丛枝菌根真菌接种对喀斯特石漠化人工林土壤特性的影响

Effects of Arbuscular Mycorrhizal Fungi Inoculation on Soil Properties in Plantation Forests under Karst Rocky Desertification

摘要

目的 阐明丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi， AMF）接种对土壤养分和水分供给不足的削减机制，支撑喀斯特脆弱生态系统的可持续恢复。 方法 基于湖南省邵阳县典型喀斯特石漠化区人工林样地的原位接种试验，分别采集上、中、下坡0~15、15~30 cm土层细根和0~15、15~30、30~50 cm土层土壤样品测定AMF侵染状况、群落组成和土壤理化性质，明确关键微生物添加对土壤养分和水分等特性的影响。 结果 接种提升根系AMF侵染强度和侵染率；在属水平上，类球囊霉属、球囊霉属和双型囊霉属是AMF群落的优势属，其相对丰度在接种后变化较大，且在不同坡位和土层间存在差异。接种后，Simpson多样性指数在0~15 cm土层各坡位、15~30 cm土层中坡、30~50 cm土层中下坡皆有所增加，但差异不显著；Chao1丰富度指数皆呈增加变化，但仅在0~15 cm土层上坡差异显著；Pielou均匀度指数在0~15 cm土层上中坡、15~30 cm土层中坡、30~50 cm土层各坡位皆呈增加变化，差异皆不显著。各土层碱解氮质量分数皆呈减少变化，速效磷质量分数仅在15~30 cm土层有所下降，土壤有机碳质量分数在0~15、15~30 cm土层均呈减少变化，但差异皆不显著；土壤水分体积分数在各土层皆极显著增加，毛管孔隙在0~15、30~50 cm土层有所增加，pH和交换性Ca²⁺在各土层皆有所降低，但差异皆不显著。速效养分氮磷比在0~15、15~30 cm土层呈降低趋势，表明接种AMF可在一定程度上缓解土壤养分对磷的限制。土壤特性间相关性和冗余性分析表明，接种后微生物群落组成的变化直接或间接影响养分和水分等理化性状。 结论 研究结果厘清了石漠化人工林土壤特性对AMF接种的响应特征，明确了养分水分变化及其驱动因素，有助于突破土壤生态功能恢复滞后瓶颈，提升脆弱生态系统服务功能。

Abstract

Objective To elucidate the mitigation mechanisms of arbuscular mycorrhizal fungi （AMF） inoculation on soil nutrient and moisture supply deficiencies， thereby supporting the sustainable restoration of fragile karst ecosystems. Methods Based on an in-situ inoculation experiment in plantation plots of a typical karst rocky desertification area in Shaoyang County， Hunan Province， fine roots at 0-15 cm and 15-30 cm soil depths and soil samples at 0-15 cm， 15-30 cm， and 30-50 cm soil depth were collected from upper， middle， and lower slopes. AMF infestation status， community composition， and soil physicochemical properties were measured to clarify the effects of key microbial additions on soil nutrients and moisture. Results The results showed that inoculation increased the infestation rate and intensity of root AMF. At the genus level， Paraglomus， Glomus，and Ambispora were the dominant genera in the AMF community， and their relative abundances changed significantly after inoculation， with differences across slope positions and soil layers. After inoculation， the Simpson′s diversity index increased in the 0-15 cm layer at all slope positions， in the 15-30 cm layer at the mid-slope position， and in the 30-50 cm layer at the mid-lower slope position， but the differences were not significant. The Chao1 richness index increased across all layers， with a significant difference only at the upper slope position in the 0-15 cm layer. The Pielou′s evenness index increased in the 0-15 cm layer at the mid-upper slope position， in the 15-30 cm layer at the mid-slope position， and in the 30-50 cm layer at all slope positions， but the differences were not significant. The mass fraction of alkali-hydrolyzable nitrogen （AN） decreased in all layers， the mass fraction of available phosphorus （AP） decreased only in the 15-30 cm layer， and the soil organic carbon mass fraction decreased in the 0-15 cm and 15-30 cm layers， but the differences were not significant. Soil volumetric water content （VWC） increased significantly in all soil layers， capillary porosity （CP） increased in the 0-15 cm and 30-50 cm layers， and pH and exchangeable Ca²⁺ decreased in all layers， but the differences were not significant. The AN：AP ratio showed a decreasing trend in the 0-15 cm and 15-30 cm layers， indicating that AMF inoculation could partially alleviate phosphorus limitation in the soil. Correlation and redundancy analysis indicated that changes in microbial community composition after inoculation directly or indirectly affected soil physicochemical traits including nutrients and moisture. Conclusion The results clarify the response characteristics of soil properties to AMF inoculation in karst rocky desertification plantation forests and identify nutrient and moisture changes and their driving factors， which helps overcome the bottleneck of delayed soil ecological function restoration and improves the service functions of fragile ecosystems.

