近20年来生态修复中根际微生物的研究进展

叶振城，王 杰，刘国彬,2，张 超*

(1.西北农林科技大学 水土保持研究所，陕西 杨陵 712100；2.中国科学院 水利部水土保持研究所，陕西 杨陵 712100)

根际是指受植物根系影响的土体以及微生物定植的根组织[1]，微生物在土壤系统中起着不可替代的作用。根际微生物的群落结构和功能影响着土壤系统中的营养循环、植物生长和根系健康[2-3]。根际微生物能够为植物提供固定氮源[4]，调控土壤养分转化[5]，影响植物激素代谢[6]，进而促进植物生长或增强植物的抗逆性[7]。除此之外，根际微生物还能迅速响应环境条件的变化，并能够协同植物共同对环境进行修复[8]。因此，研究生态修复中的根际微生物具有重要意义。

微生物修复技术由于成本低、操作简单、无二次污染被认为具有广阔的应用前景[9]。与其他土壤微生物相比，根际微生物由于与土壤系统和植物之间的关系更加密切，在生态修复中发挥着核心作用。根际微生物能够对多环芳烃[10-11]、多氯联苯[12-13]、五氯酚[14]等有机污染物及重金属[15-16]和废水[17-18]起到降解作用，但有研究报道当初始污染物的浓度过高或过低时，微生物的修复效果就会大大降低[19]。单一微生物修复的应用范围通常受到限制[20]，因此植物-根际微生物联合修复体系的研究受到国内外学者的重视，有大量研究报道了根际微生物与植物对污染土壤的联合修复作用[21-23]，但相关理论和机制还有待深入研究。此外，由于有机污染物成分组成复杂，有学者提出混合菌群的协同修复，可以通过不同根际微生物的协同作用来达到高效修复的目的，但其中的协同作用机制还不是很清楚。根际微生物还具有一定的区域特异性和物种偏好性[24]，不同区域、不同植物种之间的根际微生物可能存在差异，因此不同地区的优势菌种应该是不同的，国内外这种系统综合的研究还少见报道，加之目前关于该领域国内外的研究重点还不是很清楚。

本研究总结了生态恢复中根际微生物研究的国内外趋势，并对国内不同区域(青藏高原地区，黄土高原地区，喀斯特地区)的研究概况进行综述。通过不同层次的分析概述，为根际微生物在生态修复中的研究提供一个整体性的思路。

1 材料与方法

国外文献收集以科学文献数据库web of science的核心集为数据来源，检索式为：TS=(rhizospher* microorganism* OR rhizospher* microb* OR rhizospher* fungi* OR rhizospher* bacteri*) AND TS=(ecological restoration OR ecological remediation OR vegetation restoration OR reclamation OR succession OR degrad*) NOT CU=(China)，文献类型选择Article，检索时间范围2000-2019年，共检索到文献1 707篇。

国内的文献检索基于检索式TS=(rhizospher* microorganism* OR rhizospher* microb* OR rhizospher* fungi* OR rhizospher* bacteri*) AND TS=(ecological restoration OR ecological remediation OR vegetation restoration OR reclamation OR succession OR degrad*) AND CU=(China)，其他设置相同，共检索到636篇文章。文献检索时间截止到2020年4月26日，将检索到的文献导入Citespace进行进一步分析。

Citespace是一款应用于科学文献中识别并显示科学发展新趋势和新动态的软件，由美国德雷塞尔大学教授陈超美开发。文章数据处理采用的CiteSpace版本为5.5.R2版本。导入数据时，数据来源选择WOS板块，其他参数设置保持默认选项。导入数据后，在该板块中选择时间段为2000-2019年，时间分区设置为 2 a，选取各时间分区中出现频率最高的前20个样本数据，在Pruning界面中选择Pathfinder即路径找寻选项。基于“Keywords”依次进行知识图谱分析，并生成相关共现网络图。

2 结果与分析

2.1 国内外发文数量分析

20 a来，国内外发文量变化趋势大体相似(图1)，整体上均可以分为3个发展阶段。初步发展阶段：国外2000-2002年，国内2000-2006年；缓慢增长阶段：国外2003-2016年，国内2007-2017年；快速发展阶段：国外2017-2019年，国内2018-2019年。

