菌根真菌影響森林生態系統碳循環研究進展

楊 浩,史加勉,鄭 勇,2,*

1 福建師范大學濕潤亞熱帶生態-地理過程教育部重點實驗室, 福州 350117 2 福建三明森林生態系統國家野外科學觀測研究站, 三明 365002

1 森林生態系統與碳(C)循環

森林是地球上最大、最重要的生態系統之一,覆蓋面積超過4000萬平方公里,約占地球陸地總面積的30%[1],是全球生物多樣性的重要棲息地。森林生態系統提供多種關鍵的生態功能,如增加碳(C)固持、保護土壤以及提供木材資源等[2—3]。由于森林土壤中含有大量的有機質,因此森林發揮著極其重要的C匯功能。例如,溫帶和北方森林每公頃土壤平均每年分別接收12.625 Tg C和5.652 Tg C的凋落物[4];而熱帶和亞熱帶森林約占世界森林C匯總量的70%[3]。除了調節氣候、保持水土、維持生物多樣性等常規的生態功能,森林通過消納大氣中的二氧化碳(CO2),進而減緩溫室效應,這在人口密度較高的熱帶和亞熱帶地區尤為重要[5]。在森林生態系統中,涉及元素周轉和有機物分解等生態過程,均與植物及其相關的微生物組(microbiome)有著密不可分的聯系。

地下菌根是植物根系與土壤真菌形成的互惠共生體,真菌幫助植物獲取養分和水分,而植物為真菌提供碳水化合物[6]。根據形態學差異,菌根可分為七種主要的類型,其中叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza, AM)和外生菌根(ectomycorrhiza, EcM)是分布最廣泛的兩種菌根類型[7]。在森林生態系統中,幾乎所有樹木其根系都能與土壤真菌形成AM或EcM,進而調節森林土壤C、氮(N)、磷(P)等元素循環過程。研究表明,土壤C儲量與菌根真菌類型密切相關。例如,Averill等[8]指出,相較于AM樹種為主的森林,EcM和歐石楠菌根(ErM)樹種為主的森林每單位N土壤中容納的C要高70%,主要由于后者可以產生N降解酶系,使得有機N源可以更多地被真菌和宿主吸收利用,相對而言,土壤中起分解作用的腐生性真菌可利用的N源減少,因此土壤有機質分解受限,土壤C更多地被土壤所固持。Jo等[9]的研究發現,AM樹種多度增加時,總體上加速了土壤養分的周轉,進而影響森林生產力、生態系統C和養分保持,即AM植物主導的森林其養分循環加速。也有研究通過田間和盆栽實驗,發現植物在接種AM真菌后產生的球囊霉素相關土壤蛋白(GRSP)可以提高土壤團聚體穩定性參數[10—11]。Terrer等[12]發現,大氣CO2濃度升高(eCO2)時,植物和土壤在C貯存方面存在權衡關系:當植物地上生物量在eCO2條件下增加時,土壤有機C儲量卻會下降。值得注意的是,與AM森林相比,EcM森林在eCO2的影響之下,植物對N吸收更多,土壤有機質(SOM)分解作用更強,導致土壤釋放更多的C,反倒不利于土壤C固持。因此綜合來看,AM森林和EcM森林究竟誰可以更多地固持C,目前尚無定論。

為了深入理解和梳理森林中菌根真菌及其在C循環功能方面的研究進展,本文概述了溫帶(或北方)森林以及熱帶和亞熱帶森林中菌根真菌在土壤C的穩定、分解、積累方面的影響、作用機制及其對全球變化的響應,并對該研究領域可能存在的主要問題與今后的研究重點進行展望。

2 溫帶/北方森林中的菌根真菌與C循環

溫帶森林和北方(寒帶)森林生態系統主要分布在亞洲北部、歐洲大部及北美洲北部。在全球范圍內,北方森林覆蓋了約11%的陸地表面積[13],其中土壤的C儲量達到整個森林C儲量的16%[14]。地上植物凋落物的質量和分解速率被認為是SOM長期積累的決定因素。大量光合固定的C直接作用于地下根系及其相關微生物[15],可能對土壤C的吸存產生重要影響[16—17]。因此從菌根真菌角度去探究地下C的去向及其固存速率的影響因素,對于預測溫帶森林和北方森林生態系統中土壤C儲量在應對森林管理策略改變及全球氣候變化時如何響應至關重要。

