不同土壤水分下元素化學(xué)計(jì)量對(duì)微生物多樣性的塑造特征

陳俊芳，吳憲，劉嘯林，劉娟，楊佳絨，劉宇*

1.華東師范大學(xué)-阿爾伯塔大學(xué)生物多樣性聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室/華東師范大學(xué)生態(tài)與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，上海 200241；2.浙江天童森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站，浙江 寧波 315114；3.白浮圖鎮(zhèn)農(nóng)林中心，山東 成武 274200

以碳（Carbon，C）、氮（Nitrogen，N）和磷（Phosphorus，P）為代表的化學(xué)元素是構(gòu)成生物體的主要組成部分。生物生長(zhǎng)實(shí)質(zhì)上是對(duì)這些元素的積聚和相對(duì)比例的調(diào)節(jié)過(guò)程（Elser et al.，2010）。在高度異質(zhì)化的土壤生態(tài)系統(tǒng)中，C、N 和P 為土壤微生物提供了基本能量和養(yǎng)分需求（Elser et al.，2007），元素化學(xué)計(jì)量可以影響微生物的多樣性和群落組成（Jiao et al.，2021），進(jìn)而維持植物-土壤系統(tǒng)中元素吸收和釋放間的平衡（Makino et al.，2003）。元素的生態(tài)化學(xué)計(jì)量（ecological stoichiometry，EST）旨在解釋生物的生活方式和生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能與非生物介質(zhì)（水分和土壤）和生物體的C、N 和P 化學(xué)計(jì)量的關(guān)系（Sardans et al.，2012）。元素化學(xué)計(jì)量構(gòu)成生物地球化學(xué)循環(huán)和食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)及過(guò)程的內(nèi)在聯(lián)系，可謂是生態(tài)系統(tǒng)功能的核心（Zechmeister-Boltenstern et al.，2015）。元素化學(xué)計(jì)量的最早研究開(kāi)展于水生生態(tài)系統(tǒng)，后來(lái)逐漸過(guò)渡到陸地生態(tài)系統(tǒng)（Austin et al.，2012）。盡管目前關(guān)于生態(tài)系統(tǒng)中的植物、凋落物及土壤的化學(xué)計(jì)量已涌現(xiàn)許多相關(guān)的研究，但有關(guān)驅(qū)動(dòng)元素循環(huán)的土壤微生物方面的認(rèn)知還相對(duì)有限。有研究發(fā)現(xiàn)土壤元素（C、N 和P）及其化學(xué)計(jì)量（C?N、C?P 和N?P）是陸地生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)分解和養(yǎng)分循環(huán)的主要驅(qū)動(dòng)力，而這些過(guò)程主要由微生物群落所介導(dǎo)（Finzi et al.，2011；Zechmeister-Boltenstern et al.，2015）。

土壤微生物群落是地球上數(shù)量最多樣、種類(lèi)最豐富的群落，在生態(tài)系統(tǒng)中發(fā)揮著重要的作用，包括養(yǎng)分循環(huán)、初級(jí)生產(chǎn)和凋落物分解等（Delgado-Baquerizo et al.，2016；Van Der Heijden et al.，2008）。盡管這一龐大群體對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的功能和服務(wù)十分重要，但目前關(guān)于陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤微生物多樣性模式解釋的理論框架和實(shí)證數(shù)據(jù)仍有所欠缺（Bardgett et al.，2014；Delgado-baquerizo et al.，2017）。近年來(lái)，研究發(fā)現(xiàn)土壤元素C、N 和P 含量及其比率可以作為微生物多樣性的驅(qū)動(dòng)因素（Delgado-Baquerizo et al.，2016；Jiao et al.，2021）。例如，有研究發(fā)現(xiàn)高P、低C 含量能促進(jìn)微生物多樣性，而元素化學(xué)計(jì)量（C?N、C?P 和N?P）與微生物多樣性卻呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系（Delgado-Baquerizo et al.，2017）。但總體而言目前有關(guān)氣候變化下土壤化學(xué)計(jì)量對(duì)土壤微生物多樣性塑造的重要性仍不清楚（Delgadobaquerizo et al.，2017；王譽(yù)陶等，2020）。

