東北地理所在山地土壤動物營養(yǎng)生態(tài)位和微生物碳功能基因垂直帶分異及機制研究取得進展
全球氣候變化正加速山地植被帶的演替過程，并通過改變地上植被組成和資源輸入格局，對地下生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生重要影響。然而，土壤生物作為地下生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和碳利用功能對植被垂直帶變化的響應及其驅(qū)動機制仍缺乏系統(tǒng)認識。針對這一科學問題，本研究聚焦長白山北坡典型植被垂直帶，以土壤微型節(jié)肢動物和微生物為研究對象，系統(tǒng)揭示了土壤生物營養(yǎng)結(jié)構(gòu)和碳利用功能沿植被垂直帶的變化規(guī)律及其驅(qū)動機制。
研究團隊系統(tǒng)分析了長白山北坡四種典型植被帶（針闊混交林、針葉林、岳樺林和高山苔原）中土壤甲螨和跳蟲的穩(wěn)定同位素（δ13C和δ1?N）含量分異特征，并結(jié)合多維生態(tài)位指標、隨機森林分析及結(jié)構(gòu)方程模型，系統(tǒng)探討了海拔梯度下植被、氣候和土壤等環(huán)境因子對土壤微節(jié)肢動物營養(yǎng)結(jié)構(gòu)的驅(qū)動作用。
圖1 土壤微節(jié)肢動物營養(yǎng)生態(tài)位在不同植被帶中的變化
結(jié)果表明，隨著海拔梯度上植被帶的變化，土壤微節(jié)肢動物群落的營養(yǎng)級與基礎食源利用均發(fā)生顯著變化（圖1）。其中，Δ1?N表征的土壤動物營養(yǎng)級在不同植被帶間具有明顯差異，而Δ13C表明其基礎食源利用沿海拔梯度呈下降趨勢。在不同植被帶中，相同廣布種的營養(yǎng)級與基礎食源利用均發(fā)生顯著變化，表明營養(yǎng)生態(tài)位主要由廣布物種自身的營養(yǎng)可塑性驅(qū)動，而非物種替代所導致。結(jié)構(gòu)方程模型進一步表明，海拔梯度驅(qū)動下植被和氣候兩個關鍵因素通過影響土壤養(yǎng)分狀況和凋落物性質(zhì)，調(diào)控了土壤微節(jié)肢動物的營養(yǎng)級結(jié)構(gòu)和基礎食源利用格局（圖2）。
圖2 土壤微節(jié)肢動物營養(yǎng)生態(tài)位的環(huán)境驅(qū)動機制
另外，以長白山哈尼泥炭地為研究對象，利用碳（δ13C）和氮（δ1?N）穩(wěn)定同位素分析，系統(tǒng)揭示了跳蟲、甲螨和中氣門螨等土壤微型節(jié)肢動物的營養(yǎng)級分布、基礎食源利用及取食偏好（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，不同類群營養(yǎng)級存在顯著分化，其中中氣門螨占據(jù)較高營養(yǎng)級；不同類群雖然基礎食源來源相近，但取食偏好存在明顯差異，為認識泥炭地土壤食物網(wǎng)結(jié)構(gòu)提供了重要依據(jù)。
上述研究系統(tǒng)揭示了土壤微型節(jié)肢動物營養(yǎng)結(jié)構(gòu)、基礎食源利用及其環(huán)境驅(qū)動機制，闡明了土壤微型節(jié)肢動物通過種間營養(yǎng)分化和種內(nèi)營養(yǎng)可塑性共同響應環(huán)境變化，為深入理解全球變化背景下山地土壤食物網(wǎng)功能響應及其適應機制提供了新的理論依據(jù)。
圖3哈尼泥炭地土壤微節(jié)肢動物營養(yǎng)級關系與取食偏好
同時，基于宏基因組測序分析，系統(tǒng)揭示了土壤微生物碳循環(huán)功能基因在不同海拔下的組成特征、生物地理格局及群落構(gòu)建機制。研究發(fā)現(xiàn)，隨著海拔升高，碳降解和產(chǎn)甲烷相關功能基因?qū)０巫兓捻憫獜娪谔脊潭üδ芑颍荒举|(zhì)素、半纖維素等難降解碳源相關基因在中高海拔地區(qū)更為活躍。功能基因差異主要受物種替換驅(qū)動，其群落構(gòu)建以隨機過程為主；微生物多樣性是調(diào)控CAZymes和碳循環(huán)功能基因多樣性的關鍵因素（圖4）。
研究揭示了海拔梯度驅(qū)動山地土壤微生物碳循環(huán)功能變化的關鍵機制，闡明了微生物多樣性通過調(diào)控CAZymes及碳循環(huán)功能基因多樣性影響山地土壤碳循環(huán)過程，為深入理解全球變化背景下山地土壤有機碳轉(zhuǎn)化及微生物功能適應機制提供了新的理論依據(jù)。
圖4 微生物多樣性與環(huán)境因子對土壤碳循環(huán)功能基因的影響
相關研究由東北地理所與沈陽應用生態(tài)所合作完成，研究成果發(fā)表在國際期刊Geoderma、European Journal of Soil Biology、Soil Ecology Letters，劉丹丹特別研究助理、劉學博士為第一作者，武海濤研究員為通訊作者，何新華教授、史家興博士和陳恒進博士為共同作者。本研究得到國家自然科學基金重點項目（42430511）、青年科學基金項目（42501072），中國博士后科學基金資助項目（GZC20250219和2025M780347）及吉林省科技發(fā)展計劃項目（YDZJ202501ZYTS460）共同資助。
論文信息：Liu D D, Shi J X, Wu H T*, He X H. Elevational gradients shape trophic niche patterns of soil microarthropods on Changbai Mountain, China: Evidence from stable isotope analysis (15N, 13C). Geoderma 472 (2026): 117899.
Liu D D, Lin Y L, Wu H T*. Investigating soil trophic links in a peatland, northeast China: dual stable isotope analysis (δ13C and δ15N) of microarthropods and their food sources." European Journal of Soil Biology 126 (2025): 103761.
Liu X, Chen H J, Shi J X, Wu H T*. Elevation shapes the biogeography and assembly of soil microbial carbon-cycling functions in mountain ecosystems. Soil Ecology Letters 8.4 (2026): 260431.
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