2.1 溫帶/北方森林生態系統菌根真菌對C貯存的影響

溫帶/北方森林是以EcM樹種為主要植被的森林生態系統(圖1),但其地上生物量C總量僅占森林生態系統總生物量的21%,表明EcM植被對地上生物量C的貢獻相對較小。相反,地下C儲量與EcM植物生物量的比例呈正相關。Phillips等[18]認為這些地區之所以擁有大量地下C儲量主要是由于樹木根系向菌根真菌提供了大量的C,進一步強調了菌根分解過程相對緩慢,森林地下C儲量占主導。也就是,菌根共生體占溫帶(北方)森林地下C的很大一部分。森林中的優勢植物物種將相當大比例的地下C分配給菌根共生體,這些共生體代表了SOM總庫中大量的C輸入[19—21]。事實上,北方森林腐殖質層中積累的C至少有一半來自根系輸入,而不是地上植物凋落物輸入[22]。土壤真菌可以促進宿主植物通過光合作用固定更多的大氣CO2。隨后在植物的根際,一部分C轉移至菌根真菌,用于菌根真菌的生長和菌絲等組織發育,一旦這些菌絲死亡,其組織中的C可迅速被其它土壤微生物所分解,或者保存在土壤中多年,甚至數十年[23]。菌根相關的C保留在土壤中的時間越長,對土壤C封存的可能貢獻就越大。長期的森林演替和隨之而來的腐殖質積累與菌根真菌群落的系統發育及形態變化是一致的。與根相關的子囊菌門真菌通常能促進來自菌絲體的有機C和N的生化穩定,某些形成線狀菌根的真菌在演替早期的多度較高,這意味著菌根真菌能從新近產生的真菌菌絲和舊的腐殖質中都能有效地回收N和C[24]。基于上述研究結果,我們可以發現,菌根真菌在北方或溫帶森林生態系統C匯方面的確起著至關重要的作用,而全球氣候變化對真菌群落有著復雜的影響,從而將影響全球C元素的生物地球化學循環[25]。

圖1 不同類型森林生態系統中菌根真菌及其他微生物介導的土壤C循環的差異Fig.1 Differences in soil C cycling mediated by fungi across different forest ecosystems圖中彩色矩形的大小代表其相應參數的大小或質量的高低,不同菌根真菌關于N循環的差異同時會造成其C循環的部分差異

2.2 全球變化對溫帶/北方森林生態系統菌根真菌和C庫的影響

揭示全球變化因子對森林生態系統C存貯或分解的影響及相關機制至關重要。近年來,已經陸續有研究表明大氣CO2富集[26—27]、N沉降[28—29]、土地利用變化[30—31]和溫室效應[32—33]以及干旱[34—35]等氣候變化因子,是潛在影響森林生態系統C穩定或分解的重要因素。例如,隨著大氣CO2濃度的升高,菌根真菌可能會從土壤中活體或已死亡的菌絲生物量中吸收更多的C,從而對化石燃料燃燒和森林砍伐造成的大氣CO2濃度上升起到了緩解作用。另一方面,大氣N沉降可能增加真菌組織的周轉速率,并消除CO2對菌絲生物量的影響從而導致菌絲中的C儲量下降。