鑒于生物體通常具有保守的元素化學(xué)計(jì)量，從環(huán)境中獲取C、N 和P 的能力極大地限制了生物體和群落對(duì)氣候變化的響應(yīng)（Finzi et al.，2011）。當(dāng)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，土壤微生物可以通過(guò)改變自身的代謝途徑來(lái)維持細(xì)胞膜的功能性（Hall et al.，2010），在生態(tài)系統(tǒng)層面上此過(guò)程要求充足的C、N 和P 供應(yīng)（Schimel et al.，2007）。隨著全球氣候變暖和降水格局的改變，土壤的水熱條件發(fā)生變化，正在影響陸地生態(tài)系統(tǒng)土壤的元素化學(xué)計(jì)量特征（Delgado-Baquerizo et al.，2013；Li et al.，2018）。在全球氣候變化的大背景下，評(píng)估土壤元素和元素化學(xué)計(jì)量如何影響土壤微生物的多樣性和群落組成，對(duì)我們深入探索不斷變化的環(huán)境下生態(tài)系統(tǒng)的功能并制定可持續(xù)的管理政策至關(guān)重要（圖1）。因此，本研究利用在天童20 hm2森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地內(nèi)采集到的1 287 個(gè)土壤樣品，評(píng)估不同土壤水分下，C、N 和P 含量和化學(xué)計(jì)量在確定土壤微生物多樣性在局域尺度格局中的作用，以期為理解陸地生態(tài)系統(tǒng)如何響應(yīng)氣候變化的機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

圖1 氣候變化背景下土壤元素和化學(xué)計(jì)量與微生物多樣性關(guān)系的框架圖Figure 1 An illustrative framework of the linkages between elemental stoichiometry and soil microbial diversity under climate change

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)位于中國(guó)浙江省寧波市天童國(guó)家自然保護(hù)區(qū)（華東師范大學(xué)）20 hm2亞熱帶森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地（29°48′N(xiāo)，121°47′E），屬于東部浙閩山地丘陵，是典型的常綠闊葉林區(qū)。氣候類(lèi)型為亞熱帶季風(fēng)氣候，夏季炎熱潮濕，冬季寒冷干燥，年平均氣溫為16.2 ℃，年平均降水量為1 374 mm，降雨主要集中在6－8 月（Hu et al.，2020）。該森林樣地設(shè)立于2008 年，東西長(zhǎng)500 m，南北寬400 m，平均海拔為 447.2 m，是全球森林觀測(cè)站（ForestGEO，https://forestgeo.si.edu/）網(wǎng)絡(luò)的組成部分之一（Qiao et al.，2020）。植被以米櫧（Castanopsis carlesii）、栲樹(shù)（Castanopsisfargesii）和木荷（Schimasuperba）等為主（Hu et al.，2020）。土壤質(zhì)地為紅黃壤，土層厚度不一。

1.2 土壤取樣和處理

于2018 年9 月采集土壤樣品，用于理化性質(zhì)測(cè)定和微生物分析。將20 hm2（500 m×400 m）的樣地以20 m 為間隔劃分為500 個(gè)20 m×20 m 的小樣方，共計(jì)546 個(gè)頂點(diǎn)，均為取樣點(diǎn)。然后隨機(jī)選擇70%的頂點(diǎn)進(jìn)行延伸取樣，即從8 個(gè)方向（正向和正向各偏45°）中隨機(jī)選擇一個(gè)方向設(shè)置為取樣方向，從該方向上2、5、8 m 等3 個(gè)距離中任選兩個(gè)設(shè)置為取樣點(diǎn)（John et al.，2007）。去除土壤表面凋落物后，在每個(gè)采樣點(diǎn)周?chē)?.5 m 范圍內(nèi)使用直徑為10 cm 的土壤采樣器隨機(jī)采集4 個(gè)表層土芯（0－10 cm）并混合為一個(gè)土壤樣品。將所有采集到的1 287 個(gè)土壤樣品放入滅菌自封袋并保存于保溫箱中，迅速帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行樣品前處理。將所有土壤樣品過(guò)2 mm 篩后分為2 份子樣品，一份儲(chǔ)存在?80 ℃下，用于提取土壤DNA 并進(jìn)行微生物分析；另一份經(jīng)風(fēng)干或烘干后用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。在這項(xiàng)研究中，依據(jù)鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》（鮑士旦，2000）中的方法測(cè)定了土壤含水量（Water content，WC）、有機(jī)碳（Organic carbon，OC）、全氮（Total nitrogen，TN）、全磷（Total phosphorus，TP）含量。其中，半微量開(kāi)氏法測(cè)定土壤TN 含量，重鉻酸鉀容量法測(cè)定土壤OC 含量，HClO4-H2SO4消煮-鉬銻抗比色法測(cè)定TP 含量，105 ℃烘干法測(cè)定土壤WC。將所有土壤樣品按水分高低含量等分為相對(duì)較高（High_WC）和較低（Low_WC）兩個(gè)水平，其中相對(duì)較高的土壤水分范圍為75.5%－34.8%，相對(duì)較低的土壤水分范圍為34.8%－4.83%。

