南亚热带森林土壤微食物网结构及关键功能对典型区域环境变化的响应机制

The south subtropical forest has been recognized to be sensitive to global environmental change factors such as changing precipitation regime (PC) and elevated atmospheric nitrogen deposition (N). Soil micro-food web (comprised of soil microbes, microbivores and predatory nematodes) plays fundamental roles in belowground ecological processes. However, we know little about how soil micro-food webs in subtropical forest respond to environmental change factors. Based on the field experimental platform simulating the typical regional environmental changes, we propose to study the response patterns of structures (trophic net structure, co-occurrence network structure) and functions of soil micro-food web. We will focus on the association relationships between structures and functions dynamics under environmental changes. The stable isotope probing technology will be used to indicate how changes of micro-food web structures affect the degradation and metabolism of labelled organic-C, and find the key organisms in “metabolic” food-chains at lower taxonomic levels. The environmental properties about plant and soil can be used to explain the variations of the structures and functions of soil micro-food web. Our results will be helpful in deepening the understanding of the response mechanisms of structures and functions of soil micro-food web to regional environmental changes, and provide the scientific data for protection-policy making and the sustainable development of south subtropical forest.

南亚热带森林对环境变化敏感，同时面临着降水格局改变和氮沉降增加的影响。土壤微食物网（由土壤微生物、食微动物和捕食性线虫组成）发挥着重要生态功能。在环境变化因子作用下，关于南亚热带森林土壤微食物网如何响应的认识并不深入。本项目拟依托野外试验平台，模拟南亚热带典型环境变化特征（降水变化+氮沉降），研究土壤微食物网结构和功能的响应格局，重点分析网络结构（营养级网络、物种共存网络）特征与微食物网关键功能之间的关联关系；运用稳定性同位素探针技术，探讨微食物网结构变化对标记有机质分解代谢的影响，在较低分类水平上查明“代谢”食物链上的关键生物。结合植物和土壤理化数据，找到微食物网结构和功能发生变化的环境驱动因子。本项目有助于深入认识土壤微食物网结构、功能对区域环境变化的响应机制，为南亚热带森林可持续发展和制定保护管理措施提供科学依据。

森林土壤细菌、真菌以及微小动物发挥着重要的生态功能，但对环境条件变化下这些微生物及其生态网络的认识比较匮乏。本项目依托野外试验平台，模拟南亚热带典型环境变化特征（降水变化+氮沉降），在试验处理1年后，调查土壤理化性质、酶活性，并通过扩增子测序和稳定性同位素探针技术调查土壤细菌、真菌和微小动物群落以及网络结构的响应。主要有以下发现，（1）在测量的10个理化因子中，只有土壤pH和土壤含水率受到氮和水两因子交互作用的显著影响。氮添加（N）可以减缓遮雨处理对含水率的降低效应。加氮只在旱季显著降低了土壤pH，但遮雨措施减弱了pH的降低。（2）单降水变化（P）的处理增加了酶C:N和酶C:P比值，表明在降水改变条件下，土壤微生物的生长可能存在N和P的限制，氮添加不能减缓这种限制。（3）季节显著影响了土壤细菌、真菌和微小动物的群落结构，而处理只显著改变了真菌和微小动物的群落，表现为在氮水双因子处理（PN）下呈现出更大程度的分异。土壤DOC、速效磷和含水量可能驱动了土壤微生物群落结构的变化。PN处理下的微生物生态网络含有比例更高的正向联系（55.3%），提示土壤微生物之间的协同作用、猎物依赖的捕食关系等可能得到了增强。N处理有助于土壤中纤毛虫Spirotrichea，半线蚓Hemienchytraeus_koreanus等发挥网络节点作用，而降水变化有助于饰边盘小环线虫Discocriconemella发挥网络节点作用，并可能减弱了真菌在食物网中的作用。方差划分显示土壤理化比微生物群落性质更能解释土壤酶活性的变化。（4）SIP实验结果表明，氮添加减弱了纤维素的降解，对应于土壤中细菌和真菌多样性的降低。氮添加促进了葡萄糖的降解，对应于土壤细菌多样性的升高和真菌多样性的降低。氮添加筛选了更多专属物种用以降解有机物，来源于Desulfobacterota，Gemmatimonadota，Burkholderia，RCP2−54，Penicillium，Talaromyces，Ascomycota，Chaetosphaeriales等类别。Zoopagales在PN处理下纤维素降解过程中作用突出。加氮可能降低微生物网路的复杂度和互作潜力，而降水变化（P、PN）的处理作用相反。蔗糖分解过程中，所有处理都降低了微生物网络的复杂度。