Graphical abstract

关键词

人工林 / 丛枝菌根真菌接种 / 土壤养分 / 土壤水分 / 喀斯特生态系统

Key words

plantation forest / arbuscular mycorrhizal fungi inoculation / soil nutrient / soil moisture / karst ecosystem

碳酸盐岩是喀斯特土壤发育的物质基础，其成土物质少，造壤速率缓慢，加之人类活动干扰极易导致石漠化，加剧喀斯特生态系统地表水土资源的匮乏^［1］。水土流失是石漠化形成的主要原因，土壤养分和水分维持与提升是石漠化综合治理和生态功能提升的瓶颈^［2］。关键微生物的添加可在一定程度上提升植物对土壤养分和水分的利用效率，缓解地下土壤供给不足对地上植被的限制，实现其正向协同演化，提升生态系统整体服务功能。因森林生态系统具有保持水土、涵养水源的功能，基于森林植被恢复重建的喀斯特石漠化治理一直是科学研究关注的热点之一。植被通过影响生态系统中养分的储量及分配、改变土壤微生物群落结构与组成、改善土壤的理化性状，发挥其水土保持功能，有效遏制石漠化，扭转生态环境恶化的局面，使喀斯特地区变“绿”^［3-4］。

在我国“加大生态系统保护力度、实施重要生态系统修复工程、加强石漠化综合治理”背景下，喀斯特地区石漠化面积由2005年的12.96万km²减少到2021年的6.74万km^2［5-6］，基于植被建设的恢复成效显著。湖南省石漠化程度在我国西南喀斯特八省市（贵州、广西、云南、四川、重庆、湖南、湖北和广东）中位居第4，但其综合治理起步较晚，成效相对落后^［7］。相对自然恢复模式，人工造林土壤功能恢复相对滞后^［8］，养分供给和水分状况限制地上植被生长，生态系统整体服务功能提升缓慢。

丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi， AMF）能与大多数植物形成共生关系，促进植物对土壤养分水分的吸收^［9］，缓解其限制。研究^［10］表明，AMF不仅可以帮助植物吸收转运磷（P），而且在氮（N）的吸收过程中也发挥着重要作用，加之其外延菌丝建立的地下菌丝网络，在生态系统物质循环过程中发挥巨大作用^［11］，可在一定程度减少植物对土壤养分和水分的需求。XIE等^［12］基于红树林和AMF的共生关系研究发现，蒸压土中幼苗在接种AMF后降低叶片中氮磷比，缓解植物生长过程中磷的限制。

目前，AMF接种对植物的生长及其土壤环境的影响已有较多研究，但其多应用于幼苗的室内盆栽控制试验^［13-15］，野外原位试验较少。考虑到土壤养分水分状况的差异亦影响根系与AMF的共生关系，因此，本研究基于湖南省邵阳县典型喀斯特石漠化区人工林原位接种试验，探讨AMF接种前后土壤微生物群落、养分和物理性状等特性的变化，阐释微生物添加对土壤养分水分供给效应的提升机制，突破石漠化人工林土壤生态功能恢复滞后瓶颈，实现喀斯特脆弱生态系统的可持续恢复。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

