华西雨屏区不同海拔典型林分土壤碳氮循环功能基因变化特征及驱动因子

Variation Characteristics and Driving Factors of Soil Carbon-Nitrogen Cycling Functional Genes in Typical Forest Stands at Different Altitudes in West China Rainy Area

摘要

目的 探究华西雨屏区不同海拔典型林分土壤微生物的群落结构、功能基因变化特征及其生态驱动因子。 方法 选取华西雨屏区四川栗子坪国家级自然保护区青冈-川杨阔叶混交林（1 900 m）、冷杉-云杉针叶混交林（2 300 m）和石棉玉山竹林（2 700 m）3个海拔典型林分为研究对象，采用Illumina Novaseq高通量测序技术分析微生物群落结构、碳氮循环功能基因变化。 结果 1）1 900 m海拔土壤有机碳（SOC，23.95 g/kg）、铵态氮（NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N，6.33 mg/kg）含量和碳氮比（C∶N，20.33）、微生物生物量碳氮比（MBC∶MBN，18.56）最高；2 300 m海拔土壤全氮（TN）和硝态氮（NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N）最高，分别为1.60 g/kg、23.52 mg/kg；2 700 m海拔NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N、NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N均显著低于其余海拔（p<0.05）。MBC、MBN对NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N影响最显著，C∶N是NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N、NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N、TN共同关键预测因子。2）细菌多样性整体变化不显著（p>0.05），细菌群落中假丝酵母菌属（Candidatus_Solibacter）、苔藓杆菌属（Bryobacter）相对丰度最高，念珠菌属（Candidatus_Solibacter）随海拔升高相对丰度上升；真菌多样性沿海拔显著升高（p<0.05），真菌群落中被孢霉属（Mortierella）、蜡壳菌属（Sebacina）相对丰度最高。3）沿海拔升高，微生物固氮、氨氧化基因丰度逐渐下降；2 300 m海拔微生物碳氮循环功能基因处于较低水平；2 700 m海拔微生物Wood-Ljungdahl途径关键基因（cooS、cdhD）和硝酸盐还原基因丰度最高，SOC、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N、MBC、MBN与固氮、氨氧化基因显著正相关（p<0.05）。4）扩散限制主导微生物群落构建，其次为生态漂变过程，细菌、真菌网络复杂度均随海拔升高降低。 结论 研究结果可为探究区域土壤养分、微生物群落结构、碳氮循环功能基因对不同海拔响应机制及影响因子提供理论依据。

Abstract

Objective This study aims to investigate the changes in soil microbial community structure and functional genes， along with their ecological drivers， in typical forest stands at different altitudes in the West China Rainy Area. Methods Three typical forest stands at different altitudes within the Liziping National Nature Reserve of Sichuan Province （West China Rainy Area） were selected as the research subjects： A Cyclobalanopsis and Populus szechuanica broad-leaved mixed forest （1 900 m）， an Abies-Picea coniferous mixed forest （2 300 m）， and a Yushania lineolata forest （2 700 m）. The microbial community structure and changes in carbon-nitrogen cycling functional genes were analyzed using Illumina Novaseq high-throughput sequencing technology. Results 1） The 1 900 m altitude exhibited the highest levels of soil organic carbon （SOC， 23.95 g/kg）， ammonium nitrogen （NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N， 6.33 mg/kg）， carbon-to-nitrogen ratio （C∶N， 20.33）， and microbial biomass carbon-to-nitrogen ratio （MBC∶MBN， 18.56）. Soil total nitrogen （TN， 1.60 g/kg） and nitrate nitrogen （NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N， 23.52 mg/kg） were the highest at the 2 300 m altitude. In contrast， both NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N and NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N at 2 700 m were significantly lower than at other altitudes （p<0.05）. MBC and MBN had the most significant influence on NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N， while the C∶N ratio was a common key predictor for NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N， NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N， and TN. 2） Overall， bacterial diversity showed no significant changes （p>0.05）. Within the bacterial communities， CandidatusSolibacter and Bryobacter showed the highest relative abundances. The relative abundance of CandidatusSolibacter increased with increasing altitude. In contrast， fungal diversity increased significantly with altitude （p<0.05）， and Mortierella and Sebacina showed the highest relative abundances in the fungal communities. 3） With increasing altitude， the abundances of microbial nitrogen fixation and ammonia oxidation genes gradually decreased. At 2 300 m altitude， microbial carbon-nitrogen cycling functional genes were at relatively low levels. In contrast， at 2 700 m altitude， the abundances of key genes in the Wood-Ljungdahl pathway （cooS， cdhD） and nitrate reduction genes were the highest. SOC， NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N， MBC， and MBN showed significant positive correlations with nitrogen fixation and ammonia oxidation genes （p<0.05）. 4） Microbial community assembly was primarily governed by dispersal limitation， followed by ecological drift. The complexity of both bacterial and fungal networks decreased with increasing altitude. Conclusion The findings of this study provide a theoretical basis for investigating the response mechanisms and influencing factors of regional soil nutrients， microbial community structure， and carbon-nitrogen cycling functional genes to altitudinal variation.

