亚热带森林中土壤细菌、真菌和原生生物对氮和磷添加的季节性响应

《Applied Soil Ecology》：Seasonal responses of soil bacteria, fungi and protists to nitrogen and phosphorus addition in a subtropical forest

氮磷添加对亚热带森林土壤原生生物多样性的季节性影响及驱动机制研究。采用六年模拟添加实验，发现N或P添加均显著提高春、秋季原生生物α多样性（+15.2%-22.3%），但细菌和真菌多样性不变。消费者原生生物（占比90%）对N/P添加响应一致增加，门水平Cercozoa在N处理下丰度提升（+8.7%-12.5%），其与Sarcomonadea/Imbricatea的协同变化提示功能分异。结构方程模型识别NH4+-N（β=0.43）、有效磷（β=0.38）和总磷（β=0.29）为关键驱动因子。

　　

刘彦姬|胡航伟|郑勇|刘志凯|张丽格|沈菊培

教育部湿润亚热带生态地理过程重点实验室，福建师范大学地理科学学院/碳中和未来技术学院，福州，350117，中国

摘要

原生生物在土壤中普遍存在，在森林生态系统的生物地球化学循环中发挥着重要作用。尽管它们对氮（N）添加的敏感性已有充分记录，但它们对磷（P）富集的响应仍知之甚少。在这项研究中，我们考察了六年模拟氮和磷添加（包括对照组、氮处理组、磷处理组和氮磷复合处理组）对亚热带森林中土壤细菌、真菌和原生生物多样性和群落组成的季节性（即春季和秋季）变化。结果表明，无论在哪个季节，添加氮或磷都会显著增加土壤原生生物的α多样性，而细菌和真菌的α多样性与对照组相比没有变化。主坐标分析显示，不同处理组和季节之间的微生物群落结构存在显著差异。消费者型原生生物在群落中占主导地位（占总丰度的90%），其相对丰度对氮和磷的添加表现出一致的正向响应。纤毛门（Cercozoa）在两个季节中都是原生生物群落的主要组成部分，其相对丰度在氮处理组中比对照组有所增加。随机森林和结构方程模型分析表明，土壤养分（如NH₄⁺-N、有效磷和总磷）是两个季节中原生生物群落组成的重要驱动因素。这些发现揭示了土壤原生生物对养分添加的季节性敏感性，表明它们在应对环境干扰时具有不同的资源利用策略和适应性可塑性。

引言

自工业革命以来，氮（N）的沉积量显著增加，对陆地生态系统功能和初级生产力产生了深远影响（Yu等人，2019；Gao等人，2023）。氮的输入可以直接影响土壤pH值和氮的有效性，并间接影响植物多样性和生长。这些地上植物的多样性和生物量的变化将反过来改变地下生物（包括细菌、真菌和原生生物）的多样性、组成和多营养级相互作用（Ramirez等人，2010；Yavitt等人，2011；Kaspari等人，2017）。同时，磷（P）作为另一种关键的限制性养分，对许多生态系统的生产力同样至关重要，尤其是在热带和亚热带森林中（Cleveland等人，2011；Pe?uelas等人，2013）。人类活动，如磷酸盐肥料的使用，也导致了外源性磷的输入。氮和磷的输入可以通过改变养分化学计量平衡、引发养分限制的变化或产生协同/拮抗效应，从而深刻影响土壤微生物群落的结构和功能（Crowther等人，2019；Jing等人，2015）。作为土壤地下食物网的关键调节者，土壤微生物在养分循环、有机物分解和碳（C）封存中发挥着关键作用（Bardgett和van der Putten，2014；Hu等人，2022）。因此，了解微生物群落对氮和磷添加的响应对于预测和管理全球变化背景下的陆地生态系统可持续性至关重要。

土壤细菌和真菌是分解、养分矿化和碳封存等生态系统过程的基本媒介（Bardgett和van der Putten，2014）。它们的群落结构和功能对土壤养分有效性的变化非常敏感。在像亚热带森林这样的磷限制系统中，磷的添加可以通过缓解养分限制来刺激细菌活动并改变真菌组成（Camenzind等人，2018）。这些由养分直接引起的细菌和真菌群落生物量和组成的变化为微生物捕食者（如原生生物）建立了改变的资源基础和营养环境（Geisen等人，2018）。土壤原生生物是多样且丰富的单细胞真核生物，是微生物食物网中的关键成员（Adl和Gupta，2006；Oliverio等人，2020）。根据它们的功能特征，原生生物可以分为三类：消费者型、寄生型和光养型，其中消费者型在土壤生态系统中占主导地位（Oliverio等人，2020）。作为微生物营养网络中的关键捕食者，原生生物消费者通过消耗细菌、真菌和其他小型真核生物，在维持土壤肥力和植物生产力方面发挥着重要作用。它们对微生物群落的选择性捕食不仅通过营养级级联效应刺激养分矿化（Wu等人，2018；Geisen等人，2021），还通过底物可用性和根际效应增强了植物有益的效果（Mitra等人，2014；Thakur和Geisen，2019）。值得注意的是，这些捕食者-猎物相互作用表现出进化可塑性，能够通过群落组成的快速变化来适应气候扰动（Perrin和Dorrell，2024）。最近在亚热带森林中进行的一项研究表明，养分输入通过 bottom-up 效应或 top-down 效应对土壤原生生物产生调节作用（Liu等人，2024）。尽管原生生物在构建微生物组成方面的重要性得到了认可，但大多数研究仍集中在细菌和真菌上。

