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森林生態(tài)系統(tǒng)中，絕大多數(shù)植物能夠與菌根真菌形成共生關(guān)系，其中以叢枝菌根(arbuscular mycorrhizae, AM)和外生菌根(ectomycorrhizae, EcM)最為常見。不同菌根類型的樹種展現(xiàn)出獨(dú)特的生境偏好：AM樹種通常占據(jù)土壤養(yǎng)分較為豐富的環(huán)境，而EcM樹種在貧瘠的土壤條件下更為常見，由此在土壤肥力梯度上形成了AM樹種比例逐漸升高、EcM樹種比例逐漸降低的分布格局。然而，導(dǎo)致這一格局形成的具體生態(tài)機(jī)制仍不明確。

為此，森林生物多樣性與生態(tài)系統(tǒng)功能研究團(tuán)隊(duì)提出了兩種可能的驅(qū)動(dòng)機(jī)制：

1. 環(huán)境過濾假說：土壤養(yǎng)分調(diào)控不同菌根類型樹種的生長與存活，導(dǎo)致AM樹種在養(yǎng)分富集區(qū)具有更高的生長速率和存活率，而EcM樹種則相反。

2. 樹木調(diào)節(jié)土壤假說：不同菌根類型的樹種通過凋落物輸入等途徑改變土壤性質(zhì)，表現(xiàn)為AM樹種促進(jìn)土壤肥力提升，而EcM樹種則導(dǎo)致土壤養(yǎng)分衰減。

為驗(yàn)證上述假說，研究團(tuán)隊(duì)依托長白山25公頃闊葉紅松林固定監(jiān)測(cè)樣地，收集了超過15年的不同菌根類型樹種的生長與存活數(shù)據(jù)，監(jiān)測(cè)了土壤養(yǎng)分的時(shí)間動(dòng)態(tài)，并利用凋落物擴(kuò)散模型估算養(yǎng)分歸還量，綜合評(píng)估了土壤與樹木間的互作關(guān)系。

研究結(jié)果表明，隨著土壤養(yǎng)分含量的增加，EcM樹種的死亡率上升、生長率下降，而AM樹種則呈現(xiàn)死亡率下降、生長率升高的趨勢(shì)，這一結(jié)果支持了“環(huán)境過濾假說”。值得注意的是，EcM樹種有助于積累土壤總的磷含量并減少有效氮、磷流失，證實(shí)了EcM樹種有提升土壤養(yǎng)分的潛在能力。然而，這一發(fā)現(xiàn)與EcM樹種主要分布于貧瘠土壤的空間格局相悖，因此“樹木調(diào)節(jié)土壤假說”在本研究中并未得到支持。

本研究擴(kuò)展了以往樹種空間分布格局的研究框架，首次以溫帶森林為對(duì)象從機(jī)制層面闡明了不同菌根類型樹種沿土壤肥力梯度分布格局的內(nèi)在機(jī)制，為MANE(Mycorrhizal‐Associated Nutrient Economy)理論框架提供了實(shí)證支持。目前，在溫帶森林AM樹種優(yōu)勢(shì)度上升、EcM樹種優(yōu)勢(shì)度下降的背景下，我們的研究進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了理解菌根類型驅(qū)動(dòng)群落構(gòu)建機(jī)制的重要性。

相關(guān)研究成果以“Environmental filtering drives mycorrhizal tree dominance across a soil fertility gradient in a temperate forest”為題，發(fā)表于英國生態(tài)學(xué)會(huì)期刊Journal of Ecology。特別研究助理朱美慧為第一作者，王緒高研究員為通訊作者。研究得到了國家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目、興遼英才計(jì)劃及博士后面上項(xiàng)目等資助。

圖1 研究假設(shè)概念圖

圖2 土壤養(yǎng)分梯度上(A)，不同菌根類型樹種的死亡率(B)及生長率(C)的變化趨勢(shì)