Graphical abstract

关键词

海拔 / 碳氮循环 / 微生物群落结构 / 生态驱动因子 / 群落组装

Key words

altitude / carbon and nitrogen cycling / microbial community structure / ecological driving factors / community assembly

亚热带森林作为全球重要的N₂O天然排放源，其温暖、湿润气候特征加剧元素循环周转，人为活动导致氮（N）沉积深刻影响固碳、硝化、有机氮矿化等一系列过程^［1］。这些过程通常由微生物特定功能基因编码的酶催化，从而影响碳氮有效性进而调控生态系统的生产力、碳汇能力及温室气体排放等关键生态服务功能^［2］。栗子坪国家级自然保护区位于华西雨屏区这一亚热带与温带生态过渡带，在水土保持、生物多样性保护中发挥重要价值，是研究过渡带森林微生物群落结构和碳氮功能基因变化特征的理想区域。森林生态系统沿海拔梯度的微生物碳氮循环功能变化规律已有大量研究，植被多样性、凋落物性质、环境异质性等显著影响森林微生物碳氮循环功能变化^［3］。已有研究^［4］表明，高海拔刺槐林SOC、C∶N影响放线菌门、厚壁菌门丰度，调控易分解碳、纤维素降解功能基因和反硝化、氨同化基因丰度；DAI等^［5］研究表明，易分解碳降解基因丰度在1 920~2 850 m海拔森林最高，随海拔升高呈驼峰状变化趋势，pH驱动难分解碳降解基因丰度呈相反变化趋势；YANG等^［6］研究表明，高海拔森林中固氮、硝化等氮循环基因丰度在海拔梯度上呈“U”形分布；ZHAO等^［7］研究表明，土壤SOC、TN含量与pH、体积质量（BD）是驱动太白山不同海拔梯度碳降解基因丰度变化的关键理化因子，难分解碳降解基因丰度随海拔升高呈下降趋势。因此，pH与氮素有效性可能是驱动碳降解、氨氧化等关键微生物功能变化的关键因子。尽管已有研究^［8］表明，亚热带森林速效磷（AP）、pH是反硝化基因关键驱动因子，NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N对nirS基因丰度具有重要调控作用，但基于不同海拔亚热带森林碳氮循环功能基因分异特征和影响因子的认识仍较为匮乏。

群落构建机制已成为微生物生态学研究热点，根据生态位理论，种间互作和环境条件（如pH、温度和湿度）决定群落结构演替^［9］。不同海拔森林养分可用性和地形因素，显著驱动微生物群落演替与互作网络重构，这实际反映不同微生物类群资源偏好、需求和资源获取策略差异^［10］。例如，西南脆弱生态区pH、TN含量主导不同海拔细菌群落构建的随机性过程，酸杆菌门为主要优势菌群^［11］；喀斯特森林土壤细菌群落构建主要受确定性过程主导，而真菌群落受随机性过程影响更大^［12］。目前，关于土壤微生物群落构建机制研究在受人为干扰较少的自然保护区内开展较少。因此，本研究探究不同海拔林分土壤微生物群落构建过程，阐明其互作网络结构与稳定性变化特征，并进一步分析互作网络对关键碳氮功能调控作用。

