【论文】菌丝呼吸：土壤CO2通量的关键组分

点击上方蓝字关注“公众号”

本文字数：1588字

阅读时间：5分钟

研究背景

在陆地生态系统，植物与菌根真菌共生是一种广泛存在的现象，超过80%的植物物种属于菌根植物。对植物来说，与菌根真菌合作是其生长、生活与应对环境变化的一种成功策略，比如共生真菌能够为宿主植物提供必要的氮磷等养分，抵抗干旱胁迫和病原微生物等的侵害。相应地，菌根真菌的定殖、生长与繁殖也依赖于植物供给的碳源物质。研究表明在森林与草地生态系统，通过菌根真菌消耗的地上部分光合产物可以达到30%。此外，也有报道指出菌丝贡献了土壤微生物生物量的三分之一。因此，菌根真菌在调控植物-土壤碳动态与养分循环方面扮演着十分重要的角色。

土壤呼吸是陆地生态系统第二大碳通量，主要包括微生物异养(分解土壤有机质)与植物根系自养（消耗光合产物）呼吸两个部分。截至目前，已有大量野外原位测定土壤呼吸及其两个关键组分的研究，而根外菌丝作为植物获取地下养分的关键途径，其呼吸作用（即菌丝呼吸）往往简单地与根系绑定在一起。由于菌丝和根系对环境变化的响应存在差异，比如菌丝通常对温度的变化不太敏感，而大气CO₂浓度上升或者养分沉降可能造成植物对菌根真菌与根系不同的碳分配模式。因此，量化菌丝呼吸及其对土壤呼吸和自养呼吸贡献的一般模式有助于提升对土壤碳动态预测的精确性，以及对植物养分获取策略的认识。

材料与方法

本研究通过整合当前菌丝呼吸野外原位测定的全部案例，构建了包含土壤呼吸（R_T）、异养呼吸（R_Mic）、根系呼吸（R_Root）与菌丝呼吸（R_Myc）的数据库，并计算了菌丝呼吸与土壤呼吸、根系呼吸及自养呼吸（R_Myc+ R_Root）之间的比例。采用线性混合效应模型对比分析菌丝呼吸在生态系统类型（森林vs.草地）与菌根类型（外生菌根vs.内生菌根）之间的差异，并通过回归分析研究菌丝呼吸随纬度变化的地理格局及其与土壤呼吸不同组分之间的关系。

结果&讨论

年平均菌丝呼吸的变化范围为0.04–2.33 μmol CO₂ m^-2 s^-1，不同研究间的均值为0.29 μmol CO₂ m^-2 s^-1，与森林生态系统相比，草地生态系统呈现出更高的菌丝呼吸（图1）。平均来看，菌丝呼吸占土壤呼吸的15%与自养呼吸的38%，因此菌丝呼吸是土壤CO₂排放的关键组成部分。此外，本研究发现菌丝呼吸及其比例在不同菌根类型主导的生态系统间差异并不明显。

图1 (a)菌丝呼吸野外研究方法示意；(b)土壤呼吸及其不同组分的变异；(c)土壤呼吸不同组分所占比例的变异；(d)菌丝呼吸与根系呼吸、自养呼吸之间比例的变异

图2 菌丝呼吸及其比例在外生菌根（ECM）与丛枝菌根（AM）主导的生态系统间的对比

随着根系呼吸的增加，菌丝呼吸与根系呼吸、自养呼吸之间的比例呈显著下降的趋势（图3），这表明植物向地下的碳分配在根系与菌根真菌之间存在一种权衡。此外，菌丝呼吸及其与根系呼吸、自养呼吸之间的比例和纬度表现出显著的正相关关系，而与年均温、年降水表现出显著的负相关关系（图3）。基于全球尺度的研究表明根系呼吸随纬度增加而降低，这表明低温可能会抑制植物根系活性与吸收养分的能力。因此，在相对寒冷干燥的环境下，植物可能向菌丝分配更多的碳以获取养分。

图3 菌丝呼吸与根系呼吸、自养呼吸之间的比例与根系呼吸、纬度及气候因子之间的关系

小结

菌丝呼吸是土壤呼吸与自养呼吸的关键组成部分，且与根系呼吸表现出相反的地理格局。此外，菌丝呼吸和根系呼吸与气候因子之间的关系表现出相异性，且植物地下碳分配在根系与菌根真菌之间存在着显著的权衡。因此，综合考量菌丝呼吸能够提高对陆地生态系统碳动态模拟与预测的精确性，尤其是在当前的全球变化情景下，如气候变暖、CO₂浓度上升、氮磷沉降等。

本研究于2021年10月7日以“Mycorrhizal mycelial respiration: a substantial component of soil respired CO₂”为题在线发表于Soil Biology and Biochemistry期刊上。北京大学地下生态学研究组2018级博士生韩孟光为论文第一作者，朱彪研究员为论文通讯作者。其他合作作者还包括北京大学博士后冯继广博士，博士生陈迎，博士后孙丽娟博士和硕士研究生付粱晨。本研究受到国家自然科学基金委项目（31988102和31971528）的资助。

作者简介

韩孟光，北京大学地下生态学研究组博士生，主要从事土壤碳循环，根际效应以及细根生理生态等方面的研究。近年来在Global Change Biology、Soil Biology and Biochemistry、Catena、European Journal of Soil Biology等期刊发表了多篇论文。

编辑 丨 王旭东

审核 丨 朱彪

往期精选

论文

丨更多

论文

丨更多

论文

丨更多

论文

丨更多

点击“阅读原文”获得论文全文~