《Frontiers in Fungal Biology》：Rapid changes in major nutrients and fungal community during early decomposition of Betula platyphylla litter on volcanic lava plateau
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本文综述了火山熔岩高原生态系统中，先锋树种白桦（Betula platyphylla）凋落物在分解初期的动态过程。研究通过为期18个月的野外分解实验，结合高通量测序（Illumina MiSeq）和真菌功能预测（FUNGuild），揭示了凋落物主要养分（C、N、P）和结构组分（木质素、纤维素、半纤维素）的快速变化，以及真菌群落（以子囊菌门Ascomycota和担子菌门Basidiomycota为主导）的显著演替。结果表明，凋落物质量剩余量（LMR）和关键养分浓度是驱动真菌群落演替的主要因素。这项工作为理解火山森林生态系统中独特的养分循环和微生物驱动机制提供了新的见解。
火山熔岩区白桦凋落物分解的早期动态：养分释放与真菌群落演替的耦合关系
引言
森林凋落物是生态系统中有机质和养分的关键储库，其分解过程是驱动养分循环、植物生长和陆地碳平衡的核心。微生物，尤其是真菌，是启动和调控这一过程的主要执行者。在凋落物分解的连续阶段中，早期分解阶段具有特殊的生态重要性，可贡献约40%的质量损失。火山喷发形成的熔岩覆盖了原有土壤，改变了生物地球化学循环，塑造了独特的生态系统特征。白桦作为一种能在寒冷、贫瘠、干旱的恶劣环境中茁壮成长的先锋树种，是火山爆发后原生演替的关键物种，在火山森林的植被建立、演替和生态系统养分循环中扮演着重要角色。然而，凋落物在火山熔岩这种养分贫乏、质地疏松、保水保肥能力低且微生物群落组成特殊的生境中的分解特性尚不清楚。本研究旨在探究火山森林中，先锋树种白桦凋落物分解过程中，养分释放与真菌群落演替之间的动态耦合关系。
材料与方法
本研究在中国黑龙江省五大连池地区（黑河（五大连池）国家森林生态系统研究站）的火山熔岩高原进行。该地区属寒冷湿润的温带大陆性季风气候。研究以熔岩高原上的优势树种白桦的凋落物为材料。于2021年9月下旬收集凋落物，均匀混合并干燥至恒重后，称取10.0克样品装入100目、35厘米×25厘米的凋落物分解袋中。在研究区内选择六个独立平坦的样地进行分解实验。2021年10月中旬，清除土壤表面的原有凋落物和杂物，将分解袋均匀布置在样地中，并用塑料地钉固定，以模拟自然凋落状态。
实验共进行四次采样，时间分别为2022年4月（t1）、2022年7月（t2）、2022年10月（t3）和2023年4月（t4）。每次采样时，从每个处理样地回收一个分解袋。采集的样品一部分用于测定质量损失和化学组成，另一部分立即用液氮冷冻，用于凋落物中真菌含量分析。凋落物总氮（N）和有机碳（C）含量使用元素分析仪测定。总磷（P）浓度采用钼锑抗比色法测定。结构组分（木质素LG、纤维素CL和半纤维素HC）采用比色法量化。使用E.Z.N.A.?Power Soil DNA试剂盒从凋落物样品中提取总基因组DNA。使用引物ITS1F和ITS2对真菌ITS区域进行PCR扩增，扩增产物在Illumina MiSeq平台上进行双端测序。使用FASTP进行质量控制，使用FLASH合并读长，使用USEARCH中的UPARSE算法在97%相似度下聚类操作分类单元（OTUs），并使用RDP分类器参照UNITE真菌ITS数据库进行物种注释。计算包括Sobs、Ace、Chao、Shannon、Simpson和Pd在内的Alpha多样性指数。使用FUNGuild平台预测真菌的生态功能。采用单因素方差分析（ANOVA）评估不同分解阶段凋落物性质及真菌群落指标的差异，并使用冗余分析（RDA）研究真菌群落组成与凋落物理化变量之间的关系。
结果
1. 凋落物养分元素和结构组分的变化
