去除外生菌根对红壤侵蚀区马尾松人工林土壤酶活性的影响

姜永孟，张世良，吕茂奎，熊小玲，李佳玉，曹安妮，谢锦升

(福建师范大学 a． 湿润亚热带生态地理过程教育部重点实验室，b． 地理科学学院，福州 350007)

0 引言

土壤微生物是土壤生态系统的重要组成部分，不同微生物间通过复杂的网络在土壤物质循环、能量流动、有机质形成与转化、土壤功能发挥等多方面发挥着不可或缺的作用[1-2]，而这些功能的发挥很大程度上依赖于土壤酶的作用。土壤酶是土壤微生物功能发挥的重要媒介，土壤微生物通过胞外酶将养分由有机态转变为无机态，满足自身需求的同时直接或间接地改变土壤养分循环[3]。以往研究表明，土壤酶活性受到土壤温度、水分、土壤有机质、根系生物量等多种生物因素与非生物因素的调控[3-4]，其中土壤微生物与土壤酶活性的研究一直是生态学研究的热点问题。微生物数量及其种群构成的差异调控酶活性对环境因素的响应，例如，Mar等[5]研究表明增温后放线菌在土壤微生物群落中丰度的增加直接刺激了纤维素酶的分泌，Huang等[6]发现N富集引起细菌和真菌多样性降低，可能导致酚氧化酶和木质素降解酶活性降低[9]。由于微生物多样性以及生境之间的异质性，不同微生物之间相互作用的复杂性，对不同生态系统下微生物与土壤酶的相互作用仍存在认知局限性。

作为土壤微生物的重要组成，外生菌根真菌广泛地存在于各种森林生态系统中，在植物养分吸收、光合产物分配以及抗逆性等方面扮演了重要角色[7-8]，此外，外生菌根真菌还可以通过分泌胞外酶直接或间接参与有机质和凋落物的酶降解过程[9]，如酸性磷酸酶、几丁质酶、过氧化物酶等[10]，进而影响土壤C、N循环过程。此外，外生菌根真菌与自由微生物之间的相互作用同样会改变土壤物质循环[10]。目前普遍的观点认为外生菌根真菌与腐生微生物存在竞争抑制的关系[11]，外生菌根对土壤氮元素的吸收利用导致腐生生物氮限制，抑制了碳转化酶的活性[11]，从而减少土壤有机质的分解，促进土壤有机质的积累。相反，最新一项研究发现，在氮水平较低的北方森林，外生菌根真菌不利于土壤有机质的积累[12]。由此可见，菌根真菌对土壤微生物和土壤酶活性以及对土壤碳和氮循环的影响机理尚需进一步认证。

马尾松作为典型的外生菌根树种，是南方红壤侵蚀区治理过程中重要的先锋树种，在红壤侵蚀区水土流失治理、生态环境改善、增加森林碳汇等多方面发挥了不可磨灭的作用。尽管侵蚀退化区生态环境得到显著改善，但该地区马尾松人工林土壤有机质水平仍显著低于同纬度天然林以及全国土壤平均水平[13]。外生菌根作为马尾松林生态系统的重要组成部分，是影响马尾松林生态系统过程的重要因素。但外生菌根如何影响侵蚀退化区马尾松人工林土壤碳氮循环过程以及外生菌根真菌与腐生微生物之间存在怎样的关系等关键问题仍需进一步探究。鉴于此，本研究选取典型红壤侵蚀区恢复马尾松林，探究外生菌根真菌如何影响侵蚀退化区马尾松人工林土壤养分以及相关微生物酶活性的影响，分析马尾松林外生菌根与酶活性的相互关系，旨在解释马尾松林土壤养分动态是否受到外生菌根与微生物养分竞争的影响。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究区位于福建省西部长汀县河田镇(25°33′N～25°48′N，116°18′E～116°31′E)，地处长汀县最大的河谷盆地，主要土壤为中粗晶花岗岩发育的红壤，砂砾占比43.0%～58.0%，抗侵蚀能力弱。气候类型为典型的中亚热带季风气候，气候温和，降雨充沛，多年平均温度为17.5～18.8℃，平均日照约1 924.6 h，多年平均降水量和蒸发量为1 733 mm和1 403 mm。历史上该区域地带性植被主要为壳斗科(Fagaceae)、樟科(Lauraceae)、山茶科(Theaceae)、蔷薇科(Rosaceae)等多树种构成的中亚热带常绿阔叶林，但由于长期人为破坏以及后期土壤侵蚀，原有植被类型损耗殆尽，现有植被主要为大规模植被恢复治理工程形成的马尾松(Pinusmassoniana)人工林。