20世纪90年代末，分子技术引入土壤微生物研究领域[25]，国际上以土壤微生物为核心的相关研究逐步发展，但关于根际微生物的研究没有得到足够的重视，因此在初步发展阶段国外整体发文数量较少，且增长不明显。2002年，“首届国际土壤-植物相互作用”研讨会于北京召开，来自不同国家的著名学者在此次会议上探讨了根际微生态调控与应用的相关问题，为2002年以后国际上生态修复中根际微生物研究趋势的增长奠定了基础。2005年之前，国内土壤微生物的研究重点分散，优势团队难以聚集，系统集成功能薄弱，导致这段时期我国发文数量较少且几乎没有呈现增长的趋势，研究整体上落后于欧美国家。为了改变这一现状，2005年在北京召开了“土壤生物与土壤过程”研讨会，会议上讨论了土壤生物在污染生态中的功能与作用以及与植被的互作机制与生态效应，为2006年以后我国生态修复中根际微生物研究整体上的增长做了铺垫。2016年以后，高通量测序技术的普及以及测序成本的降低，使国内外的发文数量迅速增长。但国内在缓慢增长和快速发展阶段均比国外起步较晚，原因可能是国外研究很大程度上为国内学者提供了思路与参考，同时也暴露出我国该领域研究创新性不足的缺点。

2.2 国内外不同阶段研究热点分析

就国外研究状况，3个阶段的主要研究内容整体上相似，生物降解(biodegradation)、生物修复(bioremediation)、退化(degradation)、土壤(soil)、植物修复(phytoremediation)、细菌(bacteria)、植物(plant)和生长(growth)是近20 a来国外一直关注的研究热点(表1、图2)，重点研究根际微生物与植物对退化土壤的联合修复作用。除此之外，在初步发展阶段(2000-2002年)国外学者还研究了根际微生物对土壤有机化合物的矿化作用(mineralization)，该研究得到重视的原因可能与当时国际上兴起的陆地表层系统变化过程与机理研究相关[25]。2002年8月联合国地球峰会的召开聚焦环境可持续发展问题，为人类发展敲响了警钟，加之近几十年来石油污染问题频发，2003年以后关于多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon)的降解问题得到广泛重视。

表1 国外研究不同阶段主要关键词top10

退化(degradation)、生物降解(biodegradation)、植物修复(phytoremediation)和多样性(diversity)是国内一直以来的研究重点(表2，图2)。根际微生物对有机污染物的生物降解作用是国内学者主要的研究方向。2000-2006年期间，国内学者重点关注重金属(heavy metal)、有机污染物(organic pollutant)等污染土壤(contaminated soil)的相关问题，研究根际微生物对有机污染物的耗散作用(dissipation)。2007-2017年，对有机污染物的研究主要关注多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbon)和菲(phenanthrene)，这可能是由于2006年以后国际油价大幅涨高，我国加大对石油和煤炭资源的开发力度，由此引发一系列环境污染问题所导致。在快速发展阶段，国内外的研究重点都放在微生物群落(microbial community)和多样性(diversity)上，研究整个微生物群落在生态退化或修复过程中的变化，这得益于高通量测序技术的普及。

表2 国内研究不同阶段主要关键词top10

总体上看，国内外的研究重点都集中在根际微生物与植物对退化生态的联合修复效应，但国内研究相对具体，重点关注根际微生物对有机污染物的降解作用。在不同阶段国内外研究的侧重点也不同，这与国家发展遇到的问题以及该领域新技术的开发应用相关。此外，高通量测序技术的应用也使根际微生物群落结构与多样性在生态修复中的研究得到飞速发展。

2.3 我国典型生态脆弱区生态修复过程中根际微生物研究进展

青藏高原、黄土高原和西南喀斯特地区是我国典型生态脆弱区。这些地区由于脆弱的生境加上气候变化和人类活动的干扰破坏，生态系统退化问题愈加严重。但随着人们对生态修复的认识不断深入，有越来越多的学者将研究重点放在根际微生物方面。

