土地利用遗留效应塑造土壤及根系相关微生物群落、改变养分循环并影响葡萄生理特性

《Applied Soil Ecology》：Land-use legacy shapes soil- and root-associated microbial communities, modifies nutrient cycling, and influences vine physiology

　　

土壤微生物群落在生态系统功能中发挥核心作用，影响有机质分解、养分循环与植物营养。植物微生物组，包括菌根共生体，在植物养分吸收中发挥关键作用，并受到土壤管理的强烈影响。土地利用变化、农林复合管理实践以及景观结构可强烈影响土壤微生物群落组成与植物发育。在法国，葡萄种植景观的结构可能高度异质。然而，农林复合实践与景观异质性对葡萄栽培系统土壤微生物群落的综合影响仍缺乏充分记录。为深入理解这些影响，研究人员开展了一项控制实验，使用采自同一景观内葡萄园及其邻近森林的土壤。具体而言，研究人员比较了葡萄园土壤、森林土壤及二者的混合物，以评估其相关微生物群如何影响葡萄生长、植物驱动的微生物群招募以及微生物活性。尽管理化分析表明森林土壤含有显著更高的有机质（283.7 vs 54.3 g·kg^?1干土）和氮含量（13.3 vs 3.2 g·kg^?1），但不同土壤的酶活性模式存在差异，葡萄园土壤和混合土壤表现出高于森林土壤的功能活性。研究人员发现，葡萄生长和氮素状态受到土壤来源的显著影响。在混合土壤中生长的植株表现出更大的地上部生物量和发育（鲜重约32 g·plant^?1；长度约57 cm），优于葡萄园土壤（约19 g·plant^?1；约28 cm）和森林土壤（25.60 g·plant^?1；约32.16 cm）中生长的植株。此外，真菌和细菌多样性分析揭示了不同的微生物群落组成，葡萄园土壤中的类群适应于扰动环境，而森林土壤则具有更高的微生物丰富度。总体而言，这些结果表明葡萄生长的差异不能仅由土壤有机质含量解释，还可能反映土壤微生物群落的差异，尤其是在混合土壤处理中。

土壤微生物群落是生态系统功能的核心，参与有机质分解、养分循环和植物营养调控。土地利用方式和农业管理措施会显著改变农业土壤中微生物群落的结构与功能，可能引起土壤肥力和作物产量不可预测的变化。在葡萄栽培系统中，景观结构往往高度异质，但农林复合实践与景观异质性对土壤微生物群落的联合影响仍鲜有报道。为此，研究人员在法国同一景观内选取相邻的葡萄园和森林土壤，设置葡萄园土壤、森林土壤及二者混合土壤三种基质，于温室条件下开展控制实验，旨在评估不同土壤来源及其微生物群对葡萄生长、养分吸收、土壤酶活性和微生物群落结构的影响。研究假设包括：森林土壤因有机质含量更高而具有更高酶活性；葡萄生长和养分获取主要受矿质养分有效性与土壤微生物群落差异驱动；根相关微生物群落随土壤来源和土壤混合而变化。研究人员通过比较三种基质中葡萄的生长与营养、表征土壤和根系微生物群落结构及功能活性，并结合¹⁵N标记凋落物分解实验，系统揭示了土地利用历史对土壤功能和葡萄生理的调控作用。该研究为理解葡萄园土壤管理中微生物群落与有机质输入的协同效应提供了重要依据，论文发表于《Applied Soil Ecology》。

研究人员在法国Juillac-le-Coq采集葡萄园与相邻森林的表层土壤（0–30 cm），两样点成土条件相似，主要差异为土地利用历史。将过4 mm筛的土壤与黏土球/凹凸棒石配成葡萄园、森林及二者混合三种复合基质，种植一年生‘Ugni blanc’嫁接苗（Fercal砧木），并埋入¹⁵N标记玉米凋落物网袋。3个月后收获，测定植物生物量、碳氮含量及¹⁵N丰度；采用荧光法和比色法测定8种胞外酶活性；基于Illumina MiSeq平台，以ITS2、LSU和16S rRNA基因标记分别分析真菌、丛枝菌根真菌（AMF，arbuscular mycorrhizal fungi）和细菌群落，利用FROGS流程进行OTU（operational taxonomic unit，操作分类单元）聚类与多样性统计。