1.3 土壤DNA 提取和PCR 擴(kuò)增

根據(jù)說(shuō)明書(shū)，使用MagPure Soil DNA KF Kit試劑盒從每個(gè)樣品中取0.5 g 進(jìn)行土壤DNA 抽提，其DNA 質(zhì)量在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%的瓊脂糖凝膠電泳上進(jìn)行檢測(cè)，濃度和純度使用 NanoDrop One（Thermo Fisher Scientific，Waltham，MA，USA）進(jìn)行測(cè)定。使用引物515F（5′-GTGCCAGCMGCCG CGGTAA-3′）和907R（5′-CCGTCAATTCMTTT RAGTTT-3′）擴(kuò)增細(xì)菌16S rRNA 基因的V4－V5高變區(qū)序列，引物ITS3（5′-GCATCGATGAAGAAC GCAGC-3′）和ITS4（5′-TCCTCCGCTTATTGATA TGC-3′）擴(kuò)增真菌的第一個(gè)內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔序列（ITS1）。在由 25 μL 2×Premix Taq（Takara Biotechnology（Dalian）Co.Ltd.，China）組成的反應(yīng)系統(tǒng)中，使用BioRad S1000（Bio-Rad Laboratory，Hercules，CA，USA）一式三份進(jìn)行PCR 擴(kuò)增，上下游引物各1 μL（10 μmol·L?1）DNA 模板為3 μL（20 ng·μL?1）。使用PCR 擴(kuò)增DNA 樣品，程序如下：95 ℃預(yù)變性5 min，然后30 個(gè)循環(huán)（94 ℃變性30 s，52 ℃退火30 s，72 ℃延伸30 s），然后72 ℃穩(wěn)定延伸10 min。

1.4 Illumina 高通量測(cè)序與生物信息學(xué)分析

PCR 產(chǎn)物的長(zhǎng)度和濃度用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)，選擇具有明亮主帶（長(zhǎng)度在正常范圍內(nèi)）的樣品用于下步實(shí)驗(yàn)。根據(jù)GeneTools Analysis Software（版本4.03.05.0，SynGene）以等密度比混合PCR 產(chǎn)物。然后，PCR 產(chǎn)物用E.Z.N.A.?Gel Extraction Kit 凝膠提取試劑盒（Omega Bio Tek，Norcross，GA，USA）合并和純化。建庫(kù)操作按照NEBNext?Ultra?DNA Library Prep Kit for Illumina?標(biāo)準(zhǔn)流程進(jìn)行。將純化的擴(kuò)增子以等濃度匯集，并在廣東Magigene 生物技術(shù)有限公司在IlluminaHiseq2500 平臺(tái)上對(duì)擴(kuò)增子文庫(kù)進(jìn)行末端配對(duì)（PE250）測(cè)序。

