《CATENA》：Century-long afforestation induces microbial metabolic nitrogen limitation with soil fungal community dominating the process
编辑推荐：
土壤微生物代谢氮限制与群落结构对长期植树造林的响应。通过荧光法测定土壤酶活性及宏基因组测序，发现随着造林时间（0-160年）延长，氮代谢限制持续加剧，而真菌群落（α多样性及功能组）对此更敏感，与木质素分解相关的真菌丰度显著增加，而细菌群落响应较弱。研究揭示了真菌主导的微生物代谢对长期碳输入的适应机制。
Jiangbing Xu | Yuhao Wu | Song Jin | Haiquan Guo | Lei Liu | Jing Meng | Guoyi Zhou
南京信息科学技术大学生态与应用气象学院生态研究所，中国南京 210044
摘要
造林是恢复生态平衡、缓解气候变化和保护生物多样性的关键策略。土壤微生物的代谢限制对森林生态系统功能至关重要，但这些限制受林分年龄的强烈影响，然而它们对林分年龄的响应及其与土壤微生物群落的关系仍不清楚。在这项研究中，我们从中国东北部的一个温带森林中收集了土壤样本，这些样本代表了0年、10年、40年、80年和160年的林分年龄（分别用y0、y10、y40、y80和y160表示）。我们使用荧光方法测量了与碳（C）、氮（N）和磷（P）吸收相关的土壤酶活性，并通过生态酶化学计量分析来评估微生物的代谢限制。通过高通量测序技术对土壤中的细菌和真菌群落进行了表征。结果表明，虽然长期造林总体上增加了酶活性，但微生物代谢主要受到氮的限制——这种限制随着林分年龄的增长而加剧。在造林过程中，土壤真菌群落的特征（即α多样性、组成和功能组）比细菌群落更易受到土壤酶活性和代谢氮限制的影响。富集的真菌类群包括外生菌根真菌和腐生真菌，它们对代谢氮限制的反应相反（分别为正面和负面）。总体而言，我们的发现强调了土壤真菌群落与酶特性在百年时间尺度上的密切关系，从而加深了我们对微生物长期适应造林的理解。
引言
造林被认为是防止风蚀、维护生物多样性、保护水资源、增加碳（C）储存和调节全球气候变化的关键策略（Bonan, 2008）。评估其有效性需要理解其背后的生态过程。在造林过程中，落叶输入和根系动态重塑了地上和地下系统之间的养分分配（Zheng et al., 2024）。这种变化随后改变了由土壤微生物驱动的养分循环，进而影响森林生产力。因此，了解造林如何影响土壤微生物和养分动态对于评估造林的整体效果至关重要。
土壤微生物通过分泌胞外酶来获取碳（C）、氮（N）和磷（P），这些酶催化有机物的分解。这使得土壤酶成为微生物活性和土壤生态功能的可靠指标（Yadav et al., 2021）。在养分受限的情况下，微生物会上调特定的胞外酶以分解复杂的有机聚合物，以满足其养分需求。因此，生态酶化学计量学，即获取碳、氮和磷的酶的比例，反映了微生物养分需求与环境供应之间的匹配情况，是评估微生物代谢效率和养分限制的可靠指标（Liu et al., 2024a）。尽管近年来有大量研究评估了造林过程中的土壤微生物代谢限制，但报告的模式存在显著差异。例如，一些研究表明随着林分年龄的增长，代谢氮限制加剧（Du et al., 2024; Yan et al., 2022），而其他研究则发现造林可以缓解这种限制（Liu et al., 2024a）。Zhao et al.（2025）观察到中年林分的碳和氮限制最为严重，而成熟林分的限制相对较弱。这种模式与已知的植物生产力与微生物碳限制之间的负相关关系一致（Deng et al., 2019）。Cui et al.（2020）记录了从早期森林（35年）的弱磷限制到老年森林（130年）的强磷限制的转变。这些相互矛盾的发现表明，土壤微生物代谢限制对造林的响应仍不清楚。