AM真菌和EcM真菌的群落組成隨著CO2或N的增加而變化,菌根的生長速度和菌絲質量不同,且不同的植物物種組合可能會對菌根生物量、存續時間或分解速率產生綜合的影響(圖1)[36]。Hanson等[37]認為,在全球變化背景下,較高的真菌多樣性可能是維持森林生態系統穩定的必要條件。氮富集顯著影響森林土壤中真菌的多樣性及其C匯功能,例如向北方森林生態系統施加過量N時,地下C通量顯著減少[38]。Phillips等[18]研究發現,隨著大氣CO2濃度升高,來自根系的C其分解速率加快,相當程度上抵消了地下C輸入的增加。Clemmensen等[22]研究發現北方森林生態系統長期演替時,菌根的N循環受到負面影響,從而導致植被養分受限和組成發生變化[39—40]。在全球變化背景下,增溫導致的森林土壤變暖會對土壤呼吸產生促進作用,研究發現增溫條件下EcM真菌對土壤呼吸有顯著影響[41],且增溫導致的植物對EcM真菌C分配的變化可能會改變EcM真菌與自由生活的分解者之間競爭相互作用的強度[22,42]。例如,Morrison等[43]發現土壤增溫增加了凋落物中木質素的相對多度比例達23%,提高了木質素分解酶的活性,抑制了纖維素分解酶的活性,且發現其中外生菌根的多度是對照的三倍。J?rgensen等[44]針對北方森林的研究表明,施N增加了真菌生物量,促進了土壤C固持,但減少了EcM真菌的數量,一定程度上破壞了該生態系統中有機質的營養循環。

3 熱帶/亞熱帶森林中的菌根真菌與C循環

熱帶和亞熱帶森林是全球森林生態系統中除了溫帶、北方森林之外的另一重要組成部分。熱帶森林分布在地球溫暖、潮濕的赤道地區,占據了一條寬闊的區域帶[45]。該區域的植物主要以殼斗科、樟科、竹林與針葉林(如馬尾松、杉木林)為主(圖1)。在全球尺度上,熱帶和溫帶森林的C儲量密度是相當的(242 vs. 239 Mg C hm-2)。相對于溫帶或北方森林,熱帶/亞熱帶森林以生物量形式存儲的C更多(達56%),而僅有32%儲存在森林土壤中[3]。

3.1 (亞)熱帶森林生態系統菌根真菌對C庫的影響

與溫帶(北方)森林類似,在熱帶和亞熱帶森林生態系統,菌根同樣是影響C穩定或分解的重要因素。熱帶森林主要以AM樹種為主(圖1),熱帶森林地上生物量為162 GT,占44%,顯著高于溫帶/北方森林的21%,表明AM植被對熱帶森林地上生物量C的貢獻相對較大[25]。Rillig等(2004)的研究表明,AM真菌通過菌絲產生的糖蛋白對SOM的貢獻不容被忽視,表明那些非源于凋落物的菌根真菌相關的C對土壤有機C庫和N庫的貢獻甚至可能超過土壤微生物生物量的貢獻[46]。Bereau等[47]的研究發現,在水分充足條件下,菌根定殖可以提高宿主植物凈光合作用、生長速率和P的吸收,而當土壤濕度到達某一閾值,菌根共生降低了雙柱蘇木(Dicoryniaguianensis)植物幼苗的C的吸收,這可能與植物和菌根真菌在低光照強度下的C分配競爭有關。另有研究發現,AM真菌的根外菌絲是濕潤熱帶森林土壤CO2的主要釋放源,表明AM真菌根外菌絲是C從熱帶森林樹木到大氣的重要途徑,通過它們的高呼吸速率將植物來源的C迅速釋放到大氣[48]。在熱帶森林中,盡管AM真菌其菌絲本身對有機質礦化的促進作用有限,但它們可作為重要通道將C傳遞給其他土壤微生物[49]。近期的研究發現,在亞熱帶落葉和常綠闊葉林中,AM樹種比EcM樹種具有更強的降解可溶性有機碳(DOC)的能力,但AM和EcM兩種常綠針葉樹其凋落物中DOC的生物降解速率無顯著差異[50]。總而言之,研究菌根真菌與植物之間的相互作用,厘清菌根介導C元素固定或分解的機理,是目前生態學較為熱門和必要的研究課題。

