近日，林学院森林学团队在微生物学顶级期刊Microbiome（一区TOP，IF5y = 19.4）上发表了题为“Tree and shrub richness modifies subtropical tree productivity by regulating the diversity and community composition of soil bacteria and archaea”的研究论文，揭示了亚热带森林不同多样性梯度下土壤细菌和古菌群落对乔灌木多样性变化的响应以及对生态系统生产力的调节机制。
生物多样性与生态系统功能（BEF）之间的关系是生态研究中的重要课题之一。土壤微生物群落的变化可能是调节这种关系的关键因素之一。关于森林中真菌群落对树木多样性-生产力关系的影响，已经有大量研究。然而，对于细菌和古菌而言，尽管它们在森林土壤中数量众多，并具有重要的生态系统功能，但关于它们在调节生物多样性与生态系统功能关系中的作用的研究却相对较少。
图1 实验设计与取样示意图
研究组科研人员利用建立在我国亚热带地区的大型森林生物多样性与生态系统功能实验平台（BEF-China），首次通过森林生物多样性控制实验，揭示了原核生物多样性对树种多样性-森林生产力关系的关键调节机制。
研究发现，随着树木和灌木物种丰富度的增加，细菌和古菌群落的多样性、共生网络和组成都呈现出不同的模式。在细菌群落方面，随着乔木物种丰富度的增加，细菌多样性和共生网络的复杂性会减少；而灌木物种丰富度对细菌多样性的影响在不同乔木物种丰富度水平上存在差异，这说明乔灌木物种丰富度会相互影响细菌群落的多样性。此外，细菌群落的变化可能是地上植物物种丰富度的直接结果，也可能是通过改变土壤性质（如碳氮比和 pH 值）而间接影响的结果。就古菌群落而言，乔木和灌木物种丰富度对多样性、微生物网络复杂性和组成的影响并不明显，而土壤性质几乎没有改变古菌群落的组成。
图2 土壤细菌和古菌的 α 多样性和群落结构
此外，该研究还利用结构方程模型提出了一种新的机制，指出乔木和灌木物种丰富度通过直接或间接调节土壤细菌和古菌群落，显著提高了林地中树木的生产力。具体而言，乔木物种丰富度可以通过间接途径提高细菌多样性，并通过促进土壤中的碳氮循环来调节细菌群落的组成，从而对群落的生产力产生连锁效应。对于古菌而言，只有当土壤中的碳氮比增加时，它们的多样性才会增加，这可能与树种丰富度有关，并有助于提高树木的生产力。
图3 植物丰富度通过调节土壤性质和微生物群落来影响树木生产力
综上所述，该研究得出以下结论：1.树种丰富度的增加大大降低了细菌群落组成的变异性和共生网络的复杂性，且灌木物种丰富度对细菌α多样性的影响在树种丰富度水平上有所不同；2.乔木与灌木物种丰富度对古菌影响很小；3.乔木和灌木物种丰富度通过对土壤微生物群（细菌与古菌的多样性和组成）的直接或间接调控，显著提高了林分树木的生产力。对于细菌，树种丰富度可通过刺激土壤C/N间接提高细菌多样性并调节细菌群落组成，进而对树木生产力产生级联效应（树种丰富度 -->土壤C/N --> 细菌多样性与群落组成 --> 生产力）；对于古菌，乔木和灌木物种丰富度均未直接改变古菌群落的多样性和组成，但随着土壤C/N的增加，古菌多样性增加，从而提高了林分水平的树木生产力，但这可能是树种丰富度的潜在影响（树种丰富度 -->土壤C/N；土壤C/N --> 古菌多样性 --> 生产力）。
林学院青年教师陶思齐为论文的第一作者，张乃莉副教授和中国科学院生态环境研究中心的曲来叶副研究员为共同通讯作者，北京林业大学为文章第一完成单位。该研究得到了国家自然科学基金（No. 32071644）和中国科学院战略性先导科技专项B类（XDB31030400）等项目的资助。
文章链接：https://doi.org/10.1186/s40168-023-01676-x
附：讲解视频
