。从环境的角度出发，强调了在连续单作系统中可持续土壤管理方法的主要性，这些创造为办理人工林单作干系的寻衅和促进长期生态可持续性供应了有代价的见地。
论文ID
原名：Continuous planting of Chinese fir monocultures significantly influences dissolved organic matter content and microbial assembly processes
译名：杉木连续单作显著影响溶解性有机质含量和微生物组装过程
期刊：Science of The Total Environment
IF：9.8
揭橥韶光：2024.3
通讯作者：俞元春
通讯作者单位：南京林业大学
DOI号：10.1016/j.scitotenv.2024.171943
实验设计
结果
1.土壤化学性子与DOM分子组成
各代杉木人工林土壤化学性子除NO3−外无显著差异。各代杉木人工林土壤pH、全碳(TC)、全氮(TN)、速效磷(AP)、速效钾(AK)和铵(NH4+)含量相似。然而，NO3−含量从G1的5.79 mgkg−1显著降落至G4的1.53 mgkg−1。
溶解性有机碳(DOC)含量在连续几代杉木人工林中差别不大。然而，土壤溶解性有机质(DOM)的分子组成在杉木人工林的连续几代中表现出显著变革(图1A-D)。具有木质素/CRAMs构造特色的化合物占DOM总有机质的65% - 76%，其比例随着杉木单作世代的增加而降落。相反，脂肪族/蛋白质和碳水化合物的含量呈增加趋势，而单宁含量在杉木人工林世代间保持相对稳定。脂质和稠环芳烃在G2中增加，但在随后的几代中低落(图1E)。CHO有机质的相对丰度最高，但其含量随着世代的增加而降落(图1F)。含氮有机质(CHON)紧张与木质素/CRAMs构造化合物有关，木质素、脂肪族/蛋白质、单宁和碳水化合物的含氮量在人工林世代中不断增加。含硫有机物(CHOS)随着世代的增加而增加，紧张分布在脂肪族/蛋白质、木质素/CRAMs、单宁和碳水化合物中。当木质素/CRAMs、单宁和含硫碳水化合物增加时，脂肪族/蛋白质的增加最为显著。G2土壤脂质含量升高，G3和G4土壤脂质含量降落。
DOM的分子氧碳比(O/C wa)和氢碳比(H/C wa)随栽种世代的增加而总体增加。相反，双键当量(DBE wa)的比例随着世代的增加而减少。分子质荷比(m/z wa)和碳名义氧化态(NOSC wa)随栽种世代变革呈先升高后降落的趋势。在连续几代栽种过程中，所产生的易降解有机质MLBL含量增加(图S2)。
图1 杉木人工林土壤溶解有机质(DOM)组成的分布及其相对丰度。A：第一代(G1)；B：第二代(G2)；C：第三代(G3)；D：第四代(G4)；E：七种物质的相对丰度；F：元素组成的相对丰度。CHO是指含有碳、氢和氧的化合物；CHON是指含有碳、氢、氧和氮的化合物；CHOS是指含有碳、氢、氧和硫的化合物。
2.土壤微生物构造变革
不同栽种世代间土壤微生物OTUs数量无显著差异。真菌丰富度指数(真菌Chao1)和多样性指数(真菌Shannon)随着栽种世代的增加而显著降落，细菌丰富度指数(细菌Chao1)在G2时最低，但随着栽种世代的增加，总体呈上升趋势。细菌多样性指数(细菌Shannon)在不同世代间无明显变革(图2A)。细菌和真菌群落的生态位宽度在连续几代栽种中无显著变革。在G3和G4的细菌群落中，NST相对贡献的标准化效应大小从> 0.5转变为< 0.5(图2B)。当NST > 0.5时，随机过程占主导，而NST < 0.5时，确定性过程占主导。这表明杉木连续单作改变了土壤细菌组装过程，从随机过程转变为确定性过程。
基于微生物OTU数据，作者基于Bray-Curtis间隔进行了微生物多样性剖析，以评估不同世代之间的微生物差异。G3和G4的微生物群落构造相似，而真菌群落差异较大。与G2人工林比较，G1的微生物群落与G3和G4的微生物群落更相似。在门水平上，细菌群落中酸杆菌门(Acidobacteria)和变形菌门(Proteobacteria)的相对丰度> 10%，真菌群落中担子菌门(Basidiomycota)和子囊菌门(Ascomycota)的相对丰度> 10%。杉木连续单作影响了Gemmatimonadetes、Ascomycota、Mortierellomycota和Mucoromycota的相对丰度。总体而言，它们的相对丰度随着栽种世代的增加而降落。然而，担子菌门在G3中显著增加(图2C和D)。
