模擬根系分泌物輸入對森林土壤氮轉化的影響研究綜述

蔡銀美，張成富，趙慶霞，李昕穎，何騰兵,

（1. 貴州大學 農學院，貴州 貴陽 550025；2. 貴州大學 新農村發展研究院，貴州 貴陽 550025）

氮素是植物生長過程中需求量最大的礦質營養元素。全球氣候變化下，氣溫升高、二氧化碳(CO2)增加提高了植物碳同化速率[1?2]，進一步加劇了植物對氮的需求。森林生態系統中90%的氮素都存在于土壤中，但大多數氮素不能直接被植物吸收利用。因此，如何加速氮素轉化，提高氮素利用效率已成為亟待解決的問題。研究表明：植物可以通過根系分泌物的輸入刺激土壤有機質的微生物分解來加速氮素循環，影響根際氮動態[3]。土壤氮轉化主要包括固氮作用、硝化作用、反硝化作用和氨化作用4個過程，以上過程均由微生物驅動[4]。氮氣(N2)分子三鍵的強穩定性導致不能被大多數生物直接利用，只能通過原核生物(細菌或古菌)的固氮作用，將N2還原為銨離子(NH4+)。NH4+也容易被土壤微生物氧化，發生硝化作用，即主要由氨氧化細菌(ammonia-oxidizing bacteria, AOB)、氨氧化古菌(ammonia-oxidizing archaea, AOA)催化完成的氨氧化過程和亞硝酸鹽氧化細菌和完全氨氧化微生物催化完成的亞硝酸鹽氧化過程[5?6]。其中，亞硝化作用被認為是全球氮循環的中心環節，然而，氨氧化細菌和氨氧化古菌的固氮作用主要局限于海洋和淡水沉積物[7]，對森林固氮作用有限。有研究表明：在氣溫升高和CO2增加的條件下，植物會通過改變自身的地下根系分泌物的輸入速率和組分控制根際界面的生物和非生物過程，加速氮素礦化，緩解植物快速生長的養分限制[8?11]。根系分泌物由于含豐富的碳源和氮源，它的輸入通過改變微生物數量和活性，深刻影響土壤有機質分解和養分代謝過程[9?10]。但森林生態系統中植物種類繁多，植物根系分泌物組成成分復雜，且不同植物的根系分泌物分泌速率不同，對有機質礦化和氮素轉化過程的影響存在較大差異。模擬根系分泌物輸入試驗是通過原位收集測定根系分泌物的物質組成、含量及輸入速率，進而探究根系分泌物輸入變化對根際土壤養分轉化過程的影響。相關模擬根系分泌物輸入的研究表明：根系分泌物既能促進土壤氮素從有機態向無機態轉化，顯著提高氮素礦化速率，又能抑制硝化作用和促進反硝化過程，降低氮素流失量[12?13]。但根系分泌物對土壤氮轉化的影響復雜，且是多方面的，目前缺乏相關的總結性綜述?；诖耍狙芯恐饕C述了根系分泌物模擬輸入對森林土壤氮礦化、硝化、反硝化過程的影響，以期為今后開展根系分泌物和氮素轉化相關研究提供科學依據和理論指導。

1 模擬根系分泌物輸入對森林土壤氮礦化的影響及其機制

1.1 碳輸入對土壤氮礦化的影響及其機制

1.1.1 碳輸入量及輸入速率對土壤氮礦化的影響 根系分泌物是植物生長過程中通過根系分泌到土壤中的多種可溶性有機化合物的總稱[14]，占植物光合作用碳同化總量的5%～21%[15]。植物根系通過釋放根系分泌物中的含碳物質到根際土壤中，刺激土壤微生物群落活動[16?17]，加速土壤有機質的分解，促進土壤氮素礦化。