湖南省邵阳县（26°40′~27°06′N，110°40′~110°59′E）位于湘中偏西南，处资江上游。东邻邵东、祁东县，南连东安、新宁县，西接武冈市、隆回县，北抵新邵县和邵阳市区，处于衡邵丘陵盆地西南边缘向山地过渡地带。研究区位于邵阳县郦家坪镇典型喀斯特石漠化区，海拔400~585 m，属中亚热带季风湿润气候，夏季降水充沛，气候温暖湿润，冬季降水较少，气候寒冷干燥，2000—2021年平均气温16.9 ℃，平均降水量1 399 mm。母岩以石灰岩为主，土壤类型主要是黑色石灰土和黄色石灰土。基于植被建设的石漠化治理起始于2010年，人工林种植密度约4 450株/hm²。植被种类稀少，主要包括侧柏、湿地松和枫香等乔木及牡荆、五节芒、白茅等灌草植物，其中乔木层优势属为侧柏，植被平均盖度约60%。地下水位低、蓄量少，对环境的调节和承受能力差。

1.2 土壤样品采集

参照国家林业和草原局行业标准（LY/T 1840—2009）^［16］，结合基岩裸露度、植被盖度和土壤厚度等特征，于2023年3月在喀斯特中度石漠化坡地中龄（10~15 a）人工林（湿地松、侧柏、枫香混交林）生态系统选取3条样线（重复），样线长度约100 m，分别在各样线的上、中、下坡（间隔约50 m）样地内（大小设置为20 m×20 m），基于根系水平方向的扩展状况，随机选取3个以优势树种（优势属侧柏，生长良好、长势一致）为中心的1 m×1 m小样方实施AMF接种；同时，按同等要求随机设置同等数量（3个重复）的对照组（CK）。接种时，首先移除小样方内土壤上方的凋落物，将菌剂均匀地撒在土壤表层，确保60 g菌剂/m²（约3 000个/m²孢子），然后，将移除的凋落物原位放回。供试菌剂来自广西农业科学院，供试菌种为根内球囊霉（Glomus intraradices），每克菌剂至少包含50个孢子。考虑到喀斯特石漠化地区土层浅薄，结合植物根系纵向深度，在接种3个月后（即2023年6月），分层次（0~15、15~30、30~50 cm）进行AMF接种组及其对照组土壤样品采集，即于不同坡位样地内接种和非接种小样方各随机采集9个土壤样品，分别混合均匀取一定量备用，同时采集各土壤层次的环刀备用，共计54个样品。将获取的不同层次土壤样品，除去细根和砾石，用四分法分出一部分，风干过2 mm筛，研磨以备常规理化分析；另一部分，用锡箔纸包好放入灭菌布袋后立即投入液氮速冻，带回实验室经冷冻干燥、磨细分装，置于-80 ℃保存备用，以测定微生物群落组成。研究区及采样点位置见图1。

1.3 细根采集及AMF侵染状况的测定

基于研究区内根系在土壤深度上的延展性，采集土壤样品的同时，分别于不同坡位样地接种和非接种小样方内采集0~15、15~30 cm优势树种的细根（30~50 cm细根较少，未测），用于测定AMF侵染状况。具体步骤为：将保存于FAA固定液中的细根切成1~2 cm根段，用纯水冲洗干净后投入20% KOH溶液中，放60 ℃水浴锅内水浴2 h；颜色较深的样根再投入3% H₂O₂溶液中漂白；然后流水冲洗5 min，再用5% CH₃COOH酸化5 min；使用醋酸墨水于60 ℃水浴锅内染色30 min；纯水浸泡脱色12 h以上；不同坡位各土层随机选取20~30根样根在显微镜下观察根系侵染状况，计算根系AMF侵染率，并按照菌根侵染程度进行分级，基于BIERMANN等^［17］提出的根段侵染率加权法计算根系AMF侵染强度。

