東北地理所在土壤食物網(wǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)促進(jìn)真菌生物量及其殘?bào)w的累積方面取得重要進(jìn)展
土壤食物網(wǎng)通過(guò)調(diào)節(jié)微生物生物量及其殘?bào)w的產(chǎn)生，在土壤碳封存中發(fā)揮關(guān)鍵作用。然而，現(xiàn)實(shí)生態(tài)系統(tǒng)中頂級(jí)捕食者影響多營(yíng)養(yǎng)級(jí)微生物殘?bào)w積累的作用機(jī)制尚未被充分揭示。
黑土有機(jī)碳與保護(hù)性耕作學(xué)科組依托持續(xù)5年以上的秸稈覆蓋還田免耕與翻耕定位試驗(yàn)，結(jié)合為期一年的13C標(biāo)記秸稈田間原位示蹤實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)解析了在三級(jí)土壤食物網(wǎng)中，頂級(jí)捕食者（雜食/捕食線蟲(chóng)）如何通過(guò)中級(jí)消費(fèi)者（食真菌線蟲(chóng)）調(diào)控底層微生物群落，進(jìn)而影響微生物殘?bào)w的形成。研究結(jié)果表明，頂級(jí)捕食者通過(guò)捕食觸發(fā)的自上而下級(jí)聯(lián)效應(yīng)，有效降低了中級(jí)消費(fèi)者對(duì)真菌的捕食壓力，顯著增強(qiáng)了真菌的生物量和活性，進(jìn)而促進(jìn)了真菌來(lái)源殘?bào)w的積累，為土壤碳封存提供了新的理論基礎(chǔ)。
具體而言，與翻耕相比，免耕顯著提高了土壤真菌與細(xì)菌殘?bào)w的比例（提升20%~29%），其核心驅(qū)動(dòng)力來(lái)自雜食/捕食線蟲(chóng)的調(diào)控作用（圖1）。在免耕土壤中，雜食/捕食線蟲(chóng)多度和物種豐富度分別較翻耕增加了46%和67%，并且以食真菌線蟲(chóng)為主要獵物（占其食物來(lái)源的51%；圖2）。雜食/捕食線蟲(chóng)與食真菌線蟲(chóng)間形成了典型的捕食-被捕食關(guān)系。這種捕食關(guān)系導(dǎo)致食真菌線蟲(chóng)的13C含量和13C富集速率分別降低了73%和90%，顯著減少了食真菌線蟲(chóng)對(duì)真菌的捕食強(qiáng)度，促進(jìn)真菌生物量和活性的提升（13C含量和13C富集速率分別提高64%和50%）（圖3）。由此可見(jiàn)，免耕土壤中頂級(jí)捕食者通過(guò)壓制中層捕食者，打通了自上而下對(duì)真菌群落的積極調(diào)控路徑，最終強(qiáng)化了真菌殘?bào)w對(duì)土壤碳庫(kù)的貢獻(xiàn)。相反，雖然在連續(xù)翻耕系統(tǒng)中也有等量的秸稈還田措施，但頻繁耕作擾動(dòng)破壞了上述捕食驅(qū)動(dòng)的營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)關(guān)系，削弱了真菌群落在土壤碳積累過(guò)程中的功能。
本研究首次提出“捕食驅(qū)動(dòng)的自上而下效應(yīng)與資源驅(qū)動(dòng)的自下而上效應(yīng)協(xié)同放大真菌殘?bào)w積累”的理論框架，揭示了土壤食物網(wǎng)頂級(jí)捕食者調(diào)控土壤碳循環(huán)的新機(jī)制（圖4）。研究成果凸顯出捕食-被捕食關(guān)系對(duì)農(nóng)業(yè)管理實(shí)踐的敏感性，提出充分利用生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)部捕食調(diào)控機(jī)制，可有效提高土壤長(zhǎng)期碳封存的穩(wěn)定性。
圖1 微生物殘?bào)w及其與土壤食物網(wǎng)組分的關(guān)系。A-B：從田間試驗(yàn)和13C原位追蹤試驗(yàn)中觀察到的微生物殘?bào)w的變化情況。C：Pearson相關(guān)熱圖顯示田間試驗(yàn)和13C原位追蹤試驗(yàn)真菌與細(xì)菌殘?bào)w比與線蟲(chóng)和微生物類(lèi)群的關(guān)系。D：在13C原位追蹤實(shí)驗(yàn)中，線蟲(chóng)和微生物類(lèi)群對(duì)耕作方式（耕作與免耕）下真菌和細(xì)菌殘?bào)w變化的相對(duì)重要性。重要程度用隨機(jī)森林分析的均方誤差（MSE）增加百分比表示。Necro.Fu:Ba: 真菌與細(xì)菌殘?bào)w比;Necro.Fu: 真菌殘?bào)w量;Necro.Ba: 細(xì)菌殘?bào)w量;OP: 雜食/捕食線蟲(chóng),FV: 食真菌線蟲(chóng),BV: 食細(xì)菌線蟲(chóng),PP: 植物寄生線蟲(chóng),Fu: 真菌,Act: 放線菌,GBa: 普通細(xì)菌。
