去除外生菌根對紅壤侵蝕區(qū)馬尾松人工林土壤酶活性的影響

姜永孟，張世良，呂茂奎，熊小玲，李佳玉，曹安妮，謝錦升

(福建師范大學 a． 濕潤亞熱帶生態(tài)地理過程教育部重點實驗室，b． 地理科學學院，福州 350007)

0 引言

土壤微生物是土壤生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，不同微生物間通過復雜的網絡在土壤物質循環(huán)、能量流動、有機質形成與轉化、土壤功能發(fā)揮等多方面發(fā)揮著不可或缺的作用[1-2]，而這些功能的發(fā)揮很大程度上依賴于土壤酶的作用。土壤酶是土壤微生物功能發(fā)揮的重要媒介，土壤微生物通過胞外酶將養(yǎng)分由有機態(tài)轉變?yōu)闊o機態(tài)，滿足自身需求的同時直接或間接地改變土壤養(yǎng)分循環(huán)[3]。以往研究表明，土壤酶活性受到土壤溫度、水分、土壤有機質、根系生物量等多種生物因素與非生物因素的調控[3-4]，其中土壤微生物與土壤酶活性的研究一直是生態(tài)學研究的熱點問題。微生物數(shù)量及其種群構成的差異調控酶活性對環(huán)境因素的響應，例如，Mar等[5]研究表明增溫后放線菌在土壤微生物群落中豐度的增加直接刺激了纖維素酶的分泌，Huang等[6]發(fā)現(xiàn)N富集引起細菌和真菌多樣性降低，可能導致酚氧化酶和木質素降解酶活性降低[9]。由于微生物多樣性以及生境之間的異質性，不同微生物之間相互作用的復雜性，對不同生態(tài)系統(tǒng)下微生物與土壤酶的相互作用仍存在認知局限性。

作為土壤微生物的重要組成，外生菌根真菌廣泛地存在于各種森林生態(tài)系統(tǒng)中，在植物養(yǎng)分吸收、光合產物分配以及抗逆性等方面扮演了重要角色[7-8]，此外，外生菌根真菌還可以通過分泌胞外酶直接或間接參與有機質和凋落物的酶降解過程[9]，如酸性磷酸酶、幾丁質酶、過氧化物酶等[10]，進而影響土壤C、N循環(huán)過程。此外，外生菌根真菌與自由微生物之間的相互作用同樣會改變土壤物質循環(huán)[10]。目前普遍的觀點認為外生菌根真菌與腐生微生物存在競爭抑制的關系[11]，外生菌根對土壤氮元素的吸收利用導致腐生生物氮限制，抑制了碳轉化酶的活性[11]，從而減少土壤有機質的分解，促進土壤有機質的積累。相反，最新一項研究發(fā)現(xiàn)，在氮水平較低的北方森林，外生菌根真菌不利于土壤有機質的積累[12]。由此可見，菌根真菌對土壤微生物和土壤酶活性以及對土壤碳和氮循環(huán)的影響機理尚需進一步認證。