使用Trimmomatic（Bolger et al.，2014）軟件對(duì)原始的16S rRNA 和內(nèi)部轉(zhuǎn)錄間隔（ITS）基因測(cè)序序列進(jìn)行質(zhì)控，過(guò)濾含N 的reads、質(zhì)量值低于20 及質(zhì)控后序列長(zhǎng)度低于100 bp 的reads，獲得paired-end clean reads。使用FLASH（Mago? et al.，2011）（https://ccb.jhu.edu/software/FLASH/）軟件拼接，具有以下標(biāo)準(zhǔn)：（1）根據(jù)PE 序列間的重疊關(guān)系，將成對(duì)序列拼接成一條序列，最小重疊長(zhǎng)度設(shè)置為10 bp；（2）拼接序列的重疊區(qū)域的最大錯(cuò)配率為0.1，過(guò)濾掉不符合的序列，獲得原始的拼接序列（Raw Tags）；（3）使用Mothur（Schloss et al.，2009）軟件（http://www.mothur.org）進(jìn)行歸類(lèi)操作。根據(jù)標(biāo)簽（barcode）和引物（primer）信息等將序列分配到對(duì)應(yīng)的樣品中，并調(diào)整序列方向。barcode 允許的錯(cuò)配數(shù)為2，最大引物錯(cuò)配數(shù)為3。然后，去除barcode 和primer，得到有效的拼接片段（Clean Tags）。使用USEARCH 軟件（Edgar，2010），根據(jù)97%的相似度對(duì)高質(zhì)量的核酸序列聚類(lèi)到操作分類(lèi)單位（Operational taxonomic units，OTUs）水平，并剔除嵌合體和單條序列。每個(gè)細(xì)菌（https://doi.org/10.6084/m9.figshare.21692744.v1）和真菌（https://doi.org/10.6084/m9.figshare.21687824.v1）OTU 的代表序列分別與Silva（版本128，https://www.arb-silva.de/）和Unite 數(shù)據(jù)庫(kù)（版本7.2，http://unite.ut.ee/index.php）比對(duì)獲取物種的注釋信息，比對(duì)設(shè)定置信度閾值默認(rèn)為0.5 以上。刪除在所有樣本中序列總和小于20 的OTUs 后，共獲得8 373 個(gè)細(xì)菌OTUs 和11 961 個(gè)真菌OTUs。此外，所有樣本的序列信息均根據(jù)最小序列數(shù)進(jìn)行抽平，以校正測(cè)序深度的差異。

1.5 統(tǒng)計(jì)分析

本研究所涉及的數(shù)據(jù)分析和相關(guān)圖表均在R 軟件（https://www.r-project.org/）4.1.2 版本中完成。利用曼特爾檢驗(yàn)（Mantel test），分析微生物群落組成與土壤水分的相關(guān)性。使用Vegan 包（Dixon，2003）中的‘diversity’和‘ggplot2’函數(shù)計(jì)算土壤微生物的α 多樣性并繪制箱線圖。基于Bray-Curtis 相異度矩陣生成不同土壤水分下的主坐標(biāo)分析（Principal Co-ordinates Analysis，PCoA），并采用Anosim 檢驗(yàn)進(jìn)行顯著性分析，評(píng)估細(xì)菌和真菌的群落組成在不同土壤水分下是否存在顯著差異。利用線性回歸模型評(píng)估不同水分下土壤元素和化學(xué)計(jì)量的變化情況。利用Spearman 相關(guān)分析解析不同土壤水分下元素和化學(xué)計(jì)量分別與微生物多樣性的關(guān)系。使用Pheatmap 包繪制熱圖，分析不同水分下土壤元素和化學(xué)計(jì)量對(duì)微生物主要門(mén)類(lèi)的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤水分下微生物群落多樣性和組成差異

曼特爾檢驗(yàn)（Mantel test）顯示，土壤水分與微生物（細(xì)菌和真菌）群落組成存在顯著的相關(guān)關(guān)系（表1）。通過(guò)對(duì)微生物群落α 多樣性（圖2）的分析發(fā)現(xiàn)，土壤水分對(duì)細(xì)菌和真菌多樣性均產(chǎn)生了顯著影響，相較于高土壤水分，在低土壤水分下，細(xì)菌和真菌群落的α 多樣性分別顯著提高了0.830%和2.62%。此外，通過(guò)PCoA 分析并結(jié)合Anosim 檢驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，不同土壤水分下細(xì)菌和真菌群落出現(xiàn)分離，細(xì)菌和真菌前兩軸的總解釋率分別為31%和10%，且細(xì)菌和真菌的群落結(jié)構(gòu)在不同土壤水分下均存在顯著差異（圖3）。

表1 土壤水分與細(xì)菌和真菌群落組成的關(guān)系（曼特爾檢驗(yàn)）Table 1 Relationship of soil moisture and community composition of bacteria and fungi (Mantel test)