根系分泌物碳輸入所介導的根際氮礦化過程主要與輸入量及輸入速率有關。目前，多以原位測定的根系分泌物碳輸入速率為研究基礎，模擬輸入量及輸入速率梯度展開研究。MEIER等[9]通過模擬根系單位表面積不同碳輸入速率 (0、20、100和 200 mg·cm?2·d?1)發現：當碳輸入速率為 20 mg·cm?2·d?1時，顯著增加了 N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶活性，當碳輸入速率為 100 mg·cm?2·d?1時，顯著提高了蛋白水解酶活性，對土壤的總氮礦化有積極作用。LANGARICA-FUENTES等[18]以多年生落葉松Larix gmelinii根系碳輸入速率的 0～2 倍模擬添加試驗 (0、0.375、0.750、1.500和 3.000 mg·cm?2·d?1)的結果顯示：隨著碳輸入速率的增加，土壤中銨態氮 (NH4+-N)顯著增加，并在分泌速率為 3.000 mg·cm?2·d?1時達到最高。YUAN等[19]研究發現：添加草酸和葡萄糖均可提高β-1,4-N-乙酰氨基葡糖苷酶和多酚氧化酶的活性，草酸使云杉Picea asperata人工林和天然林土壤的潛在凈氮礦化率分別增加89%和150%，葡萄糖使其分別增加了45%和104%。但是含碳物質的輸入超過一定含量時，酶活性反而下降，有機質的分解減少[20]。以上研究(表1)均表明：一定量的根系分泌物碳輸入可以提高相關氮轉化酶的活性，促進有機氮的礦化。因此，樹木可以通過控制根系碳的分泌速率影響根際氮素礦化。

表1 根系分泌物輸入對土壤氮轉化的影響Table 1 Effects of root exudates on soil nitrogen transformation

1.1.2 碳輸入對土壤氮礦化的影響機制 根系分泌物碳輸入對氮礦化的影響機制主要可以分為生物和非生物作用。生物作用主要是指根系分泌物碳輸入通過影響根際微生物，來影響土壤氮礦化。一方面根系碳輸入可以為土壤微生物提供碳源，增加微生物的活性和數量，提高氮素礦化相關胞外酶的產量，從而刺激和激發土壤有機質分解和轉化[26]。如NOBILI等[27]和KUZYAKOV等[28]研究發現：通過向土壤中添加有效的低分子底物(例如葡萄糖和氨基酸)可以促進激發效應，激活休眠的土壤微生物，增加土壤微生物量。另一方面，含碳物質的分泌還可以作為根際微生物的化學引誘物質，招募特定的微生物，改變群落的組成和多樣性。如LANDI等[29]研究表明：葡萄糖和草酸的添加均能影響森林土壤細菌群落，葡萄糖偏向促進土壤微生物有機體的合成，草酸則被土壤中的某一種專一微生物利用。YUAN等[19]研究發現：添加草酸可以增加某些特殊的微生物種類定殖(如K策略相關微生物)，產生大量與氮轉化相關的酶(如N-乙酰-β-D-葡萄糖苷酶)，從而進一步分解有機質，增強氮的釋放。除了生物作用，根系碳分泌也可通過非生物作用過程，如保護態碳活化、微生物對有機碳的可接近性等影響氮礦化過程。例如，KEILUWEIT等[30]發現：輸入草酸打破了空間隔離效應，增加了保護態碳的微生物可達性，通過配位絡合作用和溶解反應等物理化學作用，破壞或者降低了土壤有機物-礦質復合體界面的穩定性，從而將土壤中保護態碳從土壤有機-礦質復合體中釋放出來，供微生物分解和利用。YUAN等[19]也發現：草酸的添加破壞了有機-礦質復合體，顯著降低了有機-礦質復合體中受保護的鐵和鋁的含量，導致有機物分解，增加氮的礦化來源。總之，根系碳分泌物可以通過生物和非生物作用影響氮礦化過程，但是由于根系碳分泌物組分的復雜性，根系分泌物中不同組分對氮礦化的作用效果及作用機制缺乏研究。