馬尾松作為典型的外生菌根樹種，是南方紅壤侵蝕區(qū)治理過程中重要的先鋒樹種，在紅壤侵蝕區(qū)水土流失治理、生態(tài)環(huán)境改善、增加森林碳匯等多方面發(fā)揮了不可磨滅的作用。盡管侵蝕退化區(qū)生態(tài)環(huán)境得到顯著改善，但該地區(qū)馬尾松人工林土壤有機質水平仍顯著低于同緯度天然林以及全國土壤平均水平[13]。外生菌根作為馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，是影響馬尾松林生態(tài)系統(tǒng)過程的重要因素。但外生菌根如何影響侵蝕退化區(qū)馬尾松人工林土壤碳氮循環(huán)過程以及外生菌根真菌與腐生微生物之間存在怎樣的關系等關鍵問題仍需進一步探究。鑒于此，本研究選取典型紅壤侵蝕區(qū)恢復馬尾松林，探究外生菌根真菌如何影響侵蝕退化區(qū)馬尾松人工林土壤養(yǎng)分以及相關微生物酶活性的影響，分析馬尾松林外生菌根與酶活性的相互關系，旨在解釋馬尾松林土壤養(yǎng)分動態(tài)是否受到外生菌根與微生物養(yǎng)分競爭的影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于福建省西部長汀縣河田鎮(zhèn)(25°33′N～25°48′N，116°18′E～116°31′E)，地處長汀縣最大的河谷盆地，主要土壤為中粗晶花崗巖發(fā)育的紅壤，砂礫占比43.0%～58.0%，抗侵蝕能力弱。氣候類型為典型的中亞熱帶季風氣候，氣候溫和，降雨充沛，多年平均溫度為17.5～18.8℃，平均日照約1 924.6 h，多年平均降水量和蒸發(fā)量為1 733 mm和1 403 mm。歷史上該區(qū)域地帶性植被主要為殼斗科(Fagaceae)、樟科(Lauraceae)、山茶科(Theaceae)、薔薇科(Rosaceae)等多樹種構成的中亞熱帶常綠闊葉林，但由于長期人為破壞以及后期土壤侵蝕，原有植被類型損耗殆盡，現(xiàn)有植被主要為大規(guī)模植被恢復治理工程形成的馬尾松(Pinusmassoniana)人工林。

1.2 研究方法

2019年11月，試驗開始前對研究區(qū)內土壤母巖相同，坡度、坡向等條件相似的馬尾松林進行調查，最終選取石壁下恢復18年馬尾松人工林作為研究對象。該樣地位于長汀縣河田鎮(zhèn)水土保持科教園內，坡度8°，為典型的侵蝕紅壤區(qū)恢復馬尾松林。自2002年采取挖穴整地的植被恢復措施，在坡面馬尾松林之間挖穴整地并結合施肥以及類蘆(Neyraudiareynaudiana)或雀稗(PaspalumwettsteiniiHackel)種植，之后任其自然生長?；謴?8年后，現(xiàn)有林下植被主要由芒萁(Dicranopterisdichotoma)構成，平均蓋度約90%，樹種主要為馬尾松，平均胸徑11.59 cm，平均高度9.30 m，其馬尾松年凋落物量約為407.69 g·m-2。調查過程中隨機布設4個20 m×20 m標準樣地，每個樣地隨機布設7組采樣點，即對照和去除菌根成對設置，每個處理各7個，樣點設置1 m×1 m小區(qū)，共計56個小區(qū)。利用壕溝法將所有小區(qū)垂直下挖60～100 cm，并插入挖孔的PVC板，其中對照組采用48 um尼龍網包裹PVC板阻斷根系進入并允許菌根進入，去除菌根組采用1 um孔徑網包裹，阻斷根系和菌根進入。

待去除菌根一年后，2020年10月利用內徑2 cm土鉆對每個小區(qū)內0～10 cm表層土進行采集，每個小區(qū)隨機取6鉆，混合均勻后裝入自封袋，置于保溫箱帶入實驗室去除根系、礫石等后，其中一部分用于土壤酶活性測定，另一部分用于土壤養(yǎng)分測定。土壤DOC采用總有機碳分析儀(TOC-V CPH, Shimadzu, Kyoto, Japan)測定；礦質氮利用2 M KCL浸提后，取上清液采用連續(xù)流動分析儀(Skalar San++, Holland)測定；微生物酶活性采用Saiya-Cork[14]方法對β-葡萄糖苷酶(βG)、β-N-乙酰氨基葡萄苷酶(NAG)、土壤纖維素水解酶(CBH)、酸性磷酸酶(AP)進行測定，4種土壤酶的名稱、縮寫、類型及所用標定底物見表1。試驗開始前通過預試驗確定各種酶達到最大酶活性所需要的底物濃度和培養(yǎng)時間。

表1 土壤酶活性的種類、縮寫 、類型和所用底物Table 1 The abbreviations, types and substrates of soil eyzyem

