长期单一树种林分与半干旱地中海石膏质土壤中土壤微生物群落结构及养分循环酶活性的关联研究

《Journal of Soil Science and Plant Nutrition》：Long-Established Monospecific Tree Stands are Associated with Distinct Soil Microbial Community Structure and Nutrient-Cycling Enzyme Activities in a Semi-Arid Gypsiferous Mediterranean Soil

　　

本研究评估了约70年前建立的赤桉（Eucalyptus camaldulensis，EC）、西桉（Eucalyptus occidentalis，EO）、地中海松（Pinus halepensis，PH）和地中海柏木（Cupressus sempervirens，CS）长期单一树种林分是否与半干旱地中海石膏质土壤中土壤微生物群落结构和生化功能的独特模式相关。具体而言，研究人员检验了与碳（C）、氮（N）和磷（P）循环相关的土壤有机质库、微生物群落结构和潜在酶活性的差异，并探讨了这些差异与土壤资源状况及叶片/针叶化学性状的关联。研究人员从西西里岛圣卡塔尔多附近的同一石膏质旱始成土（Gypsic Haploxerept）上的单一树种林分中采集了矿质表土、叶片或针叶及凋落物样本。评估了土壤化学和生化性质，包括微生物生物量碳和氮（MBC和MBN）、呼吸作用、微生物群落结构和潜在酶活性。此外，还分析了叶片和凋落物的元素组成及纤维组分。林分间的差异通过单因素方差分析（one-way ANOVA）进行评估，同时采用探索性逐步判别函数分析（DFA）整合土壤、微生物、酶和植物性状变量。四个林分在土壤有机质库、微生物群落结构和生化功能方面存在显著差异。EC与较高的碳和氮有效性、最高的微生物生物量、呼吸作用和β-葡萄糖苷酶活性相关，表明其具有更大的微生物碳获取潜力。PH和CS表现出最高的磷酸酶活性，与其更大的磷获取潜力一致，而其微生物谱系显示真菌和/或放线菌磷脂脂肪酸（PLFA）标志物的相对贡献较大。EO表现出独特的谱系，兼具相对较高的有机碳有效性和相对较低的脲酶及磷酸酶活性。探索性判别分析表明，土壤资源状况和残体结构性状共同促进了林分的区分。长期建立的单一树种林分与该石膏质地中海土壤中独特的土壤微生物群落结构和生化谱系相关。整合酶活性、磷脂脂肪酸谱系和植物残体化学有助于表征这些差异，这些差异应被解释为关联而非重复的因果物种效应。

长期单一树种林分与半干旱地中海石膏质土壤中土壤微生物群落结构及养分循环酶活性的关联研究——论文解读

一、研究背景与科学问题

土壤退化是地中海和半干旱地区的持续威胁，这些地区土层浅薄、团聚体稳定性弱、夏季干旱漫长，削弱了生态系统恢复力，同时加速了土壤侵蚀和碳损耗。自20世纪中叶以来，意大利南部大规模造林项目依赖耐旱树种如桉属（Eucalyptus spp.）、松属（Pinus spp.）和柏属（Cupressus spp.）来稳定易侵蚀景观并恢复植被覆盖。除保护作用外，造林可能通过改变土壤有机质动态、养分循环和微生物活动，在数十年时间尺度上产生持久的、树种特异性的地下过程效应。然而，这些效应的演化和强度仍高度依赖于当地环境条件和涉及的树种。

土壤微生物是生态系统功能的核心，它们调控有机质的分解和稳定化，并通过复杂的生物相互作用介导养分转化。胞外酶是这些过程的关键，因为它们催化大分子有机底物的解聚，并主导微生物对碳、氮、磷的获取。因此，酶活性被认为是土壤功能状态的机理性和敏感性指标，往往比总体理化性质更早响应资源供应或环境胁迫的变化。在长期建立的 plantations 中，微生物和生化功能的变化可能先于或超过总土壤碳和养分库的变化，基于酶的诊断因此直接关系到土壤健康评估。

树种可通过多种紧密关联的途径改变微生物功能，尤其是通过改变凋落物和根系沉积物的数量与生化质量。这些效应在半干旱地中海地区发育于富石膏母质上的土壤中可能尤为重要，因为低有机质含量和有限持水能力对微生物生物量和活性施加了强烈限制。尽管石膏质环境具有生态和管理重要性，但关于造林树种如何塑造其土壤微生物群落和酶介导的养分循环的长期证据仍然匮乏。

本研究所在的Mustigarufi造林区（意大利西西里岛圣卡塔尔多）是一个有价值的长期田间系统，四种对比性单一树种覆盖在同一广泛的石膏质土壤学和地中海气候背景下持续了约七十年。该研究的一个显著特点是比较了两种同属桉树系统，以评估即使在同一属内是否发生显著的地下功能分化。研究目标包括：（i）确定长期建立的赤桉、西桉、地中海松和地中海柏木单一树种系统是否与独特的土壤化学、微生物和酶活性谱系相关；（ii）识别对四种树种系统多变量判别贡献最强的土壤化学、生化、微生物、酶和植物性状变量；（iii）评估两种桉树物种尽管分类学相关，是否表现出不同的地下生化谱系。

