世界桉樹林土壤微生物研究綜述

韋菊嫻，王 聰，何 斌，尤業(yè)明，黃雪蔓

（廣西大學(xué) 林學(xué)院，廣西 南寧 530004）

桉樹是桃金娘科Myrtaceae桉屬Eucalyptus、杯果木屬Angophora和傘房屬Corymbia植物的統(tǒng)稱，常綠喬木，種類多、適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)，與楊樹Populus和松樹Pinus一同被稱為世界三大速生樹種[1]。桉樹主要原生于澳大利亞(約1.01億 hm2)，極少數(shù)產(chǎn)于印度尼西亞、巴布亞新幾內(nèi)亞和菲律賓[2]。桉樹調(diào)節(jié)氣候、涵養(yǎng)水源和保持水土作用突出，碳匯功能相當(dāng)強(qiáng)大，研究[3-4]發(fā)現(xiàn)：桉樹二氧化碳吸收量達(dá)24.3 t·hm-2·a-1，是杉木Cunninghamia lanceolata的2.2倍，馬尾松Pinus massoniana的3.0倍，對于實現(xiàn)碳中和具有重要意義。作為優(yōu)質(zhì)可再生生物質(zhì)能源，桉樹材是紙漿、人造板、家具的主要原料，還被廣泛用于生產(chǎn)各種林副產(chǎn)品，如桉樹葉油、桉樹多酚、桉樹木炭等[5-6]。目前，全球桉樹人工林面積已超過2 257萬 hm2(表1)，巴西、中國和印度是桉樹人工林面積最大的3個國家，提供約2.5億 m3·a-1桉樹木材，占世界人工林木材年產(chǎn)量的37%[7-14]。

表 1 世界桉樹人工林分布[7-14]Table 1 Distribution of global eucalypt forests [7-14]

隨著桉樹產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，不合理經(jīng)營管理和林木采伐(如長期施肥和縮短桉樹輪伐期)問題凸顯，林地土壤肥力下降，病蟲害頻發(fā)，土壤生物多樣性下降，環(huán)境污染加劇，嚴(yán)重危害了土壤健康和林業(yè)可持續(xù)發(fā)展[15]。土壤微生物是診斷土壤健康的理想指標(biāo)[16]，通過自身代謝參與養(yǎng)分循環(huán)和污染物降解，驅(qū)動元素生物地球化學(xué)循環(huán)，在增強(qiáng)植物根際免疫力、提高土壤肥力等方面發(fā)揮關(guān)鍵作用。本研究系統(tǒng)綜述了不同經(jīng)營方式和林分因子條件下桉樹林土壤微生物群落的變化規(guī)律，分析土壤微生物和桉樹林土壤健康的互作機(jī)制，并對今后桉樹林土壤微生物研究和分析方法及其應(yīng)用進(jìn)行了展望，以期為維持森林土壤健康和促進(jìn)林業(yè)綠色可持續(xù)發(fā)展提供指導(dǎo)。

1 不同經(jīng)營方式和林分條件下桉樹林土壤微生物群落特征

1.1 不同經(jīng)營方式下桉樹林土壤微生物群落特征

依據(jù)經(jīng)營方式的不同，桉樹林分可分為天然林和人工林。受不同林地經(jīng)營措施如施用肥料和除草劑、連栽等影響，桉樹林土壤環(huán)境條件存在差異，這會對土壤微生物活性、豐度和群落組成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[17]。桉樹天然林土壤細(xì)菌的優(yōu)勢群落主要為放線菌門Actinobacteria (15%～42%)和變形菌門Proteobacteria (12%～65%)[18-22]。施用化肥改變了桉樹人工林土壤養(yǎng)分含量和pH，從而影響土壤微生物群落。桉樹人工林中土壤細(xì)菌的優(yōu)勢群落[23-26]為綠彎菌門Chloroflexi (10%～44%)、變形菌門(18%～44%)、放線菌門(14%～41%)和酸桿菌門Acidobacteria (9%～18%)，相較天然林，土壤中綠彎菌門和酸桿菌門相對豐度增加，可能是施用化肥導(dǎo)致的[27]。李超等[28]采用高通量測序技術(shù)對16S rRNA的V3～V4區(qū)域進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)施用復(fù)合肥提高了桉樹根系的生理活性，改變了土壤細(xì)菌群落組成；與不施肥桉樹人工林相比，施肥組人工林土壤綠彎菌門和酸桿菌門群落相對豐度更高。有研究[29]發(fā)現(xiàn)：綠彎菌門為兼性厭氧細(xì)菌，通過參與氮代謝將土壤內(nèi)多糖分解成氫和有機(jī)酸，加快土壤內(nèi)有機(jī)物的降解[30]。隨著復(fù)合肥施用量的增加，施肥組桉樹林土壤速效氮和植物根系分泌物增加，綠彎菌門群落相對豐度也隨之增加[31]。酸桿菌門細(xì)菌能夠在酸性條件下降解木質(zhì)素與纖維素，參與土壤有機(jī)質(zhì)循環(huán)[32]。隨著復(fù)合肥施用量的增加，土壤速效氮、有效磷、速效鉀含量增加，土壤pH下降，為酸桿菌門細(xì)菌提供了良好的生存環(huán)境，因而相對豐度增加。子囊菌門Ascomycota和擔(dān)子菌門Basidiomycota是桉樹林土壤真菌的優(yōu)勢群落[19，33-36]，兩者比例在天然林中分別為60%～86%和9%～25%，在人工林中則分別為19%～50%和47%～75%[37-40]。擔(dān)子菌門真菌可有效降解木質(zhì)素。SCHMIDT-DANNERT[41]研究發(fā)現(xiàn)施用復(fù)合肥使得桉樹人工林土壤中木質(zhì)素含量升高，為擔(dān)子菌門真菌提供足夠底物，促進(jìn)其生長和繁殖[42]，這可能是桉樹人工林擔(dān)子菌門真菌相對豐度增加的原因。