2.3.1 全球气候变化下的根际微生物 青藏高原是受气候变暖威胁最大的地区之一[26]。在全球气候变暖的背景下，特别是青藏高原高寒生态系统，增温所导致的土壤湿度、温度、养分有效性等微小的变化都能对土壤中微生物的生长、活性造成影响[27]。马志良等[28]研究发现增温对窄叶鲜卑花灌丛非根际土壤微生物生物量影响显著，对根际土壤微生物生物量影响不显著。还有学者综述了增温对高寒灌丛土壤呼吸组分的影响，发现根际微生物呼吸对增温的响应不敏感[29]。这可能是因为根际土壤可利用碳水平较高，不足以成为根际微生物呼吸和生物量的限制条件。曹鹏熙等[30]研究了青藏高原那曲地区垫状点地梅的根际细菌多样性，发现大气温度对细菌相对丰度的影响最大。还有研究也观测到类似的现象[26]，认为温度是引起土壤微生物群落变化的主要原因之一。除温度影响外，周龙武等[31]在喀斯特地区湿地观测到根际真菌数量随着月均降雨量的增加而增加，这可能是由于降雨导致土壤含水量变化，而真菌数量又对土壤含水量更加敏感[32]，但却发现放线菌与土壤含水量关系不大。气候变化可能不会影响根际微生物的存在，但会改变其数量、多样性、群落结构和功能等特征，这些指标的变化会对地上植被的群落结构和营养过程产生不可预测的后果[33]，甚至影响生态恢复过程。

2.3.2 植被恢复过程中根际微生物特征变化 大量研究表明，随着演替的进行，植被恢复得越来越好，根际微生物数量[34]、多样性[35]、生理类群[36]、微生物生物量[37,38]、酶活性[39,40]和群落功能多样性[41]等指标均有不同程度的提高。

2.3.2.1 根际微生物数量与酶活性 土壤酶是微生物代谢分泌的活性物质[42]，土壤中微生物的数量和活性与土壤中酶活性关系密切[43]。马源等[44]观测到在高寒草甸的退化过程中，根际土壤微生物的数量与酶活性的变化趋势一致，均随退化程度的加剧呈现出降低的趋势。这可能是由于地上植被生长受到退化的影响，根系分泌物种类及数量减少，导致根际土壤微生物数量和活性降低，进而影响土壤酶活性。但邱权等[45]却在西宁南山地区观测到土壤酶活性与土壤微生物数量相关性不显著的现象，这可能是因为土壤酶活性还受到土壤微生物数量以外的诸多因素影响。根际微生物的数量也受到根系分泌物的显著影响。李海燕等[46]研究发现，在根际中微生物数量的分布也不尽相同，其测定了黄土高原辽东栎和油松根际微生物的数量，发现两者根面的微生物数量均要大于根区，出现这种现象的原因可能是由于根系分泌物浓度由内向外的梯度变化。此外，还有学者对毛乌素沙地不同林龄樟子松人工林的土壤微生物和酶活性进行了报道[47]，发现随林龄增加土壤微生物数量和酶活性总体呈上升趋势，这可能是由于随着恢复年限增长土壤肥力水平提高所导致。

2.3.2.2 根际微生物群落组成与多样性 不同区域由于自然条件、生长植被等因素影响造成根际微生物群落组成不同。G.Y.Liuetal[48]观测了黄土高原重金属污染土壤中根际微生物群落组成，结果表明放线菌(Actinobacteria)、变形杆菌(Proteobacteria)和酸杆菌(Acidobacteria)是优势细菌，担子菌(Basidiomycota)、子囊菌(Ascomycota)和接合菌(Zygomycota)是优势真菌。还有研究报道在青海固沙草根际中的优势菌群以假单胞菌和单胞菌属为主[49]。刘兴等[50]研究了贵州喀斯特地区土壤细菌群落结构，发现变形菌门(Proteobacteria)、酸杆菌门(Acidobacteria)、疣微菌门(Verrucomicrobia)和放线菌门(Actinobacteria)是主要的细菌类群，并随着演替的进行，根际土壤中的变形菌相对丰度呈现增加的趋势。即使是同一区域，相同植被在不同生境下根际微生物群落特征也存在一定差异[51]。由此可以看出根际微生物群落组成受气候与植被和土壤环境的共同影响。

还有研究进一步调查了喀斯特和非喀斯特环境中微生物的多样性，结果表明，2个地区的根际微生物多样性总体上没有显著差异[52]。赵蕾等[53]也得出了类似的结果，发现小生境类型对根际AM真菌多样性没有显著影响。还有研究报道，广西西北典型喀斯特峰丛洼地次生林根际土壤微生物多样性显著高于草丛、灌丛和原生林[54]，这可能是因为次生林中的植被数量和类型较多，从而导致植物根系分泌物种类增加，进一步影响根际微生物多样性。这些研究说明在喀斯特地区根际微生物多样性受环境因素影响较小，主要由地上植被引起差异。此外，也有研究发现根际微生物的多样性随着恢复年限发生显著变化，肖龙敏等[55]报道了宁夏枸杞根际AM真菌多样性在种植5 a时达到最高，但在种植10 a时却显著降低，这可能与土壤中速效磷和铵态氮含量的变化有关。