本研究AMF侵染强度和侵染率的计算公式为：

侵染强度=（（95×N₁+70×N₂+30×N₃+5×N₄+N₅）/（100×总样根数））×100%

侵染率=（（N₁+N₂+N₃+N₄+N₅）/总样根数）×100%

式中：N₁为侵染率90%以上的根段数；N₂为侵染率50%~90%的根段数；N₃为侵染率10%~50%的根段数；N₄为侵染率1%~10%的根段数；N₅为侵染率低于1%的根段数。

1.4 土壤AMF的高通量测序和数据分析

将冷冻干燥研磨后的土壤样品称取0.5 g，采用MagBeads FastDNA Kit for Soil（MP Biomedicals， USA）试剂盒提取DNA，然后用0.8%琼脂糖凝胶电泳对其进行检测。采用PCR（BioRad S1000， Bio-Rad Laboratory， CA）扩增AMF基因，引物为AMV4.5NF（5'-AAGCTCGTAGTTGAATTTCG-3'）/AMDGR（5'-CCCAACTATCCCTATTAATCAT-3'）。PCR反应程序为：在PCR仪上于98 ℃预变性3 min，使模板DNA充分变性，然后进入扩增循环；在每个循环中，先于98 ℃保持30 s使模板变性，然后将温度降到52 ℃，保持30 s使引物与模板充分退火，在72 ℃保持45 s，使引物在模板上延伸，合成DNA；重复循环26次，使扩增的DNA片段大量累积；最后，在72 ℃保持5 min，使产物延伸完整，12 ℃保存。利用2%琼脂糖凝胶电泳检测扩增结果质量，用Axygen凝胶回收试剂盒回收PCR产物，利用Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit对PCR产物在Microplate reader（BioTek， FLx800）上进行定量检测，利用NovaSeq 6000平台对扩增产物进行测序（测序委托上海派森诺生物公司完成）。使用最小归一化抽样法对所有样本的操作分类单元（OTU）序列进行抽样，用于后续数据处理和统计分析。本研究AMF群落组成选取属水平的相对丰度；AMF群落α多样性指数采用Simpson多样性指数、Chao1丰富度指数和Pielou均匀度指数表征^［18-19］。

1.5 土壤理化性质测定

土壤有效养分碱解氮（alkali-hydrolyzable nitrogen， AN）采用碱解扩散法测定；速效磷（available phosphorus， AP）采用0.5 mol/L NaHCO₃浸提法测定；土壤有机碳（soil organic carbon， SOC）采用外加热-重铬酸钾容量法^［20］测定。氮磷比（N∶P）采用AN与AP比值。酸碱度（pH）采用pH计法进行测定。交换性钙离子（Ca²⁺）采用1 mol/L乙酸铵交换法进行测定。土壤水分体积分数（volumetric water content， VWC）、毛管孔隙度（capillary porosity， CP）等物理性质采用环刀法^［21］测定。

1.6 统计分析方法

统计分析前检验数据是否符合正态分布，若不符合则进行转换（l g）；相关性分析数据统一做标准化处理。基于多重比较（LSD，p<0.05）的单因素方差分析（ANOVA），被用于比较任意2组数据之间差异性是否显著。Pearson相关性用来表征土壤特性间的相关关系。数据统计分析及制图分别利用SPSS 21.0和Origin 8.0软件进行。土壤养分水分与其他土壤特性间的冗余分析（RDA）利用Canoco 5.0软件进行。

2 结果与分析

2.1 接种对石漠化人工林土壤AMF群落的影响

2.1.1 接种对根系AMF侵染状况的影响

由图2可知，接种会提升根系AMF的侵染强度和侵染率。侵染强度除中坡15~30 cm土层无显著差异外，其他土层皆存在极显著差异（p<0.001）（图2a）；侵染率在中坡0~15 cm土层存在极显著差异（p<0.01）（图2b）。