综上，本研究选取栗子坪国家级自然保护区常绿阔叶林向温带针叶林过渡的3种不同海拔典型林分，探究其微生物群落结构变化、碳氮循环功能及驱动因子，可为制定保护区不同海拔森林类型可持续管理策略和维持森林生态服务功能提供关键微生物机制见解。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

四川栗子坪国家级自然保护区位于中国四川省雅安市石棉县境内贡嘎山东南侧（28º51'02"~29º08'42"N，102º10'33"~102º29'07"E），南北长23 km，东西宽17.8 km，总面积47 940 hm²。区内海拔1 330~4 551 m，地貌以中高山为主，兼有部分低山和河谷阶地，地势由西南向东北倾斜，地形切割破碎。研究区属于亚热带季风气候，气温变幅小，积温较高，植物生长期延长，区内年降水量800~1 250 mm。自然资源丰富，生态系统完整，保存较完整地带性原生生物群落，人为扰动较少。土壤类型以山地棕壤土为主，有轻微富铝化特征，表层有机质含量较高^［13］。

1.2 样地设置与样品采集

本研究于2022年6月在四川栗子坪国家自然保护区内沿海拔梯度（1 900、2 300、2 700 m）选取青冈-川杨阔叶混交林、冷杉-云杉针叶混交林和石棉玉山竹林3种典型林分，每种林分设置6个立地条件相似（高程差<100 m，坡度坡向一致）的20 m×20 m重复样地。每个样地内记录优势树种并计算郁闭度等指标，去除土壤表面枯落物后采用五点取样法采集0~20 cm表层土壤，使用环刀取原状土测定物理性质，将采集土壤均匀混合过2 mm筛后一部分用于低温保存（-80 ℃）进行微生物高通量测序，另一部分用于化学性质测定。土壤理化指标测定参照《土壤农化分析与环境监测》^［14］。土壤pH采用电极电位法测定；土壤含水率（SMC）采用烘干法测定；土壤体积质量（BD）采用环刀法测量；土壤有机碳（SOC）采用油浴加热重铬酸钾容量法测定；硝态氮（NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N）、铵态氮（NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N）采用2 mol/L KCl 溶液浸提，分别采用紫外分光光度法、靛酚蓝比色法定量测定；全氮（TN）采用半微量凯氏定氮法测定；微生物量碳（MBC）、氮（MBN）采用氯仿熏蒸法进行测定。不同林分样地详细信息见表1。

1.3 生物DNA提取、PCR扩增及测序

利用TGuide S96试剂盒提取土壤样品中的总DNA。经酶标仪（Gene Compang Limited，synergy HTX）检测核酸浓度合格后，扩增核酸，采用质量分数1.8%的琼脂糖对扩增后PCR产物进行电泳检测。使用16SrRNA基因引物338F（5′-ACTCCTACG-GGAGGCAGCAG-3′）和引物806R（5′-GGACTA-CHVGGGTWTCTAAT-3′）扩增细菌V3-V4区，使用真菌ITS引物ITS1F（5′-CTTGGTCATTTAG-AGGAAGTAA-3′）和ITS2R（5′-GCTGCGTTC-TT CATCGATGC-3′）对真菌 ITS1区进行扩增。将其产物纯化、定量和均一化后构建文库，采用Qsep-400方法检验文库质量，质检合格后用Illumina Novaseq 6000进行高通量测序。使用Trimmomatic v0.33软件对高通量测序获得原始测序序列（Sequenced Reads）进行过滤，应用Cutadapt 1.9.1软件进行引物序列识别与去除，获得不包含引物序列的Clean Reads。采用QIIME2中的dada2方法去噪，双端序列拼接并去除嵌合体序列，获得有效数据。采用 PICRUSt 2软件开展碳氮循环功能基因预测分析，将测序获得的细菌closed ASV-table与KEGG（Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes）数据库进行比对，获取碳氮循环相关功能注释信息。

