科研 | Functional Ecology：树种丰富度与土壤微生物多样性之间的联系提高了磷的生物利用度(国人作品)
编译：沐秋，编辑：小菌菌、江舜尧。
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1.土壤P有效性的提高被认为是植物多样性与生态系统功能正相关的潜在驱动因素。然而，植物多样性对参与生物介导的根际过程的P的生物可利用形式的影响，以及植物和土壤微生物多样性之间的联系如何促进土壤P的生物可利用性，仍然知之甚少。
2.本研究采用一种新的基于生物学的方法量化了成熟亚热带森林中四种形式的生物有效P（CaCl2-P、柠檬酸-P、酶-P和HCl-P），该方法模拟了根际过程如何影响有效P的释放和供应。通过Illumina高通量测序测定了土壤微生物多样性。
3.研究结果表明，树种丰富度显著影响土壤微生物多样性（p<0.05），增加凋落物分解、细根生物量、根长和土壤有机碳，从而增加植物间的四种形式的生物有效P。将植物、土壤微生物和P形态联系起来的结构方程模型表明，土壤细菌和真菌的多样性在调节树种丰富度对土壤P生物有效性的影响方面起着主导作用。
论文ID
原名：Linkage between treespecies richness and soil microbial diversity improves phosphorus bioavailability
译名：树种丰富度与土壤微生物多样性之间的联系提高了P的生物利用度
期刊：Functional Ecology
IF：5.827
发表时间：2019.04
通讯作者：项文化
作者单位：中南林业科技大学
实验设计
选取了三个次生林：马尾松-石栎-针叶林和常绿阔叶混交林（PLF），落叶阔叶林（CAF）和石栎-青冈-常绿阔叶林（LGF）。在三个次生林的早、中、晚期演替阶段分别建立1公顷的永久性地块。在三个次生林中选取了包含40种与微生物有联系的不同树种的共94个亚地块用于试验。为了消除边缘效应，尽量避免在相邻的子块取样，并使用五点混合采样方法来消除边缘效应。五个采样点包括子地块的中心和四个从中心到地块角落等距的点。分别在0-1cm和0-10cm土层取样。所有混合土壤样本均过2 mm筛，并分为四个子样本。一个子样本立即称重以测量土壤湿度；一个子样本风干测定SOC浓度、土壤Olsen-P浓度和土壤pH值；一个子样本储存在4°C以测量生物可利用P的含量；一个子样本储存在-80°C以测量微生物多样性。采样后30天内测定CaCl2-P、柠檬酸-P和HCl-P，7天内测定酶-P。
2 根样品收获及分析
细根（直径≤2 mm）从土壤中吸收养分和水分，以支持植物生长，并为影响生物有效P的土壤微生物提供碳资源。我们使用内径10 cm的螺旋钻在每个子地块的五个点收集土粒。将土壤运送到实验室，并分为有机和矿物土壤层。从土壤中分离出细根，并立即称重。用WinRHIZO软件扫描测定部分新鲜细根（精确称重）的长度，105℃干燥至恒重测定其生物量。用细根干生物量除以根长计算出比根长（m/g）。通过将细根总干生物量乘以特定根长，确定每个子地块的细根总长度（m）。
3 微生物多样性评价
利用Illumina-MiSeq对土壤微生物群落多样性进行了DNA测序分析。利用515F和907R对细菌16S rRNA基因进行扩增，利用ITS1F和ITS2对真菌ITS基因进行扩增。基因数据库的详细分析参照Chen等（2019）。Shannon多样性指数为土壤微生物群落的分类学多样性提供了一个有用的评价指标。真菌功能团根据Nguyen等人（2016年）的方法进行分类。因为丛枝菌根真菌主要集中在根的内部，因此我们没有进一步分析丛枝菌根真菌。