圖2 不同土壤水分下細(xì)菌和真菌群落的α 多樣性Figure 2 The α diversities of bacterial and fungal community under relatively high vs.low water contents

圖3 細(xì)菌和真菌群落的β 多樣性Figure 3 The β diversities of bacterial and fungal community

繪制不同土壤水分下細(xì)菌和真菌物種組成圖，細(xì)菌主要?jiǎng)澐譃?2 個(gè)門(mén)，其中酸桿菌門(mén)（Acidobacteria；38%）、變形菌門(mén)（Proteobacteria；33%）和放線菌門(mén)（Actinobacteria；5%）的相對(duì)豐度較高。真菌主要?jiǎng)澐譃?5 個(gè)門(mén)，其中子囊菌門(mén)（Ascomycota；32%）、擔(dān)子菌門(mén)（Basidiomycota；31%）和隱菌門(mén)（Rozellomycota；12%）的相對(duì)豐度較高（圖4）。此外，通過(guò)對(duì)比微生物在門(mén)水平上相對(duì)豐度的變化可以發(fā)現(xiàn)，無(wú)論是細(xì)菌還是真菌，門(mén)水平下的微生物類(lèi)群在不同土壤水分下均表現(xiàn)出不同的響應(yīng)模式。具體而言，相較于低土壤水分，高土壤水分顯著提高了細(xì)菌5 個(gè)門(mén)類(lèi)（圖5），即變形菌門(mén)（ Proteobacteria ）、放線菌門(mén)（Actinobacteria）、浮霉菌門(mén)（Planctomycetes）、WPS菌門(mén)（WPS-2）和藍(lán)藻菌門(mén)（Cyanobacteria）和真菌2 個(gè)門(mén)類(lèi)，即隱菌門(mén)（Rozellomycota）和結(jié)合菌門(mén)（Zygomycota）的相對(duì)豐度，增幅分別為6.50%－97.4%和0.530%－39.7%；顯著降低了細(xì)菌7 個(gè)門(mén)類(lèi)，即酸桿菌門(mén)（Acidobacteria）、疣微菌門(mén)（Verrucomiocrobia）、擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）、綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）、芽單胞菌門(mén)（Gemmatimonadetes）、髕骨菌門(mén)（Patescibacteria）和迷蹤菌門(mén)（Elusimicrobia）和真菌2 個(gè)門(mén)類(lèi)，即子囊菌門(mén)（Ascomycota）和球囊菌門(mén)（Glomeromycota）的相對(duì)豐度，降幅分別為6.90%－39.7%和7.09%－7.33%。

圖4 不同土壤水分下細(xì)菌和真菌群落組成Figure 4 Bacterial and fungal community compositions at phylum-level under relatively high vs.low water contents

圖5 細(xì)菌和真菌主要類(lèi)群的相對(duì)豐度在不同水分條件下的差異對(duì)比Figure 5 Comparisons of the relative abundance of bacterial and fungal major groups under relatively high vs.low water contents

2.2 不同土壤水分下的土壤元素和化學(xué)計(jì)量

基于線性回歸分析可以發(fā)現(xiàn)（圖6），土壤元素和化學(xué)計(jì)量（C?N、C?P 和N?P）與土壤水分間的模型擬合均達(dá)到了顯著水平，即土壤水分對(duì)土壤元素和化學(xué)計(jì)量均產(chǎn)生了顯著影響（P<0.001）。無(wú)論在High_WC 還是Low_WC 下，土壤元素和化學(xué)計(jì)量均隨著土壤含水量的增加而顯著增加。此外，結(jié)合秩和檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，High_WC 下OC、C?N 和C?P 均顯著高于Low_WC（表2）。

表2 土壤元素和化學(xué)計(jì)量在不同土壤水分下的差異比較Table 2 Comparisons of soil elements and stoichiometry under relatively high vs.low water contents

圖6 土壤水分與土壤元素和化學(xué)計(jì)量的關(guān)系Figure 6 Relationships of relatively high vs.low water contents and soil elements and stoichiometry

