氮素是陆生植物生长的必需元素之一，对于维持生态系统结构和功能具有重要作用。然而，温带森林生态系统中氮素周转及其有效性受到多种因素的影响，其变化格局存在较大的不确定性。此外，外生菌根植物是温带森林的优势树种，是驱动包括土壤氮素周转在内的生态系统功能的主要植物类群；外生菌根植物在群落中占比往往会影响植物多样性与生态系统功能的关系，但其生物学驱动机制尚不清楚。
北京林业大学张乃莉教授团队依托中科院植物所马克平研究员团队建立的北京东灵山暖温带落叶阔叶次生林20ha动态监测样地（图1），通过分析土壤无机氮(NH4+-N和NO3--N)、净氮矿化速率(Rm)和硝化速率(Rn)，以及氨氧化细菌(AOB)和古菌(AOA)的绝对生物量，探索树种多样性和外生菌根(EcM)树种比例以及其他生物、非生物因素对不同海拔和土层深度氮素周转及其有效性的影响。从不同生境和不同土层两个层面探讨了：(1)外生菌根树种比例和树种多样性如何影响土壤氮素周转及其有效性；(2)其他生物、非生物因子在影响土壤氮素周转及其有效性方面的相对贡献。该项研究近日以《暖温带森林外生菌根树种优势和植物多样性对土壤氮素周转的影响》为题在线发表在《生物多样性》期刊。
图1 东灵山暖温带落叶阔叶次生林20公顷动态监测样地
该项研究结果发现，生境和土层显著影响了土壤无机氮(NH4+-N和NO3--N)、净氮矿化速率(Rm)和硝化速率(Rn)。外生菌根树种比例对于土壤氮素周转及有效性的影响存在生境差异性，表现在低海拔缓坡、中海拔陡坡，尤其是中海拔陡坡，土壤Rm、Rn以及NH4+-N和NO3--N的含量随着EcM树种比例增加而显著降低(图2)。同时，相对于表土层，EcM树种比例更强烈地限制亚表土层和深层土壤的无机氮含量，即NH4+-N和NO3--N含量均随着EcM树种比例增加而显著降低(图2)。
图 2 不同生境植物群落和土层深度下土壤氮素周转和有效性对外生菌根树种比例的响应情况
相较于外生菌根树种比例，树种多样性对土壤氮素周转和有效性的影响并不强烈。仅在低海拔缓坡生境树种多样性的增加降低了土壤NO3--N，提高了Rn (图3)。
图3 不同生境植物群落和土层深度下土壤氮素周转和有效性对树种多样性的响应情况
此外，研究发现土壤Rm、Rn以及NH4+-N和NO3--N含量与EcM树种、树种多样性、土壤含水量、AOA及AOB表现出较强的相关性。多元线性回归结果表明，土壤含水量、AOA和AOB对土壤Rm、Rn以及NH4+-N和NO3--N含量的变差具有较高的解释量(图4)。
图4 植被群落、土壤理化因子及微生物与土壤氮素和有效性的多元回归分析
综上所述，暖温带森林生态系统外生菌根树种和树种多样性对土壤氮素周转及其有效性的影响表现出较强的生境和土层差异，这些结果有助于加深我们对暖温带森林树种多样性、菌根树种类群与生态系统功能关系的理论认知；同时，对于温带森林生物多样性保护、可持续管理方面具有重要的科学意义。
北京林业大学林学院张乃莉教授为论文通讯作者，北京林业大学林学院硕士研究生何欣怡和博士研究生潘玉梅为共同第一作者，中国科学院植物研究所祝燕副研究员、博士生张思榕和陈佳仪为共同作者。该项研究得到北京市自然科学基金项目(5222016)和国家重点研发项目(2023YFF1304003-02)的支持。
纸刊购买方式