圖2 不同耕作方式下雜食/捕食線蟲(chóng)的取食策略。A-B: 基于13C（‰）特征值的食物源分析。C: 雜食/捕食線蟲(chóng)食物來(lái)源比率。FV: 食真菌線蟲(chóng),BV: 食細(xì)菌線蟲(chóng),PP: 植物寄生線蟲(chóng),Fu: 真菌,Act: 放線菌,GBa: 普通細(xì)菌。
圖3不同耕作方式下雜食/捕食線蟲(chóng)與食微線蟲(chóng)的關(guān)聯(lián)及其對(duì)微生物殘?bào)w的影響。A：最佳擬合模型描述了在整個(gè)13C原位追蹤期間雜食/捕食線蟲(chóng)與食微線蟲(chóng)的動(dòng)態(tài)變化。B：結(jié)構(gòu)方程建模（SEM）顯示了雜食/捕食線蟲(chóng)自上而下調(diào)控真菌與細(xì)菌殘?bào)w比的途徑。黑色箭頭表示正相關(guān)，紅色箭頭表示負(fù)相關(guān)。箭頭上的數(shù)字為路徑系數(shù)，箭頭的寬度表示路徑系數(shù)的強(qiáng)度。
圖4 食物網(wǎng)捕食驅(qū)動(dòng)的自上而下效應(yīng)與資源驅(qū)動(dòng)的自下而上效應(yīng)協(xié)同增強(qiáng)真菌生物量及死亡殘?bào)w累積的理論框架。黑色箭頭表示主要的能量流動(dòng)途徑，箭頭粗細(xì)表示流動(dòng)強(qiáng)度。藍(lán)色箭頭表示從較高營(yíng)養(yǎng)級(jí)到較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)的捕食，“-”或“+”表示較低營(yíng)養(yǎng)級(jí)活性的減少或增加。紅色虛線箭頭表示營(yíng)養(yǎng)級(jí)聯(lián)效應(yīng)，“+”表示放大。
該成果以“Cascading effects within soil food web amplify fungal biomass and necromass production”為題發(fā)表于國(guó)際生態(tài)學(xué)頂級(jí)期刊《Global Change Biology》，由中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所張士秀研究員（第一作者和通訊作者）、賈仲君研究員、梁愛(ài)珍研究員（通訊作者）聯(lián)合東北師范大學(xué)白娥教授、德國(guó)哥廷根大學(xué)Yakov Kuzyakov教授和荷蘭阿姆斯特丹大學(xué)Elly Morri?n副教授共同完成。研究獲得國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（42077046）、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專(zhuān)項(xiàng)（A類(lèi)）項(xiàng)目（XDA28020401、XDA28080000）、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)項(xiàng)目（2021228）和中國(guó)科學(xué)院東北地理與農(nóng)業(yè)生態(tài)研究所青年科學(xué)家小組項(xiàng)目（2022QNXZ04）資助支持。
論文信息及鏈接如下：
Zhang,S.X.,Kuzyakov,Y.,Jia,Z.J.,Bai,E.,Morri?n,E. and Liang,A.Z. (2025),Cascading Effects Within Soil Food Web Amplify Fungal Biomass and Necromass Production. Glob Change Biol,31: e70235.https://doi.org/10.1111/gcb.70235
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