2.3 不同水分下元素和化學(xué)計(jì)量與微生物多樣性的關(guān)系

基于Spearman 相關(guān)分析可以發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌群落的α 多樣性隨著C?N、C?P 和N?P 的增加而顯著降低（圖7），而TP 與之相反，且較高和較低的土壤水分并沒(méi)有改變其變化趨勢(shì)（圖7）。TN 和OC 與多樣性的關(guān)系受到土壤水分的影響，即High_WC下呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.001），而在Low_WC 下兩者間未呈現(xiàn)顯著的相關(guān)關(guān)系（P>0.05）。真菌群落的α 多樣性與土壤元素和化學(xué)計(jì)量的關(guān)系基本與細(xì)菌保持一致關(guān)系（圖7）。

圖7 不同水分下土壤元素和化學(xué)計(jì)量與微生物α 多樣性的關(guān)系Figure 7 Relationships between soil elements and stoichiometry and microbial α diversity under relatively high vs.low water contents

續(xù)圖7 不同水分下土壤元素和化學(xué)計(jì)量與微生物α 多樣性的關(guān)系Continued figure 7 Relationships between soil elements and stoichiometry and microbial α diversity under relatively high vs.low water contents

通過(guò)熱圖（圖8）可以發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌和真菌主要門(mén)類(lèi)的相對(duì)豐度在不同的土壤水分下與土壤元素和化學(xué)計(jì)量之間存在一定的相關(guān)性。其中，酸桿菌門(mén)（Acidobacteria）、綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）和擬桿菌門(mén)（Bacteroidetes）與OC、TN、C?N、C?P 和N?P 呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01）；而放線菌門(mén)（Actinobacteria）和變形菌門(mén)（Proteobacteria）與土壤元素和化學(xué)計(jì)量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。此外，在High_WC 下，隱菌門(mén)（Rozellomycota）與土壤元素和化學(xué)計(jì)量均呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01），而在Low_WC 下，其相對(duì)豐度僅僅與土壤元素TP 呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。同時(shí)，擔(dān)子菌門(mén)（Basidiomycota）的相對(duì)豐度在Low_WC 下僅與土壤C?N 存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（P<0.01）。

圖8 不同水分下土壤元素和化學(xué)計(jì)量與微生物主要門(mén)類(lèi)的關(guān)系Figure 8 Relationships between soil elements and stoichiometry and the primary microbial phyla under relatively high vs.low water contents

3 討論

3.1 土壤水分對(duì)微生物多樣性和群落組成的影響

在全球氣候變化和降水格局不斷改變的背景下（New et al.，2001），世界范圍內(nèi)干旱事件發(fā)生的頻度和強(qiáng)度顯著增加（Huang et al.，2016），對(duì)陸地生態(tài)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能及生物多樣性產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。作為土壤的重要組成部分之一，土壤水分是植物和微生物生存的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。同時(shí)，土壤水分也是干旱脅迫對(duì)全球生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力產(chǎn)生壓力的主導(dǎo)因素（Liu et al.，2020）。本研究表明土壤水分對(duì)細(xì)菌和真菌的多樣性及其群落組成均存在顯著影響，這與以往的研究結(jié)果相一致（Ochoa-Hueso et al.，2018）。在微生物多樣性方面，本研究發(fā)現(xiàn)High_WC 下微生物多樣性反而相對(duì)較低，這可能是由于土壤中的水分含量較高時(shí)，微生物偏愛(ài)性的營(yíng)養(yǎng)資源處于相對(duì)易于被利用狀態(tài)，引起微生物出現(xiàn)趨同性，進(jìn)而導(dǎo)致群落多樣性降低。在微生物群落組成方面，不同微生物類(lèi)群對(duì)土壤水分呈現(xiàn)出截然相異的響應(yīng)模式，這可能是因?yàn)椴煌奈⑸锶郝浯嬖谶m宜其生長(zhǎng)的水分生態(tài)位（Lennon et al.，2012）。以往基于草地生態(tài)系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，細(xì)菌類(lèi)群中的放線菌門(mén)（Actinobacteria）的相對(duì)豐度隨著干旱程度的增加而增加（Barnard et al.，2013；Ochoa-Hueso et al.，2018），這些門(mén)類(lèi)對(duì)干旱通常具有較強(qiáng)的抵抗性，屬于“準(zhǔn)備型”策略，即在低土壤水分條件下，放線菌門(mén)（Actinobacteria）可以增加自身核糖體的合成，以便在土壤條件變得有利于養(yǎng)分獲取時(shí)處于優(yōu)勢(shì)地位，這使得它們?cè)谳^低的水分條件下比其它微生物類(lèi)群更能幸存（Battistuzzi et al.，2009）。而酸桿菌門(mén)（ Acidobacteria ） 和疣微菌門(mén)（Verrucomiocrobia）遵循“快速響應(yīng)”的生命策略，即在較低的土壤水分下，并非投資自身核糖體的合成，而依賴(lài)于水分充足后快速合成核糖體（Barnard et al.，2013）。然而，在本研究中，放線菌門(mén)（Actinobacteria）在High_WC 下的相對(duì)豐度較高，這可能是因?yàn)椴煌鷳B(tài)系統(tǒng)具有復(fù)雜性和異質(zhì)性，土壤微生物菌群對(duì)水分的變化存在差異化的響應(yīng)（Maestre et al.，2015；Xu et al.，2018），微生物會(huì)本能地選擇適應(yīng)自身生長(zhǎng)的策略生存。這些與土壤水分相關(guān)的細(xì)菌生命策略表明，降雨格局的改變可能通過(guò)影響微生物群落的活性來(lái)影響土壤養(yǎng)分循環(huán)（Barnard et al.，2013）。這也為我們以后研究不同生態(tài)系統(tǒng)中同種微生物類(lèi)群的不同響應(yīng)模式提供了新的見(jiàn)解