经过18个月的分解，白桦凋落物的质量剩余（LMR）为61.73%，表明其仍处于分解的早期阶段。凋落物中碳（C）和磷（P）的浓度在分解前期（t1和t2）显著高于后期（t3和t4）。氮（N）浓度从t1到t2显著增加，但从t3到t4显著下降。C:P比呈现显著上升趋势，从t1的99.43逐渐增加到t4的117.44。C:N比从t1（24.57）到t2（20.81）显著下降，随后从t2到t4（23.45）显著上升。N:P比在t2（4.97）、t3（5.23）和t4（5.01）时显著高于t1（4.05），并在t3达到峰值。凋落物中纤维素、半纤维素和木质素的初始浓度（t1时）均显著高于后续采样时间（t2至t4）。
2. 白桦凋落物的真菌多样性
四个分解阶段的白桦凋落物真菌 Coverage 指数均超过0.996，表明测序深度足以反映真菌群落信息。t3和t4阶段的Sobs、Ace、Pd和Chao指数显著高于t1和t2阶段。Shannon指数在t1时最低，显著低于其他阶段。Simpson指数在t1和t4时显著高于t2和t3，其中t1的Simpson指数最高。基于Bray-Curtis距离的非度量多维尺度分析（NMDS）显示，四个阶段的白桦凋落物内生真菌群落组间差异显著大于组内差异。t3和t4阶段的样本聚类更接近，而t1和t2阶段的样本则相距较远。
3. 白桦凋落物的真菌群落组成
在门水平上，白桦凋落物的真菌群落主要由子囊菌门（Ascomycota）、担子菌门（Basidiomycota）和壶菌门（Chytridiomycota）组成。其中，子囊菌门占绝对优势，相对丰度为90.99%至98.27%，在初始采样点t1时最高（98.27%）。担子菌门的相对丰度在t1时（1.73%）显著低于后续阶段，并在t2时达到峰值（8.87%）。壶菌门的相对丰度在分解期间保持稳定。
在属水平上，白桦凋落物中丰度最高的十个真菌属分别为 Lophiostoma、Niesslia、Sphaerulina、Venturia、Alternaria、Cladosporium、Epicoccum、Rachicladosporium、Vishniacozyma和 Trichothecium。分解18个月后（t4），Lophiostoma、Niesslia和 Rachicladosporium的相对丰度较初始水平显著增加，而 Sphaerulina和 Venturia的相对丰度显著下降。Alternaria、Cladosporium、Epicoccum、Vishniacozyma和 Trichothecium在t2时最为优势，其相对丰度显著高于t1、t3或t4。
4. 凋落物养分、结构组分与真菌群落组成的关系
冗余分析（RDA）表明，在门水平上，凋落物质量剩余量（LMR）、半纤维素（HC）、纤维素（CL）和碳（C）对真菌群落组成的变化具有最高的解释力。LMR、HC和CL与子囊菌门呈正相关，与担子菌门呈负相关，而C与壶菌门呈正相关。在属水平上，LMR、HC、CL、磷（P）和C:P比是主要的解释变量。Sphaerulina和 Venturia与LMR、CL、HC和P呈正相关，与C:P比呈负相关。Rachicladosporium、Niesslia、Trichothecium、Lophiostoma和 Vishniacozyma则与LMR、CL、HC和P呈负相关，与C:P比呈正相关。
5. 白桦凋落物真菌的生态功能预测
FUNGuild功能预测结果显示，不同分解阶段真菌生态功能 guild 的相对丰度存在显著差异。具体而言，植物病原-未定义腐生菌、植物病原菌和地衣化真菌在t1和t2阶段的相对丰度显著高于t3和t4。相比之下，未定义腐生菌的相对丰度随时间推移逐渐上升，并在t3和t4阶段成为最主要的真菌生态功能 guild。
相关分析表明，未定义腐生菌与LMR、HC、C和P呈负相关，与C:P比呈正相关。地衣化真菌则与C和P浓度呈正相关。
讨论
1. 白桦凋落物分解过程中养分元素和结构组分的变化