1.2 不同碳氮比的根系分泌物輸入對氮礦化的影響及其機制

1.2.1 不同碳氮比的根系分泌物輸入對氮礦化的影響 森林根系分泌物研究大都僅關注根系碳源輸入對土壤過程和功能的影響，而忽略了根系分泌物中氮成分變化及其伴隨的碳氮比化學計量特征對土壤生態過程與調控機制的系統性研究，極大地限制對森林根系-土壤-微生物互作機制的深入認識[26]。例如有機酸和碳水化合物雖然是根系分泌物的主要化學物質，但有研究也發現了氨基酸等含氮物質的大量存在[31?32]，且在調控氮素轉化過程中起關鍵作用。然而由于根系和微生物活動對根際有效氮素的獲取和激烈競爭，使得根際區通常成為碳過剩而氮受限制強烈的區域[33]。大量研究表明：當土壤氮素較低時，根系分泌物刺激土壤有機質分解合成額外的氮[34?35]。因此，根系分泌物氮或碳氮比也是驅動根際微生物群落組成和活性的重要調控因子。

DRAKE等[23]模擬根系分泌物中的檸檬酸、草酸、富馬酸、丙二酸和葡萄糖等5種含碳物質，并用氯化銨配成碳氮比為10的添加液，結果表明：相比只含碳的根系分泌物，同時輸入含有碳和氮的根系分泌物可顯著提高土壤微生物活性、微生物生物量以及分解土壤低分子量有機物(如纖維素，氨基糖)的胞外酶活性，顯著促進氮素礦化。TIAN等[24]在DRAKE等[23]的研究基礎上增加了碳氮比為25的處理，以模擬在CO2增加的情況下根系分泌物的化學計量變化[11]，結果表明：碳氮比為10和25的處理均增強了與氮礦化相關的酶活性，并且碳氮比為25的處理還顯著增加了土壤碳含量。梁儒彪等[25]模擬根系分泌物碳氮比化學計量特征(僅含碳，碳氮比為10、50、100)對川西亞高山森林土壤碳動態和微生物群落結構的影響表明：森林根系分泌物氮源輸入和土壤氮有效性共同調控根系碳源輸入對土壤有機質分解激發效應的方向和幅度。綜上所述，相比只含碳的根系分泌物，添加適宜碳氮比的根系分泌物可顯著提高土壤微生物活性和酶活性，對有機質的分解具有正效應。

1.2.2 不同碳氮比的根系分泌物輸入對氮礦化的影響機制 不同碳氮比根系分泌物的輸入對氮礦化的影響機制主要是養分的輸入或養分的有效性對有機物的礦化分解過程產生影響。該過程目前主要存在2種假說：微生物氮礦化假說與化學計量分解理論假說。微生物物氮礦化假說認為：外源碳的添加為土壤獲取氮微生物提供能源，提高其微生物活性，進而刺激土壤惰性有機質分解和養分轉化過程[36]。化學計量分解理論假說則認為：添加外源碳和氮滿足土壤微生物需求時，其化學計量值高度匹配時，土壤微生物活性最高，分解速率最大[37]。2種假說代表了氮養分有效性對土壤有機質穩定性相反的影響效應。第1種假說表明氮有效性低，有利于土壤有機質的分解；第2種假說表明氮有效性高，有利于土壤有機質的分解[38]。梁儒彪等[25]研究表明：只含碳和碳氮比為100(氮含量基本忽略)的處理顯著降低土壤全碳含量，而添加適量的氮(只含氮、碳氮比為10和50)在一定程度上緩和了土壤全碳含量的降低。其原因是低含量的有效氮促使微生物分泌更多的胞外酶，加速了土壤有機質的分解，使土壤全碳含量顯著降低，而添加一定量的氮組分緩和了土壤氮的限制，使得微生物偏好利用易于分解的有機化合物，緩和了土壤全碳含量的降低幅度[25]。該研究結果證實了微生物氮礦化假說。CHEN等[38]研究顯示：蔗糖和氮添加顯著加速有機質的礦化，但有機質礦化的速率由氮有效性控制，表明高氮有效性有利于有機質的分解。該研究結果支持化學計量分解理論。根系分泌物通過控制輸入土壤的養分化學計量比，介導著微生物行使不同的有機質分解和礦化策略，這對調控土壤養分利用方向和提高養分利用率具有重要意義。