1.4 数据分析

微生物共现网络分析使用“WGCNA”包构建ASV共现网络，保留强相关（Spearman′s correlation>0.6，p<0.01）连接，提取子网络参数。通过“igraph”包计算节点Zi-Pi值，并据此划分核心节点和模块枢纽。群落平均变异度（AVD）采用XUN等^［15］计算方法，基于全站位数据计算后进行分组统计AVD指数，进行不同海拔间数据比较。使用“picante”包（计算βNTI）和“ape”包，基于STEGEN等^［16］的框架构建零模型，计算微生物群落构建确定性过程和随机性过程比例。采用SLOAN^［17］中性群落模型（NCM）评估随机性过程对群落组装的影响和微生物群落迁移能力（Nm）。使用“rfUtilities”和“rfPermute”包评估随机森林模型中土壤理化因子、微生物群落、功能基因对氮素含量预测重要性。通过计算Bray-Curtis差异，对功能基因进行PCoA分析。利用“plspm”包进行偏最小二乘路径建模（PLS-PM）。用SPSS 26软件对土壤理化性质、微生物多样性及生态位宽度进行Shapiro-Wilk检验正态分布，分别采用单因素方差分析（ANOVA）结合LSD事后检验，或非参数检验（Kruskal-Wallis）结合Dunn法分析，显著性水平设为p<0.05。

2 结果与分析

2.1 土壤理化性质

由表2可知，不同海拔土壤均呈酸性，pH为5~6，沿海拔升高呈上升趋势。1 900 m海拔SOM、SOC、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N、C∶N均显著高于（p<0.05）其余海拔，其中SOC、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N相较于2 700 m海拔分别上升55.22%、71.08%。2 300 m海拔土壤TN、NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N、SMC显著高于（p<0.05）其余海拔。2 700 m海拔土壤BD最高，SOC、SMC、不同氮素含量均为最低，表明其物理结构相对紧实。

2.2 土壤微生物多样性与优势分类单元

土壤微生物样本质控后样品覆盖度均在99%以上，以满足后续分析测序深度要求（表3）。结果显示，随海拔升高，细菌Chao1指数呈先降后升趋势，但整体无显著差异（p>0.05）；真菌Chao1指数则随海拔显著（p<0.05）上升。各海拔细菌群落多样性、均匀性均高于真菌。

由图1可知，随海拔升高细菌假丝酵母菌属（Candidatus_Solibacter）和念珠菌属（Candidatus_Udaeobacter）相对丰度逐渐增加，玫瑰弧菌属（Roseiarcus）则呈下降趋势；2 300 m海拔苔藓杆菌属（Bryobacter）和酸杆菌属（Acidibacter）相对丰度达到最高，慢生根瘤菌属（Bradyrhizobium）相对丰度在该海拔最低。真菌被孢霉属（Mortierella）、丝盖伞属（Inocybe）2 300 m海拔相对丰度最高；随海拔升高蜡壳菌属（Sebacina）相对丰度急剧下降，枝孢属（Cladosporium）相对丰度逐渐增加，古根菌属（Archaeorhizomyces）与红菇属（Russula）相对丰度呈U形变化趋势。生态位宽度分析结果（图1a、图1c）显示，随海拔升高土壤细菌、真菌群落生态位宽度均呈先下降后上升趋势，不同海拔间细菌生态位宽度差异显著（p<0.05），均大于真菌生态位宽度。

2.3 微生物共现网络

由图2可知，微生物互作受海拔显著影响，细菌、真菌网络节点主要分布于7个模块，网络复杂性均随海拔升高呈下降趋势，2 700 m海拔细菌、真菌网络边数分别减少53.3%、76.1%，细菌群落平均路径长度、AVD指数低于其余海拔，相反真菌群落平均路径长度、AVD指数高于其余海拔（表4）。仅在2 700 m海拔细菌群落识别出连接不同模块的9个连接器，该关键节点以酸杆菌门（Acidobacteriota）与变形菌门（Proteobacteria）为主，涉及Subgroup_2目与伯克霍尔德氏菌目等类群。多数类群具有分解纤维素、半纤维素与几丁质能力，伯克霍尔德氏菌目与酸杆菌门则参与顽固性有机质转化过程。