土壤微生物是胞外酶的主要生产者，也是土壤养分循环的基本驱动因素。在森林生态系统中，尽管已经广泛研究了微生物群落对造林的响应，但其后果仍存在争议。一些研究表明，沿林分年龄序列，细菌群落的变化比真菌群落更为明显（Liang et al., 2021），而其他研究则报告了相反的模式（Wan et al., 2021; Zhao et al., 2025）。还有研究发现林分年龄对真菌类群没有显著影响（Odriozola et al., 2020）。这些差异可能与不同林分年龄下土壤环境因素的变化有关，如微气候、落叶质量和资源可用性（Wan et al., 2021）。值得注意的是，随着林分年龄的增长，难降解土壤化合物（如木质素）的积累显著改变了微生物的养分获取策略，从而有利于某些微生物谱系。与细菌相比，真菌可能因为更高的碳利用效率而受到青睐和影响（Rosinger et al., 2019; Veres et al., 2015）。这意味着在长期造林过程中，真菌群落结构的变化可能更加明显。鉴于造林过程中土壤微生物代谢限制的不确定性，与这些变化相关的具体微生物群体仍不清楚，需要进一步研究。
在这项研究中，我们选择了中国东北部 mollisols 地区的 Saihanba 机械化林场作为研究地点，因为它有着长达一个世纪的造林历史，为研究长期造林对土壤微生物特性的影响提供了理想的背景。我们在主要森林物种中建立了林分年龄序列（0年、10年、40年、80年和160年），并据此收集了土壤样本。我们使用荧光测定法量化了土壤酶活性，并通过高通量测序技术对细菌16S rRNA和真菌ITS区域进行了微生物群落分析。我们的目的是揭示整个序列中微生物代谢限制的模式及其相关的群落变化。提出了三个假设：1）由于有机物质的连续输入，土壤养分含量随林分年龄的增长而增加；2）土壤微生物在整个序列中持续面临氮限制，且在较老的林分中这种限制更为严重；3）在应对代谢氮限制方面，土壤真菌群落可能比细菌群落发挥更重要的作用，因为真菌从难降解有机化合物中获取氮的效率更高。
实验地点和土壤采样
本研究在中国河北的 Saihanba 机械化林场进行（东经116°51′-117°39′，北纬42°02′-42°40′），位于内蒙古高原的南部边缘，毗邻浑善达克沙地。该地区具有风成土壤、草地和沼泽土壤，属于大陆性季风气候，年平均温度为-1.4°C，降水量为450.1毫米，无霜期为67天。该地形的上边界位于高原和山脉之间。
土壤化学性质
在整个序列中，土壤化学性质（包括有机质含量（SW）、电导率（EC）、土壤有机碳（SOC）和总氮（TN）显示出相似的上升趋势（图2），y160时期的峰值显著高于其他时期（p < 0.05）。土壤pH值在早期（<40年）显著下降，之后在80年后上升，接近初始pH值。y10时期NH4-N和总磷（TP）显著增加（p < 0.05），之后保持稳定。NO3—N也显示出上升趋势。
造林过程中的渐进性代谢氮限制
在这项研究中，向量分析和阈值模型均表明，从y10到y160，土壤中的代谢氮限制逐渐增加，而碳（C）和磷（P）没有出现相应的限制（图3）。这一模式表明氮成为一种日益受限的资源。这种限制可以这样解释：首先，森林生态系统中的土壤微生物代谢主要依赖于高碳氮比的物质（如落叶），然而土壤中氮的积累速度比碳慢。
结论
我们的研究表明，造林对一个世纪以来的微生物代谢限制及其相关的土壤微生物群落产生了显著影响。随着森林年龄的增长，土壤化学性质、酶活性和微生物特性发生了显著变化。微生物的代谢氮限制在整个造林序列中逐渐加剧。与细菌群落相比，土壤真菌群落的变化更为显著。
CRediT 作者贡献声明
Jiangbing Xu：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，监督，软件使用，方法论，调查，正式分析，数据管理。
Yuhao Wu：调查，数据管理。
Song Jin：撰写 – 初稿，可视化，验证，软件使用。
Haiquan Guo：资源获取，项目管理，资金筹集，数据管理。
Lei Liu：撰写 – 初稿，可视化，验证，软件使用，资源管理，正式分析，数据管理。
Jing Meng：
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的研究结果。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（资助编号：42130506）、江苏省C Peak和C Neutrality专项技术创新基金（编号：BK20231515）以及河北省地质矿产勘查局地质勘查技术中心的地表基质调查技术探索—方法论系统研究（资助编号：13000023P006CA410288Y）的支持。