1.3 根系分泌物不同組分輸入對氮礦化的影響及其機制

目前森林土壤礦化相關研究大多圍繞有機酸和糖類開展。有機酸類和糖類通常由植物根系、菌根和菌絲分泌，且是最豐富的兩類根系分泌物[39]。這兩類物質在根系分泌物含碳物質中占的比例最高，當外界環境變化時最容易引起這兩類物質含量的變化[40]。MEIER等[9]通過蠕動泵連續添加根系分泌物的方式，選擇已發現的有機酸和單糖種類，模擬添加有機酸(富馬酸、丙二酸、草酸和檸檬酸)和單糖(葡萄糖、蔗糖和果糖) (體積比為3∶1，比例接近成熟樹木原位收集的根系分泌物中的有機酸和糖的比例)對氮素礦化的影響，發現有機酸和單糖的添加顯著增強了降解氮素的酶活性，并增加了降解氮素微生物的分配比例。DRAKE等[23]和TIAN等[24]添加檸檬酸、草酸、富馬酸、丙二酸和葡萄糖，梁儒彪等[25]添加葡萄糖和檸檬酸也發現相似的結果。YUAN等[19]研究發現：草酸和葡萄糖雖然顯著促進了氮礦化和增加氮有效性，但葡萄糖的增強作用明顯小于草酸，其原因是草酸不僅可以充當含羧基的碳源，而且還可以充當絡合金屬的配體，通過絡合和溶解受保護的有機-礦質復合體，加速土壤微生物分解有機物。而葡萄糖增加了有機-礦質復合體的形成，從而限制了微生物的獲取。另外，微生物對葡萄糖的優先利用也會導致較低的氮分解。BERNAL等[21]研究還發現：根系分泌物還對深層(2.7～3.0 m)土壤有機質礦化有積極作用，向深層土壤中添加葡萄糖和丙氨酸后，土壤酚氧化酶和過氧化物酶活性增加了13倍，顯著降低了土壤微生物生物量和微生物磷脂脂肪酸含量，而且添加丙氨酸還產生了最大的激發效應。可見，根系分泌物在森林生態系統植物氮素需求供應中起著關鍵作用。

除了有機酸和糖類以外，根系還會分泌一些其他物質影響土壤氮轉化。目前相關研究報道主要集中在以下幾個方面：①根系分泌物中含有大量的氨基酸、蛋白質等含氮物質，這些物質可以改變土壤的氮組分和含量，影響氮轉化；②根系分泌物中有強黏著力的高分子多糖，能顯著改善土壤微團聚體的穩定性及大小分布等物理性質，間接影響土壤氮素的礦化[41]；③植物根系分泌物也是土壤酶的重要來源之一，包括磷酸酶、轉氨酶、淀粉酶、蛋白酶、多聚半乳糖醛酸酶等，可作為土壤碳、氮元素轉化的催化劑，影響氮素轉化[14]。