2.4 微生物群落构建

由图3零模型分析结果可知，细菌群落构建以扩散限制为主导机制，贡献率为40.0%~86.7%，在2 300 m海拔达到最高；同质选择作用在1 900 m海拔最强；值得注意的是，生态漂变过程贡献随海拔升高而增强，2 700 m海拔上升至53.3%，成为该海拔主导构建机制。真菌群落随海拔升高扩散限制贡献率逐渐增加，生态漂变、同质选择作用占比逐步下降。中性模型分析结果表明，细菌在整体海拔梯度上迁移能力高于真菌，中性模型对真菌群落拟合优度（R²）较差，是由于真菌在不同采样点优势类群差异显著，不同类群主导局域群落使群落构建过程呈现确定性特征。

2.5 碳循环功能基因

碳循环功能基因热图与PCoA分析（图4a、图4b）显示，碳循环功能基因沿海拔梯度发生显著变化，其中有机碳氧化和发酵是主导循环途径（图4d）。1 900 m海拔纤维素降解（beta-xylosidase、cellulase）、Form Ⅱ固碳基因丰度最高，同时甲烷氧化（pmoA/B）基因富集；2 300 m海拔多数碳循环功能处在较低水平；2 700 m海拔纤维二糖苷酶基因（cellobiosidase）丰度显著提升，Wood-Ljungdahl固碳途径关键基因（cooS、cdhD、cdhE）显著富集，甲烷氧化基因丰度受到明显抑制。随机森林差异性分析（图4c）进一步表明，纤维素降解基因是驱动碳循环功能海拔分异的关键基因。

2.6 氮循环功能基因

氮循环功能基因热图与PCoA分析（图5a、图5b）显示，氮循环功能基因的分布沿海拔梯度呈显著变化，其中亚硝酸盐还原途径是主导循环途径（图5d）。1 900 m海拔固氮基因（nifK/H/D）丰度远高于其余海拔，但其反硝化基因（nirS、norB、nosZ）丰度较高表明存在相应氮素流失风险；2 300 m海拔固氮基因、氨氧化基因（amoA/B/C）丰度高于2 700 m海拔但低于1 900 m海拔，反硝化基因丰度相对较低；2 700 m海拔富集硝酸盐还原基因（narG/H）和亚硝酸盐还原为铵基因（nrfA/D/H）。随机森林差异性分析（图5c）表明，不同海拔间氮循环功能的差异主要体现在固氮潜力与氮素保存途径上。

2.7 环境变量、碳氮循环相关功能基因和微生物群落结构间的相关性

Mantel分析（图6a）显示，细菌、真菌生态位宽度与SOC、NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N、TN、C∶N及SMC呈显著正相关（p<0.05）；微生物群落结构与多数理化因子无显著相关性，可能反映群落功能冗余性及环境因子间接调控作用；MBC、MBC∶MBN、BD与碳循环功能基因显著正相关（p<0.05），MBC、BD与氮循环功能基因显著正相关（p<0.05）。

进一步分析功能基因与环境因子之间的相互作用（图6b）。碳循环功能基因主要受NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N、NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N、C∶N、MBC和SMC的显著影响。NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N与厌氧代谢、固碳（如pflD、cooS基因）及纤维素酶基因（cellulase）显著负相关（p<0.05）。MBC、MBN、SOC、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N促进固氮基因、硝化基因及同化亚硝酸盐还原基因（nirB）丰度提升，pH、BD则抑制这些基因表达。基于随机森林模型分析驱动土壤氮素变化关键因子（图6c）。C∶N是预测土壤氮素变化共同关键因子。NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量预测重要性最高的前2个理化因子为MBC、MBN，同时受氨氧化、固氮基因显著调控；NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N含量表现出受其余不同形态氮素含量（MBN、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N、TN）显著影响特征；而TN含量与NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N含量、SMC、反硝化基因（nirD）密切相关。PLS-PM模型分析表明（图6d），土壤pH通过调控细菌群落结构影响固碳基因，pH、SOC通过调控细菌网络复杂度影响纤维素降解基因；固氮和氨氧化基因同时受细菌群落结构、SOC含量直接调控。

