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编译：微科盟有点卡，编辑：微科盟木木夕、江舜尧。 微科盟原创微文，欢迎转发转载。 导读地上凋落物是土壤食物网的重要的能量来源，但越来越多研究证明，对于土壤生物而言，根系碳可能扮演着更重要的角色。植物通过光合作用将无机碳固定后，一部分有机物自上而下向根部输送，而菌根真菌（mycorrhizal fungi）则能从植物根部吸收这些有机物并转移至外部的菌丝体中，可见，菌根真菌似乎是连接活根和土壤生物不可或缺的纽带。为了探究根系碳对土壤生物群的重要性，研究者通过环剥的方式切断了云杉（spruce，为该针叶林主要冠层树木）冠层向根系的能量输入；除了在针叶林生态系统中占主导地位的冠层树木以外，低矮灌木同样也发挥着重要的作用，研究者则采用清除杜鹃目（ericoid，为该针叶林主要的低矮灌木）植物的叶片来阻断根部营养的自上而下输入，根部营养输入的减少将抑制菌根真菌的营养吸收，与此同时食真菌线虫的丰度也将相应受到影响，因此，研究者利用土壤中线虫群落的变化反应根系碳对土壤食物网的重要性。结果表明，云杉环剥的确使得食真菌线虫的丰度降低，而对杜鹃的修剪虽然能减少真菌和细菌生物量，但并不会影响线虫群落结构和丰度。该实验将针叶林的两个层次的植物分别进行研究，证明了冠层树木根系碳的重要作用，同时这一研究也补充了对于北方针叶林线虫研究的空缺，为之后探究不同生态系统中根系资源对土壤线虫群落影响的差异提供数据。原名：Spruce girdling decreases abundance of fungivorous soil nematodes in a boreal forest 译名：环剥云杉可降低北方针叶林土壤中食真菌线虫的丰度 期刊：Soil Biology & Biochemistry IF：5.795发表时间：2021.02 通讯作者：Alexey A. Kudrin 通讯作者单位：俄罗斯科学院乌拉尔分院科米科学中心生物研究所 本研究在俄罗斯北部的自然保护区中选取了两片天然针叶林进行了为期1年的实验，两片针叶林的主要冠层树木和低矮灌木分别为云杉和杜鹃，因此研究者则通过环剥云杉和剪裁杜鹃的叶片来实现根系碳资源的控制。在每个林分中，研究者设置了三个10×10 m的试验地，试验地之间距离至少相隔30 m，而每块试验地又被划分为四块，分别进行四种实验操作：环剥云杉（G），修剪杜鹃（E），同时环剥云杉和修剪杜鹃（G+E），既不环剥云杉也不修剪杜鹃（C，即对照）。而为了防止根向其他实验组延伸，在这四块地的周围挖了40 cm的深坑，并用聚乙烯膜（180 μm厚）隔离。整个实验的采样对象主要包括土壤、线虫及真菌菌丝。土壤：在每个实验组中不同地点挖取六份土壤样品（5×5×5 cm）并混合成一个复合样品。线虫（nematodes）：从复合样品中提取线虫，通过形态学进行分类，文中把线虫分为四种不同营养型：食草线虫（herbivores, Hrb），食细菌线虫（bacterivores, Ba），食真菌线虫（fungivores, Fu）和杂食/食肉线虫（omnivores/predators, Op），后文提到的表征土壤食物网主要富集状态的EI指数，以及NCR指数均与这四种营养型线虫的丰度有关。真菌菌丝：文中的真菌是利用一种被称为生长网袋（in-growth mesh bags）的装置得到，这种网袋的网孔（46 μm）仅允许菌根真菌的菌丝通过，而根是无法通过的，在实验开始的当天水平放置在大约5 cm深的土壤有机层与矿物层之间，实验进行至430天后收回。 除了环剥组中的总有机碳和总有机氮含量出现轻微降低，其它实验组土壤性质并无显著差异（表1）。此外，虽然后验比较并未显示实验组之间的pH值差异，但G与E相互作用却能显著影响土壤的pH值（表1）。表1各实验组在第380天的微生物参数及土壤性质（均值±标准误，n=6）。SM-土壤湿度，N-总有机氮含量，C-总有机碳含量。该数据由两个林分汇总得到，不同的字母代表各实验组间的显著差异（Tukey检验，p<0.05）。混合线性模型的卡方检验值（χ2）已列出，其中G代表环剥云杉的影响，E代表修剪低矮灌木的影响。G×E表示环剥和修剪的交互作用。