2 模擬根系分泌物輸入對土壤硝化作用的影響及其機制

2.1 對土壤硝化作用的影響

硝化作用指 NH4+氧化為亞硝酸根離子 (NO2?) 的氨氧化過程和 NO2?氧化為硝酸根離子 (NO3?) 的亞硝酸鹽氧化過程。有研究表明：植物可以通過分泌某些物質來抑制土壤硝化作用，植物根系產生和分泌能抑制土壤硝化作用物質的能力被稱為生物硝化抑制作用，植物根系產生和分泌的抑制硝化作用的物質，被稱為生物硝化抑制劑(biological nitrification inhibitor, BNI)[42]。生物硝化抑制劑通過抑制AOB、AOA及相關酶，即氨單加氧酶 (ammonia mono oxygenase, AMO)和羥胺氧化還原酶 (hydroxylamine oxidoreductase,HAO)活性來抑制土壤硝化作用，降低NO3?的淋溶[43]。目前已在高粱Sorghum bicolor[44?46]、小麥Triticum aestivum[47]、水稻Oryza sativa[48?49]、臂形草Brachiaria humidicola[12]中發現了生物硝化抑制劑的存在。這些被鑒定的硝化抑制劑中，臂形草內酯(brachialactone)、高粱醌(sorgoleone)和櫻花素(sakuranetin)能通過抑制氨單加氧酶和羥胺氧化還原酶抑制土壤硝化作用，而對羥基苯丙酸甲酯[methyl 3-(4-hydroxyphenyl)propionate, MHPP]和1,9-癸二醇(1,9-decanediol)只能通過抑制氨單加氧酶抑制土壤硝化作用(表2)。在卡蘭賈樹Pongamia glabra中發現名為水黃皮素的生物硝化抑制劑，可以抑制氨氧化細菌的活性，其種子中有一種結晶的成分會改變生物硝化抑制劑的活性[50]，硝化作用抑制程度可達65%～75%[51]，能夠顯著提高氮素利用率。

表2 植物根系分泌生物硝化抑制劑的種類和效果Table 2 Types and effects of biological nitrification inhibitors secreted by plant roots

2.2 對土壤硝化作用的影響機制

根系分泌物的輸入對土壤硝化作用的抑制主要表現在抑制土壤中NH4+向NO3?的轉化。目前已發現的生物硝化抑制劑抑制硝化作用的機制主要是：含有生物硝化抑制活性的亞油酸和α-亞麻酸很可能具有抑制硝化所需的結構和鏈長，能同時抑制氨單加氧酶和羥胺還原酶[52]。此外，生物硝化抑制劑還擾亂羥胺還原酶到輔酶(ubiquinone)和細胞色素(cytochrome)的電子傳遞途徑，影響氨氧化過程的代謝功能[53]。也有研究表明：化感物質會通過影響微生物抑制土壤硝化作用[54]，而高粱等植物的根系分泌物均屬于化感物質，在一定程度上影響硝化作用。根系分泌物輸入對土壤硝化作用的調控與土壤氮素水平有關。在為 0～1 mmol·L?1時，高粱和水稻生物硝化抑制劑的分泌量隨濃度的增加而顯著增強，但當大于 1 mmol·L?1時，生物硝化抑制劑的分泌不再提高[55?56]。此外，還和氮素形態有關，在以為氮源時，生物硝化抑制劑的分泌量少，而以NH4+為氮源時則大量分泌[52]。其原因是由于土壤中的積累會誘導亞硝化細菌活性的增強[57]。

3 模擬根系分泌物輸入對土壤反硝化作用的影響及其機制

3.1 對土壤反硝化作用的影響

反硝化作用是異氧微生物在缺氧或者厭氧情況下將NO3?或者NO2?還原為一氧化氮(NO)、一氧化二氮(N2O)和N2的過程。植物根系的生長和活動顯著影響土壤中的反硝化過程，導致根際土壤中的反硝化作用比非根際土壤強[58?59]。然而，由于影響根際土壤反硝化過程的因素較多，導致根系分泌物在反硝化過程中的具體作用知之甚少[60]。