二、研究设计与技术方法

研究人员于2024年10月在Mustigarufi造林区进行采样，采样区约1000公顷，四种单一树种 plantation 均发育于同一石膏质旱始成土（Gypsic Haploxerept）上。每种树种选取四个约25平方米的单一树种样地，每个样地内采集凋落物层（O层）、矿质土壤（0-15厘米A层）和绿色叶片或针叶的复合样本。研究采用的主要关键技术方法包括：土壤总有机碳（TOC）采用重铬酸钾氧化法（Walkley-Black法）测定，总氮（TN）采用凯氏（Kjeldahl）法测定，有效磷采用Olsen法测定；微生物生物量碳和氮（MBC和MBN）采用氯仿熏蒸提取法测定；基础呼吸通过气相色谱法测定CO₂产生量；微生物群落结构采用磷脂脂肪酸（PLFA）分析法表征；潜在酶活性（β-葡萄糖苷酶、磷酸酶、脲酶、脱氢酶）在标准化实验室条件下测定；叶片和凋落物的元素组成采用干燃烧法和酸消解后MP-AES测定，纤维组分采用洗涤纤维法测定。统计方法包括单因素方差分析（one-way ANOVA）和Tukey HSD检验，以及探索性逐步判别函数分析（DFA）。

三、研究结果

3.1 土壤有机质与养分有效性

约70年造林后，四个单一树种林分在土壤有机碳、总氮和养分有效性方面存在明显差异。TOC范围为11.6至21.8 g kg^-1，EC下最高均值几乎是PH下的两倍。TN和可提取碳呈现类似模式，EC将较大的总碳库与较大比例的可利用底物相结合。EC下有效磷最高，显著高于EO、CS和PH。可提取碳和氮在所有四种树种间均存在显著差异，呈现EC > EO > CS > PH的梯度。这些化学梯度为解释后续微生物和酶响应提供了重要的生化背景。

3.2 微生物生物量、呼吸作用与微生物效率

微生物生物量碳在EC下最高，PH下最低，EO和CS居中。微生物生物量氮呈现类似模式。10天累积CO₂-C产生量遵循相同总体模式，EC下最高，PH下最低。代谢商（qCO₂）呈现相反趋势，EC下最低，PH下最高，表明EC下较大的微生物群落未伴随比例更高的维持呼吸，可能反映更高的底物利用效率和/或更低的生理胁迫。微生物商（Qmicr）在CS下最高，表明其较小的有机碳库中微生物生物量占比更大。

3.3 PLFA群落结构与生态策略

PLFA分析显示四个树种系统在总PLFA生物量和微生物群落组成方面存在显著差异，最强差异涉及微生物群落的相对分布。所有土壤以细菌为主，占总PLFA生物量的77.7%-81.4%。EC和PH显示最高细菌比例，EC同时显示最低真菌比例和最高细菌/真菌比。EC的革兰氏阳性/革兰氏阴性比最高，主要反映其革兰氏阴性菌贡献较低。EO显示最低总PLFA生物量、最低细菌比例和最高真菌比例之一。PH和CS显示较高放线菌丰度。18:1ω7/cy19:0比在EC下最高，PH和CS居中，EO下最低。

3.4 酶活性作为碳-氮-磷循环的功能指纹

脱氢酶活性在EC下数值最高，EO下最低。β-葡萄糖苷酶活性呈现最清晰的林分间分化，从PH下的111 mg pNP kg^-1 h^-1到EC下的253 mg pNP kg^-1 h^-1。脲酶活性在EC和CS下显著高于EO和PH。磷酸酶活性在PH和CS下最高，EO下最低，EC居中。PH下有效磷最低与最高磷酸酶活性的结合，与磷酸酶活性在生物磷需求超过有效磷库时增加的模型一致。

四、讨论与结论

探索性判别分析表明，土壤资源状况和残体结构性状共同促进了林分区分。四个林分在土壤有机质库、微生物群落结构和生化功能方面存在显著差异。EC与较高的碳和氮有效性、最高微生物生物量、呼吸作用和β-葡萄糖苷酶活性相关，表明其具有更大的微生物碳获取潜力。PH和CS表现出最高的磷酸酶活性，与其更大的磷获取潜力一致，其微生物谱系显示真菌和/或放线菌PLFA标志物贡献较大。EO表现出独特谱系，兼具相对较高的有机碳有效性和相对较低的脲酶及磷酸酶活性。

研究结论为：长期建立的单一树种林分与该石膏质地中海土壤中独特的土壤微生物群落结构和生化谱系相关。整合酶活性、PLFA谱系和植物残体化学有助于表征这些差异，这些差异应被解释为关联而非重复的因果物种效应。从应用角度看，树种选择可能与地中海造林项目中长期土壤碳积累模式的差异相关。