與桉樹天然林相比，施用除草劑后桉樹人工林林下植被多樣性減少，土壤養(yǎng)分含量下降，可能是導(dǎo)致土壤微生物數(shù)量減少的原因。SILVA等研究[43]發(fā)現(xiàn)：相比沒有施用除草劑的桉樹人工林，施用不同劑量和頻率的除草劑后，林下植被多樣性和根系生理活性降低，土壤微生物生物量碳、氮含量下降。除草劑還會促成植物體內(nèi)乙烯合成、脫落酸積累和氣孔縮小，使二氧化碳吸收量減少，抑制光合作用并影響植物根系的生長發(fā)育和活性，引起林下植被多樣性降低，間接使土壤養(yǎng)分含量和微生物活性降低，從而影響土壤微生物生物量碳、氮含量[44-45]。何偉等[46]采用變性梯度凝膠電泳法研究了桉樹人工林表層土壤細(xì)菌群落多樣性特征，發(fā)現(xiàn)施用除草劑的桉樹人工林林下植被多樣性發(fā)生改變，土壤細(xì)菌多樣性先減少后增加。原因可能是施用除草劑使林下植被多樣性下降，土壤凋落物輸入的種類與數(shù)量減少，影響微生物基質(zhì)數(shù)量和種類，或?qū)δ承┩寥牢⑸锂a(chǎn)生抑制，導(dǎo)致細(xì)菌多樣性減少。隨著時間推移，除草劑被土壤黏粒吸附、微生物降解，隨著除草劑毒性減弱，細(xì)菌多樣性隨之增加[47]。

現(xiàn)存桉樹人工林主要為1代植苗林，2代萌芽林，3代萌芽林。魏圣釗等[48]采用平板菌落計數(shù)法發(fā)現(xiàn)：隨桉樹人工林連栽代次增加，土壤細(xì)菌、放線菌和真菌數(shù)量均呈減少的趨勢。ZHU等[49]研究發(fā)現(xiàn)：尾葉桉Eucalyptus urophylla連續(xù)種植后土壤微生物生物量降低，這可能是因為土壤全磷、全氮和含水率隨桉樹連栽代次增加而逐漸下降，微生物生長所需基質(zhì)減少，生長受到限制[50]。可見連栽會造成桉樹人工林土壤養(yǎng)分含量下降，影響土壤微生物數(shù)量和活性。

1.2 不同樹種組成下桉樹林土壤微生物群落特征

林分可根據(jù)樹種組成分為純林和混交林，不同林分的凋落物數(shù)量和質(zhì)量、土壤養(yǎng)分含量、根際土壤化感物質(zhì)含量和根系活動等均有差異，這會對土壤微生物群落特征產(chǎn)生影響[51-52]。