2.1.2 接种对土壤AMF群落组成的影响

土壤AMF群落组成在属水平上鉴定为8个主要共有属：球囊霉属（Glomus）、近明球囊霉属（Claroideoglomus）、双型囊霉属（Ambispora）、类球囊霉属（Paraglomus）、无梗囊霉属（Acaulospora）、多样孢囊霉属（Diversispora）、 盾巨孢囊霉属（Scutellospora）及原囊霉属（Archaeospora）。其中，仅Paraglomus、Ambispora、Glomus和Claroideoglomus相对丰度最大值≥1%，研究区优势属为Paraglomus、Glomus和Ambispora（图3）。结果表明，接种后，0~15 cm土层下坡AMF群落组成变化较大，其中Paraglomus的相对丰度由39.3%增加到72.4%，而Ambispora的相对丰度则由25.0%减少到1.2%；中坡优势属的相对丰度皆增加；上坡优势属的相对丰度皆减少（图3a）。15~30 cm土层上坡Paraglomus的相对丰度由53.5%减少到33.0%，而Ambispora的相对丰度则由15.3%增加到26.6%；中坡Paraglomus的相对丰度明显增加；下坡Ambispora的相对丰度明显减少（图3b）。30~50 cm土层上坡Paraglomus的相对丰度明显减少；中坡Paraglomus的相对丰度由28.5%增加到58.3%，而Ambispora的相对丰度则由27.3%减少到7.8%；下坡Paraglomus和Ambispora的相对丰度皆明显减少（图3c）。

2.1.3 接种对土壤AMF群落α多样性的影响

接种对土壤AMF群落α多样性的影响见表1。接种后，AMF群落的Simpson多样性指数在0~15 cm土层上坡和中坡皆有所增加；15~30 cm土层仅中坡有所增加；30~50 cm土层中坡和下坡皆有所增加，但变化皆不显著（p>0.05）。各土层Chao1丰富度指数在不同坡位皆有增加变化，但仅在0~15 cm土层上坡差异显著（p<0.05）。Pielou均匀度指数在0~15 cm土层上、中坡呈增加变化；15~30 cm土层仅中坡呈增加变化；30~50 cm土层各坡位皆呈增加变化，但差异皆不显著。

2.2 接种对石漠化人工林土壤养分和水分的影响

2.2.1 接种对土壤养分的影响

总体而言，接种后，各土层AN质量分数皆有所下降，平均值分别由121.3、108.9、107.4 mg/kg降低为109.8、99.0、101.2 mg/kg （图4a）；而AP质量分数在0~15、30~50 cm土层则皆有所增加，平均值分别由1.8、1.7 mg/kg增加为2.0、1.8 mg/kg，在15~30 cm土层则有所下降，平均减少0.07 mg/kg，但以上变化皆不显著（p>0.05）（图4b）。接种后，SOC质量分数在0~15、15~30 cm土层皆有所下降，平均值分别由14.7、12.0 g/kg降低为14.1、11.0 g/kg；而在30~50 cm土层则有所增加，平均值由10.7增加为11.9 g/kg，以上变化亦不显著（p>0.05）（图4c）。

就不同坡位的变化而言，接种后，AN质量分数仅在0~15 cm土层中坡和30~50 cm土层上坡有增加变化，其他皆呈减少变化，变化皆不显著（图5a）；AP质量分数在各土层的下坡和30~50 cm土层中坡呈增加变化，其他皆呈减少变化，且在0~15 cm土层下坡差异显著（图5b）；SOC质量分数在0~15 cm土层下坡和30~50 cm土层上、中坡呈增加变化，其他土层皆呈减少变化，差异皆不显著（图5c）。

2.2.2 接种对土壤水分的影响

总体而言，接种后，不同土壤层次VWC皆极显著增加（p<0.01）（表2）。就各土层不同坡位变化而言，VWC在接种后皆呈增加变化，但仅在0~15 cm土层各坡位、15~30 cm土层上坡和30~50 cm土层中坡差异显著（p<0.05）。

