科研 | 森林砍伐降低土壤细菌群落的空间异质性并改变分子生态网络（国人作品）
本文由朱雪峰编译，董小橙、江舜尧编辑。
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森林砍伐急剧减少动植物栖境，原始林的锐减使得次生林成为生物物种留存的缓冲带。微生物作为生态系统稳定和功能的重要驱动者，其群落组成结构和多样性在区域尺度上显著受到森林砍伐的影响。而全球尺度上，森林砍伐对土壤微生物相似性的空间分布规律研究尚为缺乏。面对日益加剧的人类活动，了解人类活动影响下的大尺度微生物空间异质性分布规律和机制对于预测生态系统的环境响应和稳定性至关重要。作为微生物群落特征之一的群落分子生态网络显著影响着群落结构和功能，因此探究森林砍伐情况下，土壤微生物群落分子生态网络的空间变化规律对于了解微生物群落的结构功能也十分关键。
由于森林砍伐会造成土壤表水流失而导致土壤干旱，并且减少了外源有机质的输入进而影响土壤的生物化学组成和理化性质，因此研究人员提出第一个假设，即，森林砍伐可能会降低次生林间的栖境差异，进而降低大尺度空间上微生物群落分布异质性。另外，由于关键细菌物种的丰度和组成对于森林砍伐极为敏感，因此，研究人员提出第二个研究假设，即森林砍伐可能会改变微生物群落分子生态网络。
为了验证上述研究假设，研究人员成对采集了原始林和附近次生林的土壤，空间跨度3700公里，跨越九个区域，探究森林砍伐对细菌群落相似性的空间分布规律以及细菌群落分子生态网络的影响。
论文ID
原名：Deforestation decreases spatial turnover and alters the network interactions in soil bacterial communities
译名：森林砍伐降低土壤细菌群落的空间异质性并改变细菌群落的分子生态网络
期刊：Soil Biology and Biochemistry
IF：4.926
发表时间：2018年5月
通信作者：于贵瑞
通信作者单位：中国科学院地理科学与资源研究所
实验设计
该研究在中国东部样带（108.9°E，18.7°N至123.0°E，51.8°N）南北3700公里长的范围内，从寒温带针叶林到热带雨林，选取了9个森林地点分别采集原始林和次生林地的土壤样本进行细菌群落以及土壤理化性质的分析。
实验内容
1. 森林砍伐降低了土壤细菌丰富度，空间周转速率及驱动因子
两个森林类型的细菌群落相似性都呈现出了空间分布的距离衰减规律（图1），即原始林和次生林的细菌群落相似性随着地理距离的增加而减小。次生林的细菌空间周转速率低于原始林的细菌空间周转速率（图1），表明森林砍伐降低了细菌的空间周转速率，使得细菌群落多样性在空间分布上变得更为相似。
图1 原始林和次生林土壤细菌群落距离衰减关系
对两个森林类型来说，土壤pH值对细菌群落的相似性空间分布的影响最大，其次是土壤有机碳（SOC）含量。土壤有效磷和地理距离对土壤群落相似性分布影响最小（表1）。由此可见，森林砍伐后，土壤酸碱度和有机质的可利用性是导致空间上细菌β多样性降低的主要驱动因子。具体来看，原始林中，土壤总磷和可溶性有机碳（DOC）和颗粒有机碳（POC）对细菌群落相似性分布影响最大。在砍伐后的次生林中，腐殖酸碳在对细菌相似性分布影响最大（表1）。
表1 环境因子对细菌β多样性的影响（多元回归矩阵分析）
2. 原始林和次生林的细菌分子生态网络和关键物种
原始林的细菌网络比次生林的更大更复杂（图2，表2），更大的微生物网络复杂性通常有助于微生物群落的稳定，由此可见森林砍伐不利于土壤细菌群落的稳定。
相比于原始林，次生林的细菌网络模块化水平更高（图2），这表明在森林砍伐的区域，微生物之间的联系更为紧密。
原始林的网络中有55%是正相关的连接，45%的负相关连接（图2）。而相反，在次生林中，细菌群落更倾向于共表达，即正向关系较多，占到了82%（图2）。
图2 原始林和次生林土壤中细菌分子生态网络
表2 原始林和次生林土壤细菌群落的分子生态网络和随机网络拓扑参数
原始林中，细菌网络枢纽来自酸杆菌门（Acidobacteria），网络间连接者来自酸杆菌门（Acidobacteria），放线菌门（Actinobacteria）和变形菌门（Proteobacteria）（图3）。在次生林中，网络间连接者来自变形菌门（Proteobacteria，主要是Alphaproteobacteria）和酸杆菌门（Acidobacteria）（图3）。变形菌门主要是富营养微生物，因此推测，森林砍伐后土壤里SOC可利用性增强，资源丰富的环境可能会降低了物种间的竞争。
图3 原始林和次生林土壤细菌网络的拓扑角色（Z-P图甄别关键物种）
结 论
人类的森林砍伐对细菌群落的空间周转和分子生态网络影响显著。森林砍伐降低了细菌群落的空间周转速率，细菌群落呈现空间同质化特点。森林砍伐降低了细菌分子生态网络的稳定性。次生林的细菌网络更倾向于模块化，物种间的连接更紧密。森林砍伐后土壤中的关键物种以变形菌门为主。土壤酸碱度和有机质的可利用性是影响土壤细菌相似性空间分布的主要因子。
评 论
本研究为深入理解土壤细菌多样性和森林生态系统间的关系，以及预测陆地尺度上微生物对人类活动的响应提供科学参考。未来的研究可以加入对土壤真菌空间分布规律的探索以及对大尺度上微生物群落结构及分子生态网络时间动态的研究。对于森林砍伐后造成的生物多样性降低对生态系统功能的长期影响也亟待研究。