桉樹人工純林凋落物難降解化合物(如木質(zhì)素等)的比例較高，這些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物降解時會產(chǎn)生大量酚酸類小分子化合物[53]，對土壤微生物具有抑制作用[54]。與桉樹人工純林相比，桉樹混交林凋落物數(shù)量和種類增加，能為更多種類土壤微生物生長提供底物，從而使土壤微生物數(shù)量和活性提高。KOUTIKA等[55]研究發(fā)現(xiàn)：桉樹-刺槐Robinia pseudoacacia混交林中存在不同種類的凋落物，相比純林，凋落物碳氮比較低，氮代謝強(qiáng)度提高，酚酸類物質(zhì)減少，對微生物生長的抑制作用較低，從而使土壤微生物的生物量和多樣性增加。PEREIRA等[56]發(fā)現(xiàn)：桉樹-馬占相思Acacia mangium混交林中凋落物碳氮比較桉樹人工純林低，土壤細(xì)菌多樣性增加。原因可能是不同種類和質(zhì)地的凋落物促進(jìn)了有機(jī)質(zhì)積累，為更多種類的土壤微生物提供了底物。

與桉樹人工純林相比，不同樹種組成的桉樹混交林能提高土壤養(yǎng)分，降低有害化感物質(zhì)，從而提高土壤微生物數(shù)量和活性。劉小香等[57]發(fā)現(xiàn)：桉樹純林根系分泌物和凋落物分解產(chǎn)生的化感物質(zhì)會抑制土壤微生物的生長繁殖。SANTOS等[58]發(fā)現(xiàn)：與桉樹人工純林相比，馬占相思-桉樹混交林根系分泌物對微生物的抑制作用較低，凋落物分解速率較高，碳代謝活性增強(qiáng)，土壤有機(jī)碳含量增加，土壤養(yǎng)分狀況得到改善，土壤微生物總數(shù)比桉樹人工純林高。馬占相思是一種淺根樹種，根系較細(xì)，吸收根多，與桉樹混交后，可提高土壤孔隙度，改善土壤空間結(jié)構(gòu)和養(yǎng)分狀況，使土壤微生物總數(shù)增加[59]。李萬年等[60]發(fā)現(xiàn)：望天樹Parashorea chinensis與桉樹混交改善了林地土壤根系分布的空間結(jié)構(gòu)。望天樹幼樹期根系較淺，與桉樹混交后，可有效疏松土壤，改善土壤顆粒結(jié)構(gòu)；混交林土壤全氮、全鉀、速效磷含量增加，促進(jìn)養(yǎng)分的合理利用。

與桉樹人工純林相比，桉樹混交林不同樹種組成影響根系活動，使真菌群落的生物量降低，土壤細(xì)菌和放線菌群落的生物量提高。陳永康等[61]和黃雪蔓等[62]采用磷脂脂肪酸法發(fā)現(xiàn)：桉樹與降香黃檀Dalbergia odorifera混交可提高根系活性，增加根系分泌物，使土壤細(xì)菌和放線菌群落的生物量提高，真菌群落的生物量降低。這可能是由于細(xì)菌傾向于分解簡單化合物(如根系分泌物中易降解可溶性有機(jī)碳等)[63]，而真菌是有機(jī)大分子物質(zhì)(如木質(zhì)素等)的主要分解者[64]。桉樹-降香黃檀混交林根系分泌物中易分解活性化合物較桉樹人工純林要多，難降解化合物(如木質(zhì)素等)則較少，土壤碳氮比降低，導(dǎo)致真菌群落生物量降低，細(xì)菌和放線菌群落生物量提高。

1.3 不同林分年齡下桉樹林土壤微生物群落特征

桉樹林分不同年齡階段的土壤理化性質(zhì)[65]、細(xì)根生長狀況[66]、林下植被多樣性[67]、根際土壤化感物質(zhì)含量的差異等均會導(dǎo)致土壤微生物群落特征發(fā)生變化。

不同年齡階段桉樹吸收土壤養(yǎng)分的種類和數(shù)量不同，從而影響土壤養(yǎng)分狀況，并改變土壤微生物群落特征。張丹桔等[68]發(fā)現(xiàn)：四川丹棱縣巨桉E. grandis人工林輪伐期前(4 a)土壤細(xì)菌和真菌逐步減少，此后隨林齡增加而逐漸增加。這可能是因為輪伐期前(4 a)為桉樹人工林速生生長階段，林木生長需要消耗大量養(yǎng)分，原有有機(jī)質(zhì)的分解大于外界輸入，土壤有機(jī)碳含量低，微生物生長基質(zhì)減少，因而活性與數(shù)量下降；隨著林齡增長，林木生長趨緩，對養(yǎng)分吸收減少；同時林下生物多樣性增加，凋落物不斷積累，分解產(chǎn)生有機(jī)碳輸入土壤，使得土壤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高，為微生物生長提供足夠基質(zhì)，因而活性與數(shù)量均有增加[69]。XU等[70]發(fā)現(xiàn)：雷州半島北部尾巨桉E. urophylla×E. grandis人工林土壤細(xì)菌和真菌數(shù)量具有林齡效應(yīng)，土壤細(xì)菌和真菌數(shù)量表現(xiàn)為隨林齡增長而增加的趨勢。