3 讨 论

3.1 不同海拔氮素变化特征及影响因子

本研究中土壤NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N、NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N、TN含量呈现显著的海拔分异特征。2 700 m海拔NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N、NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N含量显著低于其余海拔（p<0.05），是由于其土壤BD较大导致土壤结构致密、孔隙度降低限制氧气扩散，一方面促使微生物群落转向厌氧代谢、抑制微生物整体活性；另一方面，减缓凋落物分解，厌氧代谢增强直接提升反硝化作用效率，最终加速氮素流失^［18］。相关性分析表明，SOC、MBC、MBN与NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N呈显著正相关（p<0.05），反映碳、氮库间协同作用，土壤提供充足基质支撑高MBC同时促进分解者群落多样性，加速腐殖质分解，并促进矿化作用加速NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N积累^［19-20］；另一方面，养分有效性增加富集r-策略微生物，其快速生长、周转特性加速MBN死亡矿化，介导氮素二次供应，微生物对NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N同化固持，降低NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N淋溶流失与硝化转化风险^［21］。低海拔阔叶混交林凋落物具有低C∶N比、易分解特征，林分较低郁闭度、基盖度使光照充足加速腐殖质分解提高MBC、MBN、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N含量。此外，C∶N、MBC∶MBN协同变化调节微生物氮固持与矿化平衡，高C∶N增强微生物氮固持能力。针叶混交林凋落物木质素、单宁含量高，凋落物缓慢分解矿化持续提供稳定NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N，土壤较低C∶N促进氮矿化释放，NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N更多进入硝化途径，针叶混交林低氮需求与弱微生物固持能力促使土壤氮库通过硝化作用持续转化为NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N，同时促使氮素留存^［22］。随机森林模型表明，NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N 含量受真菌类群（Sebacina、Cladosporium）和氮循环功能基因显著影响，Sebacina作为菌根真菌，直接从有机质中矿化获取铵；固氮、硝化基因则直接负责铵生成与转化^［23］。NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N含量解释度更多由土壤理化性质主导，反映其更易受到环境调节（如吸附、淋溶）影响，其转化与具有硝化、反硝化潜能的细菌活动密切相关^［24］。

3.2 碳氮循环功能基因变化特征及生态驱动因子

土壤微生物主要通过卡尔文循环、Wood-Ljungdahl途径及TCA还原型三羧酸循环固定CO₂并转化为SOC，卡尔文循环是有氧条件下微生物固碳主导途径，Wood-Ljungdahl途径则通常在厌氧环境下进行^［25］。结构方程分析表明，细菌群落演替和互作关系深刻影响固碳途径变化。2 700 m海拔土壤氧气迁移受阻为厌氧固碳菌群提供合适厌氧微环境；而低海拔植被茂密，林下土壤因根系呼吸、微生物代谢活跃，Form Ⅱ酶更适配CO₂浓度高、波动剧烈的环境，其主要载体（变形菌门等兼性营养菌）更偏好酸性环境，导致不同海拔固碳途径发生变化^［26］。细菌网络复杂性对固碳基因负调控表明细菌互作可能加剧资源竞争，扰乱微环境与种间互作，抑制不同固碳途径基因丰度下降^［27］。相关性分析表明，NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N、NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N与cooS显著负相关（p<0.05），说明NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N作为高效电子受体，抑制效率较低的厌氧发酵、代谢（pflD、cooS）基因丰度^［28］。纤维素降解是森林系统微生物获取碳源的主要途径，低海拔阔叶混交林由于温度较高，土壤氧气充足，其凋落物纤维素含量高且易降解，因此优先富集高效分解纤维素获取能量的微生物。结构方程分析表明，氮素有效性总体抑制纤维素降解基因丰度，是由于高NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N积累可能形成局部氮富余状态，纤维素降解需合成复合酶（内切葡聚糖酶等），硝酸盐呼吸与易利用碳源微生物富集，下调纤维素降解功能基因^［29］；NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N则为合成含氮纤维素酶蛋白提供必需的氮源基础，促进纤维素降解微生物富集^［30］，表明不同氮素对纤维素降解基因丰度影响差异显著。同时纤维素降解需内切酶、β-葡萄糖苷酶等多酶系协同作用，细菌类群复杂互作网络通过类群间功能互补，促进纤维素降解微生物协同富集；高碳源有效性反过来支撑更多降解类群定殖，提升网络复杂性，进一步满足微生物碳降解需求^［31］。