环剥能显著影响菌根真菌菌丝体的生物量（表1），在环剥实验组中，菌丝体生物量最高能降低11倍；但修剪杜鹃则不会影响菌根真菌菌丝体的生物量。修剪杜鹃能显著影响细菌和真菌的PLFAs丰度（表1）。虽然修剪杜鹃会导致细菌和真菌PLFAs丰度降低，但后验比较却并未显示出均值上的显著差异。此外，环剥云杉对微生物的PLFAs没有影响。整个实验共记录了39种线虫，其中对照组含有32种，环剥云杉组（G）29种，修剪杜鹃组（E）30种，G+E组28种（表2）。采样时间对线虫群落的所有参数都有巨大影响（表3）。在整个实验过程中，线虫的总丰度以及特定营养型群落丰度的变化均很大（图1）。然而，只有G×E×T相互作用是显著的，这表明实验操作对线虫的影响仅最小程度上受时间的干扰（表3）。表2 不同处理组线虫的相对丰度（%）（均值±标准误，n=24）。C-对照，E-修剪杜鹃，G-环剥云杉，G+E-同时环剥和修剪，该数据由两个林分汇总得到。不同的字母代表各实验组间的显著差异（通过Kruskal-Wallis检验和多重比较得到，p<0.05）。
表3 以云杉环剥、杜鹃修剪、采样时间三因素对土壤线虫的影响构建混合效应模型的卡方值（χ2） 
图1不同取样时间各实验组的总线虫丰度（A），属多样性（B），食真菌线虫（C）和食细菌线虫（D）营养群落。C-对照，G-环剥云杉，E-修剪杜鹃，G+E-同时环剥和修剪，该数据由两个林分汇总得到（均值±标准误，n=6）。不同的字母代表各实验组间的差异显著（Tukey检验，p<0.05，GLMM数据见表3），其余的均为差异不显著。总的来说，环剥云杉会导致食真菌线虫的丰度降低40 %，但这种作用在G+E实验组中并不明显（图1和表3）。环剥和非环剥组中食真菌线虫在数量上有很大差异，并且在整个实验中环剥云杉都会对食真菌线虫产生负面影响，除了第380天取的样是一个例外（图1D）。而食细菌线虫的数量不受实验操作的影响，尽管在第120天G和E实验组的食细菌线虫比对照组的丰度高（图1C和表3的G×E×T）。G实验组的线虫群落结构与对照组（ANOSIM的R值为0.15，p<0.001）和E组（ANOSIM的R值为0.10，p=0.006）差异显著。但与G+E组（ANOSIM的R值为0.03，p=0.112）相似。环剥的影响主要与滑刃线虫（Aphelenchoides）和丝尾线虫（Filenchus）的丰度减少，以及绕线虫（Plectus）增加有关（表2）。生态指数受环剥云杉的影响显著（表3）。EI（enrichment）指数下降表明输入土壤食物网的有机物减少；而NCR（nematode channel ratio）指数上升表明能量通过向细菌通道转化的比率增加（图2），但总线虫丰度，属多样性以及食草、杂食/食肉线虫的丰度并未受环剥云杉的影响（表3）。
图2 不同取样时间各实验组的EI（A）值和NCR（B）值。C-对照，G-环剥云杉，E-修剪杜鹃，G+E-同时环剥和修剪。该数据由两个林分汇总得到（均值±标准误，n=6）。不同的字母代表各实验组间的差异显著（Tukey检验，p<0.05，GLMM数据见表3），其余的均为差异不显著。通过结构方程模型（SEM）评估环剥和修剪对线虫营养类群的直接或间接影响。最终模型与数据完全相符（χ2 = 16.28; df = 12; p = 0.18; CFI= 0.94;GFI = 0.99; RMSEA = 0.12，图3）。SEM分析表明，食真菌线虫丰度的下降是由于土壤中菌根真菌生物量减少，然而食细菌线虫丰度的改变与土壤的化学性质有关。而修剪杜鹃对线虫并没有直接或间接的影响。
