在野火后的热带森林泥炭地中,机会主义细菌会促进无机磷含量的增加

【字体: 时间:2026年02月27日 来源:Applied Soil Ecology 5

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  火灾导致热带泥炭地土壤无机磷(Pi)含量显著增加,可能与火灾改变土壤湿度,促使r-策略细菌(如机会主义菌类)优势群落形成并增强有机磷矿化基因表达有关。

  
高鹏飞|程晓宇|田文|王红梅|刘晓燕|奥利·H·图奥维宁|托马斯·E·L·史密斯|斯蒂芬妮·L·埃弗斯
中国地质大学环境学院地质微生物学与环境变化国家重点实验室,武汉,430078,中国

摘要

野火对森林生态系统中的土壤磷(P)动态有显著影响,但不同生活史策略的细菌在火灾后磷循环中的作用尚未得到充分理解。为此,我们从受野火影响的热带泥炭森林和油棕农林业中采集了土壤样本,并对其进行了物理化学分析、高通量测序和细菌定量分析。结果表明,野火导致细菌多样性和绝对丰度总体下降。然而,土壤中无机磷(Pi)的含量显著增加。这种增加可能与细菌生活史策略的变化有关。野火提高了土壤湿度,从而增加了机会主义物种的相对丰度,这些物种属于r-策略者。这些r-策略者表现出更高的物种形成率、更大的休眠潜力、更强的扩散限制以及在网络中更多的关键物种。这些特征使它们在野火后能够迅速繁殖。此外,它们还增加了有机磷矿化基因的相对丰度,特别是phnAphnWphoN,加速了Pi的释放和积累。本研究首次揭示了具有不同生活史策略的细菌如何调节磷循环,并强调了机会主义类群的作用。我们的发现有助于更好地理解细菌生活史策略的变化如何影响热带森林和泥炭地的磷循环和长期肥力维持。

引言

磷是热带生态系统中植物和微生物生长的关键营养素。它对光合作用和呼吸作用等生命过程至关重要(Lambers, 2022),并强烈影响生物量积累和群落组成。然而,森林土壤中的磷循环面临着日益增加的威胁。气候变化导致过去二十年极端野火的频率增加了2.2倍(Cunningham et al., 2024)。预计到21世纪末,全球每年被烧毁的森林面积将增加29%(Senande-Rivera et al., 2022)。野火直接破坏表层土壤生态系统,并通过释放颗粒气溶胶和温室气体加剧气候变化。在东南亚的热带地区,许多低地沿海森林土壤由富含有机物的泥炭组成,这种泥炭极易燃烧。东南亚泥炭地的野火导致了大量的温室气体排放(Hooijer et al., 2010),还可能引发营养循环的生物地球化学解耦(Shen et al., 2025)。这一特性增加了磷循环对野火干扰的脆弱性。关于微生物群落结构及其在调节热带低地泥炭地养分可用性中的作用,目前仍知之甚少(Too et al., 2018)。研究火灾后的磷动态对于评估受影响热带泥炭地的磷循环稳定性和长期肥力至关重要。
细菌群落在土壤磷循环中起着核心作用,它们通过调节溶解、矿化和运输等关键生物过程来发挥作用(Chu and Ma, 2024)。然而,研究表明,野火对土壤微生物群落有极大的负面影响。一项元分析显示,野火使土壤细菌的生物量、丰度和多样性分别减少了90%、96%和93%(Pressler et al., 2018)。主要原因在于高温直接使酶失活并破坏细胞结构,导致广泛死亡。此外,野火还降低了土壤细菌共现网络的复杂性(Li et al., 2024; Yang et al., 2024)。这些影响可能表明对无机磷(Pi)富集有潜在的负面影响,因为细菌多样性和网络复杂性与土壤生态系统的多功能性密切相关(Delgado-Baquerizo et al., 2016; Zhai et al., 2024; Xiao et al., 2025)。然而,一些研究表明,野火后土壤中的Pi含量可能会增加——这种现象可能也很普遍(Shen et al., 2024; Wu et al., 2024; Zhou et al., 2025)。Pi含量的增加通常归因于热诱导的矿化和灰烬沉积的短期输入。但这种解释忽略了细菌群落的潜在和持续作用。例如,野火可能刺激细菌表达有机磷矿化基因并分泌磷酸酶,促进有机磷转化为植物可利用的Pi(Shen et al., 2025)。鉴于泥炭地的全球重要性,充分了解野火干扰引起的功能变化至关重要,因为这些变化会显著影响土壤肥力的维持和整体土壤健康。尽管如此,热带泥炭地火灾后的土壤Pi动态仍不清楚,其背后的微生物机制需要进一步研究。
土壤湿度调节全球土壤生物多样性和生态系统功能(Zhang et al., 2023)。在泥炭地中,地下水位高度和相关的水分含量控制着碳的储存和封存速率(Evers et al., 2017)。特别是在限制条件下,土壤湿度的变化会深刻影响土壤生物群落介导的生态过程。野火与水文循环密切相关。火灾发生后,表层土壤通常会被一层富含有机物和无机物的多孔灰烬覆盖(Abrantes et al., 2025)。植被的丧失减少了蒸散作用(Belongia et al., 2023),增加了渗透到土壤中的降水比例。然而,在热带地区,泥炭表面暴露在阳光和热量下会增加蒸发率并降低水分含量(Harrison et al., 2024)。火灾还会改变泥炭的物理化学性质,通过改变土壤颗粒大小(Balfour, 2015)促进其疏水性,增加沉降和压实,从而降低整体储水能力和渗透率(W?sten et al., 2006)。相反,泥炭火灾可能会烧到较深的层次,常常移除表层50厘米以上的物质,使更深的顽固泥炭材料暴露在氧化环境中。在这些事件中,土壤表面下沉,从而提高火灾后的泥炭土壤湿度(Lupascu et al., 2020)。因此,土壤湿度的下降会抑制磷的溶解和扩散。土壤湿度降低会直接限制磷的溶解并破坏水膜的连续性,从而显著降低土壤磷的有效扩散(Mahmood et al., 2025; Harrell Jr. and Saeed, 1980)。然而,过量的土壤湿度(由短期峰值或排水不良引起)会降低土壤通气性并产生厌氧条件。厌氧环境会改变细菌群落组成和代谢,从而间接影响磷循环速率。尽管有这些观察结果,但野火引起的土壤湿度变化对细菌群落结构和功能的程度及其在磷循环中的后续作用仍不够清楚。
了解细菌对野火的反应,特别是不同生态类群的反应,可以增强对气候变化下热带泥炭地恢复的预测。细菌群落可以分为三类生态类群:机会主义类群、敏感类群和耐受类群(Coyle et al., 2017),它们对野火的反应可能不同。作为r-策略者,机会主义类群在资源脉冲期间表现出高生长率和代谢多样性。敏感类群偏好稳定环境,其缓慢的生长和低耐受性使它们容易受到干扰。作为K-策略者,耐受类群具有高生物量,在恢复过程中在维持群落稳定性和功能连续性方面起着关键作用(Rojas-Tirado et al., 2017; Lavallee et al., 2024)。由于它们不同的功能特征,这三个亚群在调节土壤Pi水平方面可能发挥不同的作用。一个关键问题是,火灾后的Pi富集是否主要由特定的细菌亚群驱动。这些类群是否具有足够的生态优势来在群落多样性降低的情况下维持磷循环?了解具有特定生活史策略的细菌在磷循环中的作用将为预测火灾后的Pi可用性和植被恢复提供新的见解。
本研究聚焦于马来西亚的热带森林泥炭地,由于泥炭地排水、季节性干旱和雷击,这里经常发生野火(Miettinen et al., 2017)。我们假设野火改变了土壤湿度,对r-策略类群(例如机会主义类群)产生选择压力,而不是均匀影响整个群落。这些类群具有高生长率和增加的有机磷矿化基因相对丰度,可能在火灾后推动土壤Pi的积累(Nelson et al., 2024; Zhou et al., 2025)。我们的目标是:1)研究野火对土壤物理化学性质、具有不同生活史策略的细菌类群和磷循环功能基因的影响;2)阐明特定生态细菌群落在火灾后调节Pi水平的潜在机制。

