原名：Multitrophic interactions support belowground carbon sequestration

through microbial necromass accumulation in dryland biocrusts

譯名：多營(yíng)養(yǎng)級(jí)相互作用通過(guò)微生物殘?bào)w積累以支持干旱生物結(jié)皮中土壤碳封存

期刊：Soil Biology and Biochemistry

IF：9.8

發(fā)表日期：2025年1月

第一作者：石佳 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 博士研究生

通訊作者：王祥 中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué) 教授

土壤有機(jī)碳（SOC）是全球最大的陸地有機(jī)碳庫(kù)，估計(jì)有1500-2400 Pg。SOC在調(diào)節(jié)全球碳儲(chǔ)量和通量方面發(fā)揮著重要作用。土壤微生物被視為土壤碳動(dòng)態(tài)的主要調(diào)節(jié)因子。一般來(lái)說(shuō)，微生物通過(guò)分解減少SOC庫(kù)存，同時(shí)通過(guò)形成微生物生物量和穩(wěn)定壞死殘留物來(lái)促進(jìn)穩(wěn)定的碳庫(kù)。最近對(duì)土壤生物標(biāo)志物的全球評(píng)估表明，微生物尸體占SOC庫(kù)的50%，而活微生物生物量不到5%。因此，需要深入了解控制微生物生命和死亡過(guò)程的機(jī)制，以揭示全球碳循環(huán)的復(fù)雜性，并制定有效的土壤管理策略。

如生物物理特征、細(xì)胞化學(xué)組成和生活史等，影響土壤有機(jī)物循環(huán)與微生物殘?bào)w碳（MNC）積累。碳利用效率（CUE）衡量轉(zhuǎn)化為微生物生物量的有機(jī)碳占比，反映土壤有機(jī)碳（SOC）平衡，與 MNC、SOC 的關(guān)系存爭(zhēng)議。

競(jìng)爭(zhēng)、互利共生和捕食等生物相互作用，影響微生物殘?bào)w形成與性質(zhì)。土壤微生物是食物網(wǎng)基礎(chǔ)，種間競(jìng)爭(zhēng)和高營(yíng)養(yǎng)級(jí)捕食影響其存亡與生物量向殘?bào)w的轉(zhuǎn)化。營(yíng)養(yǎng)級(jí)內(nèi)和級(jí)間的相互作用，會(huì)影響 MNC 積累與 SOC 。

（1）多個(gè)營(yíng)養(yǎng)級(jí)類群會(huì)介導(dǎo)土壤微生物殘?bào)w碳的積累。

（2）營(yíng)養(yǎng)級(jí)內(nèi)的資源競(jìng)爭(zhēng)和跨營(yíng)養(yǎng)級(jí)的掠食性捕食，都可能導(dǎo)致土壤碳更高效地分解，以及微生物殘?bào)w積累減少。

（1）研究區(qū)域位于中國(guó)西北部陜西省神木市（東經(jīng)110°25′–110°29′，北緯 38°44′ ? 38°47′），研究選取了四個(gè)代表性地點(diǎn)，在每個(gè)地點(diǎn)內(nèi)隨機(jī)選定三個(gè)樣方（10×10 米，樣方間距約 100 米）。在每個(gè)樣方的裸土區(qū)和生物結(jié)皮覆蓋區(qū)分別采集五個(gè)土壤芯樣（深度 0 - 5 厘米）。將五個(gè)土壤芯樣充分混合，得到一個(gè)混合土壤樣本，最終共獲得 24 個(gè)樣本。

（2）檢測(cè)指標(biāo)：pH、SOC、TN、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、DOM、微生物碳利用效率（CUE）、氨基糖、16srRNA測(cè)序、ITS測(cè)序。

（2）微生物殘?bào)w碳與微生物群落之間的關(guān)聯(lián)：所有類群的香農(nóng)多樣性與細(xì)菌殘?bào)w碳（BNC）、真菌殘?bào)w碳（FNC）和微生物殘?bào)w碳（MNC）呈負(fù)相關(guān)（p < 0.05）（圖 2A）。就單個(gè)生物類型而言，古菌、細(xì)菌、真菌和原生動(dòng)物群落的多樣性與 MNC 呈負(fù)相關(guān)（p < 0.05），而藻類群落的多樣性與 MNC 呈正相關(guān)（p < 0.05）（圖 2A）。在分類豐富度方面，只有線蟲(chóng)的豐富度與 MNC 及其組成部分存在顯著關(guān)聯(lián)，而與其他生物類型的相關(guān)性較弱（圖 2A）。通過(guò) Mantel 檢驗(yàn)，進(jìn)一步研究了群落結(jié)構(gòu)與微生物殘?bào)w碳之間的關(guān)聯(lián)（圖 2B）。藻類、細(xì)菌和原生動(dòng)物群落以及綜合群落（所有類群）的結(jié)構(gòu)與 BNC、FNC 和 MNC 顯著相關(guān)（圖 2B）。群落相異性與 BNC/SOC 或 MNC/SOC 均無(wú)相關(guān)性；相反，所有類群、細(xì)菌和原生動(dòng)物的群落相異性與 FNC/SOC 密切相關(guān)。