3.2 不同土壤水分下的元素和化學(xué)計(jì)量的變化

隨著全球氣候的不斷變化，受到生物化學(xué)過(guò)程介導(dǎo)的土壤C、N 和P 循環(huán)可能會(huì)逐漸解耦（Finzi et al.，2011），這與土壤元素的可利用性受到水分的驅(qū)動(dòng)有關(guān)（Austin et al.，2004；Schwinning et al.，2004）。土壤水分的降低能夠打破元素循環(huán)間的平衡，進(jìn)而影響元素的可利用性。我們的研究結(jié)果表明，土壤元素和化學(xué)計(jì)量與土壤水分存在顯著正相關(guān)關(guān)系，這與以往的研究結(jié)果相似（Schlesinger et al.，1990；Delgado-Baquerizo et al.，2013）?？傮w而言，土壤水分的降低能夠引起土壤元素的C、N和P 失衡，進(jìn)而對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的功能（生產(chǎn)力、分解等）和服務(wù)（糧食生產(chǎn)和碳儲(chǔ)存等）產(chǎn)生嚴(yán)重后果。此外，本研究結(jié)果顯示，在High_WC 下OC、C?N和C?P 較高，這可能是水分提高了微生物的活性，促進(jìn)微生物的生長(zhǎng)和代謝，進(jìn)而釋放有機(jī)物質(zhì)，增加土壤中的有機(jī)C 含量（Qi et al.，2022）。同時(shí)，較高的土壤水分可能減緩有機(jī)物的分解速率，使得土壤中的有機(jī)物質(zhì)保持相對(duì)較高的含量。此外，較高的土壤水分可以減緩養(yǎng)分的流失和淋溶，并緩解養(yǎng)分限制，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)和代謝，進(jìn)而增加土壤中的養(yǎng)分含量。