2.3 接种对石漠化人工林土壤其他理化性质的影响

接种后，仅非毛管孔隙度（NCP）在各土层呈极显著降低（p<0.01）；通气度（SA）仅在0~15、15~30 cm土层呈极显著降低；总孔隙（TP）在0~15、15~30 cm土层分别呈显著（p<0.05）和极显著（p<0.01）降低；孔隙比（SP）仅在15~30 cm土层呈极显著降低（表3）。

毛管孔隙（CP）在0~15、30~50 cm土层有所增加，而在15~30 cm土层则有所下降，但变化皆不显著（p>0.05），体积质量（BD）几乎无变化。说明接种后短期内瞬时土壤含水量有明显的响应特征，而相对稳定的土壤物理结构如毛管孔隙度等则响应不明显。土壤pH和交换性Ca²⁺在各土层皆呈降低趋势，但差异不显著。速效养分氮磷比AN∶AP（N∶P）在0~15、15~30 cm土层呈降低趋势，虽差异不显著，但可表明接种AMF在一定程度上缓解土壤P限制。

2.4 对照和接种组土壤特性间相关关系的差异性分析

因考虑到AMF群落组成其他属相对丰度值较低（<1%），因此土壤特性间的相关分析中仅展示其4个属：Paraglomus、Ambispora、Glomus和Claroideoglomus（图6）。结果表明，无论对照组还是接种组，SOC质量分数与微生物组成中Glomus的相对丰度存在显著（p<0.05）或极显著（p<0.01）正相关，且在接种后其相关系数有明显增加。与对照相比，接种后AN质量分数与Glomus的相对丰度存在显著正相关，AP质量分数与Simpson多样性指数存在显著负相关。相比对照，接种后pH和交换性Ca²⁺与Chao1丰富度指数、Paraglomus和Ambispora的相对丰度皆存在显著相关关系。说明接种造成的微生物群落组成的变化会影响其与土壤养分等化学性质之间的相关关系。

接种后，土壤BD与Paraglomus的相对丰度由显著负相关变为弱正相关，与AN和SOC质量分数的相关关系由弱负相关变为显著和极显著负相关，相关系数亦有明显增加，说明接种造成的微生物群落组成的变化亦影响土壤的物理性质，进而影响其与土壤养分等化学性质之间的相关关系。

对照CK和AMF接种组土壤养分水分与其他土壤特性间的RDA结果表明，接种改变不同土层、坡位下Paraglomus、Ambispora、Glomus和Claroideoglomus的相对丰度与土壤养分水分和其他特性间的关系（图7）。相比对照，接种明显改变SOC和AN与Paraglomus和Ambispora、AP与Claroideoglomus和Glomus、VWC与Claroideoglomus相关关系，进一步证明因接种造成的微生物群落的变化会影响喀斯特石漠化人工林土壤养分和水分等特性。

3 讨 论

3.1 喀斯特石漠化人工林土壤AMF及其对接种的响应

土壤微生物在陆地生态系统的生物地球化学循环中起关键作用^［22］。其中，AMF是一类定殖于植物根系，对其生长发育起重要作用的共生内生真菌。已有研究^［23］表明，植物吸收的P约80%由AMF提供，高达75%的N通过AMF获得^［24］。陆地超80%的植物树种可以和AMF形成共生关系^［9］。林艳等^［25］在贵州喀斯特区的研究表明，乔木林土壤AMF的优势属是根孢囊霉属和斗管囊霉属。但较多研究^{［10，26］}表明，喀斯特地区土壤AMF的优势属极有可能是球囊霉属。本研究亦发现，研究区内AMF群落组成中的主优势属是类球囊霉属，次优势属是球囊霉属和双型囊霉属（图3）。AMF接种可通过增加浸染率、改变微生物活性、群落组成及其生物量等方式直接影响其与植物间的共生关系^［13-14］。本研究发现，接种后根系AMF侵染率有显著提升（图2），AMF群落优势属的相对丰度变化较大且受坡位影响，且坡位间的差异在不同土层亦不同（图3）。究其原因，不同坡位、不同土层养分、水分状况的差异影响AMF的定殖，进而影响其群落组成^{［15，18］}。此外，本研究试验接种菌剂为优势属球囊霉，这是导致其相对丰度变化较大的原因之一。