外源性氮输入对原生生物丰度和多样性的影响因不同生态系统而异。例如，在西藏的高海拔草原上，氮输入（12克氮每平方米每年）与原生生物丰度的增加有关（Hu等人，2022）。相反，在农业生态系统中，20克氮每平方米每年的氮肥施用显著降低了土壤原生生物的多样性并改变了群落结构（Zhao等人，2020）。此外，高氮水平可能会由于维持稳态所需的特定氮磷比例而导致磷的限制，特别是在亚热带森林生态系统中（Luo等人，2022）。低磷可用性会限制微生物活动，据报道热带森林土壤中磷限制的阈值为2毫克磷每千克（Turner等人，2018）。原生生物和其他微生物必须适应环境变化（Camenzind等人，2018；Gao等人，2024），例如长期磷限制。例如，细菌会产生葡萄糖酸以逃避根际区域的原生生物捕食并提高磷的有效性（Gómez等人，2010）。然而，原生生物在磷限制条件下的适应性响应及其与其他微生物的相互作用仍不清楚（Liu等人，2024），特别是在氮沉积的背景下。

亚热带森林是重要的全球森林资源，支持着丰富的生物多样性。位于中国东部的千江源国家森林公园以中亚热带低海拔常绿阔叶林为特征。基于该地区长期进行的氮和磷添加实验的研究表明，施肥对土壤细菌和真菌的变化有显著影响（Mandal等人，2024）。因此，我们假设微生物群组的变化将通过氮和磷改良的间接效应（通过营养级相互作用）和直接效应改变土壤原生生物的群落组成。本研究旨在探讨亚热带森林中土壤原生生物对氮和磷输入的季节性响应及其生物和非生物影响因素。鉴于土壤原生生物在地下生态系统中的关键作用，这项研究对于提高我们对中国亚热带森林中氮和磷添加对土壤原生生物分布和组成影响的理解至关重要。

研究地点和样本采集描述

长期实验地点位于中国浙江省开化县西北部的 Gutianshan 国家自然保护区（北纬29°10'19" - 29°17'41"，东经118°03'49" - 118°11'12"）。它位于千江源国家森林公园内，处于浙江、江西和安徽三省的交界处。该地区具有亚热带季风气候，年平均气温为15.3°C，年平均降水量为1964毫米。

土壤微生物组的群落多样性和结构

三因素方差分析（ANOVA）显示，氮输入对土壤原生生物的香农多样性和ASV丰富度有显著影响，但对细菌和真菌的α多样性没有显著影响，无论在哪个季节（表1除外，真菌的香农多样性除外）。具体来说，氮的添加（氮处理组和氮磷复合处理组）显著增加了原生生物的丰富度（图2）。此外，主坐标分析（PCoA）显示

细菌、真菌和原生生物对养分输入的不同响应及其相互作用

许多研究表明，氮和磷的输入会减少、增加或对森林土壤中细菌和真菌的多样性没有影响（Ma等人，2022；Mandal等人，2024），但在亚热带森林中对原生生物的研究相对较少。在这项研究中，我们发现细菌和真菌的α多样性基本不受养分添加的影响，而在氮富集条件下（氮处理组和氮磷复合处理组），原生生物的多样性（香农指数和ASV丰富度）显著增加

结论

本研究表明，氮和磷的输入不同程度地重塑了亚热带森林中土壤微生物组的多样性、功能和相互作用。原生生物对养分富集具有敏感性，对微生物网络复杂性和生物地球化学循环有级联效应。我们还确定了土壤原生生物消费者型为主要功能群，其中 Imbricatea、Sarcomonadea 和 Endomyxa 类的相对丰度受到氮和磷添加的影响。

CRediT 作者贡献声明

刘彦姬：撰写——初稿、方法学、正式分析、数据管理。胡航伟：撰写——审稿与编辑、监督。郑勇：撰写——审稿与编辑、资源管理、方法学。刘志凯：撰写——审稿与编辑、方法学、研究。张丽格：可视化、方法学。沈菊培：撰写——审稿与编辑、监督、项目管理、研究、概念化。

利益冲突声明

作者没有需要披露的相关财务或非财务利益。

致谢

我们感谢 Gutianshan 国家自然保护区的江在根先生、邓慧玉小姐及其工作人员在施肥、野外管理和样本采集方面的支持。本研究得到了国家自然科学基金（32171642）和福建省闽江学者教授奖励计划（2021年）的支持。