3.2 全球變化對熱帶/亞熱帶森林中菌根真菌及其C庫的影響

全球變化對熱帶、亞熱帶森林中的菌根真菌的影響不盡相同。例如,在熱帶森林生態系統,對于土壤真菌群落的影響,降水可能是比植物多樣性或土壤養分更重要的因素,土壤中菌根真菌類群數量隨年均降水量的增加而顯著增加[51]。此外從全球尺度來看,大氣N沉降或施氮肥可能會降低EcM真菌的生物多樣性,改變EcM真菌的群落組成[52]。Vincent和Declerck[53]研究了全球變化對EcM真菌可能產生的影響,認為eCO2可能會增加樹木的C固存,最終導致EcM真菌的菌絲生物量、群落組成發生變化,最終對eCO2產生正反饋。EcM真菌對增溫或全球變暖的響應相對微弱,而且是以種水平產生特異性差異的,其可能是通過改變養分循環,從而影響整個生態系統[54]。比較而言,EcM森林對全球氣候變化的適應能力更強,而AM森林可能對全球氣候變化相對更為敏感[55]。例如,Maitra等[56]發現在亞熱帶森林中,雖然干旱不會對土壤和根系中AM真菌OTU豐富度有顯著影響,但是干旱會顯著降低AM真菌根外菌絲密度、孢子密度和根侵染率。同樣,熱帶森林的AM真菌對N輸入的響應都表現為根侵染率、孢子密度和根外菌絲長度的強烈下降[57]。全球氣候變化背景下,AM和EcM真菌群落的響應變化,會進一步影響森林C循環相關功能。Averill等[28]預測:①生態系統的無機N輸入將有利于AM相關的樹種,而不利于EcM相關的樹種;②無機氮輸入導致的森林中EcM真菌的下降將減少森林生物群落的地下C儲存能力。Treseder[58]提倡在地球系統模型中更詳細地納入AM真菌,以改進我們對全球氣候變化背景下的森林C儲量的預測。總而言之,全球變化對于森林C循環有著復雜的影響,這就需要我們對其中真菌介導的森林C匯功能進行機理分析。

4 菌根真菌驅動森林生態系統C循環功能的機制

4.1 菌根真菌與森林地下C的關系

凋落物的分解與森林生態系統C匯潛力有著直接的關系。早期研究認為,凋落物的分解速率一般是由氣候、基質質量及其化學性質所決定[59—60]。后來研究發現,微生物群落組成也是影響凋落物分解的重要因素[61—63]。例如,基于“養分競爭假說”的加吉爾效應(Gadgil effect)認為,土壤中的菌根真菌與其他微生物都需要可利用養分以供應自身的生長和繁殖,兩者的競爭關系導致了其他微生物的N限制,從而抑制了SOM的分解。Smith和Wan[64]應用資源比率理論(Resource-ratio theory)評估了真菌對不同形式有機N的競爭是否會影響凋落物的分解,結果發現EcM真菌相比于自由腐生真菌,在分解那些難分解凋落物時存在養分競爭方面的優勢,只有在那些難分解有機物占主導的森林中,才會產生加吉爾效應[65—66]。雖然EcM真菌并不總是限制凋落物的分解,但EcM對N的吸收往往增加凋落物的碳氮比(C/N),這就間接地增大了凋落物的分解難度。因此,在EcM植物占主導的森林生態系統中,由于土壤C/N相對更高,加吉爾效應對土壤有機質分解的抑制作用可能比先前預測的更大。

SOM的形成與凋落物分解亦息息相關。Cotrufo等[67]提出的“微生物效率-基質穩定(microbial efficiency-matrix stabilization)假說”認為,不穩定的植物成分能被微生物更有效地利用,因此它們是微生物殘體C的主要來源,這些通過微生物分解的產物通過促進聚集作用、與礦物土壤基質的強化學鍵結合作用等,成為穩定型SOM的主要前體。此外,SOM的形成還與凋落物質量、C飽和狀態等有直接的聯系[68]。不同樹種及其菌根類型對于土壤C循環的影響存在顯著差異。例如,有別于EcM真菌,AM真菌無法直接利用土壤中的有機養分,而是偏向于利用“無機”營養模式,具有更快的有機質周轉速率[69]。另有“緩慢分解(slow decay)假說”指出,EcM真菌系統中的營養循環相對封閉,凋落物分解速率更慢,因而植物源有機C在土壤中的積累相對容易[70—71]。上述的“資源比率理論”和“微生物效率-基質穩定”兩種假說都存在于森林生態系統中,它們共同說明了有機C在表層土壤中的分解速率,但對深層土壤中有機C的儲存可能有著不同的影響[72]。