3.2 AMF接种对喀斯特石漠化人工林土壤理化性质的影响

近年来，土壤理化性质结合生物特性成为土壤质量评价的重要指标^［27］。本研究聚焦于喀斯特石漠化地区关键微生物添加前后土壤特性的差异性分析，可为脆弱人工林生态系统土壤功能的恢复和提升提供理论依据。相对非喀斯特地区，喀斯特石漠化地区，因其特殊的地表地下二元空间结构，加之土层浅薄，土壤总量少，储水能力低且岩石渗透性强，使得土壤养分和水分更成为该地区生态系统的关键限制因子^［28］。本研究亦发现，研究区内0~15、15~30、30~50 cm土层土壤速效养分N∶P平均值分别为66.62、81.48和66.71（表3），较其他亚热带喀斯特或非喀斯特森林生态系统皆较高^［29-31］，表明该地区植被恢复过程中严重受到养分P限制。

森林植被具有调节气候、涵养水源、保持水土的功能和作用，自2000年以来，扩大其面积已成为喀斯特石漠化地区生态环境改善、土壤质量改善和社会经济可持续发展的有效恢复方式之一^［4］。其中，人工植被恢复是喀斯特石漠化地区创造良好经济和水土保持效益的重要技术手段^［2］。但是，相较自然恢复模式，人工林生态系统潜力低、土壤供给不足问题突出，养分和水分的有效性是其生态恢复的关键限制因子。赵元等^［8］在桂西北喀斯特峰丛洼地研究发现，人工造林对促进土壤活性碳库累积的作用劣于自然恢复。本研究亦发现，研究区内速效养分AN、AP（图4a、图4b CK）及水分状况（表2 CK）较喀斯特地区次生林或原始林土壤^［31］皆较低，地上植被生长相对较差，生态系统整体服务功能仍处较低水平。

AMF可在一定程度上缓解土壤养分、水分供给不足对地上植被的限制，尤其在喀斯特石漠化脆弱生境下，接种AMF有助于突破人工林土壤生态功能恢复滞后的瓶颈，实现其可持续恢复。研究^［14］表明，养分限制条件下，AMF与植物间的共生关系受不同程度影响，接种可通过增加侵染率、改变微生物生物量和酶活性等在一定程度上缓解其限制；而水分限制条件下，接种AMF可提高土壤微生物活性和养分质量分数，进而促进地上植被生长，增加其抗旱性^［13］。本研究发现，接种AMF后，AP质量分数在0~15、30~50 cm土层较对照升高（图4b），究其原因，接种可能在一定程度减少植被生长过程中对土壤养分P的消耗量^［32］，从而致使土壤中质量分数有所升高。而各土层AN和15~30 cm土层AP质量分数皆呈下降趋势，可能接种后短期内植物吸收利用土壤养分N和该土层P的效率有所提升，从而致使土壤中质量分数有所下降。此外，研究区内接种组0~15、15~30 cm土层土壤速效养分N∶P虽依然较高，但相比对照，接种后皆有所下降（表3），表明接种AMF可在一定程度缓解土壤养分P的限制，而30~50 cm未见降低，主要考虑根系纵向延伸较浅、试验周期较短，接种量效应更微弱。以往研究^{［13-15，32］}表明，接种AMF可不同程度地提高宿主植物对干旱、盐碱、重金属、低有效态养分、极端温度、酸性土壤、污染物等的耐受力，其潜在机制包括增强宿主植物的养分吸收、水分利用的优化、光合作用增强及活性氧的清除活性增强等。但因养分供给状况不同，AMF的作用机制存在较大差异。XU等^［19］研究发现，较低水平的土壤P添加，宿主通过AMF从有机质中可获取较多养分，且AMF接种对土壤细菌和真菌的群落组成影响受P的有效性调控。因此，本研究各土层养分N、P对接种响应特征的差异性亦与其初始养分、水分状况不同导致AMF与植物间相互作用存在差异有关。