1.2 研究方法

2019年11月，试验开始前对研究区内土壤母岩相同，坡度、坡向等条件相似的马尾松林进行调查，最终选取石壁下恢复18年马尾松人工林作为研究对象。该样地位于长汀县河田镇水土保持科教园内，坡度8°，为典型的侵蚀红壤区恢复马尾松林。自2002年采取挖穴整地的植被恢复措施，在坡面马尾松林之间挖穴整地并结合施肥以及类芦(Neyraudiareynaudiana)或雀稗(PaspalumwettsteiniiHackel)种植，之后任其自然生长。恢复18年后，现有林下植被主要由芒萁(Dicranopterisdichotoma)构成，平均盖度约90%，树种主要为马尾松，平均胸径11.59 cm，平均高度9.30 m，其马尾松年凋落物量约为407.69 g·m-2。调查过程中随机布设4个20 m×20 m标准样地，每个样地随机布设7组采样点，即对照和去除菌根成对设置，每个处理各7个，样点设置1 m×1 m小区，共计56个小区。利用壕沟法将所有小区垂直下挖60～100 cm，并插入挖孔的PVC板，其中对照组采用48 um尼龙网包裹PVC板阻断根系进入并允许菌根进入，去除菌根组采用1 um孔径网包裹，阻断根系和菌根进入。

待去除菌根一年后，2020年10月利用内径2 cm土钻对每个小区内0～10 cm表层土进行采集，每个小区随机取6钻，混合均匀后装入自封袋，置于保温箱带入实验室去除根系、砾石等后，其中一部分用于土壤酶活性测定，另一部分用于土壤养分测定。土壤DOC采用总有机碳分析仪(TOC-V CPH, Shimadzu, Kyoto, Japan)测定；矿质氮利用2 M KCL浸提后，取上清液采用连续流动分析仪(Skalar San++, Holland)测定；微生物酶活性采用Saiya-Cork[14]方法对β-葡萄糖苷酶(βG)、β-N-乙酰氨基葡萄苷酶(NAG)、土壤纤维素水解酶(CBH)、酸性磷酸酶(AP)进行测定，4种土壤酶的名称、缩写、类型及所用标定底物见表1。试验开始前通过预试验确定各种酶达到最大酶活性所需要的底物浓度和培养时间。

表1 土壤酶活性的种类、缩写 、类型和所用底物Table 1 The abbreviations, types and substrates of soil eyzyem

1.3 数据分析

本研究所有数据通过Excel进行初步处理，之后使用SPSS 26.0对样品进行T检验，分析隔离菌根和对照之间土壤理化性质和酶活性的差异，显著性水平a=0.05；运用Pearson相关系数评价环境因子和土壤酶活性之间的相关性；相关图表绘制均采用Origin进行，图表中的数据为平均值±标准误。

2 结果

2.1 菌根真菌对马尾松人工林土壤养分的影响

对不同处理下的土壤养分进行分析，如图1所示，除铵态氮(NH4+)外，DOC以及硝态氮(NO3-)均在去除菌根后呈下降趋势。与对照组相比，去除菌根后DOC显著增加8.37%～119.19%(P<0.05),NO3-含量在去除菌根后显著上升19.51%～50.00%,NH4+变化与DOC以及NO3-的变化呈相反趋势，去除菌根后显著降低2.46%～16.21%(P<0.05)。

2.2 菌根真菌对马尾松人工林微生物酶活性的影响

去除菌根显著影响βG、NAG以及AP活性，而对CBH活性影响较小(图2)。其中，βG活性对去除菌根响应最为敏感，与对照相比，去除菌根后βG活性显著下降27.05%～44.73%(P<0.05)； NAG活性去除菌根后相对下降16.17%～57.98%(P<0.05)；AP活性去除菌根后显著上升5.54%～63.59%(P<0.05)，而CBH活性去除菌根后变化趋势则不明显(P>0.05)。