在五大连池火山熔岩生境中，低温、地表干旱以及粗糙的熔岩砾石土壤限制了凋落物的分解。经过18个月分解，白桦凋落物质量损失38.27%，符合早期分解阶段的特征。在分解早期，微生物优先降解易分解的有机化合物，导致碳的释放，这与研究中前期碳浓度较高的结果一致。如果凋落物氮浓度不足以满足微生物需求，微生物会从周围环境固定额外的氮，导致凋落物氮浓度净增加，这解释了从t1到t2观察到的氮浓度初始上升。随后的下降可能表明氮达到了充足阈值并开始矿化释放到土壤中。微生物的矿化作用也将有机磷转化为植物可利用的磷酸盐，导致磷浓度在分解过程中降低，与之对应的C:P比显著上升支持了磷释放的发生。在结构组分方面，纤维素和半纤维素的降解速度比木质素快，这主要由于木质素固有的难降解性，以及该环境中缺乏高效的木质素降解微生物群落和相关酶活性受到抑制。
2. 白桦凋落物分解过程中真菌群落的变化
真菌是凋落物分解的关键驱动者。在白桦凋落物中，子囊菌门和担子菌门是优势菌门，这与许多养分胁迫环境的报告一致，表明火山基质的环境过滤作用塑造了当地的真菌组合。子囊菌门和担子菌门扮演着互补的功能角色。子囊菌门通常在早期阶段占优势，特别擅长降解纤维素等不稳定碳源。担子菌门对于分解更顽固的化合物（尤其是木质素）至关重要。它们在系统中的共主导地位强调了它们在驱动这些火山森林生态系统中凋落物分解和养分循环方面的共同重要性。在属水平上，Lophiostoma和 Niesslia是分解过程中的优势真菌属，它们作为关键的分解者，通过产生多种细胞外酶降解纤维素和木质素等复杂有机聚合物，促进植物残体分解和养分循环。
3. 白桦凋落物养分、结构组分与真菌群落的关系
真菌群落的演替与基质化学变化密切相关。在初始阶段，易利用的碳和氮为微生物定殖者提供必需的能量和养分。子囊菌门的高初始丰度和活性可能得益于高初始浓度的半纤维素和纤维素提供了易利用的资源基础。相比之下，后期担子菌门丰度的增加与更顽固的木质素的分解相吻合。木质素的降解需要产生富含氮的氧化酶，因此，充足的氮有效性可能提高此过程的效率。在属水平上，特定分解者的时间模式与其已知功能一致。例如，Niesslia丰度随时间的增加与纤维素的逐渐下降相符。同样，Alternaria在特定阶段的优势可能与其在养分释放中的作用有关。
4. 白桦凋落物分解过程中真菌生态功能类群的变化
白桦凋落物中真菌群落的功能谱在四个分解阶段存在显著差异，表明其生态作用随时间发生了转变。生态功能 guild 分析揭示了从早期以植物病原真菌为主，到后期以腐生真菌为主的演替模式。这是凋落物分解过程中常见的模式，特化的腐生菌对于分解顽固的有机质变得越来越重要。未定义腐生菌 guild 与HC、C和P含量呈负相关，但与C:P比呈正相关，这表明在分解后期阶段，未定义腐生菌可能在顽固化合物的分解中占主导地位。观察到的较高C:P比可能表明在磷有效性有限的条件下，其对碳底物利用的偏好。这与腐生真菌在养分缺乏环境中提高碳利用效率的代谢策略一致。具有腐生和寄生功能的真菌通常采用氮密集的酶促途径，这可能导致基质N:P比的降低，研究中后期凋落物N:P比的下降与此机制相符。相比之下，地衣化真菌与C和P浓度呈正相关，这可能归因于其共生特性。地衣化真菌与光合藻类或蓝细菌合作，固定大气CO2，而真菌伙伴通过广泛的菌丝网络促进从基质中获取磷，共同促进了碳和磷的保留。
结论
本研究阐明了五大连池火山熔岩生境中，白桦凋落物早期分解过程中养分循环与真菌群落演替的耦合动态。研究发现，经过18个月分解，凋落物仍处于早期分解阶段，碳和磷浓度显著下降，氮呈现先增后降的趋势，化学计量比（C:N、N:P、C:P）发生显著变化。结构组分纤维素和半纤维素的降解速度快于木质素。真菌群落分析揭示了子囊菌门和担子菌门为优势菌门，Lophiostoma和 Niesslia为关键分解菌属。它们的共存可能增强了这些火山森林生态系统中养分循环的功能稳定性和恢复力。这些群落的演替主要受凋落物质量剩余量、碳和氮变化的驱动。此外，发生了明显的功能转变，从早期以植物病原真菌为主转变为后期以腐生真菌为主。这些发现强调了特定真菌类群和功能 guild 在火山生态系统独特环境约束下，驱动凋落物分解和养分循环方面关键且相互关联的作用。