4 数据分析
我们首先利用Pearson相关系数研究了这四种生物有效P与土壤Olsen-P的关系。然后，我们使用线性混合效应模型来分析树种丰富度、树基面积、细根生物量和根长、叶凋落物生物量、土壤细菌和真菌多样性以及非生物因素（即海拔、土壤有机碳、土壤pH和水分）对子地块水平土壤生物可利用P的影响（表S4）。在R软件平台的“nlme”包中使用lme（）函数进行线性混合效应模型分析，使用限制最大似然（REML）来生成模型参数的无偏估计。
最后，利用SEMs分析了四种生物有效P形态与上述因素之间的直接和间接关系。第一步需要建立一个基于已知效应和驱动变量之间关系的先验模型（图1；表S4）。在我们的模型中，我们只考虑了影响土壤生物有效P的树种丰富度的植物-土壤反馈。使用R软件包中的lavaan和lavaan.survey分析SEMs。最后一个模型中的每一条路径都被评估为对模型的重要贡献。模型拟合指数为χ2检验（较低的卡方表示较好的模型），P（通常>0.05），近似均方根误差（RMSEA； RMSEA＜0.05时表示模型拟合较好）与90%置信区间。SEMs的拟合指数如表S5所示。为满足线性混合效应模型和SEMs的正态性要求，对林分的树基面积、细根长、海拔、SOC、柠檬酸-P和HCl-P进行对数变换，细根生物量进行平方根变换，通过将原始数据和平均值之间的差异除以标准差，对凋落物生物量进行了零-均值规范化正态化。
结果
1 土壤生物有效P浓度
在有机土壤中，CaCl2-P的平均浓度为0.22 mg/kg，柠檬酸-P为66.29 mg/kg，酶-P为0.62 mg/kg，HCl-P为341.35 mg/kg。在矿物土壤中，CaCl2-P的平均浓度为0.15 mg/kg，柠檬酸P为57.68 mg/kg，酶P为0.39 mg/kg，HCl-P为196.73 mg/kg。各生物有效P形态在有机质土壤中的浓度均显著高于矿质土壤（P<0.05）。有机土和矿质土中除矿质土中的酶-P外，其余4种土壤生物有效P均与土壤Olsen-P显著相关（P<0.05）。
图1 单作林（a）和混交林（b）土壤磷生物有效性的潜在机制示意图。
2 树种丰富度对土壤微生物多样性和生物有效P的影响
除了矿质土壤中的酶-P外，树种丰富度显著增加了四种生物有效P形态的浓度（图2）。树种丰富度对土壤生物有效P的影响在有机质土壤中比在矿质土壤中更为显著。林种类型对树种丰富度与生物有效P的关系无显著影响，但有机质土壤中的酶-P和矿质土壤中的柠檬酸-P和HCI-P除外。
柠檬酸-P、酶-P和HCl-P的浓度与有机和矿物土壤中的细菌、所有真菌和腐生真菌的多样性显著正相关，但矿物土壤中的HCl-P除外，后者与外生菌根真菌多样性显著负相关（图3）。CaCl2-P浓度仅随有机土壤细菌多样性的增加而显著升高，随外生菌根真菌多样性的增加而降低。
树种丰富度显著提高了有机土壤中细菌多样性（R2=0.06）和腐生真菌多样性（R2=0.04），但降低了土壤中外生菌根真菌多样性（R2=0.17）。在矿质土壤中，树种丰富度显著增加了所有真菌多样性（R2=0.09）和腐生真菌多样性（R2=0.12），降低了外生菌根真菌多样性（R2=0.12）。
图2 树种丰富度与CaCl2-P（a）、柠檬酸-P（b）、酶-P（c）和HCl-P（d）的相关性。红色线和蓝色线是拟合回归线（n=94）。