桉樹人工林細(xì)根生長狀況一般表現(xiàn)為幼齡林階段優(yōu)于成熟林，這可能是導(dǎo)致幼齡林階段外生菌根真菌群落多樣性指數(shù)大于成熟林的原因。江瑤等[71]比較了不同林齡桉樹人工林的土壤外生菌根真菌群落多樣性，發(fā)現(xiàn)桉樹栽植2 a時土壤外生菌根真菌物種豐度高于6 a。這可能是2年生桉樹處于速生階段，細(xì)根較多，根系活性較高，對營養(yǎng)物質(zhì)和水分的需求量大[72]，桉樹通過分配大量的養(yǎng)分物質(zhì)利用外生菌根輔助養(yǎng)分吸收，一定程度上提升了外生菌根真菌多樣性。隨著林齡增長，桉樹生長速度減緩，養(yǎng)分吸收速率降低[73]，對外生菌根真菌的依賴性降低，細(xì)根活性下降，外生菌根真菌群落多樣性減少。

土壤磷含量依賴于土壤本身的母質(zhì)特征[74]。幼齡林階段桉樹人工林土壤養(yǎng)分循環(huán)緩慢，土壤磷元素來源少，磷含量一般小于成熟林，這可能導(dǎo)致了幼齡林階段內(nèi)生菌根真菌群落多樣性指數(shù)大于成熟林。李佳雨等[75]采用濕篩傾析法研究比較不同林齡桉樹人工林的土壤內(nèi)生菌根真菌群落多樣性的變化后發(fā)現(xiàn)：栽植2 a的桉樹土壤內(nèi)生菌根真菌香農(nóng)指數(shù)和辛普森指數(shù)均最高，5 a時均為最低，但組間多樣性指數(shù)差異不顯著。隨著人工營林措施(如施磷肥)的進(jìn)行，桉樹人工林土壤磷含量增加，植物對內(nèi)生菌根真菌的依賴性降低，分配給內(nèi)生菌根真菌的養(yǎng)分減少，造成內(nèi)生菌根真菌多樣性減少[76]。隨著桉樹林齡增加，內(nèi)生菌根真菌群落多樣性指數(shù)逐漸減少。

2 微生物對桉樹林土壤養(yǎng)分循環(huán)和重金屬污染修復(fù)的影響

2.1 土壤微生物和元素循環(huán)

土壤微生物通過自身代謝參與碳、氮、磷、鐵和硫等元素循環(huán)[77]來改善土壤養(yǎng)分狀況，提升土壤健康。目前對桉樹碳、氮和磷元素循環(huán)與土壤微生物群落間關(guān)系的研究較多[78]。

李永雙等[79]通過盆栽實驗對云南省建水地區(qū)植被根際土壤中產(chǎn)碳酸酐酶的微生物進(jìn)行分離培養(yǎng)，獲得1株具有較強(qiáng)溶蝕效果的沙雷氏菌屬Serratia細(xì)菌。SALEEM等[80]研究認(rèn)為沙雷氏菌菌液分泌物對碳酸鈣類巖石的溶蝕具有促進(jìn)作用，根際微生物降解有機(jī)殘體產(chǎn)生的二氧化碳可增大難溶性碳酸鹽的溶解性[81]。文曉萍等[82]將回接相思樹Acacia根瘤作用于非豆科Leguminosea植物巨尾桉苗木的生長，發(fā)現(xiàn)接種根瘤菌處理土壤含氮量顯著提高?？赡苁歉鼍梢詫⒅参锊荒芪盏牡⑼寥拦潭☉B(tài)磷、鉀以及微量元素變成可吸收利用的狀態(tài)[83]，接種根瘤菌后產(chǎn)生的胞外多糖為土壤微生物提供了更多的碳源[84]，促進(jìn)了土壤可培養(yǎng)微生物(細(xì)菌、真菌和放線菌)的生長[85]，有利于土壤微生物固定無機(jī)態(tài)氮，因此有效地提高巨尾桉土壤氮素的積累。張輝等[86]研究發(fā)現(xiàn)：接種促生菌(固氮菌、解鉀菌、解磷菌)后，巨尾桉土壤有效磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高。可能是因為這些聯(lián)合固氮菌可以分泌有機(jī)酸，而有機(jī)酸可使土壤中不溶性磷素轉(zhuǎn)變?yōu)榭扇苄粤姿?，使磷有效地溶解和被植物吸收[87]。

2.2 土壤微生物和土壤重金屬污染修復(fù)