### 3.1 土壤理化性质

初始阶段（T0），森林土壤（FS0）的有机质（283.7 g·kg^?1）、碳（164.9 g·kg^?1）和全氮（13.3 g·kg^?1）含量显著高于葡萄园土壤（VS0），C:N比和阳离子交换量亦更高；而葡萄园土壤的铜浓度显著高于森林土壤，钙、钾和有效磷含量在两土壤间无显著差异。该结果表明，长期不同土地利用方式形成了明显分异的土壤化学性质。

### 3.2 养分动态与植物生长

混合基质中葡萄地上部生物量（31.77±2.15 g）显著高于森林基质（25.60±1.69 g）和葡萄园基质（19.07±1.84 g），株高和节间数均表现相同趋势；根生物量和根定殖率无显著差异。氮浓度在葡萄园土壤中生长的植株根和茎中较高，C:N比较低；利用¹⁵N标记凋落物计算的茎部肥料氮来源比例（Ndff，nitrogen derived from fertilizer）在葡萄园土壤中亦高于森林土壤，而茎中磷浓度无处理间差异。

### 3.3 酶活性

收获期（T1），葡萄园土壤（VS1）和混合土壤（MS1）中β-葡萄糖醛酸酶、β-葡萄糖苷酶、氨肽酶和漆酶活性显著高于森林土壤（FS1）；纤维二糖水解酶活性在VS1中显著高于FS1，而几丁质酶、木糖苷酶和磷酸酶活性无显著差异。这表明与葡萄园管理相关的微生物功能活性明显强于森林土壤，但并非所有酶均受到土壤来源的同等影响。

### 3.4 微生物多样性分析

#### 3.4.1 真菌多样性（ITS标记）

真菌群落以子囊菌门和担子菌门为主。土壤真菌群落中VS1与FS1和MS1显著分离，VS0与FS0亦显著不同；MS1和FS1的真菌多样性高于VS1。根内真菌群落在定植前后发生明显更替，RVS1与RFS1之间的差异最为显著，而RMS1与两种纯土壤来源均有一定相似性。

#### 3.4.2 丛枝菌根真菌多样性（LSU标记）

共鉴定出17种AMF，分属11个属，Claroideoglomus和Rhizophagus占土壤AMF多样性的一半以上，根内以Rhizophagus irregularis为主导（>80%）。土壤类型显著影响根相关AMF群落组成，解释了56.5%的变异；森林与葡萄园来源根际AMF群落差异最大。AMF多样性在葡萄园根际中最高，其次为混合土壤和森林土壤。

#### 3.4.3 细菌多样性（16S标记）

细菌群落在不同土壤间显著分离，VS1与FS1之间的差异最强。葡萄园土壤中Herbaspirillum占优势，森林土壤中Noviherbaspirillum占优势；森林相关土壤中Candidatus Udaeobacter和Candidatus Xiphinematobacter相对丰度较高，而葡萄园土壤中Pyrinomonadaceae、Micrococcaceae和Nitrospira更为丰富。这些差异体现了土地利用历史对细菌群落结构的深刻影响。

讨论部分指出，森林土壤虽有机质含量高，但酶活性和植物可利用氮较低，支持了其养分循环相对保守的特征；葡萄园土壤中较高的酶活性和Ndff值表明其微生物群落具备较快的矿化潜力。混合土壤表现出介于两者之间的过渡状态，并产生最强的葡萄生长促进效应，提示有机质输入与葡萄园适应性微生物群落的结合可能优化土壤功能。Mantel检验显示，不同土壤中微生物多样性与酶活性及葡萄性状的相关模式不同，微生物群落结构的变化与酶活性和葡萄生长特征协同变化，反映出土壤理化性质、土地利用遗留效应和微生物群落组装共同驱动生态系统功能。研究结论表明，葡萄的表现取决于土壤理化性质、微生物群落组成与土壤管理遗留效应的相互作用，而非仅由有机质含量决定；混合土壤持续促进葡萄生长并维持多样的微生物互作，说明平衡有机质输入与葡萄园适应性微生物群落可改善土壤功能。微生物多样性和酶活性是互补的土壤功能指标，可用于评估管理措施对葡萄园土壤的影响。综合来看，该研究为葡萄园土壤管理策略的优化提供了生物学依据，并强调了微生物群落与有机质协同管理在可持续葡萄栽培中的潜在价值。