地下植物C輸入主要通過根系-真菌途徑進入土壤。真菌是主要的分解者以及森林生態系統中微生物源SOM的主要貢獻者之一[73]。EcM真菌是地下植物C的關鍵影響因素,高達35%的凈初級產量通過宿主根系分配給EcM[74]。地上植物凋落物被認為是EcM的重要營養來源,特別是N元素影響它們的多度和群落組成[23,75]。Whalen等[76]的研究指出,根系相比于凋落物對土壤中真菌群落生物量、活性以及群落組成等影響更大。去除根系后,土壤微生物總生物量、土壤C儲量顯著減少,并且顯著降低了土壤真菌群落中特定類群的相對多度,例如EcM真菌中的Russula以及病原菌和腐生菌中的Ascomycota,同時根系去除會降低真菌的多度和群落構建的速度。

4.2 不同菌根類型樹種對于土壤C循環的影響機制

一般認為,森林土壤總C主要來自地上植物凋落物輸入和地下根際輸入,地上和地下兩種輸入途徑對土壤C的貢獻因森林生態系統類型而異。研究發現,北方森林表土腐殖質層累積的C主要來自地上植物凋落物輸入以及腐生菌的分解作用,而更深層土累積的C來自于菌根真菌的貢獻[22]。然而,在溫帶森林生態系統中新近的研究發現,森林C匯功能還依賴于地上植被類型與地下的真菌類型。例如,研究表明處在不同演替階段的森林生態系統其C匯潛力與森林土壤真菌多樣性之間密切相關[24]。在森林演替早期,地下EcM真菌占優勢,土壤固持的C較少。及至森林演替后期,地上植被變化且伴隨地下ErM真菌逐漸成為主導類群,其產生的黑化菌絲難以被分解,促進了腐殖質的形成,土壤C固持功能變得更強。此外,菌根真菌在SOM的形成與穩定過程中起重要作用[74]。一方面,菌根真菌可以通過直接的酶分解、化學氧化、以及供C方式促進其自身的異養生長,從而加速SOM的降解;另一方面,菌根真菌會與自由生長的腐生微生物發生資源競爭關系,從而潛在地抑制SOM的分解,導致更多土壤C的累積[74]。

菌根真菌在陸地生態系統中對土壤C循環的影響主要有以下三種方式:①通過導管(conduit)形式把植物光合作用固定的產物轉運到土壤,從而增加植物-土壤途徑的C輸入[49,77—78];②菌根共生體本身生物量對土壤中有機C的貢獻及其分泌土壤蛋白物質所發揮的C匯功能[79—80];③通過激發效應或控制土壤養分有效地調控土壤有機C的礦化[23,61,81]。AM和EcM無論是在形態上還是在生理功能上都存在明顯差異,因此菌根介導的森林土壤C循環很大程度上取決于(優勢)樹木的菌根類型和森林土壤中菌根真菌的群落組成[8,82]。樹種菌根類型對于森林土壤C的影響主要有如下幾個方面。

首先,不同菌根類型的樹種在對宿主植物光合產物分配方面存在差異。EcM植物通常可分配更多的碳水化合物給菌根真菌[83],使得EcM植物比AM植物通過菌根釋放到土壤中的C更多。AM和EcM兩種共生體在生產力[84—87]、菌根形成[88]以及細根結構[89—90]上都存在差異,這些差別影響到它們在地上生產力和地下C匯功能的貢獻度。

其次,不同菌根真菌產生的根外菌絲的數量及其功能存在差別。菌根真菌的根外菌絲是土壤中重要的C源,通常認為EcM真菌產生的根外菌絲生物量要比AM真菌高出一個數量級[82],但是AM真菌具有更加豐富的宿主植物物種[91],可以形成不易分解的有機C,產生球囊霉素相關土壤蛋白[46]等,使得AM真菌生物量同樣是土壤有機C輸入的重要組分。EcM宿主凋落物比AM宿主凋落物的分解速率慢1倍以上[86—87],在以EcM樹種為優勢樹種的森林中會存在較多半分解的凋落物殘體[8,69],其土壤表層會有更多凋落物C積累[92]。Lin等[93]通過盆栽試驗,評價了活根和菌根真菌菌絲對其自身凋落物分解的相對影響,發現菌根真菌菌絲能顯著降低凋落物質量損失,但以菌根類型對不同樹種進行分類時,EcM樹種和AM菌樹種的活根和菌根真菌對凋落物分解的影響差異不顯著。

