東北地理所在土壤食物網級聯效應促進真菌生物量及其殘體的累積方面取得重要進展
土壤食物網通過調節微生物生物量及其殘體的產生，在土壤碳封存中發揮關鍵作用。然而，現實生態系統中頂級捕食者影響多營養級微生物殘體積累的作用機制尚未被充分揭示。
黑土有機碳與保護性耕作學科組依托持續5年以上的秸稈覆蓋還田免耕與翻耕定位試驗，結合為期一年的13C標記秸稈田間原位示蹤實驗，系統解析了在三級土壤食物網中，頂級捕食者（雜食/捕食線蟲）如何通過中級消費者（食真菌線蟲）調控底層微生物群落，進而影響微生物殘體的形成。研究結果表明，頂級捕食者通過捕食觸發的自上而下級聯效應，有效降低了中級消費者對真菌的捕食壓力，顯著增強了真菌的生物量和活性，進而促進了真菌來源殘體的積累，為土壤碳封存提供了新的理論基礎。
具體而言，與翻耕相比，免耕顯著提高了土壤真菌與細菌殘體的比例（提升20%~29%），其核心驅動力來自雜食/捕食線蟲的調控作用（圖1）。在免耕土壤中，雜食/捕食線蟲多度和物種豐富度分別較翻耕增加了46%和67%，并且以食真菌線蟲為主要獵物（占其食物來源的51%；圖2）。雜食/捕食線蟲與食真菌線蟲間形成了典型的捕食-被捕食關系。這種捕食關系導致食真菌線蟲的13C含量和13C富集速率分別降低了73%和90%，顯著減少了食真菌線蟲對真菌的捕食強度，促進真菌生物量和活性的提升（13C含量和13C富集速率分別提高64%和50%）（圖3）。由此可見，免耕土壤中頂級捕食者通過壓制中層捕食者，打通了自上而下對真菌群落的積極調控路徑，最終強化了真菌殘體對土壤碳庫的貢獻。相反，雖然在連續翻耕系統中也有等量的秸稈還田措施，但頻繁耕作擾動破壞了上述捕食驅動的營養級聯關系，削弱了真菌群落在土壤碳積累過程中的功能。
本研究首次提出“捕食驅動的自上而下效應與資源驅動的自下而上效應協同放大真菌殘體積累”的理論框架，揭示了土壤食物網頂級捕食者調控土壤碳循環的新機制（圖4）。研究成果凸顯出捕食-被捕食關系對農業管理實踐的敏感性，提出充分利用生態系統內部捕食調控機制，可有效提高土壤長期碳封存的穩定性。
圖1 微生物殘體及其與土壤食物網組分的關系。A-B：從田間試驗和13C原位追蹤試驗中觀察到的微生物殘體的變化情況。C：Pearson相關熱圖顯示田間試驗和13C原位追蹤試驗真菌與細菌殘體比與線蟲和微生物類群的關系。D：在13C原位追蹤實驗中，線蟲和微生物類群對耕作方式（耕作與免耕）下真菌和細菌殘體變化的相對重要性。重要程度用隨機森林分析的均方誤差（MSE）增加百分比表示。Necro.Fu:Ba: 真菌與細菌殘體比;Necro.Fu: 真菌殘體量;Necro.Ba: 細菌殘體量;OP: 雜食/捕食線蟲,FV: 食真菌線蟲,BV: 食細菌線蟲,PP: 植物寄生線蟲,Fu: 真菌,Act: 放線菌,GBa: 普通細菌。
圖2 不同耕作方式下雜食/捕食線蟲的取食策略。A-B: 基于13C（‰）特征值的食物源分析。C: 雜食/捕食線蟲食物來源比率。FV: 食真菌線蟲,BV: 食細菌線蟲,PP: 植物寄生線蟲,Fu: 真菌,Act: 放線菌,GBa: 普通細菌。
圖3不同耕作方式下雜食/捕食線蟲與食微線蟲的關聯及其對微生物殘體的影響。A：最佳擬合模型描述了在整個13C原位追蹤期間雜食/捕食線蟲與食微線蟲的動態變化。B：結構方程建模（SEM）顯示了雜食/捕食線蟲自上而下調控真菌與細菌殘體比的途徑。黑色箭頭表示正相關，紅色箭頭表示負相關。箭頭上的數字為路徑系數，箭頭的寬度表示路徑系數的強度。
圖4 食物網捕食驅動的自上而下效應與資源驅動的自下而上效應協同增強真菌生物量及死亡殘體累積的理論框架。黑色箭頭表示主要的能量流動途徑，箭頭粗細表示流動強度。藍色箭頭表示從較高營養級到較低營養級的捕食，“-”或“+”表示較低營養級活性的減少或增加。紅色虛線箭頭表示營養級聯效應，“+”表示放大。
該成果以“Cascading effects within soil food web amplify fungal biomass and necromass production”為題發表于國際生態學頂級期刊《Global Change Biology》，由中國科學院東北地理與農業生態研究所張士秀研究員（第一作者和通訊作者）、賈仲君研究員、梁愛珍研究員（通訊作者）聯合東北師范大學白娥教授、德國哥廷根大學Yakov Kuzyakov教授和荷蘭阿姆斯特丹大學Elly Morri?n副教授共同完成。研究獲得國家自然科學基金項目（42077046）、中國科學院戰略性先導科技專項（A類）項目（XDA28020401、XDA28080000）、中國科學院青年創新促進會項目（2021228）和中國科學院東北地理與農業生態研究所青年科學家小組項目（2022QNXZ04）資助支持。
論文信息及鏈接如下：
Zhang,S.X.,Kuzyakov,Y.,Jia,Z.J.,Bai,E.,Morri?n,E. and Liang,A.Z. (2025),Cascading Effects Within Soil Food Web Amplify Fungal Biomass and Necromass Production. Glob Change Biol,31: e70235.https://doi.org/10.1111/gcb.70235
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