图3 土壤细菌、真菌、外生菌根真菌和腐生真菌多样性与CaCl2-P（a，b，c，d）、柠檬酸-P（e，f，g，h）、酶-P（i，j，k，l）和HCl-P（m，n，o，p）的相关性。
3 生物多样性和其他因素对土壤生物有效P的影响
由于有机土壤表现出与矿质土壤相同的树种丰富度变化模式，且树种丰富度对生物有效P的影响更为明显（图2），因此我们将重点研究有机土壤中的植物-微生物-土壤相互作用。
适用于有机土壤的线性混合效应模型表明，P生物有效性的解释变量取决于生物有效P的形式。树种丰富度显著影响CaCl2-P（F=16.21，P<0.001）、柠檬酸-P（F=39.93，P<0.001）、酶-P（F=4.80，P<0.05）和HCl-P（F=18.30，P<0.001）（表S4）。此外，土壤细菌多样性、树基面积、细根生物量和长度、海拔高度、土壤湿度和pH值显著影响CaCl2-P。土壤细菌和真菌多样性、海拔高度和SOC显著影响柠檬酸-P。土壤真菌多样性显著影响酶-P。土壤细菌和真菌多样性，凋落物生物量、海拔、有机碳和土壤pH对HCl-P有显著影响。
SEMs结果表明，CaCl2-P直接受树种丰富度、细菌多样性、细根长度、海拔高度、土壤湿度和pH值的影响；柠檬酸-P直接受树种丰富度、细菌和真菌多样性和SOC的影响；酶-P直接受树种丰富度，真菌多样性和SOC的影响；HCl-P直接受树种丰富度、树基面积、凋落物生物量、细菌和真菌多样性、海拔和SOC的影响（图5）。树种丰富度直接影响树基面积、细根生物量和长度、凋落物生物量和细菌多样性，而通过细根长度间接影响真菌多样性。
图4 树种丰富度与土壤细菌（a）、真菌（b）、外生菌根真菌（c）和腐生真菌（d）多样性的关系。
图5 树种丰富度、树基面积、细根生物量和长度、凋落物生物量、细菌和真菌多样性、土壤有机碳（SOC）、海拔、土壤pH和水分对有机土壤中CaCl2-P（a）、柠檬酸-P（b）、酶-P（c）和HCl-P（d）影响的结构方程模型（n=94）。
讨论
在本研究中，树种丰富度与土壤P的生物有效性呈正相关（图2和图5），这与其他研究一致。这些正向关系有几个潜在的原因。首先，不同的树种在形成SOC的过程中可以产生更多和更多种类的凋落物库（叶和根）（图5）；其次，树种丰富度促进树木生长（即树基面积（BA）；见图5），从而增加营养需求，包括对P的需求，然后驱动根系分泌物的产生（即有机酸，磷酸酶和H+/OH-/HCO3-）并刺激土壤微生物活动；第三，树木采样效应可能有助于提高采样率，因为在低P环境下，在更多样的生态系统中，高P移动性树种更占优势。在有机土壤中，树种丰富度对生物有效P的影响比矿物土壤更为显著（图2），这强化了由多种树种组成的森林产生不同数量和质量的叶枯落物和根枯落物的前提，增加有机层内细根密度的好处大大增加了与P动员有关的土壤有机碳和根系分泌物。
树种丰富度和土壤微生物之间的紧密联系影响植物和土壤反馈产生的生物有效P（图1和图5）。SEM分析显示树种丰富度增加了细根生物量和树生物量（树BA），导致SOC增加。植物生物量的增加可以通过根系分泌物推动地上C向地下的转移。此外，由于树种的多样性提高了凋落物的分解速率，树种丰富度与凋落物生物量呈负相关，从而增加了土壤有机碳。在以前的植物多样性试验中，观察到有机碳浓度的增加或植物物种丰富度的增加。众所周知，土壤微生物代谢和活性与基质有效性（SOC）的存在密切相关。此外，在更多样的植物群落中，细根生物量和细根长度的增加为微生物提供了更大的根表面积和更多样的栖息地，从而促进了多宿主和多微生物的相互作用，导致真菌多样性和细根长度之间的正向相关（图5）。因此，较高水平的碳输入和更有利的生境有助于更活跃、丰富和多样的土壤微生物群落，从而增加菌根的形成和有机酸、磷酸酶和H+/OH-/HCO3-的分泌，增加可利用P的生物量。