當(dāng)前，中國林地土壤重金屬污染和土壤農(nóng)藥污染等問題[88]嚴(yán)重，土壤健康受到威脅。目前研究主要是關(guān)于土壤微生物群落對土壤重金屬污染的影響[89]。

黃佳玉等[90]通過盆栽實驗發(fā)現(xiàn)：接種摩西球囊霉菌Glomus mosseae且土壤中外加銅和鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為25和200 mg·kg-1處理，桉樹苗中銅質(zhì)量分?jǐn)?shù)由26 mg·kg-1降低為13 mg·kg-1，較未接種處理差異顯著(P＜0.05)。這可能是由于菌根真菌的結(jié)構(gòu)阻礙金屬元素向地上部分運輸，降低重金屬元素對植物的毒性，從而保護(hù)桉樹的生長[91]。廖妤婕等[92]采用差速離心法和化學(xué)試劑逐步提取法研究了桉樹對鉛的耐受機(jī)制，從鉛在桉樹不同部位中的亞細(xì)胞分布和化學(xué)形態(tài)來看，高質(zhì)量分?jǐn)?shù)(200和400 mg·kg-1) 鉛處理下，接種叢枝菌根真菌(AMF)的桉樹根部細(xì)胞壁組分和葉片可溶組分的分配比例增大，細(xì)胞壁滯留作用和液泡區(qū)隔化作用增強(qiáng)，可能是AMF作用下桉樹耐鉛的主要機(jī)制。細(xì)胞壁和以液泡為主的可溶組分是桉樹儲存鉛的2個主要場所，桉樹根部細(xì)胞壁對鉛的滯留作用最強(qiáng)，葉片中可溶組分對鉛的區(qū)隔化作用最強(qiáng)。隨著鉛脅迫的增加，接種AMF的桉樹根部對鉛的固持作用及細(xì)胞壁組分的滯留作用增強(qiáng)，同時，滯留在桉樹根部的鉛從活性較強(qiáng)的乙醇提取態(tài)向活性較弱的醋酸提取態(tài)轉(zhuǎn)化，減弱了鉛的活性，也減少了鉛向地上部分莖和葉的遷移；此外，葉片可溶組分對鉛的區(qū)隔化增強(qiáng)，也減輕了遷移到地上部分的鉛對桉樹的毒害作用。

3 展望

微生物分子生態(tài)技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，為拓寬微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性研究提供了新的途徑和方法，推動了碳、氮、磷等元素生物地球化學(xué)循環(huán)機(jī)制和土壤污染的深入探索。加強(qiáng)對土壤微生物組成和功能的研究，強(qiáng)化其在桉樹林生態(tài)系統(tǒng)中的作用，對減少化肥和農(nóng)藥的施用、維持森林土壤健康，進(jìn)而促進(jìn)桉樹林綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

當(dāng)前對桉樹林土壤微生物群落特征的研究大多處于初級階段，多數(shù)通過采集少量次數(shù)的土壤樣本，基于平板菌落計數(shù)法、磷脂脂肪酸法、16S rRNA高通量測序等方法進(jìn)行。與高通量測序法相比，平板菌落計數(shù)法和磷脂脂肪酸法等方法靈敏度和準(zhǔn)確度低、檢測微生物種類少、數(shù)據(jù)量少[93]，基于非功能基因的擴(kuò)增子測序等方法無法準(zhǔn)確評估微生物群落功能特征。因此，目前的研究尚未充分了解桉樹林土壤微生物活性、數(shù)量、群落組成結(jié)構(gòu)和功能特征，難以準(zhǔn)確評價桉樹林土壤健康狀況。為實現(xiàn)桉樹林土壤健康與可持續(xù)發(fā)展，建議從3個方面進(jìn)一步開展相關(guān)研究：①運用多種組學(xué)方法(如宏基因組學(xué)、宏轉(zhuǎn)錄組學(xué)和宏代謝組學(xué)等)研究桉樹林土壤微生物群落特征，探究土壤微生物的功能并使其有益功能最大化，從而提高桉樹林生態(tài)系統(tǒng)中林木的抗病性和資源的有效利用。②集成桉樹林土壤微生物和土壤健康大數(shù)據(jù)自動化分析系統(tǒng)，為土壤微生物作為土壤健康評估的重要指標(biāo)提供有力支撐。③微生物移植工程已經(jīng)成功應(yīng)用于改變植物微生物菌群組成[94]，發(fā)揮了改善土壤健康和促進(jìn)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展的巨大潛力。今后可深入探究土壤微生物參與特定生物過程的功能，并將其廣泛應(yīng)用于治療性微生物組工程。