在属水平上，随着连续几代的栽种，细菌群落中Acidibacter和Sorangium的相对丰度降落。在真菌群落中，Mortierella的相对丰度降落，而Beauveria、Clitopilus、Trichoderma、Staphylotrichum的相对丰度则随着栽种世代的增加呈低落趋势。根据微生物共现网络剖析结果，创造细菌网络的模块化程度高于真菌网络，细菌群落的均匀路径长度较低。此外，这些结果表明微生物OTU间的正干系性占主导地位(图3A和B)。
图2 不同世代杉木人工林的微生物多样性(A)、标准化随机指数(B)、门水平细菌的相对丰度(C)、门水平真菌的相对丰度(D)。
图3 门水平细菌(A)和真菌(B)的种间共现网络图。
3.土壤养分、DOM和微生物的干系性剖析
利用Mantel考验对微生物OTU、DOM和环境成分进行干系性剖析(图4)。细菌群落与部分DOM分子(脂质、碳水化合物、脂肪族/蛋白质)显著正干系，个中与脂质的正干系尤其强烈。真菌群落与DOC呈显著正干系。NO3−与碳水化合物、稠环芳烃和单宁呈显著负干系，但与木质素/CRAMs呈显著正干系。
TN、脂质和NH4+一样平常与促进土壤肥力的细菌呈正干系，如Proteobacteria、Chloroflexi、Actinobacteria和Firmicutes。同样，这些营养物质与木质素和脂肪族化合物一起有利于某些真菌群在土壤中的成长和存在。相反，这些相同的元素与细菌中的Acidobacteria和Verrucomicrobia以及真菌中的Basidiomycota呈负干系，表明存在选择性劣势或不同的生态位。特定的土壤化学物质，包括pH、AK和稠环芳烃，与各微生物属呈明显的正干系或负干系，这表明土壤的化学身分直接影响微生物的多样性和分布(图5)。这一结果突出了土壤化学在塑造微生物群落中的主要浸染。土壤养分、有机化合物和微生物之间的特定干系关系揭示了支撑土壤康健和肥力的奇妙生态相互浸染。这些见地有助于我们全面理解土壤微生物、养分和溶解有机质之间的生态相互浸染，特殊是在连续几代杉木人工林的背景下。
图4 微生物、土壤养分与DOM之间关系的Mantel考验剖析。有效钾，AK；有效磷，AP；溶解有机碳，DOC；溶解有机质，DOM；铵，NH4+；硝酸盐，NO3−；总碳，TC；总氮，TN。
图5 冗余剖析(RDA)显示细菌(图A门水平，图C属水平)和真菌(图B门水平，图D属水平)与土壤养分和溶解有机质(DOM)之间的干系性。
为了进一步理解土壤DOM与紧张微生物之间的关系，将前500个细菌和真菌分类群的相对丰度与DOM进行了Spearman干系性剖析。然后将显著干系身分(P < 0.01)绘制为干系性网络图(图6)。细菌分类群包括Acidobacteria、Proteobacteria、Actinobacteria、Chloroflexi和Verrucomicrobia；真菌分类群包括Basidiomycota和Ascomycota。结果表明，Acidobacteria与单宁含量呈正干系，Actinobacteria与木质素/CRAMs和单宁含量呈正干系。Proteobacteria与单宁呈正干系，与大部分木质素/CRAMs呈负干系。Chloroflexi与大部分木质素/CRAMs呈负干系。Verrucomicrobia仅与木质素/CRAMs呈正干系。Basidiomycota与木质素/CRAMs化合物呈正干系，而Ascomycota与大部分单宁和木质素/CRAMs呈正干系。
