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文献解读(2024.03发表)|土壤微食物网中的营养级相互作用驱动了沿树种丰富度的生态系统多功能性

日期: 2024-04-22
标签:
文献解读
BAIHUI

原名:Trophic interactions in soil micro-food webs drive ecosystem multifunctionality along tree species richness

译名:土壤微食物网中的营养级相互作用驱动了沿树种丰富度的生态系统多功能性

期刊:Global Change Biology

IF: 11.6

发表日期:2024.03

第一作者:Xiuzhen Shi



01
摘要

背景:全球气候变化导致生物多样性的快速丧失并影响森林生态系统功能。然而,我们对跨生物多样性梯度中多种生态系统功能的模式和驱动因子的理解仍然有限。

方法:本研究测量了亚热带幼林中多种生态系统功能(养分循环、土壤碳储量、有机质分解和植物生产力)对树种丰富度(1、4、8、16和32)的响应。

结果:树种丰富度对养分循环、有机质分解和植物生产力的影响可以忽略不计,但土壤碳储量和生态系统多功能性随着树种丰富度的增加而显著增加。线性混合效应模型表明,土壤生物,特别是丛枝菌根真菌(AMF)和土壤线虫,对生态系统多功能性的相对影响最大。结构方程模型揭示了土壤微食物网中营养级相互作用下树种丰富度对生态系统多功能性的间接影响。即革兰氏阳性菌对土壤线虫丰度有显著的负影响(自上而下效应),而AMF生物量对土壤线虫丰度有显著的正影响(自下而上效应)。

结论:本研究强调了多营养视角在阐明生物多样性-多功能关系的重要性,尤其是保护良好土壤微食物网的功能以维持多种生态系统功能。



02
研究背景

人为活动和相关的气候变化引发了生物多样性的严重下降,并对生态系统功能和服务提供产生了影响。森林生态系统调节有机物分解和植物生长,并支持有助于减缓全球气候变化影响的养分循环和碳固存。多功能研究使我们能够同时评估森林生态系统提供多种功能的能力,并提供与政策相关的建议。越来越多来自寒带和温带森林的证据表明,生物多样性和生态系统功能之间存在积极相关关系。然而,最近的研究强调了环境条件在形成BEFs关系中的重要性。因此,这种关系在物种相对贫乏的地区的发现是否可以转移到物种丰富的亚热带森林地区,在很大程度上仍然是未知的。

虽然植物物种丰富度是生物多样性最常用的指标,但当植物物种丰富度较高时,BEFs趋于平稳。因此,了解不同生物多样性指标对预测多变环境条件下的BEFs具有重要意义。由于生态位分配和微环境条件改变的影响,植物性状的功能多样性可能是比植物物种丰富度更有意义的预测因素。此外,系统发育多样性也可能是生态系统功能互补性效应的一个重要指标。越来越多研究表明,进化上遥远的物种更有可能表现出生态位分化和表现出促进作用。此外,系统发育多样性可以捕捉群落内影响生态系统功能的物种相互作用,例如,通过表示与病原体和食草动物等更高营养水平的相互作用。然而,很少有研究同时评估亚热带树木群落的分类、功能和系统发育多样性对生态系统多功能性的相对贡献。

土壤生物的组成和丰富度是陆地生态系统多功能性的关键驱动因素,一项来自于全球的meta分析表明,自然和人工管理的树种多样性与土壤微生物、细菌和真菌的生物量水平呈正相关,这对土壤微生物驱动的生态系统功能具有重要意义。然而,不同营养层次的土壤生物类群在驱动生态系统多功能方面的相对重要性仍然存在很大的未知性。虽然土壤细菌和真菌在调节森林生态系统功能中的作用已被广泛记录,但大多数研究忽略了更高营养水平的生物(如线虫)对生态系统功能的贡献,尽管它们在复杂的土壤微食物网中处于关键地位,并且与其他营养和功能类群类型相互作用。因此,将不同营养水平的生物整合到多功能性研究中,探讨高营养水平生物通过营养相互作用对生态系统多功能性的影响程度是十分必要的。