本研究中沿海拔上升固氮、氨氧化基因丰度持续下降，2 700 m竹林土壤有效养分匮乏，富集参与异化亚硝酸盐还原为铵微生物类群，以高效利用NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N满足自身氮素需求。结构方程分析表明，SOC含量直接驱动固氮、氨氧化基因丰度提升，低海拔植被竞争激烈引发氮限制，充足碳源支撑、氮素限制共同促进固氮细菌类群定殖^［32］；同时固氮、氨氧化菌活性直接依赖有氧环境，2 700 m海拔土壤厌氧环境阻碍SOC分解产物、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N等底物扩散，压缩微生物活动空间，抑制固氮与氨氧化功能基因表达^［33］；另一方面，可能是由于低海拔土壤pH长期较低通过确定性筛选出占据主导地位且携带这些功能基因的特化微生物类群（如Bradyrhizobium），与FAN等^［34］研究结果一致。NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N作为底物同样促进硝化基因丰度提升，MBN则通过周转补充底物维持稳态共同保障微生物高效好氧代谢下的碳、氮协同转化^［35-36］。

3.3 不同海拔微生物变化特征

与以往山地海拔升高微生物多样性降低的研究^［37］发现不同，本研究发现，沿海拔上升细菌多样性变化不显著，真菌多样性呈显著上升（p<0.05）趋势。与海拔梯度选择有关，微生物多样性表现出高、低海拔2种大梯度不同模式，较低海拔（<2 600 m）微生物多样性更多取决于环境异质性，较小海拔变化梯度对细菌多样性未造成显著差异^［38］。李星冉等^［39］研究表明，真菌多样性主要受养分有效性及pH对土壤BD的间接影响，而非pH直接调控；高海拔整体养分匮乏，但不同凋落物底物类型、根系分泌物等能富集不同功能微生物分解专属底物，低养分间接缓解真菌优势种竞争压制，从而提高真菌多样性。已有研究^［40］表明，低海拔降雨减少同样对微生物多样性产生显著负面影响。

不同海拔显著影响细菌优势属丰度变化，变形菌门（Roseiarcus、Bradyrhizobium）相对丰度随海拔升高呈单调下降趋势，与土壤SOC含量变化一致，反映其对高质量碳源依赖和较窄生态位宽度^［41］。参与难分解碳降解、有机氮矿化的Candidatus_Solibacter在所有海拔相对丰度均最高，表明其具有较宽生态位宽度，Bradyrhizobium则是典型固氮菌^［42］。Candidatus_Koribacter在所有海拔相对丰度均保持稳定，具备多样糖苷水解酶和转运系统，显示其高度环境适应性^［43］。这些优势碳、氮代谢细菌群落丰度变化，构成碳氮功能基因随海拔的变化规律。真菌群落中，阔叶混交林以共生型类群Sebacina和Russula为主，通过与植物根系形成菌根，协助植物高效获取氮素，强化植物-微生物互作在氮吸收中的作用^［44］。Mortierella在1 900、2 300 m均保持较高丰度，其强大多功能酶系能够分解简单有机物、几丁质和脂质，参与多种碳氮转化过程；随着海拔升高，Archaeorhizomyces丰度下降，Cladospo⁃rium丰度上升，其主要通过分解有机质同时获取碳、氮，体现真菌群落随海拔升高从“共生吸收”向“腐生矿化”的氮获取策略转变^［45］。Inocybe常与针叶树种建立特异性外生菌根共生关系，有助于在贫瘠土壤中竞争和吸收氮素^［46］。