第三,不同菌根類型樹種影響土壤微生物的代謝活性。土壤中與微生物C和N轉化相關的胞外酶如β-1, 4-葡糖苷酶(BG)、β-N-乙酰-氨基葡糖苷酶(NAG)活性以及微生物代謝熵(qCO2,即單位微生物生物量的呼吸速率)在不同菌根類型森林生態系統中存在明顯差異。例如,溫帶和亞熱帶AM樹種占主導的森林生態系統其土壤BG酶活性顯著高于EcM樹種占主導的森林[94—95],而不同菌根類型森林土壤NAG酶活性顯著不同[96]。單位微生物生物量下土壤BG和NAG酶活性表現為EcM森林顯著高于AM森林[97],說明在EcM占主導的森林生態系統,微生物對土壤胞外酶的投資更大,并且微生物對于合成獲取N的胞外酶的投資大于C相關胞外酶[95,97]。類似地,經微生物生物量標準化的qCO2表現為EcM森林顯著高于AM森林[95,98],表明在EcM森林,土壤微生物的C利用效率更低[99—100]。因此,不同菌根樹種主導的森林生態系統中,土壤微生物功能活性存在差異,會影響土壤養分狀況以及共生樹種的生長,隨后土壤微生物和地上植物共同影響和驅動森林土壤C循環。

5 存在的問題及未來研究展望

菌根真菌作為森林生態系統地下最重要的微生物功能類群組分,是森林生態系統土壤C循環和貯存的關鍵影響因子。隨著分子生物學技術的發展,人們已經對森林生態系統真菌組開展了較多的基礎性研究,明確了真菌多樣性和群落組成對于維系森林生態系統地上和地下有機物分解、C轉化、C平衡方面的關鍵作用。然而,菌根真菌對森林C匯功能特別是土壤C庫變化的影響機制和內在作用機理還缺乏系統深入的認知,建議未來的研究應重視如下幾個方面:

應加強基于野外長期控制實驗的關于菌根類型對森林C匯功能實驗研究。例如,作為世界上最大的生物多樣性實驗網絡平臺,TreeDivNet(https://treedivnet.ugent.be/)目前匯聚了全球29個實驗,植樹總數超過120萬株;該平臺致力于通過長期定位試驗,研究樹種多樣性(包括菌根類型)與森林生態系統功能之間的關系。我們于2021年在福建上杭建立了“樹種菌根類型與森林生態過程長期試驗平臺”,擬開展亞熱帶森林典型AM和EcM樹種組合如何影響土壤生物多樣性及森林C匯功能方面的研究。

其次需要進一步發展菌根真菌多樣性的研究方法與技術。例如在二代測序技術的基礎上,有待三代測序技術其測序精度提高后,更廣泛地應用于森林生態系統菌根真菌多樣性的檢測。三代測序在讀長方面的優勢,無疑將顯著提高菌根真菌物種分子鑒定方面的準確性,有助于甄別參與森林生態系統C循環功能的真菌物種或類群。然而在實踐中,仍然需要重視菌根真菌的形態學研究,如菌絲、孢子、侵染強度等性狀往往是響應環境因子的敏感指標,因此在采用分子生物學研究方法的同時,同樣需要重視發展形態學研究方法與技術。

全球變化對菌根真菌及森林土壤C匯功能的影響研究有待加強。空間尺度方面,全球變化對于森林生態系統及其菌根真菌的影響較為復雜,結果往往會因研究地點、森林類型、樹種特性等不同而差異明顯。時間尺度上,由于全球變化可視作一種長期性的環境壓力,森林生態系統中樹木、菌根真菌及其功能會存在一種逐漸的適應性或耐受力,因此短期響應與反饋可能不足以準確體現全球變化對于森林生態系統的影響。總之應加強不同時空尺度下,森林生態系統中菌根真菌多樣性及其生態功能對全球變化的響應與反饋研究。