研究地点和采样

研究地点位于马来西亚南雪兰莪州(2.69–2.88°N, 101.51–101.64°E),周围是Kuala Langat北部和南部泥炭沼泽森林保护区的残余泥炭沼泽森林镶嵌景观。这些泥炭地的特点是酸性泥炭沉积物,泥炭土壤覆盖在海洋粘土之上(Mohamad et al., 2021)。该地区具有热带气候,年平均温度为28°C,降水量超过2000毫米。季节性降雨模式明显:

野火增加了土壤湿度和PO43?含量

野火显著提高了PO43?的平均水平,从6.9 mg/kg增加到14.7 mg/kg,并使土壤湿度从62.8%增加到70.4%(图1)。观察到土壤湿度和PO43?之间存在显著的正相关(图S2)。NH4+浓度也从10.9 mg/kg增加到90.2 mg/kg,FI从1.34增加到1.46。相比之下,NO3?从26.9 mg/kg减少到12.6 mg/kg,TN从1.1%减少到0.9%,TOC从42.7%减少到37.6%,BIX从0.2

野火后土壤细菌群落总体下降与Pi富集的悖论

野火对热带泥炭森林构成了严重的生态威胁。在这项研究中,热带泥炭地内的野火显著降低了土壤细菌群落的Shannon多样性、生态位宽度和绝对丰度(图2),表明火灾干扰后细菌群落的完整性大幅下降。类似的趋势也在亚热带和针叶林生态系统的土壤中得到报道(Nelson et al., 2022; Shi et al., 2024)。通常,

结论

我们对热带泥炭地的研究表明,尽管野火降低了细菌群落的总体多样性和丰度,但它显著增加了土壤湿度和Pi水平。这表明野火并不会均匀抑制所有细菌类群。我们还观察到,在烧毁的土壤中,细菌多样性在表层附近趋于下降,然后随深度增加而略有增加。这种模式可能是由于深层土壤微生物受到的热量暴露较低

CRediT作者贡献声明

高鹏飞:写作——审阅与编辑,撰写初稿,可视化,形式分析,概念化。程晓宇:写作——审阅与编辑,方法学,资金获取,概念化。田文:调查。王红梅:写作——审阅与编辑,监督,资源获取,方法学,资金获取,概念化。刘晓燕:方法学,形式分析。奥利·H·图奥维宁:写作——审阅与编辑。托马斯·E·L·史密斯:资源获取,调查,资金

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金(42494912, 42402308)、湖北省自然科学基金(2024AFD383)、CPSF博士后奖学金计划(GZB20230678)、中国博士后科学基金(2023 M743286)以及中国地质大学地质微生物学与环境变化国家重点实验室(GBL12403, GKZ25Y660)的共同资助。野外工作由皇家地理学会(RGS)环境与可持续发展资助
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