3 讨论

3.1 菌根处理对土壤养分的影响

菌根真菌作为土壤生物组分的重要构成，是植物光合产物地下输入、土壤有机质分解转化以及氮磷等元素周转的重要调控因素[9,15]。在本研究中，与对照组相比，去除菌根后DOC含量显著增加，即外生菌根显著降低了DOC含量，这与相关研究结果有一定差异[9,15-16]。基于菌丝体来源碳研究，Zhang等[16]指出与地上凋落物和细根周转输入相比[15]，以外延菌丝方式输入土壤中的碳可能超过前两者之和，尤其是在不稳定性碳输入中外生菌根扮演着更为重要的角色。然而，这种高强度的碳输入过程并不意味着土壤有机碳在积累，Martin[17]发现植物光合产物通过外生菌根的间接释放，刺激了根际微生物活性从而加速有机质的分解。因此，对照小区中由于菌根C输入产生更强的激发效应导致DOC积累的减少，而去除菌根后微生物C源的减少导致分解减缓促进DOC的相对富集。氮是土壤养分有效性的重要指标，不同形态N含量及其相互转化过程与土壤肥力密切相关。本研究发现去除菌根后NH4+含量显著降低，而NO3-含量显著上升，表明外生菌根改变土壤不同形态N素水平。相关研究表明，土壤中的氮主要以有机氮的形式赋存，而外生菌根真菌能够分泌氧化酶参与有机物的降解[18]，促进土壤有机氮的分解释放，从而增加土壤氮素有效性[19]，并且外生菌根能够更有效地吸收DON，避免了进一步的矿化分解，减少了无机N淋溶造成的损失[20]。同时，在低氮有效性的状况下，外生菌根树种可以通过根系以及凋落物释放次生代谢产物干扰硝化细菌的活性，进而减少氮素流失，保证自身氮素供应[21]，因此由于硝化过程的抑制以及外生菌根导致土壤中的NH4+相对富集，并间接抑制NO3-的形成。相关研究表明，外生菌根对氮素的吸收[11]，不仅局限于铵态氮，其中Paxillusinvolutus，Rhizopogonspp.和Suillusplacidus等硝酸盐真菌对NO3-具有更强的吸收作用[22]，因而去除菌根后硝酸盐真菌吸收降低，这可能是造成对照小组中NO3-相对富集的另一因素，而NO3-的相对富集会增加土壤氮损失的风险，进一步造成氮的缺乏。因此，外生菌根真菌能够提高侵蚀退化地土壤氮素的保持和供给能力。

3.2 菌根处理对土壤酶活性的影响

酶活性是微生物对养分需求的反映，微生物对资源限制和底物有效性的响应最终决定不同生态系统土壤的养分动态[3]。根据“最佳配置”原则，当微生物面临某种养分需求时，便会增加相关酶的分泌分解土壤养分以提高该元素的供应水平[6]。本研究中，去除菌根后酸性磷酸酶活性显著增加，而β-N-乙酰氨基葡萄苷酶活性显著降低，这可能与去除菌根后土壤微生物磷限制加剧以及微生物由N限制向P限制转变有关。Sari[23]等发现外生菌根具有分泌包括磷酸酶等多种酶的能力，将固定在有机物中的磷转化为可溶性磷，从而提高磷元素的有效性，被植物吸收和微生物利用[24]，因此，对照小区中微生物不受土壤P供应限制。相较于P，N元素一直是制约退化红壤区马尾松林的关键因子[13]，虽然外生菌根具有分解土壤有机氮，增加土壤氮素有效性的能力，但与自由微生物相比外生菌根对土壤N元素具有更强的吸收利用能力[11]，并且不仅局限于某一种N素的利用[22]，因此，虽然本研究中外生菌根土壤的N素有效性更高，然而自由微生物依旧面临严重的N限制，而这种状况下微生物必然增加NAG的分泌以保证自身的N素供应，去除菌根后N供应的相对增加而P有效性的降低促进微生物分泌更多的AP以获取土壤中的P。βG、CBH作为土壤碳转化酶与土壤有机质分解和碳固存密切相关。传统观点认为，外生菌根主导的生态系统的外生菌根真菌为获取氮而“开发”有机质会间接地抑制土壤微生物活性，从而抑制土壤有机质分解，增加土壤碳固存[11]，去除菌根后自由微生物由于N限制的缓解，促进其碳转化酶的分泌增加对土壤有机质的分解同化，而本研究却发现保留小区中βG、CBH具有更高活性，这与传统理论不符[11]，意味着红壤侵蚀区马尾松林的外生菌根真菌与自由微生物N竞争并没有降低土壤有机质分解，反而保留菌根更会促进微生物βG、CBH活性进而加剧有机质的分解消耗，这可能与菌根真菌的碳源输入有关[9,15]。外生菌根来源碳尤其是活性碳源的供应刺激了微生物分泌更多的胞外酶[9,17]，加速了微生物对有机质的分解。同时，微生物也会利用不稳定的碳源分解顽固性有机质，获取N来满足自身的生长需求，这可能进一步促进有机质的分解[25]，而去除菌根后菌根来源碳输入的减少导致微生物碳源不足，间接地抑制了有机质的分解[17]。另一方面，硝酸盐的富集抑制了βG，从而增加土壤碳的富集[26]。

4 结论

综上所述，外生菌根显著增加了红壤侵蚀区马尾松林土壤中NH4+含量，并降低DOC、NO3-含量。去除菌根后，土壤AP活性显著增加5.54%～63.59%，βG、NAG活性分别降低27.05%～44.73%，16.17%～57.98%(P<0.05)，而CBH活性变化则不明显。因此，不同于以往主流观点认为外生菌根真菌会抑制腐生微生物的分解作用，本研究认为在养分条件较差的侵蚀退化地，外生菌根真菌与腐生微生物可能是协作的关系，外生菌根真菌能够促进有机质的循环、提高养分的供给和保持能力，最终保证马尾松能够在贫瘠的土地上生长，使马尾松成为侵蚀退化地植被恢复的先锋树种。