2.3.2.3 根际微生物之间的互作关系 根际微生物之间的关系通常使用互作网络直观地呈现出来。T.T.Yanetal[56]在喀斯特地区研究了施用不同肥料对土壤微生物互作网络的影响，并发现生物炭基肥料的添加增加了微生物相关网络的节点数和连接数，促进了土壤微生物之间的相互作用，并提高了土壤养分状况，促进了退化喀斯特景观土壤养分和植被的恢复。另外，在喀斯特地区自然植被恢复的条件下，高气候水平(高温、高降水)增加了根际AM真菌和重氮营养类群之间的相互作用，并促进了土壤养分的吸收和运输[57]。Y.L.Bietal[58]在毛乌素樟子松人工林的研究表明随着樟子松林龄的增加，细菌-细菌、细菌-真菌、真菌-真菌之间的相互作用呈现减少的趋势，这可能与土壤中养分的变化有关。另外，在黄土高原植被恢复过程中，真菌-真菌以及细菌-细菌之间的相互作用对土壤湿润过程也表现出不一样的响应特征：在不同的土壤水分含量条件下，相比于真菌，细菌之间的互作关系对土壤水分含量的变化更加敏感[59]。因此，这些研究表明，在植被恢复过程中，根际微生物之间的互作关系受到人为活动、气候、植被以及土壤变量等因素的影响。

2.3.3 根际微生物的生态修复作用

2.3.3.1 根际微生物对受污染环境的生物修复效应 黄土高原地区富含石油和煤炭资源，这些矿产资源在开发利用的过程中，受到施工状况、环境条件等诸多因素的影响极有可能对环境造成污染。据调查，陕北地区油污土壤面积超过708.16 万hm2，土壤中总石油烃(TPHs)含量为5 000～60 000 mg·kg-1[60]，对生态环境造成极大的破坏。有研究表明[61]，有效增加土壤根际微生物数量及多样性是黄土高原地区石油污染土壤修复的决定性因素。山宝琴等[62]通过盆栽试验筛选最佳植物种和菌种组合来提高石油污染土壤的修复效果，结果表明植物接种AM真菌后能明显提高对石油烃的降解率，并发现柠条(Caraganakorshinskii)—地球囊霉(Glomusgeosporum)这个组合的石油烃降解率最高。除了石油污染，矿区开采所导致的环境破坏也很严重。对此，毕银丽等[63]研究发现在采煤沉陷区接种AM真菌能够提高土壤微生物活性，改善土壤肥力状况，增强接种植物抗逆性，对矿区退化生态系统的恢复具有重要意义。还有学者研究了山西古交屯兰工矿复垦区不同植物根际微生物数量，结果表明豆科植物根际细菌和放线菌的数量要高于禾本科植物[64]，说明豆科植物对工矿复垦区有较好的生态恢复效果。植物-微生物联合修复体系对污染土壤的修复作用得到了国际学者的广泛认可，但不同根际微生物的修复效果也不同，如何快速有效地筛选高效降解菌株还有待深入研究。

2.3.3.2 根际微生物与植物种选择 根际土壤微生物指数(RSMI)能够帮助筛选植被恢复过程中最合适的树种[65]，C.Zhangetal[66]研究发现在黄土高原地区，天然草地植物种阿尔泰狗娃花(Heteropappusaltaicus)和茵陈蒿(Artemisiacapillaris)的RSMI值最大，表明天然草地物种是黄土高原植被恢复过程中的最佳选择，薛萐等[67]也得出了类似的结果。封晔等[68]研究发现在黄土高原六道沟流域刺槐(Robiniapseudoacacia)的根际细菌和AMF群落多样性均较高，可以作为六道沟流域植被恢复的先锋树种。还有研究表明，在黄土高原地区，柠条能够与AM真菌形成良好的共生关系[69]，丛枝菌根的形成为柠条适应干旱贫瘠的环境提供了有效应对方案。除了黄土高原地区，张新军等[70]从青藏高原色季拉山长鞭红景天的根际土壤中分离出芽孢杆菌(Bacillus)、假单胞菌(Pseudomona)、链霉菌(Streptermyces)等多种根际促生菌，认为这些根际促生菌的存在能够提高长鞭红景天(Rhodiolafastigiata)对恶劣自然环境的适应能力。这些研究都为生态脆弱区生态修复中植物种的选择提供了理论依据。

