异种植物邻体间营养差异驱动根际微生物呼吸速率变化的机制研究

为解决植物-土壤互作中功能性状差异如何影响根际微生物驱动的有机质分解过程这一关键科学问题，研究人员通过地中海草本/灌木的300组配对实验，结合33种功能性状分析和异养呼吸测定，首次揭示异种植物邻体间功能距离（FD）与根际呼吸速率呈正相关，证实地上部性状和营养性状的互补性通过"性状差异机制"促进分解过程，为理解地上-地下生态关联提供了新视角。

　　

植物与土壤微生物的互作是维系生态系统功能的核心环节，其中根际作为物质交换的热点区域，其微生物呼吸活动直接调控着碳循环和养分转化。尽管已知植物通过根系分泌物（如碳源）与微生物交换矿质营养（如氮、磷），但邻体植物间的种间互作如何通过功能性状差异影响这一过程仍存在认知空白。传统研究多关注单一物种或群落多样性效应，忽视了性状互补性与竞争权衡在驱动微生物活动中的双重作用——这正是西班牙国家农业食品与技术研究院（INIA-CSIC）和荒漠化研究中心团队在《Plant and Soil》发表的研究要解决的关键问题。

研究团队设计了一套精巧的温室实验系统：选取10种地中海草本/灌木（如Trifolium angustifolium、Helichrysum stoechas等），构建300组异种/同种配对组合，覆盖从形态到营养的33种功能性状梯度。通过标准化土壤预处理（120℃灭菌1小时与石英砂混合）消除本底微生物干扰，培养6个月后测定根际土壤的异养呼吸速率（BR，以CO₂-C释放量表示），并结合个体水平的性状测量计算功能距离（FD）。数据分析采用线性混合效应模型（LMER），将FD按性状类别（地上/地下、营养/形态）分解，并控制物种身份随机效应。

植物身份主导呼吸速率变化
结果显示，BR值在1.07-10.14 mgC-CO₂ kg^-1 d^-1间波动，且45组异种互作中15组促进、37组抑制呼吸。如Trifolium angustifolium与Micropus erectus组合使BR提升78%，而Vicia villosa则普遍产生抑制效应（RC=-0.66）。物种特异性响应表明，邻体通过改变宿主性状间接调控微生物活动，例如豆科植物可能通过高氮输入刺激分解者。

营养性状互补性驱动呼吸增强
当FD基于碳氮磷等营养性状计算时，与呼吸变化率（RC）呈显著正相关（p=0.03）。叶片高氮含量（与光合速率正相关）和细根氮输出（与分泌物量相关）共同促进微生物活性，印证了"性状差异机制"——功能迥异的植物通过资源互补（如C:N比差异）创造更丰富的微生物生态位。

地上部性状的关键作用
地上性状FD（含叶面积、茎生物量）对BR的解释力（R²=0.294）显著高于地下性状（p=0.02）。这源于地上部贡献了80%的生物量和主要营养库（如叶C含量达42.5%），其衰老组织的养分重分配可能通过根系输入土壤。相反，细根生物量虽与BR正相关（r=0.11），但粗根的负向效应（r=-0.13）抵消了整体影响。

方法论突破与生态启示
该研究首次在个体水平量化性状可塑性对微生物功能的级联效应，突破传统物种均值分析的局限。发现营养性状比形态特征更能预测地下过程，为生态恢复中物种搭配（如高氮与低氮植物间作）提供理论依据。未来研究可结合胁迫环境（如干旱）或稳定同位素示踪，进一步解析碳分配路径。这些认识对预测气候变化下植物-土壤反馈至关重要，尤其在养分受限的地中海生态系统中。