图3 环剥云杉和修剪杜鹃目低矮灌木对线虫营养群落的影响的结构方程模型（χ2 = 16.28; df = 12; p =0.18; CFI = 0.94;GFI = 0.99; RMSEA = 0.12）。箭头旁边的数字代表标准路径系数，红色表示负值，蓝色表示正值（p<0.05）。灰色细箭头表示为了改善模型的拟合而删除的不显著关系或路径。框内百分比是指模型中各内源变量的方差。N-总土壤有机氮；C-总土壤有机碳；pH-土壤酸性；Myc-生长网袋中（外生菌根）真菌菌丝生物量；PLFA（Fu）-真菌的PLFAs值；Ba-食细菌线虫丰度；Fu-食真菌线虫丰度。（关于该图图例中所用颜色的详细描述，读者可以参考本文的网页版）。虽然目前还不清楚土壤线虫对北方针叶林中“根系碳”的依赖程度，但我们可以从“皆伐（clear-cutting）对的线虫影响”的一些相关研究中得到提示。皆伐能中断根系资源的流动，当然这也与热液变化以及土壤扰动有关。Kudrin的meta分析结果表明，皆伐针叶林后线虫的总丰度出现显著降低，这主要是由于食真菌线虫丰度的急剧下降；而如果将根系清除，反而会增加线虫总丰度。我们在北方针叶林则是采用环剥的方式来阻断有机物的输入，并假设：如果从树冠到根和土壤的光合产物减少，将会引起线虫数量的显著降低。然而结果表明，显著降低的仅仅只有食真菌线虫丰度，但线虫的总丰度、属多样性以及其他营养型线虫丰度并未发生变化，甚至在实验的第120天，食细菌线虫的数量开始增加（表3；图1）。因此，我们的第一个假设仅得到部分证实，即冠层树木的根系资源对不同营养型线虫具有不同的影响。我们利用生长网袋收集菌根真菌菌丝，发现环剥云杉后，外生菌根真菌菌丝的生物量明显减少（表1）。PLFA分析结果却表明在环剥一年后真菌生物标记物并未减少（表1），当然这并不奇怪，因为PLFA图谱无法区分菌根真菌和腐生真菌（saprotrophic fungi）。腐生真菌可以吸取死根和外生菌根真菌的菌丝坏死部分的营养来增加自身丰度。因此，食真菌线虫丰度的减少更可能与外生菌根真菌生物量的减少有关，这一点也在SEM分析中的得到了证实（图3）。已有实验室数据表明食真菌线虫可能与菌根真菌有关。我们的研究结果显示，云杉的环剥对滑刃线虫和丝尾线虫这些食真菌线虫的影响更大（表2）。而且有实验结果表明，虽然滑刃线虫能以各种不同的真菌为食，但事实上，对于滑刃线虫而言似乎菌根真菌比腐生真菌更加美味。当然丝尾线虫也能以其他真菌为食，但Hanel表明，在云杉林中这种线虫主要还是吃菌根真菌。这些数据证实了我们的发现，即北方针叶林土壤中的食真菌线虫会优先选择外生菌根真菌的菌丝为食。因此我们认为，以滑刃线虫和丝尾线虫为代表的食真菌线虫是外生菌根真菌少数消费者之一，当然这些消费者还包括原尾虫（proturans）和甲螨（oribatid mites）中的某些种。我们也观察到环剥后食细菌线虫的丰度出现了短暂上升。显然，这是由于环剥后土壤中出现大量死亡的有机体而引发的假象，其实皆伐也会引发类似的现象。然而，SEM分析结果显示，环剥云杉后食细菌线虫数量的增加其实与土壤总氮量的减少有关。低矮灌木能产生大量的凋落物并影响诸如腐烂分解、营养再利用等地底过程，有文献表明如若将这些低矮灌木长期性清除便会使得食细菌线虫和食真菌线虫丰度分别降低30 %和50 %。与此恰恰相反，我们实验发现修剪杜鹃的作用微乎其微，仅仅在与其它因素相互作用时才显现出来（表3）。在修剪后线虫群落结构并没有改变，这就预示着在北方针叶林中下层植被的根系资源对线虫的影响不大。因此，我们的第二个假设并未得到证实。我们的结果与文献报道结果不同可能是由于凋落物和根对土壤线虫的相对重要性有差异。在一个长期实验中，清除低矮灌木后导致有机物质量下降从而严重影响了土壤微生物，进而影响土壤线虫。但我们修剪低矮灌木的实验仅仅持续了1年，修剪可能会减少根有机物的沉积并影响杜鹃菌根真菌（见下文），但并不会减少（甚至会增加）根凋落物的数量。这很有可能是土壤性质不受杜鹃目灌木修剪的影响（见结果部分3）以及土壤微生物所受影响甚微的原因（表1）。然而，我们的确发现G×E差异显著（表3），表现在G+E实验组中环剥云杉对食真菌线虫的影响不明显（图1）。修剪杜鹃会产生酚类化合物，这可能会抑制种子的萌发和生长，而且会减少外生菌根真菌以及其他土壤微生物的活动。此外，一些同样属于杜鹃目的植物形成一种独特的外生菌根真菌，称为杜鹃类菌根真菌，这些菌与外生菌根存在相互作用。例如，外生菌根的根尖可能能与杜鹃目菌根真菌共生，杜鹃目宿主植物的存在能抑制外生菌根真菌在松柏种子中寄生，并能减少种群数量或改变外生菌根真菌的群落组成。