关于桉树单宁抑制土壤呼吸作用机制的研究

《Applied Soil Ecology》：Research on the mechanism of Eucalyptus tannins inhibiting soil respiration

土壤呼吸抑制、单宁、微生物群落结构、土壤有机碳、碳汇潜力

　　

Xinya Li|Miaoling Wang|Gairen Yang|Zhifeng Xie|Shiqi Wei|Lisha Li|Yusong Deng|Huili Wang

广西大学林业学院森林生态与保护重点实验室，中国南宁市，530004

摘要

桉树种植园的全球扩张导致大量单宁进入土壤。然而，单宁调节土壤呼吸的机制仍不甚明了。本研究通过室内培养实验探讨了这些机制，使用了两种碳浓度相同（8.1–325 mg·kg^?1）但单宁含量不同的分解液：一种来自桉树叶片的高单宁溶液（LEF，6.25–250.00 mg·kg^?1），另一种来自Dracontomelon duperreanum Pierre叶片的低单宁溶液（LDF，0.94–37.50 mg·kg^?1），并以蒸馏水作为对照组（CK）。结果表明，单宁显著抑制了土壤呼吸。高单宁的LEF处理导致土壤有机碳（SOC）显著增加，但溶解有机碳（DOC）和土壤pH值降低。单宁对β-葡萄糖苷酶（BG）活性具有两相效应（低浓度促进，高浓度抑制），并显著增强了过氧化物酶（PER）活性，而对多酚氧化酶（PO）活性没有显著影响。此外，LEF处理增加了微生物的α多样性，并显著重构了微生物群落，选择性促进了寡营养细菌（如放线菌、酸杆菌）和子囊菌的生长，同时抑制了富营养细菌（如变形菌、拟杆菌）。偏最小二乘路径建模（PLS-PM）显示，高单宁输入下土壤呼吸的抑制主要是由这些微生物群落变化驱动的。我们得出结论，单宁不仅通过改变土壤化学性质，还通过重构微生物群落来抑制土壤呼吸。本研究揭示了评估高单宁种植园碳汇潜力的关键机制。

引言

土壤呼吸作为陆地碳循环的核心过程，是大气中CO?的第二大来源（Xu和Shang，2016）。其微小变化就能显著影响大气CO?浓度，进而影响未来气候变化（Li等人，2017）。在全球气候变化的背景下，土壤呼吸对输入有机物的类型和数量更为敏感（Wang等人，2020；Yan等人，2022）。过去三十年中，全球桉树种植面积持续扩大。在主要种植桉树的国家，桉树被视为外来物种。大多数原有的桉树种植区森林原本是低单宁含量的本地物种森林，而桉树本身含有较高的单宁浓度，主要集中在其叶片和树皮中（Sartori等人，2018；Kraus等人，2004）。单宁具有复杂多样的结构，分子量通常在500到20,000 Da之间，根据水解特性主要分为两大类：可水解单宁（HT）和缩合单宁（CT）（He等人，2022；von Martius等人，2012）。在桉树采伐现场观察到的“黑水”现象（Yang等人，2019）证实，桉树重新种植后单宁进入森林土壤显著增加，这可能显著影响土壤呼吸。