本研究中微生物网络复杂性随海拔升高呈下降趋势，与CHEN等^［47］研究结果一致，高海拔温度降低、降雨增多形成强烈环境过滤效应，从而降低细菌、真菌网络复杂性；不同海拔植物类群通过根系分泌物选择性影响微生物类群富集，更高海拔地形复杂同时限制微生物实际上互作。2 700 m海拔细菌网络关键节点微生物类群可能通过分解因低温积累的顽固性植物碳组分，从而连接不同功能模块，促进该海拔携带碳降解（cellobiosidase）基因细菌丰度；真菌群落网络复杂性、稳定性均下降可能与真菌低功能冗余度，菌丝体庞大、生长缓慢，善于通过功能特化来最大化资源开采广度有关，从而弱化种间互作，其较低的迁移能力会加大高海拔地势复杂性、土壤致密对互作的负面影响^［48-50］。

细菌较小个体尺寸和多样的传播途径使其扩散能力强于真菌，而真菌表现更强的宿主依赖性^［51］。与FAN等^［52］研究一致，本研究中2 700 m海拔真菌群落扩散限制作用最强，是由于竹林凋落物稳定难分解，同时高海拔复杂地势、温度降低筛选特化物种定殖；繁殖后其余微生物定殖则更多由偶然性决定，细菌迁移能力较强增强随机性过程（生态漂变）作用；而低海拔区域较小环境变异性和较高资源可用性导致确定性过程作用更为重要。已有研究^［53］表明，真菌群落在高海拔区域通过聚集特异物种而非泛化种，同时稀有类群受自身扩散能力及环境适应力限制更多，优势种群扩散能力和气候因子决定不同海拔梯度扩散限制在真菌群落构建中的主导地位^［54］。

4 结 论

1）随海拔升高，SOC、NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N、MBC、MBN含量呈下降趋势，pH、BD呈上升趋势，2 300 m海拔针叶混交林土壤TN、NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N显著高于其余海拔林分（p<0.05）。

2）随海拔升高，固氮（nifK/H/D）、氨氧化基因（amoA/B/C）丰度呈下降趋势，1 900 m海拔卡尔文循环固碳（Form Ⅱ）基因丰度高于其余海拔林分，2 300 m海拔碳氮循环功能基因丰度均较低，2 700 m海拔富集厌氧固碳（cooS）和亚硝酸盐还原为铵基因（nrfA/D/H）。NH{}_{\mathrm{4}}^{+}-N、NO{}_{\mathrm{3}}^{-}-N、MBC显著影响碳氮功能基因，结构方程分析表明SOC含量直接促进固氮、氨氧化基因丰度。

3）真菌多样性沿海拔显著升高，细菌群落中Candidatus_Solibacter、Bryobacter丰度最高；真菌群落中Mortierella、Sebacina丰度最高。

4）微生物群落构建以扩散限制为主导，生态漂变为次要机制，2 700 m海拔细菌群落以生态漂变为主导机制。2 700 m海拔细菌、真菌生态位宽度高于其余海拔。随海拔上升，微生物网络复杂性下降，细菌群落稳定性上升，真菌群落多样性显著提高（p<0.05）但稳定性下降，表明高海拔真菌群落可能通过富集更多特化类群拓宽生态位获取养分。

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基金资助

林学学科和重点实验室开放基金项目(LXXK-2025D11)

云南省文山市林下三七产业科技特派团(202404BI090010)

云南省科技厅农业联合专项重点项目(202501BD070001-026)

云南省人力资源和社会保障厅外国人才引进专项重点外国专家项目(202605AO120018)