（3）生物結(jié)皮群落與裸土群落中不同的多營(yíng)養(yǎng)級(jí)相互作用：為了比較生物結(jié)皮群落和裸土群落中的物種相互作用，構(gòu)建了藻類、古菌、細(xì)菌、真菌、線蟲(chóng)和原生動(dòng)物的綜合共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)（圖 3）。各類群香農(nóng)多樣性與 BNC、FNC、MNC 負(fù)相關(guān)（p < 0.05）。單一生物中，古菌、細(xì)菌、真菌、原生動(dòng)物群落多樣性與 MNC 負(fù)相關(guān)，藻類正相關(guān)，原生動(dòng)物相關(guān)性最強(qiáng)。豐富度上，僅線蟲(chóng)與 MNC 顯著關(guān)聯(lián)?？紤]微生物殘?bào)w占 SOC 比例，與多樣性顯著相關(guān)性少。Mantel 檢驗(yàn)表明，多群落結(jié)構(gòu)與 BNC、FNC、MNC 顯著相關(guān)，群落相異性與 FNC/SOC 密切相關(guān)。

構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)對(duì)比生物結(jié)皮和裸土群落物種作用。兩網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、連接數(shù)不同。生物結(jié)皮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓?jiǎn)單，子網(wǎng)也如此。低營(yíng)養(yǎng)級(jí)節(jié)點(diǎn)及連接多于高營(yíng)養(yǎng)級(jí)，生物結(jié)皮高營(yíng)養(yǎng)級(jí)、藻類節(jié)點(diǎn)相對(duì)豐度更高。生物結(jié)皮子網(wǎng) WTA 比例低、CTA 比例高，WTA 負(fù)向關(guān)聯(lián)更少。特定類群關(guān)聯(lián)不同，裸土網(wǎng)絡(luò)中古菌、細(xì)菌相關(guān) WTA 多，生物結(jié)皮網(wǎng)絡(luò)中藻類、真菌、線蟲(chóng)、原生動(dòng)物相關(guān) WTA 多，藻類、線蟲(chóng)關(guān)聯(lián)更多。?

（4）微生物殘?bào)w碳（MNC）及其組成部分（細(xì)菌殘?bào)w碳 BNC 和真菌殘?bào)w碳 FNC）與多個(gè)子網(wǎng)參數(shù)呈負(fù)相關(guān)，這些參數(shù)包括平均聚類系數(shù)、平均度、邊數(shù)、圖密度和模塊度（圖 4）。此外，這些網(wǎng)絡(luò)參數(shù)與 BNC / 土壤有機(jī)碳（SOC）的比值也呈負(fù)相關(guān)，這表明網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性增加可能會(huì)導(dǎo)致土壤細(xì)菌殘?bào)w降解。營(yíng)養(yǎng)級(jí)內(nèi)關(guān)聯(lián)（WTA）和跨營(yíng)養(yǎng)級(jí)關(guān)聯(lián)（CTA）均與微生物殘?bào)w碳及其組成部分顯著相關(guān)（p < 0.05，圖 4），不過(guò) WTA 呈負(fù)相關(guān)，CTA 呈正相關(guān)（圖 4）。采用隨機(jī)森林模型評(píng)估群落組成、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性、土壤性質(zhì)和物種相互作用對(duì)微生物殘?bào)w碳積累的相對(duì)重要性（圖 4）。

本研究揭示了旱地生態(tài)系統(tǒng)中碳固存的一種新機(jī)制，即土壤微型食物網(wǎng)中的多營(yíng)養(yǎng)級(jí)相互作用調(diào)控著微生物殘?bào)w的積累，同時(shí)也為了解土壤微生物殘?bào)w的動(dòng)態(tài)變化和穩(wěn)定性提供了新的視角。