3.3 土壤特性间的相互影响

就影响因素而言，土壤养分等化学性质、水分等物理性状和微生物群落组成等生物特性是相互作用、相互影响的，且皆受众多其他环境因素的影响^{［22，31］}。其中，土壤养分有效性影响微生物生物量的周转和酶活性的发挥^［33］，反之，微生物群落结构与酶活性又影响土壤碳、氮、磷循环转化及其有效性^［34］。本研究亦发现，无论是在对照组还是接种组，SOC与微生物群落组成（图6）皆存在显著相关关系（p<0.05）。

AMF接种改变微生物的群落组成、生物量及其酶活性^{［13-14，19］}，促进地上植物对土壤养分和水分的吸收效率^［12］，增加其产量^{［15，32］}，直接或间接地影响土壤的理化性状。本研究发现，相比对照，接种AMF后SOC与微生物群落组成中Glomus相对丰度的相关系数有明显增加，AN和AP质量分数与表征微生物群落组成的指标亦呈显著相关（图6b），说明接种通过改变微生物的群落组成（图3），进一步影响土壤C、N和P循环，致使其与土壤养分之间的相关关系发生改变。此外，接种前后土壤物理性质BD与微生物群落组成、速效养分AN和SOC之间相关关系的差异（图6），说明接种造成的微生物群落组成的变化亦影响土壤的物理性质，且进一步影响其与土壤养分等化学性质之间的相关关系。

4 结 论

本研究基于典型喀斯特石漠化区人工林样地的原位接种试验发现，属水平上，类球囊霉属、双型囊霉属和球囊霉属是AMF群落组成的优势属。接种后，其相对丰度变化较大且各土层不同坡位存在差异；Simpson多样性指数在0~15 cm土层各坡位、15~30 cm土层中坡、30~50 cm土层中下坡皆有增加趋势，但变化皆不显著；Chao1丰富度指数皆呈增加变化，但仅在0~15 cm土层上坡位差异显著；Pielou均匀度指数在0~15 cm土层上中坡、15~30 cm土层中坡、30~50 cm土层各坡位皆呈增加变化，差异皆不显著。接种AMF后，各土层AN和15~30 cm土层AP质量分数皆呈下降趋势；SOC质量分数在0~15、15~30 cm土层皆有所下降，而在30~50 cm土层则有所增加，但变化皆不显著。土壤水分体积分数在各土层皆呈极显著增加，稳定的土壤物理结构毛管孔隙则对接种的响应不明显，pH和交换性Ca²⁺在各土层皆呈降低趋势，但差异皆不显著。相比对照，速效养分N∶P在0~15、15~30 cm土层呈降低趋势，表明接种AMF可在一定程度缓解土壤养分P的限制。土壤特性相关性和冗余性分析表明，接种后微生物群落组成的变化直接或间接影响养分和水分等土壤理化性质。总之，AMF接种可在一定程度上改善喀斯特石漠化人工林土壤养分和水分供给状况。但本研究局限于接种后的短期效应，随着试验周期的延长，关键微生物的添加对缓解喀斯特石漠化地区土壤养分和水分供给不足对地上植被限制的作用仍需进一步验证。

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基金资助

国家自然科学基金项目(42101316)

湖南省自然科学基金项目(2022JJ40866)

湖南省教育厅优秀青年项目(20B613)

自然资源部洞庭湖流域生态保护修复工程技术创新中心开放课题项目(2023007)