因此,本研究通过为期3年的野外实验,旨在探明高度多样化的亚热带森林中树木多样性(分类、功能和系统发育多样性)的多个方面的生态系统多功能性(养分循环、土壤碳储量、有机质分解、植物生产力)的模式和驱动因素。并假设(1)增加树木多样性,特别是功能和系统发育多样性,能够促进生态系统的多功能性,原因在于增加了生态位互补性和改善微环境条件;(2)土壤微食物网具有更强的群落共存和调节效应,能够直接驱动生态系统多功能性的变化。



03
主要结果

1、生态系统多功能性

树种丰富度对养分循环、有机质分解和植物生产力没有显著影响(图1)。相比之下,树种丰富度显著增加了生态系统多功能性,32种混合树种的土壤碳储量显著高于四种混合树种(p<0.05)(图S3),此外,树木物种丰富度对生态系统功能的影响在包括或不包括单一栽培的模型之间没有变化,表明当多样性从4种增加到32种时,树木多样性对生态系统多功能性具有显著影响。


文献解读(2024.03发表)|土壤微食物网中的营养级相互作用驱动了沿树种丰富度的生态系统多功能性

图1树种丰富度对养分循环、碳储量、有机质分解、植物生产力和生态系统多功能性指标的影响。


2、与生态系统功能相关的生态属性

线性混合效应模型表明,三组生态属性,土壤生物对生态系统多功能的相对影响最大(图2),其中线虫和土壤含水率有积极的影响(p=0.004, p=0.014)而AMF有负面影响(p=0.011)(表1、图2)。

养分循环与土壤微生物生物量呈正相关(p=0.026),与土壤真菌和AMF的生物量(p<0.001)和土壤pH(p=0.004)呈负相关(图3;图S4和S5)。土壤碳储量与土壤线虫的丰度呈正相关(p=0.032)。有机质分解与SWC呈正相关(p=0.023;图S4)。植物生产力与土壤微生物(p=0.027)、G−细菌(p=0.016)、真菌(p=0.011)、AMF(p<0.001)、土壤pH(p<0.001)和SWC(p=0.011)的生物量呈正相关。生态系统多功能性性与土壤线虫丰度(p=0.004)和SWC(p=0.005)呈正相关。


文献解读(2024.03发表)|土壤微食物网中的营养级相互作用驱动了沿树种丰富度的生态系统多功能性

表1生态系统特性对生态系统多功能的相对重要性的线性混合效应模型


文献解读(2024.03发表)|土壤微食物网中的营养级相互作用驱动了沿树种丰富度的生态系统多功能性

图2 树木多样性指标(黄色)、土壤生物(绿色)和环境因素(蓝色)等指标对生态系统多功能性的相对影响(左图)。线性混合效应模型参数估计(右图)以标准化回归系数±95% CIs表示。


文献解读(2024.03发表)|土壤微食物网中的营养级相互作用驱动了沿树种丰富度的生态系统多功能性

图3 土壤生物与生态系统功能关系的线性回归分析。


3、生态系统多功能性的驱动因素

不同的树木多样性指标、分类学、功能和系统发育多样性显著降低了G+细菌和真菌的生物量(p<0.05;图4)。结构方程模型一致证实了G+细菌的功能性状多样性与生物量之间的负相关关系(图5)。同时,AMF的生物量与土壤线虫丰度呈正相关(自下而上效应),G+细菌的生物量与土壤线虫丰度呈负相关(自上而下效应)。土壤线虫的丰度反过来又显著促进了生态系统的多功能性。


文献解读(2024.03发表)|土壤微食物网中的营养级相互作用驱动了沿树种丰富度的生态系统多功能性

图4 土壤生物与树木多样性指标之间关系的线性回归分析


文献解读(2024.03发表)|土壤微食物网中的营养级相互作用驱动了沿树种丰富度的生态系统多功能性

图5 树木多样性对生态系统多功能的直接和间接影响的结构方程模型



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(实验室部分环境拍摄)



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