由于杜鹃类菌根真菌的外生菌丝较短，其生物量无法通过生长网袋估计。因此，我们得到的数据并没有反映出杜鹃类菌根真菌的丰度变化。G+E组中环剥云杉对杜鹃根和/或杜鹃类菌根真菌的抑制作用可能并不会导致外生菌根的巨大变化，因此，对食真菌线虫的影响也不大。根据目前已得到的数据可以看到，杜鹃和/或杜鹃类菌根真菌与外生菌根真菌之间独特的相互作用能影响更高营养级的生物，特别是线虫。这一相互作用机制还有待进一步研究。应当指出的是，修剪并不能很好的模拟环剥，也可能不能很好地评估下层植被的根系资源对土壤生物的重要性，因为去除绿色生物量（指去除能光合作用的叶片）既可能减少也可能增加用于土壤生物的资源。然而，我们发现低矮灌木修剪后会引起真菌及细菌PLFA生物标记物的明显下降，这极可能预示着可用于土壤生物群的根系资源的减少。现成的有机物对土壤生态系统的运作至关重要，除了能为土壤食物网提供能量，还涉及微生物池的调节、植物凋落物的分解以及土壤有机氮的稳定。EI指数可以用评估现成资源的量及转化率，针对第三个假设，我们发现在环剥云杉后EI值下降（表3，图2），这证实了在北方针叶林土壤食物网中，根系资源形成了一个功能重要的营养通道。而EI值仅在环剥云杉后变化，却不受杜鹃目低矮灌木修剪的影响，这说明这一通路受冠层树而非下层植被的影响。树木环剥后出现根系分泌物和土壤DOC浓度的显著减少也证实了这一说法。土壤中的分解过程虽然最终依赖于植物残留物，但通常由基于细菌的快速能量通道（路径）或较慢的真菌通道完成。基于线虫的NCR指数一般用于估算土壤食物网中细菌通道和真菌通道的比率，针对第四个假设，我们发现环剥云杉后NCR指数增加（表3，图2），这表明能量通道在向以细菌能量通道为主导的方向转变。一方面，这与我们观察到的外生菌根真菌丝体生物量的减少一致；另一方面，这似乎与环剥云杉后真菌生物标记物并没有减少的结果相悖。这一发现表明对于森林生态系统来说，NCR指数的解释似乎需要重新定义。一般来说，线虫指数被视为指示腐殖质降解途径的主要参数，基于这一指数，针叶林通常被看作是以真菌途径为主导的系统，这是由于大量的难分解的物质（如木质素）存在，主要需要腐生真菌才能分解。然而，基于线虫群落结构的结果表明，真菌通道中的能量大部分是由树木固定的新鲜碳源，而非死亡的有机体。因此，从线虫指数结果来看，更准确的说北方针叶林真菌通路是由地底食物网中的褐色（基于腐殖质）和绿色（基于活根和菌根真菌）营养链共同控制。为了更好的理解两片北方针叶林中根系资源对线虫的重要性，我们采用了环剥云杉和修剪低矮灌木的方式进行了研究。树木的环剥会导致食真菌线虫丰度的显著降低，基于生物网袋中菌根真菌菌丝的丰度以及所拟合的结构方程模型，我们发现这一现象主要与外生菌根真菌丰度的减少有关，这表明至少有部分食真菌线虫依赖于根系资源存活，特别是滑刃线虫和丝尾线虫极有可能是外生菌根真菌的独特消费者；修剪低矮灌木并不会影响线虫群落，这表明下层植被的根系凋落物对土壤食物网并不重要，但修剪杜鹃目植物的确能抵消一部分环剥给食真菌线虫带来的负面影响，这表明杜鹃目植物和/或杜鹃目菌根真菌与外生菌根真菌之间的相互作用能影响土壤食物网中更高营养级的生物。EI值和NCR线虫指数表明冠层树木的根为土壤食物网提供了现成的有机物。 根系碳在土壤食物网中扮演着重要角色，为了研究其影响，本文有针对性的选择了俄罗斯北方针叶林的两种优势物种作为处理对象——属于冠层树木的云杉和属于下层植被的低矮灌木杜鹃，分别探究了两种位于针叶林不同层次的植物根系资源对土壤生物的影响。而一些与线虫有关的参数也常被用作环境和食物网的指标，本文则选择用线虫的群落结构变化指示土壤食物网的变化，菌根真菌无疑就成为植物根系与线虫之间的纽带。文中分别通过环剥云杉和修剪杜鹃叶片的方式以阻断营养物质向根系传递，但结果显示，环剥云杉能引起土壤中食真菌线虫丰度的减少，而修剪杜鹃并不会造成土壤中线虫群落结构及丰度的显著变化，这表明在北方针叶林中冠层树木的根系对土壤食物网的影响更大。
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