磷添加改变丛枝菌根与外生菌根树种根际磷活化途径

《Forests》：Phosphorus Addition Alters Rhizosphere Phosphorus Mobilization Pathways in Arbuscular Mycorrhizal and Ectomycorrhizal Tree Species

　　

摘要 与丛枝菌根（AM）和外生菌根（ECM）真菌共生的植物在获取磷（P）方面表现出不同的策略，然而这些策略如何响应土壤磷有效性的增加仍知之甚少。研究人员在亚热带地区选取具有代表性的AM和ECM树种，研究了磷添加如何改变根际土壤磷组分、根系来源有机酸以及微生物PLFA类群。在对照条件下，种植AM树种的根际土壤含有更高的细菌和放线菌PLFA丰度，而ECM树种根际土壤则具有更高的有机酸浓度和真菌/细菌PLFA比值。这些模式表明，AM树种在根际磷活化中更依赖细菌相关过程，而ECM树种更依赖真菌活性和根系来源有机酸。磷添加显著增加了大多数根际土壤磷组分的浓度，但显著降低了两种菌根类型中大多数有机酸的浓度。相比之下，细菌丰度对磷添加无显著响应。这些变化表明，土壤磷有效性的增加降低了植物对根系来源磷活化的相对依赖，而增加了对易利用土壤磷的潜在依赖。尽管如此，AM树种仍与无机磷库关联更强，而ECM树种保留了更大的有机磷活化潜力。研究结果揭示了AM和ECM树种之间截然不同的根际磷活化策略，并证明这些策略随土壤磷有效性发生变化，为菌根调控根际磷循环提供了新见解。

磷添加调控丛枝菌根与外生菌根树种根际磷活化途径的差异化响应——研究解读

一、研究背景与科学问题

磷（P）是限制植物生长和陆地生态系统生产力的主要养分元素之一，在热带和亚热带地区尤为突出。在酸性土壤中，磷容易被铁、铝氧化物吸附固定，或转化为相对稳定的有机磷和闭蓄态磷，导致土壤磷有效性低下。中国南亚热带森林土壤普遍呈现高氮低磷特征，植物和微生物的生长经常受到磷的限制。

植物已发展出多种策略来改善磷获取，包括根系形态调整、菌根共生形成、根系有机酸释放以及根际微生物群落调控等。其中，低分子量有机酸可通过根际酸化、金属络合和配体交换等机制促进难溶性磷的活化；根际微生物则通过有机质分解、磷矿化和微生物量磷周转等过程调控土壤磷有效性。此外，根系有机酸为根际微生物提供碳源，通过改变微生物活性和群落组成影响土壤磷转化。因此，根系有机酸与根际微生物之间的相互作用是植物适应磷限制环境的重要机制。

丛枝菌根（AM）和外生菌根（ECM）是森林生态系统中两种主要的菌根类型，具有截然不同的养分获取策略和根际磷活化途径。AM树种通常更依赖根系和菌丝对无机磷的吸收，而根际细菌可能通过有机质分解促进磷释放；ECM树种则可通过外生菌根真菌分泌胞外酶和低分子量有机酸促进有机磷矿化和矿物结合态磷的活化。然而，以往研究多聚焦于磷限制条件下根系有机酸、微生物群落与土壤磷转化之间的关系，对于磷添加如何改变这些相互作用过程、以及AM和ECM树种的响应是否一致，仍缺乏系统认识。

基于此，研究人员提出了两个科学问题：（1）在对照条件下，AM和ECM树种在根际磷活化途径上有何差异；（2）磷添加如何改变两类菌根树种的根系有机酸、微生物PLFA类群和土壤磷组分。研究假设：（1）对照条件下，AM树种表现出更强的细菌相关磷活化，而ECM树种表现出更强的真菌和有机酸相关磷活化；（2）磷添加会降低两类菌根树种对根系有机酸和微生物过程在根际磷活化中的相对依赖。

二、研究设计与主要技术方法

研究人员在中国科学院鹤山国家森林生态研究站采集酸性赤红壤（pH 4.17，全磷0.21 g kg^?1，有效磷1.32 mg kg^?1），于中国科学院华南植物园开展为期12个月的盆栽试验。选取2种AM树种（樟树Camphora officinarum、火力楠Michelia macclurei）和3种ECM树种（红鳞蒲桃Syzygium rehderianum、黧蒴栲Castanopsis fissa、红锥Castanopsis hystrix），设置对照（CK）、中磷（MP，75 kg P ha^?1 year^?1）和高磷（HP，150 kg P ha^?1 year^?1）三个处理，以NaH₂PO₄溶液形式每月两次施加。于处理3、6、12个月后进行三次破坏性采样，共收获180株幼苗。

主要技术方法包括：（1）采用改良的酸性土壤连续提取法分级测定根际土壤磷组分，包括可溶态磷、铝结合态磷（Al-P）、铁结合态磷（Fe-P）、钙结合态磷（Ca-P）和闭蓄态磷（Occluded-P），并区分无机磷（Pi）和有机磷（Po）；（2）采用高效液相色谱（HPLC）定量根系分泌的草酸、酒石酸、苹果酸、丙二酸和柠檬酸等低分子量有机酸；（3）采用磷脂脂肪酸（PLFA）分析法测定根际微生物群落，包括革兰氏阳性菌（G⁺）、革兰氏阴性菌（G^?）、放线菌、真菌以及AMF和ECMF相关PLFA指示物。统计分析采用线性混合效应模型，以菌根类型和磷处理为固定效应，树种、区和采样时间为随机效应。