1.3 數(shù)據(jù)分析

本研究所有數(shù)據(jù)通過Excel進行初步處理，之后使用SPSS 26.0對樣品進行T檢驗，分析隔離菌根和對照之間土壤理化性質和酶活性的差異，顯著性水平a=0.05；運用Pearson相關系數(shù)評價環(huán)境因子和土壤酶活性之間的相關性；相關圖表繪制均采用Origin進行，圖表中的數(shù)據(jù)為平均值±標準誤。

2 結果

2.1 菌根真菌對馬尾松人工林土壤養(yǎng)分的影響

對不同處理下的土壤養(yǎng)分進行分析，如圖1所示，除銨態(tài)氮(NH4+)外，DOC以及硝態(tài)氮(NO3-)均在去除菌根后呈下降趨勢。與對照組相比，去除菌根后DOC顯著增加8.37%～119.19%(P<0.05),NO3-含量在去除菌根后顯著上升19.51%～50.00%,NH4+變化與DOC以及NO3-的變化呈相反趨勢，去除菌根后顯著降低2.46%～16.21%(P<0.05)。

2.2 菌根真菌對馬尾松人工林微生物酶活性的影響

去除菌根顯著影響βG、NAG以及AP活性，而對CBH活性影響較小(圖2)。其中，βG活性對去除菌根響應最為敏感，與對照相比，去除菌根后βG活性顯著下降27.05%～44.73%(P<0.05)； NAG活性去除菌根后相對下降16.17%～57.98%(P<0.05)；AP活性去除菌根后顯著上升5.54%～63.59%(P<0.05)，而CBH活性去除菌根后變化趨勢則不明顯(P>0.05)。

3 討論

3.1 菌根處理對土壤養(yǎng)分的影響

菌根真菌作為土壤生物組分的重要構成，是植物光合產物地下輸入、土壤有機質分解轉化以及氮磷等元素周轉的重要調控因素[9,15]。在本研究中，與對照組相比，去除菌根后DOC含量顯著增加，即外生菌根顯著降低了DOC含量，這與相關研究結果有一定差異[9,15-16]。基于菌絲體來源碳研究，Zhang等[16]指出與地上凋落物和細根周轉輸入相比[15]，以外延菌絲方式輸入土壤中的碳可能超過前兩者之和，尤其是在不穩(wěn)定性碳輸入中外生菌根扮演著更為重要的角色。然而，這種高強度的碳輸入過程并不意味著土壤有機碳在積累，Martin[17]發(fā)現(xiàn)植物光合產物通過外生菌根的間接釋放，刺激了根際微生物活性從而加速有機質的分解。因此，對照小區(qū)中由于菌根C輸入產生更強的激發(fā)效應導致DOC積累的減少，而去除菌根后微生物C源的減少導致分解減緩促進DOC的相對富集。氮是土壤養(yǎng)分有效性的重要指標，不同形態(tài)N含量及其相互轉化過程與土壤肥力密切相關。本研究發(fā)現(xiàn)去除菌根后NH4+含量顯著降低，而NO3-含量顯著上升，表明外生菌根改變土壤不同形態(tài)N素水平。相關研究表明，土壤中的氮主要以有機氮的形式賦存，而外生菌根真菌能夠分泌氧化酶參與有機物的降解[18]，促進土壤有機氮的分解釋放，從而增加土壤氮素有效性[19]，并且外生菌根能夠更有效地吸收DON，避免了進一步的礦化分解，減少了無機N淋溶造成的損失[20]。同時，在低氮有效性的狀況下，外生菌根樹種可以通過根系以及凋落物釋放次生代謝產物干擾硝化細菌的活性，進而減少氮素流失，保證自身氮素供應[21]，因此由于硝化過程的抑制以及外生菌根導致土壤中的NH4+相對富集，并間接抑制NO3-的形成。相關研究表明，外生菌根對氮素的吸收[11]，不僅局限于銨態(tài)氮，其中Paxillusinvolutus，Rhizopogonspp.和Suillusplacidus等硝酸鹽真菌對NO3-具有更強的吸收作用[22]，因而去除菌根后硝酸鹽真菌吸收降低，這可能是造成對照小組中NO3-相對富集的另一因素，而NO3-的相對富集會增加土壤氮損失的風險，進一步造成氮的缺乏。因此，外生菌根真菌能夠提高侵蝕退化地土壤氮素的保持和供給能力。

