践踏城市森林土壤修复过程中植物生长改善与微生物群落重组脱耦

《Journal of Environmental Management》：Plant growth improvement and microbial community reorganization are decoupled during restoration of trampled urban forest soil

　　- NL-11 联合施用促进了一年后麦冬的生长。- 植物生长的增益与细菌和真菌群落的重组相互解耦。- NL-11 与更高的细菌网络连通性相关。- 细菌和真菌群落表现出不同的组装模式。- 含生物炭处理改变了养分有效性和真菌响应。## 引言城市森林中行人踩踏是一个持续存在的管理难题，因为土壤压实往往是重复行人扰动后的首要物理后果。压实会降低孔隙连续性、水分入渗、通气性和根系穿透能力，而这些物理限制又会反过来改变养分循环，并将微生物栖息地从通气良好的根际微环境推向更具异质性和受胁迫筛选的土壤环境。以往关于土壤恢复和植物-土壤反馈的研究表明，受扰土壤并不仅仅因为植被覆盖增加就能简单恢复；持久恢复取决于植物性状、土壤资源、微生物关联结构和群落组装是否开始重新对齐为一个功能性的植物-土壤-微生物组系统。这种地下视角对于城市绿地尤为重要，因为那里的恢复措施必须是实用的、低扰动的，并能在持续的游客压力下支持持久的植被覆盖。犁耕、微生物菌剂接种和生物炭添加是实用的恢复措施，因为它们针对植物表现和微生物群落响应不同的限制因素。犁耕可以松动压实土壤，暂时改善根系穿透和通气；基于芽孢杆菌的菌剂可以刺激养分活化、招募本地微生物并重定向根际功能；生物炭可以通过改变持水性、吸附能力和养分有效性来改变本地微生物组装的物理化学生境。这些措施都可能促进植物生长，但不太可能诱导出相同的微生物响应。因此，它们的联合施用应被视为根系、细菌和真菌的新选择环境，而非假定为产生叠加效益。对恢复结果具有重要意义的微生物变化并不局限于丰富度的增减。恢复可能转而选择具有不同资源策略的类群，改变细菌和真菌的β多样性，重组类群间潜在关联，并改变确定性组装过程与随机性组装过程的相对重要性。共现网络分析可以总结推断的关联结构，而群落组装分析可以将观测到的类群周转划分为与选择、扩散及漂变/非主导过程一致的模型定义类别。当植物生长改善而微生物丰富度或香农多样性下降时，这种组合方法尤为重要，因为这种模式可能表明是选择性重组而非生态退化。植物生长改善与微生物群落重组并不必然同步进行，细菌和真菌群落在生态系统恢复过程中也可能沿着不同轨迹发展。然而，这些总体模式并不能解释被踩踏城市森林中地下群落如何对主动恢复作出响应。水分可利用性是植物地上与地下组织养分分配的主要决定因素。在城市森林中，长期、重复、高强度的踩踏压实了土壤并使其结构退化，形成坚硬裸地，限制水分入渗和根系建立，并改变细菌和真菌栖息地。因此，该系统中的恢复必须同时应对压实造成的物理限制和支持植被建立与生长的地下生物过程。土壤疏松、苏云金芽孢杆菌 NL-11 接种、生物炭添加及其联合施用以不同方式针对这些限制因素，并因此可能产生不同的植物、细菌和真菌响应的组合。我们在被踩踏的城市森林中开展了一项随机化田间试验，比较了土壤疏松、苏云金芽孢杆菌 NL-11 接种、生物炭添加及其联合施用。我们考察这些处理是否产生了独特的植物、细菌和真菌响应组合，特别关注 NL-11 田间施用产生的响应是否与土壤疏松、生物炭或联合施用相关联的响应不同。我们假设麦冬生长的改善并不必然伴随细菌和真菌群落的平行重组，并且四种恢复处理将产生依赖于处理方式的细菌-真菌响应组合。## 章节摘录### 研究地点与实验设计田间试验在中国江苏省南京市紫金山国家城市森林公园（东经 118.81°–118.88°，北纬 32.04°–32.09°）进行，地点位于一处被踩踏的城市森林场地南坡，土壤为黄棕壤，由砂砾和石英砂岩发育而成。该地区属北亚热带季风气候，年均降水量约 1530.1 mm，年均温度 19.6 °C。数十年的行人踩踏形成了裸露小径以及### 处理对植物表现和土壤性质的影响NL-11 和联合施用产生了最明确的植物生长增益，但伴随了不同的土壤响应。两种处理均提高了地上部生物量并改善了根系形态特征，相对于对照而言，而联合施用还减小了平均根径。联合施用还降低了有效磷和钾含量，同时提高了蔗糖酶和脲酶活性，表明植物生长在更受养分限制的样地尺度土壤条件下得到了促进。### 讨论对城市森林恢复的核心启示是，处理引起的植物表现改善与地下微生物重组相关，但并不等同于后者。NL-11 和联合施用都改善了麦冬的生长，但它们并未创造出相同的地下状态。这一区别对管理而言很重要，因为仅以植物生长为终点指标将会掩盖依赖于处理方式的地下响应：NL-11 条件下植物生长的改善与### 结论在本单点单站点的麦冬系统一年采样结果中，NL-11 和含生物炭处理改善了植物生长，但这些结果伴随了不同的土壤和微生物响应模式。在犁耕和三种改良处理中，NL-11 与描述上更高的细菌连通性相关。相对于犁耕，NL-11 在细菌和真菌群落中均显示出更高的正向凝聚性。含生物炭处理改变了养分有效性### CRediT 作者贡献声明**刘倩倩：** 写作—审稿与编辑，可视化，软件，调查研究，形式化分析，概念化。**聂辉：** 监督指导，软件，方法学，数据管理。**孙鑫：** 调查研究。**董丽娜：** 调查研究，资金获取。**梁新新：** 调查研究。**孙连浩：** 调查研究。**张金驰：** 监督指导，项目管理，调查研究，概念化。## 利益冲突声明作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些关系可能被视为影响本文所报告的工作。刘倩倩|聂辉|孙鑫|董丽娜|梁新新|孙连浩|张金驰