细菌、所有真菌和腐生真菌多样性增加了生物可利用P，但外生菌根真菌多样性降低了生物可利用P（图3）。无机P的溶解和固定是细菌P生物有效性的主要机制。细菌多样性直接促进无机P（CaCl2-P、柠檬酸-P和HCl-P）的增加（图5）。真菌多样性对酶-P生物利用度的贡献大于细菌多样性（图3），表明真菌群落通过分泌磷酸酶在酶-P生物利用度中起主导作用。因为有机酸和H+/OH-/HCO3-通常由植物和微生物、真菌多样性释放，柠檬酸-P和盐酸-P也显著增加。溶解P的能力取决于丛枝菌根和外生菌根真菌体外菌丝体的发育以及有机酸、磷酸酶和H+/OH-/HCO3-的释放。与植物根系相关联的丛枝菌根和外生菌根真菌等特定功能群形成菌根，菌根可以通过探索更大的土壤体积直接帮助植物吸收P，通过释放分泌物间接动员生物可利用P，从而降低生物可利用P（图3）。总体而言，树种丰富度影响土壤微生物多样性，进而强烈地介导土壤中的生物有效P，说明树种丰富度可以增强植物和土壤的反馈作用。
树种丰富度以及其他生物和非生物因素对生物有效P的影响因生物有效P的形式而异（图2和图5）。这可能是土壤P循环的结果，包括植物对P的吸收、凋落物对P的返还和凋落物的分解以及不同生物有效P形态之间的转化。树种丰富度增加了细根长度，这可以增加土壤探测以提高P吸收能力，然后消耗CaCl2-P，导致细根长度与CaCl2-P呈负相关（图5a）。流失的CaCl2-P可通过向土壤溶液中释放柠檬酸-P、酶-P和HCl-P中的P来供应。树种丰富度增加了矿质土壤对P的吸收，并主要通过凋落物和凋落物分解将其返回有机层，有机酸通常由植物根系或菌根分泌，与其他三种生物有效P相比，树种丰富度和柠檬酸-P之间的关系更强（图5b）。植物根系和土壤微生物的磷酸酶分泌与土壤P的有效性呈负相关，这是由能量消耗和对P的需求的依赖性决定的。每年约有1/3的C被输送到植物根系，这为根系和真菌产生磷酸酶提供了能量。SOC能增强磷酸酶活性，从而维持较高的酶-P矿化率。因此，只有树种丰富度、真菌多样性和SOC与酶-P直接相关（图5c）。HCl-P形式不能直接用于植物和微生物，需要通过不同的生物和非生物因素（如土壤微生物和SOC）释放之后才能被利用。此外，当阴离子和阳离子的吸收不平衡时，会分泌H+/OH-/HCO3-，导致土壤酸化，导致Fe3+/Al3+释放到土壤溶液中，然后导致HCl-P释放。因此，与生物和非生物因素相比，树种丰富度对HCl-P的影响相对较小（图5d）。
结论
据我们所知，这是第一次通过确定树木、微生物和土壤之间的联系，探讨土壤P生物有效性与不同树种的关系的机制。树种丰富度高的区域生物有效P含量较高。树种丰富度对生物有效P的影响是由土壤微生物多样性介导的，土壤微生物多样性以有机碳为底物，以细根为主要生境。树种与微生物多样性之间的联系反映了植物和土壤的反馈。树种丰富度对有机质土壤生物有效P的影响比矿质土壤更为显著，这可能是由于P的循环利用增加了凋落物向有机质土壤的返回和植物对矿质土壤P的吸收。树种丰富度对P的生物有效性的影响因P的循环利用和柠檬酸-P、酶-P和HCl-P转化为可溶性P供应CaCl2-P而不同，土壤细菌和真菌可以提高土壤P的生物有效性，增强植物和土壤的反馈作用。
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