3.2 菌根處理對土壤酶活性的影響

酶活性是微生物對養(yǎng)分需求的反映，微生物對資源限制和底物有效性的響應最終決定不同生態(tài)系統(tǒng)土壤的養(yǎng)分動態(tài)[3]。根據(jù)“最佳配置”原則，當微生物面臨某種養(yǎng)分需求時，便會增加相關酶的分泌分解土壤養(yǎng)分以提高該元素的供應水平[6]。本研究中，去除菌根后酸性磷酸酶活性顯著增加，而β-N-乙酰氨基葡萄苷酶活性顯著降低，這可能與去除菌根后土壤微生物磷限制加劇以及微生物由N限制向P限制轉變有關。Sari[23]等發(fā)現(xiàn)外生菌根具有分泌包括磷酸酶等多種酶的能力，將固定在有機物中的磷轉化為可溶性磷，從而提高磷元素的有效性，被植物吸收和微生物利用[24]，因此，對照小區(qū)中微生物不受土壤P供應限制。相較于P，N元素一直是制約退化紅壤區(qū)馬尾松林的關鍵因子[13]，雖然外生菌根具有分解土壤有機氮，增加土壤氮素有效性的能力，但與自由微生物相比外生菌根對土壤N元素具有更強的吸收利用能力[11]，并且不僅局限于某一種N素的利用[22]，因此，雖然本研究中外生菌根土壤的N素有效性更高，然而自由微生物依舊面臨嚴重的N限制，而這種狀況下微生物必然增加NAG的分泌以保證自身的N素供應，去除菌根后N供應的相對增加而P有效性的降低促進微生物分泌更多的AP以獲取土壤中的P。βG、CBH作為土壤碳轉化酶與土壤有機質分解和碳固存密切相關。傳統(tǒng)觀點認為，外生菌根主導的生態(tài)系統(tǒng)的外生菌根真菌為獲取氮而“開發(fā)”有機質會間接地抑制土壤微生物活性，從而抑制土壤有機質分解，增加土壤碳固存[11]，去除菌根后自由微生物由于N限制的緩解，促進其碳轉化酶的分泌增加對土壤有機質的分解同化，而本研究卻發(fā)現(xiàn)保留小區(qū)中βG、CBH具有更高活性，這與傳統(tǒng)理論不符[11]，意味著紅壤侵蝕區(qū)馬尾松林的外生菌根真菌與自由微生物N競爭并沒有降低土壤有機質分解，反而保留菌根更會促進微生物βG、CBH活性進而加劇有機質的分解消耗，這可能與菌根真菌的碳源輸入有關[9,15]。外生菌根來源碳尤其是活性碳源的供應刺激了微生物分泌更多的胞外酶[9,17]，加速了微生物對有機質的分解。同時，微生物也會利用不穩(wěn)定的碳源分解頑固性有機質，獲取N來滿足自身的生長需求，這可能進一步促進有機質的分解[25]，而去除菌根后菌根來源碳輸入的減少導致微生物碳源不足，間接地抑制了有機質的分解[17]。另一方面，硝酸鹽的富集抑制了βG，從而增加土壤碳的富集[26]。

4 結論

綜上所述，外生菌根顯著增加了紅壤侵蝕區(qū)馬尾松林土壤中NH4+含量，并降低DOC、NO3-含量。去除菌根后，土壤AP活性顯著增加5.54%～63.59%，βG、NAG活性分別降低27.05%～44.73%，16.17%～57.98%(P<0.05)，而CBH活性變化則不明顯。因此，不同于以往主流觀點認為外生菌根真菌會抑制腐生微生物的分解作用，本研究認為在養(yǎng)分條件較差的侵蝕退化地，外生菌根真菌與腐生微生物可能是協(xié)作的關系，外生菌根真菌能夠促進有機質的循環(huán)、提高養(yǎng)分的供給和保持能力，最終保證馬尾松能夠在貧瘠的土地上生長，使馬尾松成為侵蝕退化地植被恢復的先鋒樹種。