Funiu Mountainの典型的な森林生態系における微生物炭素および窒素利用効率のトレードオフと駆動要因

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土壌微生物の炭素利用効率（CUE）と窒素利用効率（NUE）は、陸上生態系における有機物ターンオーバーを支配する基礎的なパラメータであるが、森林タイプによって駆動されるリター質の変異が、リター–土壌–微生物の連続体を通じてどのように伝播し、これらの効率を制御するのかは、未だ十分に解明されていない。中国中部の伏牛山に分布する3つの森林タイプ—グイマツ（LG）植林地、鋸歯ナラ（QA）二次林、および鋸歯ナラとマンシュウアカマツの混交林（QP）—を対象に、リター化学特性、土壌理化学性、微生物バイオマス、細胞外酵素活性、および修正飽和速度論モデルから導出した微生物栄養利用効率（MUE：NUE、およびリン利用効率、PUE）を定量した。主座標分析により、リター、土壌、微生物バイオマス、酵素モジュール間で森林タイプ間に有意な多変量分化が明らかになった（Adonis R2 = 0.198–0.427；すべてp < 0.05）。LGおよびQAと比較して、QPは顕著な化学量論的不均衡を示した：最高のリター有機炭素と全窒素、最低のリグニン対セルロース比、最大の土壌CおよびNプール（SOCおよびSTN）、そして最大の微生物バイオマス炭素（MBC）を支持した。しかしながら、この資源豊富な環境にもかかわらず、微生物バイオマスC:N:P比は制約された変動を示し、一方でQPにおける土壌C:P比（SCP）およびN:P比（SNP）は極値（それぞれ112.3および7.25）に達し、深刻な化学量論的不均衡を生じさせた。ベクトル解析により、すべての森林が相対的な窒素制限下にあり（ベクトル角 < 45°）、QPが最も強い制限を示した（41.6 ± 0.4°）。決定的に重要なこととして、QPは最高のNUE（0.47 ± 0.03）を示す一方で最低のCUE（0.95 ± 0.01）を示し、CUEとNUEは全サイトでほぼ完全な負の相関を示した（R = −0.98、p < 0.001）。ランダムフォレスト分析により、細胞外酵素の化学量論がMUEの支配的な近接予測因子であることが特定された。部分的最小二乗構造方程式モデリング（GOF = 0.673–0.674；R2 = 0.592–0.603）により、リターおよび土壌特性はCUEまたはNUEに対して有意な直接効果を持たず、代わりに土壌栄養塩が土壌→微生物バイオマス→酵素活性というカスケードを通じて強い間接的関連を及ぼし、CUE（−0.731、p < 0.001）とNUE（+0.755、p < 0.001）に対して反対の総合効果を示すことが明らかになった。これらの知見は、混交植林に伴う同一の土壌栄養塩富化が、共有されたカスケード構造を通じて、CUEを抑制しNUEを促進するという分岐した微生物代謝応答を駆動することを明らかにし、森林構成の変化下における土壌炭素および栄養塩保持の予測に示唆を与えるものである。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

Soil microbial carbon use efficiency (CUE) and nitrogen use efficiency (NUE) are fundamental parameters governing organic matter turnover in terrestrial ecosystems, yet how forest type-driven variation in litter quality propagates through the litter–soil–microbe continuum to regulate these efficiencies remains poorly resolved. Across three forest types in the Funiu Mountains, central China—a Larix gmelinii (LG) plantation, a Quercus aliena var. acuteserrata (QA) secondary forest, and a mixed Quercus aliena var. acutiserrata and Pinus armandii (QP) forest—we quantified litter chemistry, soil physicochemical properties, microbial biomass, extracellular enzyme activities, and microbial nutrient use efficiencies (MUE: NUE, and phosphorus use efficiency, PUE) derived from a modified saturation kinetics model. Principal coordinate analysis revealed significant multivariate differentiation among forest types across litter, soil, microbial biomass, and enzyme modules (Adonis R2 = 0.198–0.427; all p < 0.05). Compared with LG and QA, QP exhibited a pronounced stoichiometric imbalance: it supported the highest litter organic carbon and total nitrogen, the lowest lignin-to-cellulose ratio, the largest soil C and N pools (SOC and STN), and the greatest microbial biomass carbon (MBC). However, despite this resource-rich environment, microbial biomass C:N:P ratios exhibited constrained variation, while soil C:P (SCP) and N:P ratios (SNP) in QP reached extreme values (112.3 and 7.25, respectively), generating severe stoichiometric imbalance. Vector analysis indicated that all forests were under relative nitrogen limitation (vector angle < 45°), with QP showing the strongest limitation (41.6 ± 0.4°). Critically, QP exhibited the highest NUE (0.47 ± 0.03) but the lowest CUE (0.95 ± 0.01), and CUE and NUE were nearly perfectly negatively correlated across all sites (R = −0.98, p < 0.001). Random forest analysis identified extracellular enzyme stoichiometry as the dominant proximate predictor of MUE. Partial least squares structural equation modeling (GOF = 0.673–0.674; R2 = 0.592–0.603) revealed that litter and soil properties had no significant direct effects on CUE or NUE; instead, soil nutrients exerted strong indirect association through a cascade—soil → microbial biomass → enzyme activity—with opposite total effects on CUE (−0.731, p < 0.001) versus NUE (+0.755, p < 0.001). These findings reveal that the same soil nutrient enrichment that accompanies mixed-species afforestation drives divergent microbial metabolic responses—suppressing CUE while promoting NUE—through a shared cascading structure, with implications for predicting soil carbon and nutrient retention under shifting forest compositions.

• openalex https://doi.org/10.3390/microorganisms14071580first seen 2026-07-22 04:57:40