近日，土壤生态团队在Nature Communications发表题为Nutrient-induced acidification modulates soil biodiversity-function relationships的研究论文，首次发现养分富集诱导的土壤酸化可以沿着土壤微食物网调控土壤生态系统多功能性。
养分富集是最重要的全球环境变化因子之一，但其如何影响土壤生态系统结构与功能尚不清楚。土壤微生物和微型动物（如线虫和原生动物）组成了复杂的土壤微食物网，进而维持生态系统结构和多种生态系统功能（如养分循环、凋落物分解和病害防控等；简称多功能性）（Bardgett & Van Der Putten 2014; Thakur & Geisen 2019; Delgado-Baquerizo et al. 2020）。如课题组前期研究表明，土壤微食物网结构（如能流通道和网络复杂性）的变化是农田生态系统多功能性的主要影响因素（Liu et al. 2019; Hu et al. 2020; Wan et al. 2022）。然而，以往绝大多数研究集中于探讨养分富集如何直接影响土壤生物，或通过改变植物生长间接影响土壤生物。而且，这些工作多集中在单一营养级上（single trophic level），很少关注跨营养级（multiple trophic level）互作及其功能后果。
养分富集可以通过三个潜在机制影响土壤生物多样性、微食物网结构和多功能性（图1）：（1）促进植物生长，增加有机碳输入，刺激微生物生长，并通过捕食关系传递到微食物网高营养级；（2）改变土壤养分化学计量比，增加富营养型土壤生物对其他土壤生物的竞争优势，导致生态系统功能与土壤生物多样性解耦；（3）改变土壤理化环境，特别是引起土壤酸化，从而调控土壤生物多样性，和植物-微生物互作。尽管这三种机制可能单独或共同调控养分富集对土壤生物和功能的影响，它们对生态系统功能的相对贡献尚不明确。
图 1 养分富集介导土壤生物多样性、微食物网多营养级交互从而影响土壤多功能性的3种潜在的机制
本研究利用位于青藏高原的长期养分（氮磷）添加试验，探索了养分富集影响土壤生物多样性和多功能性的机制。测定了土壤理化性质，多个跨营养级的土壤生物多样性（细菌、真菌和线虫及其五个功能群），以及包括有机物分解、碳氮储量以及生态系统稳定性在内的14个生态系统功能，并通过平均值法和多阈值法计算了多功能性。发现养分富集增加了可利用的氮磷和植物来源碳，但是降低了土壤pH，并削弱了生物多样性和多功能性之间的关系。结合结构方程模型进一步分析发现土壤酸化，而非碳和养分可利用性，是影响土壤生物多样性和多样性-功能关系的主要驱动因素。并且，土壤pH的效应会沿着营养级级联上升，影响多功能性（图2）。这些结果不仅证明了土壤酸化在调节养分富集对土壤生物群落多样性和多功能性的影响方面发挥着关键作用，而且为有效的养分管理和酸化缓解提供了理论依据。
图 2 养分富集影响土壤生物多样性和功能的途径的结构方程模型
土壤生态实验室青年研究员胡正锟博士为第一作者，刘满强教授为通讯作者；本实验室陈小云教授、胡锋教授、兰州大学杜国祯教授、西班牙塞维利亚自然资源和农业生物研究所Manuel Delgado-Baquerizo教授，法国国家农业研究所Nicolas Fanin教授，美国佐治亚理工学院蒋林教授和北卡州立大学胡水金教授参与并指导了该项研究。该研究得到了国家自然科学基金（42077047, 32301434）、中央高校业务费（lzujbky-2022-ct04）、中国博后基金（2022M711657）等项目的共同资助。
参考文献
Bardgett, R.D. & Van Der Putten, W.H. (2014). Belowground biodiversity and ecosystem functioning. Nature, 515, 505–511.Delgado-Baquerizo, M., Reich, P.B., Trivedi, C., Eldridge, D.J., Abades, S., Alfaro, F.D., et al. (2020). Multiple elements of soil biodiversity drive ecosystem functions across biomes. Nat. Ecol. Evol., 4, 210–220.
Hu, Z., Chen, X., Yao, J., Zhu, C., Zhu, J. & Liu, M. (2020). Plant-mediated effects of elevated CO2 and rice cultivars on soil carbon dynamics in a paddy soil. New Phytol., 225, 2368–2379.
Liu, T., Chen, X., Gong, X., Lubbers, I.M., Jiang, Y., Feng, W., et al. (2019). Earthworms Coordinate Soil Biota to Improve Multiple Ecosystem Functions. Curr. Biol., 29, 3420-3429.e5.
Thakur, M.P. & Geisen, S. (2019). Trophic Regulations of the Soil Microbiome. Trends Microbiol., 27, 771–780.
Wan, B., Liu, T., Gong, X., Zhang, Y., Li, C., Chen, X., et al. (2022). Energy flux across multitrophic levels drives ecosystem multifunctionality: Evidence from nematode food webs. Soil Biol. Biochem., 169, 108656.
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41467-024-47323-3
编辑：胡正锟
校正：吴 迪
审核：刘满强