单宁通过影响分解底物的质量、土壤微生物群落结构和土壤酶活性来调节土壤呼吸，这一过程涉及复杂的机制。单宁分子量较大（Serrano等人，2009），其多羟基结构（Zhang等人，2023）容易与蛋白质和其他物质形成稳定的复合物，从而显著降低有机物的分解和矿化速率（Zwetsloot等人，2020）。单宁对土壤微生物群落结构的影响取决于其浓度、类型和性质。其主要作用机制包括：与有机氮结合、抑制土壤胞外酶活性（从而限制资源可用性），以及对微生物产生直接毒性作用，且这种毒性随单宁浓度升高而增强（Fierer等人，2001；Ushio等人，2012）。总体而言，缩合单宁的抑制作用比可水解单宁更强。例如，兼性厌氧菌Streptococcus bovis可以降解可水解单宁-蛋白质复合物，但不能降解缩合单宁-蛋白质复合物（Osawa等人，1993）。此外，由于可水解单宁分子量较小，某些微生物可以将其作为碳源（Kanerva等人，2006）。相比之下，缩合单宁不易被微生物利用，这可能是其更强抗菌活性的原因之一（Singh，2002）。最近的多组学研究系统地揭示了单宁在分子和细胞响应机制多个靶点上的直接破坏作用。这些机制主要包括三个方面：1. 破坏细胞物理屏障：单宁可损伤细胞壁并改变细胞质膜的功能，直接损害其完整性，导致离子泄漏和内容物外流（Chen、Gao、Hu、Shao和Zhou，2024a；Chen、Lan和Xie，2024b；Liu等人，2020）。2. 干扰细胞内稳态和功能：除了抑制能量代谢、限制必需氨基酸和下调核糖体合成（Xu等人，2025）外，单宁还会引发强烈的内源性氧化应激（Mhlanga等人，2019），从而协同抑制微生物的生长和繁殖。第三，单宁通过线粒体等途径诱导程序性细胞死亡，主动消除群落中的敏感个体（Wang等人，2019）。这些微观响应机制与前述的资源限制效应共同决定了单宁对土壤微生物群落的复杂影响。同时，不同微生物群体在应对多重压力时表现出不同的适应策略。这种异质性进一步推动了单宁输入下土壤微生物群落向更耐压群体的转变，如K-策略者（Fontaine等人，2003）。单宁类型、结构、浓度和土壤酶类型等因素共同影响单宁对土壤酶的作用，其机制与配位位点（酚羟基）和络合特性密切相关（Triebwasser等人，2012）。高度聚合的缩合单宁对土壤酶的抑制作用比低聚合的单宁更强（Liu等人，2024）。然而也有例外：缩合单宁和可水解单宁的混合物比单独的缩合单宁更能抑制土壤酶活性（Triebwasser等人，2012），尽管其背后的机制尚不清楚。酶类型也影响单宁对它们的抑制强度。可水解单宁和缩合单宁对过氧化物酶（PER）有很强的抑制作用，而对多酚氧化酶（PO）的抑制作用不明显。脲酶活性不受单宁影响，单宁还能促进酸性磷酸酶、N-乙酰-β-D-葡萄糖胺酶、几丁质酶等的活性（Zong等人，2018；Adamczyk等人，2017a）。

桉树单宁属于混合单宁。在凋落物或收获残余物分解过程中释放的单宁组成（如可水解单宁、缩合单宁）和浓度会发生变化。然而，它们影响森林土壤呼吸的作用模式和关键机制仍不甚明了。

本研究通过分别添加来自桉树叶片和Dracontomelon duperreanum Pierre叶片的分解液进行了土壤培养实验。这些溶液含有相同量的溶解有机碳（DOC），但单宁含量不同。这种方法使我们能够分析土壤呼吸对桉树单宁的反应特征，并研究涉及土壤化学、酶活性和微生物过程的调节机制。这些发现对于科学评估低单宁森林转换为高单宁桉树种植园后森林土壤有机碳的变化及其气候效应具有重要意义。

实验土壤采集与制备

广西国有高峰林场（108°22′E，22°91′N）位于中国广西壮族自治区南宁市北部。该地区属于亚热带季风气候，年平均气温为21°C，年平均降水量为1304毫米。地形以丘陵为主，基岩为沉积岩碎屑结构。高峰林场内主要为马尾松、Cunninghamia等乔木组成的天然次生林

土壤呼吸

仅在蒸馏水条件下（CK），在整个培养期间Rs变化很小（0.12–0.33 μmol·m^?2·s^?1）。相比之下，在添加分解液的条件下，随着DOC剂量的增加，Rs也随之增加。在首次添加分解液后的第二天，LDF和LEF处理组的Rs分别是C1组的11.29倍和7.91倍（图1a，b）。C1、C2、C3、C4和C5处理组在首次添加LEF后的R值

单宁降低pH值和溶解有机碳以抑制土壤呼吸并促进碳储存

本研究显示，单宁的添加显著降低了土壤pH值，减少了DOC含量，并抑制了土壤呼吸。这些发现与Smolander等人（2011）的野外观察结果一致，他们报告称高单宁植物下的土壤通常pH值较低。虽然有机物的分解通常会释放碱金属离子（BC）并提高土壤pH值（Liang等人，2023），但单宁会抵消这一过程。由于单宁是富含酸性官能团的芳香族水溶性酚类物质（Quideau等人

结论

本研究证明，单宁通过改变土壤微生物群落结构和土壤化学性质显著抑制土壤呼吸。具体而言，单宁作为关键的选择压力，驱动土壤微生物群落从富营养群体（如变形菌、拟杆菌）向寡营养群体（如酸杆菌、放线菌）转变，同时增加了子囊菌的相对丰度。这种群落重构

CRediT作者贡献声明

Xinya Li：撰写——初稿、可视化、验证、软件使用、方法学设计、实验研究、数据分析、概念构建。Miaoling Wang：软件使用、方法学设计、实验研究、数据分析。Gairen Yang：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金筹集、数据分析、概念构建。Zhifeng Xie：方法学设计、实验研究。Shiqi Wei：验证、实验研究。Lisha Li：验证、实验研究。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本研究得到了广西科学技术重大项目（Guike AA24263020-2）的支持。