根系分泌物的種類和含量對土壤反硝化作用影響不同。LANGARICA-FUENTES等[18]模擬不同種類(葡萄糖、蔗糖、果糖、核糖和阿拉伯糖、甘氨酸、纈氨酸、谷氨酰胺、絲氨酸和丙氨酸、蘋果酸、檸檬酸、丙二酸、草酸和延胡索酸)、不同碳含量(0、0.375、0.750、1.500和3.000 mg·d?1)根系分泌物輸入試驗中發現：根系分泌物的碳輸入顯著促進土壤反硝化速率。莊姍等[61]通過室內模擬根系分泌物輸入試驗發現：草酸、絲氨酸、葡萄糖3種主要根系分泌物均能促進土壤N2O排放。GILES等[62]研究發現：添加葡萄糖、谷氨酰胺和檸檬酸也能顯著促進N2O的排放，并且N2O的排放速率由底物的類型和利用效率決定，調節碳化合物的有效性可以降低N2O的排放。根系分泌物的量也影響土壤中N2O的產生量。GUYONNET等[63]發現：土壤N2O的產生量與根際土壤中丁酸和琥珀酸的相對含量呈正相關。小分子有機物(甲酸鹽和葡萄糖)的微量添加也能刺激土壤N2O的排放[64]。可見，根系分泌物的輸入促進了土壤反硝化作用，增加了N2O的排放。

3.2 對土壤反硝化作用的影響機制

根系分泌物的輸入對土壤反硝化作用的影響機制主要有以下幾點：①根系分泌物可以加速氮礦化，促進氮釋放。如草酸和葡萄糖均能顯著促進土壤中有機態氮和有機復合態氮的礦化速度，促進氮的釋放[19]。②根系分泌物和根系呼吸降低了氧氣的利用率，促進反硝化作用[1, 65]。③根系分泌物可以調控氮素轉化相關酶活性基因的表達，從而影響反硝化過程。反硝化過程由narG/napA、nirK/nirS、norB/nosZ基因編碼的特定還原酶執行[66]。主要包括催化NO2?還原為NO的亞硝酸鹽還原酶(由nirK或nirS編碼)，催化NO還原為N2O的NO還原酶(由norB編碼)和將N2O轉化為惰性N2的還原酶(由nosZ編碼)[66]。通過控制基因表達調控土壤酶活性從而影響反硝化過程。④根系分泌物顯著影響反硝化細菌群落[62, 67?68]。例如LANGARICA-FUENTES等[18]研究證實：根系分泌物會導致土壤細菌總數和反硝化菌群落規模和結構發生變化，增加反硝化速率。但是有些研究卻發現根系分泌物輸入雖然可以顯著增加反硝化速率，但是對反硝化細菌的結構和豐度影響不大[69?70]。

4 展望

根系分泌物介導的氮素轉化的研究報道主要在增加土壤氮素礦化速率，抑制土壤硝化作用，及促進土壤反硝化過程3個方面。根系分泌物調控的根際土壤氮素轉化過程為今后全球氣候變化下的植物氮素需求研究提供了新方向。然而當前研究仍存在不足之處：①目前已經有部分研究發現了根系分泌物影響氮轉化的現象，但其具體的作用機制以及作用過程還有待更進一步研究。②根系分泌收集困難，組分繁多，各組分含量較低，分離鑒定難度較大，且極易被微生物降解，目前較多研究集中在含量較高、且易分離鑒定的物質，很多成分還沒有進行過研究。③當前農業生態系統生物硝化抑制劑研究較多，而森林生態系統中，生物硝化抑制劑的報道很少，一定程度上限制了對森林土壤硝化過程的認識。因此，未來研究要聚焦森林生態系統中的植物分泌哪些生物硝化抑制劑來促進氮素轉化和減少氮素損失，及其作用機制。這對推動森林生態系統養分循環研究具有指導性意義。④氣候變化下根系分泌物介導的森林生態系統氮素轉化過程仍是未來研究的重點。森林生態系統中，大氣CO2和氣溫升高的情況下，會導致根系分泌物分泌速率加強以加速氮素礦化[8?11]。但是，目前尚不清楚由于氣候變化而導致的根系分泌速率增加如何影響氮轉化的其他過程，例如硝化作用和反硝化作用等過程。