利用偏最小二乘路径模型(PLS-PM)深入研究了连作周期、土壤养分、DOC和微生物之间的干系性。模型的拟合优度(GOF)为0.67，打消了小于0.3的路径系数。结果表明，连作周期对土壤NO3−含量有显著的负向影响。土壤NO3−对真菌群落组成有显著的直接影响(路径系数= 0.64，P < 0.05)。同样，土壤AK对细菌群落组成有显著的直接影响(路径系数= -0.81，P < 0.05)。DOC对真菌群落组成也有显著的直接影响(路径系数= 0.47，P < 0.05)。在连续单作世代中，数据表明NO3−水平低落，碳水化合物、蛋白质、单宁、CHON和CHOS化合物等易降解化合物增加。相反，木质素、CRAMs、稠环芳烃和CHO化合物等难降解物质减少。微生物多样性、丰度和构造，特殊是真菌，随着韶光的推移而减少，导致生态位变窄。细菌群落受到木质素/CRAMs和单宁等DOM组分的显著影响。连续单一栽培导致土壤NO3−和木质素/CRAM水平降落，通过改变土壤化学性子和DOM组成影响土壤质量。这种转变有利于DOM的分解，加速了土壤碳氮循环，但也降落了土壤的固碳能力(图7)。
图6 微生物丰度与DOM分子的Spearman干系剖析(P < 0.01)。
图7 连续4代杉木人工林土壤DOM和土壤C、N库变革趋势示意图。
谈论
1.杉木连续单作增加了土壤中易降解DOM的含量
本研究结果表明，杉木连续单作导致土壤NO3−和DOM含量低落。此外，可利用的可溶性有机碳(C)和氮(N)等营养物质也减少了。只管如此，有效磷(P)的含量却有所增加，这可能是由于植物残体发酵或水解产生的有机酸与其他离子(如磷酸盐)争夺吸附位点所致。正如Gmach等人所建议的那样，这种竞争可能会提高土壤磷的有效性。土壤有机质是土壤养分的紧张来源。之前有研究表明，O/C wa、H/C wa、DBE wa和NOSC wa可作为DOM分子氧化态的指标。本研究结果表明，随着连作世代的增加，土壤DOM逐渐氧化，不饱和度降落。
因此，在连续几代人工林中不雅观察到的易降解有机质的显著增加可能归因于DOM的微生物分解残留物。这强调了DOM与微生物之间的繁芜相互浸染，个中微生物在将高分子量DOM转化为更小、更随意马虎分解的化合物方面发挥着关键浸染。这种微生物介导的转化是土壤有机质积累的关键成分。值得把稳的是，深层土壤DOM由高度可降解的有机物组成，这些有机物是微生物分解的残留物，而不是土壤能量和养分的直接来源。因此，在连续几代人工林中检测到的易降解有机质的增加表明这些分解残留物逐步积累，表明土壤的有机身分发生了变革。这种风雅化的理解强调了在阐明连续人工林世代中土壤有机质组成变革时考虑韶光动态和微生物活动的影响的必要性。
本研究表明，每一代连续杉木人工林都会产生大量含氮(N)的DOM，这可能来自微生物代谢合成的有机化合物。含氮DOM的存在也可能是由于土壤中脂肪族/蛋白质化合物与单宁之间的相互浸染，导致不溶性化合物的形成，这些化合物能够抵抗降解并在土壤中积累。之前的研究表明，除了微生物活动外，针叶林(如杉木人工林)的土壤还富含土壤无机胶体矿物。像木质素/CRAMs和那些含有羧基/羟基的化合物可能通过浸出及其表面官能团(-OH和COOH-)附着在这些土壤胶体矿物上。这种附着可能导致土壤表层(0-20 cm)中木质素/CRAMs等化合物的含量降落。因此，多代单作杉木人工林可能导致植物可利用的土壤养分减少，易降解DOM增加，并加速土壤碳循环。这些变革不利于碳在土壤生态系统中的长期储存。
2.杉木连续单作改变微生物组装过程
杉木连续单作可显著改变微生物的组装过程。研究表明，杉木连续单作导致土壤微生物的丰度和多样性降落。生态位的观点常日是物种分布模型的根本，更宽的生态位对应于更丰富的物种可用资源，而更窄的生态位则意味着资源可用性有限。杉木连续单作显著缩小了真菌群落的生态位。
