近日，东北林业大学生态学院周正虎教授在Cell子刊《One Earth》(IF=15.1)上发表了题为“Promoting effect of plant diversity on soil microbial functionality is amplified over time”的研究论文。论文第一作者为东北林业大学生态学院博士研究生周焘，通讯作者为东北林业大学生态学院周正虎教授。东北林业大学王传宽教授、美国科学院院士Peter B. Reich教授、西班牙皇家科学院Manuel Delgado-Baquerizo研究员以及美国耶鲁大学梁国鹏博士也对该研究做出了重要贡献。该研究不仅揭示了植物多样性对土壤微生物功能的提升效应，而且证明了植物多样性对土壤健康和生态系统功能具有持久的正面影响，为气候变化应对和生物多样性保护提供了重要科学依据。
研究背景
在人类活动和全球变化的双重影响下，生物多样性丧失已成为全球面临的严峻挑战，严重威胁着人类福祉和生态系统功能。植物和土壤微生物作为生态系统的重要组成部分，它们的多样性共同驱动着生产力、分解、固碳、土壤肥力、病原体控制等多种关键功能。然而，植物多样性如何影响土壤微生物多样性、生物量和功能还不明确。此外，宏观生态学中的“累积互补效应”假说强调了植物多样性在长时间尺度上对维持和提高生态系统功能的关键驱动作用。因此，深入研究植物多样性如何调控土壤微生物多样性和功能，对于指导全球范围内的生态修复工程，如造林和种草等，具有重要的理论和实践意义。
研究方法
本研究在全球尺度上构建了来自不同自然生态系统（森林和草地）的植物多样性控制试验数据库，包含了2117个观测数据（1001条森林数据、1116条草地数据）。这些植物多样性控制试验覆盖巨大的气候梯度，其中，年平均气温变异范围为-2.6~28℃，年平均降水变异范围为118.4 ~ 4000 mm（图1），能够充分反映不同生态系统和气候条件下植物多样性与土壤微生物多样性之间的关系。本研究采用微生物呼吸、碳分解相关微生物胞外酶活性和养分循环过程等指标来评估土壤微生物多功能性。同时，利用线性混合效应模型探讨了植物多样性和土壤微生物多样性以及功能之间的冗余/非冗余关系，并重点剖析了生态系统演替时间对植物多样性-土壤微生物多样性/功能之间关系的影响。
图1 全球植物多样性控制试验分布图
研究结果
植物多样性对土壤微生物多样性的促进作用不受演替时间影响，表明土壤微生物多样性能够立即响应植物多样性的变化。然而，植物多样性和土壤微生物多样性之间存在饱和关系，即随着植物多样性的增加，土壤微生物多样性的提升幅度逐渐减小，这表明植物多样性在提高土壤微生物多样性中存在显著的冗余现象。此外，植物多样性对微生物生物量和功能的影响受演替时间显著调控：随着演替的推进，植物多样性对微生物生物量和功能的影响逐步从初期的负效应转变为中后期的正效应，验证了宏观生态学中的“累积互补效应”假说。演替初期，植物和微生物间存在强烈的养分竞争关系，而植物作为竞争胜利者，往往导致微生物生物量和功能的下降（图2）。
图2 植物多样性调控土壤微生物多样性、生物量和功能的时间依赖性
尽管在单变量分析中，土壤微生物多样性和功能之间存在解耦现象，但演替时间和微生物多样性对功能具有显著的交互作用。这表明土壤微生物多样性和功能之间的关系并非一成不变，而是随着演替时间的推移而发生变化。在演替初期，土壤微生物多样性和功能之间呈负相关关系；而在演替中后期，这种关系逐渐转变为正相关。此外，土壤微生物生物量对功能的促进作用也随着演替的推进而得到显著加强（图3）。
图3 土壤微生物多样性调控生态功能的时间依赖性
总结
本研究利用全球植物多样性控制试验数据，深入探讨了植物多样性对土壤微生物多样性、生物量和功能的影响机制。随着演替时间的推移，植物多样性对微生物功能的影响逐渐从初期的负效应转变为中后期的正效应，这一发现不仅验证了宏观生态学中的“累积互补效应”假说，而且强调了长期植物多样性管理对维持土壤健康和缓解气候变化的重要性。该研究通过揭示植物多样性对土壤微生物功能的持续增强机制，为全球植被恢复、草地重建和生态系统管理提供了重要理论支持（图4）。
图4 植物多样性调控微生物多样性、生物量和功能的概念图
该研究得到东北亚生物多样性研究中心的支撑，受到十四五国家重点研发计划、国家自然科学基金和中央高校项目的资助。
论文链接：https://www.cell.com/one-earth/abstract/S2590-3322(24)00492-5
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