三、研究结果

3.1 磷添加对AM和ECM树种根际土壤磷组分的影响

在对照条件下，AM树种根际土壤中铝结合无机磷（Al-Pi）、铝结合有机磷（Al-Po）、铁结合无机磷（Fe-Pi）、中等活性无机磷、中等活性有机磷和闭蓄态有机磷（Occluded-Po）浓度显著高于ECM树种，而可溶态磷、铁结合有机磷（Fe-Po）、钙结合磷（Ca-P）和闭蓄态无机磷（Occluded-Pi）无显著差异。

与对照相比，磷添加显著增加了两类菌根树种根际土壤中可溶态磷、Al-Pi、Al-Po、Fe-Pi、Fe-Po、Ca-P、Occluded-Pi、中等活性无机磷和中等活性有机磷的浓度，但闭蓄态有机磷无显著增加。值得注意的是，中磷和高磷处理下中等活性有机磷的增加幅度在AM树种根际大于ECM树种，且各处理下AM树种根际的中等活性有机磷浓度均持续高于ECM树种。

3.2 根系有机酸的变化及其与土壤有效磷的关系

对照条件下，ECM树种根系分泌物中草酸、酒石酸、苹果酸和丙二酸的浓度显著高于AM树种，柠檬酸无显著差异。与对照相比，磷添加显著降低了ECM树种根系分泌物中草酸（中磷和高磷分别降低53%和71%）、苹果酸（55%和94%）和柠檬酸（98%和99%）的浓度，AM树种也呈现类似的显著降低趋势。高磷处理下ECM树种酒石酸浓度低于检测限，AM树种在中磷和高磷处理下酒石酸均低于检测限；高磷处理下AM树种丙二酸以及中磷和高磷处理下ECM树种丙二酸均低于检测限。

Pearson相关分析表明，土壤有效磷浓度与两类菌根树种的大多数有机酸浓度呈显著负相关，且ECM树种中有机酸与土壤有效磷的相关性总体上强于AM树种。简单线性回归进一步显示，AM树种中苹果酸、丙二酸和柠檬酸随土壤有效磷增加显著下降，而ECM树种中五种有机酸均随土壤有效磷增加显著下降。

3.3 磷添加对土壤微生物PLFA类群的影响

对照条件下，AM树种根际土壤中革兰氏阳性菌（G⁺）、革兰氏阴性菌（G^?）、总细菌和放线菌的丰度显著高于ECM树种，而G⁺/G^?比值在ECM树种中显著更高。磷添加对两类菌根树种的G⁺、G^?、总细菌、放线菌丰度及G⁺/G^?比值均无显著影响。

真菌类群方面，对照条件下AM树种根际的AMF相关PLFA指示物丰度显著高于ECM树种，而真菌/细菌（F/B）比值在AM树种中显著更低；总真菌PLFA丰度和ECMF相关PLFA指示物在两类菌根树种间无显著差异。磷添加显著增加了AM树种根际AMF相关PLFA指示物丰度，但对ECM树种无显著影响。磷添加对两类菌根树种的ECMF相关PLFA指示物均无显著影响，但该指示物在AM树种中随磷添加呈下降趋势，在ECM树种中呈上升趋势。

3.4 敏感性分析

分别排除黧蒴栲或红锥后的敏感性分析表明，ECM树种有机酸浓度更高、AM树种总细菌PLFA丰度更高、ECM树种F/B比值更高的主要模式均保持稳健。但排除红锥后，铁结合无机磷、G⁺、G^?和放线菌在两类菌根间的差异不再显著。

四、讨论与结论

讨论总结

对照条件下，ECM树种通过分泌更多低分子量有机酸并维持更高的真菌/细菌比值，形成以真菌活性和有机酸分泌协同驱动的根际磷活化途径，这可能与其较强的有机磷矿化和矿物结合态磷活化能力有关。AM树种则维持更高的细菌和放线菌丰度，形成以细菌相关过程为主的有机质分解和磷活化途径，但该途径对中等活性有机磷的活化效率可能低于ECM树种的真菌-有机酸途径，导致AM树种根际中等活性有机磷的积累。

磷添加显著增加了土壤各磷组分浓度，但大幅降低了根系有机酸分泌，对微生物PLFA类群影响有限。这表明磷有效性升高后，两类菌根树种均降低了在有机酸介导的磷活化方面的碳投入，转而更多依赖易利用的土壤无机磷。尽管如此，AM树种仍与无机磷库关联更强，ECM树种保留了更大的有机磷活化潜力，两类菌根树种在磷添加条件下仍维持着对无机和有机磷库的差异化影响。

结论翻译

研究结果表明，在低磷条件下，AM和ECM树种采用截然不同的根际磷活化策略：AM树种中细菌相关过程更为突出，而ECM树种中真菌活性和根系有机酸更为重要。磷添加降低了对这些生物介导的活化过程的依赖，表明根际磷活化受土壤磷有效性的强烈调控。这些对比策略可能在混交林中具有互补效应，但这一可能性仍有待验证。总体而言，研究结果凸显了菌根类型在塑造根际磷活化中的重要作用，为理解混交林中的磷循环和养分相互作用提供了基础。