3.3 元素和化學(xué)計(jì)量與土壤微生物多樣性的關(guān)系

元素化學(xué)計(jì)量影響陸地生態(tài)系統(tǒng)中微生物的生長(zhǎng)和養(yǎng)分循環(huán)（Sterner et al.，2003）。例如，土壤C?N 可以重塑生態(tài)系統(tǒng)的微生物過(guò)程（養(yǎng)分的礦化和固化等）（Zechmeister-Boltenstern et al.，2015）。本研究結(jié)果顯示，微生物群落的多樣性隨著C?N、C?P 和N?P 的增加而降低，這與以往的研究結(jié)果相一致（Delgado-baquerizo et al.，2017），且土壤水分的高低并不會(huì)改變其趨勢(shì)（王譽(yù)陶等，2020），這可能歸咎于微生物對(duì)土壤養(yǎng)分環(huán)境存在較高的依賴(lài)性（黃菊瑩等，2018）。微生物多樣性與土壤元素化學(xué)計(jì)量間存在顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，其可能的原因是在較低的元素化學(xué)計(jì)量（高養(yǎng)分利用效率）生境下，微生物會(huì)通過(guò)促進(jìn)生態(tài)位的分化來(lái)增加其多樣性（Hooper et al.，2000）。此外，根據(jù)生長(zhǎng)速率假說(shuō)（growth-rate hypothesis，GRH），生長(zhǎng)速率較快的類(lèi)群（比如細(xì)菌）由于合成核糖體、RNA 和ATP 等需要更高水平的P 含量，通常以低C?P 化學(xué)計(jì)量為特征（Pe?uelas et al.，2009）。另一方面，C 和N 元素會(huì)隨著土壤的發(fā)育在生態(tài)系統(tǒng)中不斷積累，P 元素來(lái)自巖石風(fēng)化后母質(zhì)的供應(yīng)，但這些元素會(huì)逐漸被耗竭或者固化在植物和動(dòng)物體內(nèi)，因此能夠提供給微生物的可利用性養(yǎng)分的濃度減少，進(jìn)而限制快速生長(zhǎng)的微生物的多樣性（Mcgill et al.，1981）。同時(shí)，在High_WC 下，OC 含量與細(xì)菌的多樣性呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，即低C 水平能夠提高細(xì)菌的多樣性。

酸桿菌門(mén)（Acidobacteria）和綠彎菌門(mén)（Chloroflexi）等門(mén)類(lèi)與土壤元素和化學(xué)計(jì)量間呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明這些微生物類(lèi)群適合生長(zhǎng)在養(yǎng)分相對(duì)貧瘠的土壤；而放線菌門(mén)（Actinobacteria）和變形菌門(mén)（Proteobacteria）與土壤元素和化學(xué)計(jì)量呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明這些類(lèi)群更宜生長(zhǎng)在養(yǎng)分相對(duì)充足的土壤。此外，擔(dān)子菌門(mén)（Basidiomycota）的相對(duì)豐度隨土壤水分的降低而減少，在氣候變暖且土壤干旱頻發(fā)的大背景下，其相對(duì)豐度是否會(huì)逐漸降低有待進(jìn)一步探究。此外，隱菌門(mén)（Rozellomycota）的相對(duì)豐度在不同的土壤水分下與元素和化學(xué)計(jì)量間的關(guān)系發(fā)生明顯變化，在Low_WC 下，其相對(duì)豐度僅僅與土壤元素TP 呈現(xiàn)顯著的正相關(guān)，而在High_WC 下，其相對(duì)豐度基本上與土壤元素和化學(xué)計(jì)量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系。這說(shuō)明，水分可以通過(guò)影響土壤元素和化學(xué)計(jì)量，改變其含量和比率（李一春等，2020），微生物則調(diào)整自身的多樣性來(lái)響應(yīng)環(huán)境的變化（王譽(yù)陶等，2020）。

4 結(jié)論

本研究通過(guò)對(duì)采自天童20 hm2亞熱帶森林動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)樣地的1 287 份土壤樣品的理化性質(zhì)和微生物測(cè)序分析發(fā)現(xiàn)，高P、低C?N、C?P 和N?P 水平可以促進(jìn)局域尺度格局中土壤微生物的多樣性，且相對(duì)較高或較低的土壤水分不改變其趨勢(shì)。因此，土壤元素化學(xué)計(jì)量可以作為土壤養(yǎng)分的重要指標(biāo)，指示土壤對(duì)微生物生長(zhǎng)發(fā)育所需要的養(yǎng)分情況。在全球氣候變化的大背景下，未來(lái)的森林管理可以通過(guò)人為施入肥料的方式調(diào)節(jié)土壤養(yǎng)分，進(jìn)而動(dòng)態(tài)調(diào)控土壤微生物群落以抵抗環(huán)境變化。評(píng)估森林土壤元素和元素化學(xué)計(jì)量的變化如何影響土壤微生物，對(duì)我們了解在全球氣候變化下生態(tài)系統(tǒng)的功能以及制定可持續(xù)的管理政策至關(guān)重要。