根据NST指数，细菌群落组装从随机过程占主导转变为确定性过程占主导，反响了土壤化学性子变革对连作世代微生物的影响。微生物群落的构造反响了这些化学变革。土壤环境严重影响真菌群落的变革。本研究创造，随着杉木单作世代的增加，真菌门和属的相对丰度降落。真菌群落受到氮循环的显著影响，真菌群落与NO3−水平显著干系。以降解木质素/CRAMs化合物而有名的担子菌门丰度低落，这可能是由于在采伐过程中打消了地表凋落物和伐木残留物，进而降落了木质素/CRAMs的含量。同时，可以抑制病原真菌的子囊菌的丰度随着栽种世代的增加而减少，导致土壤固碳量随着韶光的推移而减少。在DOM和AK水平变革的驱动下，细菌群落的组装也会在几个世代中进化，细菌群落与脂质之间存在显著的强干系性。这些群落彷佛是由土壤化学特性塑造的，由于它们接管和利用易降解DOM，将确定性过程推向了细菌群落组装的前沿。酸杆菌是一种成长速率缓慢的寡营养菌群，代谢有限的营养基质，非常适宜在营养贫乏的土壤中生存，受到杉木单作的影响最小。比较之下，变形菌在富碳和富氮条件下增殖，在连作条件下其丰度增加，表明存在可降解DOM等其他可用碳源。以分解特定执拗性碳化合物而有名的芽单胞菌的相对丰度低落，可能是由于不溶性有机物含量低落，如木质素/CRAMs。综上所述，杉木连续单作显著影响了微生物群落，限定了真菌群落的生态位宽度，并使细菌群落组装向确定性过程转变。
3.DOM与微生物的相互浸染
Mantel考验表明，DOM组成和某些土壤化学性子(如DOC和速效氮)与微生物群落组成呈正干系。DOC对微生物的成长和繁殖至关主要，但其有效性取决于可利用的其他有机物组分的可用性。过去的研究表明，微生物偏爱富含氮的DOM，包括脂质、碳水化合物和脂肪族/蛋白质等身分。理论上，随着土壤中碳源的匮乏，细菌群落可能会转向易分解的DOM作为碳源，以坚持稳定的群落构造，从而缩短群落成员之间的均匀路径长度。
此外，DOM与微生物门之间的Spearman干系剖析表明，木质素/CRAMs和单宁与高相对丰度微生物门存在显著干系性。木质素/CRAMs和单宁，可能更集中在凋落物或难降解的分子构造中，与脂肪族/蛋白质和碳水化合物等化合物比较，表现出相对较低的丰度。能够降解木质素/CRAMs的细菌，紧张是需氧细菌，包括放线菌、变形菌和厚壁菌门，通过裂解芳环来分解这些化合物。相反，担子菌和子囊菌将植物木质素/CRAMs转化为更大略的分子，如单糖和寡糖，这与本研究的创造同等。在本研究中，放线菌、变形菌、担子菌、子囊菌与木质素/CRAMs呈显著正干系。
PLS-PM模型表明，杉木连续单为难刁难土壤细菌和真菌群落以及土壤化学性子有不利影响。之前的研究创造土壤氮对真菌群落构造影响深远。连作世代的增加导致有效氮(AN)的减少，同时世代更新过程中地表凋落物和伐木残留物的打消会降落地上木质素/CRAMs的含量。此外，连作中单宁等有毒化合物的积累可能会阻碍担子菌和子囊菌的生存，有利于真菌群落组装的确定性过程。
杉木连作和DOM组分的变革对细菌群落有显著影响，这可能是由于土壤养分限定和对易降解DOM的接管和利用，使得确定性过程成为细菌群落组装的紧张驱出发分。假设DOM的接管和转化之间存在动态平衡，用示踪技能进行进一步研究可以更清楚地阐明微生物与DOM之间的关系。
结论
本研究磋商了不同世代杉木人工林DOM含量、组成、微生物构造的变革及其相互关系。这些创造引出了几个关键结论。随着杉木连续单作世代的增加，土壤中可供植物利用的硝酸盐含量显著低落，而易降解的可溶性有机质含量则有所上升。杉木连作导致真菌群落的多样性、丰富度和生态位宽度显著降落。此外，细菌群落的组装过程紧张由DOM塑造，其组装过程朝着确定性过程主导发展。细菌群落对DOM的接管和转化之间的动态平衡凸显了个中繁芜的相互浸染。因此，杉木人工林的长期单为难刁难土壤质量产生了影响，包括加速土壤碳循环，土壤固碳产生负面影响，毁坏人工林的可持续发展。该研究确定了在杉木连作条件下，微生物与DOM之间的显著干系性。只管如此，微生物与DOM之间关系的确切性子仍有待充分理解。建议未来的研究采取同位素示踪技能来深入研究微生物与DOM转化之间的相互浸染。这些研究将为更好地理解土壤中的碳氮循环供应坚实的理论根本。总体而言，这项研究为人工林，特殊是连作条件下的土壤质量、微生物群落和DOM组成的动态供应了有代价的见地。研究结果有助于更好地评估人工林生态系统的质量和稳定性，阐明影响养分循环和微生物相互浸染的成分。未来的研究可以探索人工林发展各个阶段微生物与DOM相互浸染的韶光动力学，评估人工林内微生物群落和DOM组成的空间变异性，以进一步理解生态系统异质性。