2.3.3.3 根际微生物对植物的促生作用 根际促生菌通过影响植物养分吸收和改善土壤理化性质直接或间接为植物生长发育提供有利条件。有研究发现从青海黄南州高寒草甸分离出来的短小芽孢杆菌(Bacilluspumilus)和苏云金芽孢杆菌(Bacillusthuringiensis)对地上植物具有促生和催芽的作用[71]，同时还能提高植物对病原菌的抗性，以适应高原环境。Y.Weietal[72]研究了喀斯特生态系统中的丛枝菌根真菌，发现AM真菌参与一系列复杂的共生作用，与植物协同进化，加强植物养分吸收，改善土壤质量以及提高植物抵抗环境胁迫的能力。还有学者研究了喀斯特地区不同植物根际AM真菌多样性，结果表明在烟管荚蒾[73]、圆叶乌桕[74]和桑树[75]根际中，均以球囊霉属(Glomus)为优势种，对植物都有较好的促生作用。王茜等[76]对比了青藏高原几种不同的AM真菌对垂穗披碱草(ElymusnutansGriseb)的促生效应，结果表明不同AM真菌对同一宿主植物的促生效应不同，其中，根内球囊霉(Glomusintraradices)和土著 AM 真菌对植物的促生效果最好。在这些研究中，对AM真菌的研究占了绝大多数，可见其在生态修复中巨大的应用前景。此外，通过根际微生物对植物的这种直接作用，可以根据植物种和环境条件选择适宜的接种微生物，达到最佳的修复效果。

巩文峰等[77]从西藏色季拉山长鞭红景天的根际土壤中筛选出一株溶磷菌株：粘着箭菌(Ensiferadhaerens)，发现此菌株具有良好的溶P、固N及低温适应的特性，对提高高原环境下的土壤有机P利用率，促进植被恢复具有较好的应用潜力。张中峰等[78]对喀斯特地区植物根际解磷菌进行了筛选并研究了解磷菌对植物的促生效应，发现筛选的假单胞菌属(Pseudomonassp.)对土壤磷素有较好的活化能力。这些根际微生物的存在通过对土壤养分的调控，间接促进地上植被的生长，有助于加速修复生态脆弱区环境。

2.3.4 不同区域之间的研究差异 不同区域的根际微生物研究各具特色。青藏高原地区由于地处高海拔地带，研究重点关注气候条件变化的影响；黄土高原地区由于储备大量石油煤炭等矿产资源，环境污染问题突出，根际微生物对污染土壤的修复作用也就成为当地的一个研究热点；喀斯特地区石漠化严重，土层浅薄，植被恢复受到土壤中有效养分含量的限制，因此研究根际促生菌对植被的促生效应是喀斯特地区的一大重点。

3 结论与讨论

国内不同区域对生态修复中根际微生物的研究侧重点不同，与此同时在相关研究中还存在以下几个问题：1)对于全球气候变化对根际微生物影响的研究相对不多，这些研究多将重点放在青藏高原地区，对于黄土高原地区和喀斯特地区相关研究相对较少，且研究重点关注根际微生物对增温的响应，其他气候变化因素影响的研究并不多见，对于根际微生物群落组成对气候变化响应的研究也还缺乏。不同区域之间全球气候变化对根际微生物影响的对比以及整个区域尺度上的全面系统研究尚有进一步的深化空间。2)针对根际微生物对生态修复的作用与响应研究，多集中在根际微生物对土壤养分的活化作用，对地上植被的促生作用以及对有机污染物的降解作用等方面，以及关于功能微生物修复作用的研究还需进一步探讨。目前这些研究都是关于根际有益微生物，对于根际有害微生物对生态恢复过程的负面影响的研究并不多见，整个根际微生物类群对生态恢复或退化过程综合影响的研究还有进一步的发展空间。3)现阶段根际微生物对生态修复影响的研究主要把重点放在与植被的相互作用上，诸如提高植物抗逆性、改善养分供给等方面。但根际微生物与土壤系统之间的互作关系的研究并不多见，作为二者存在基础的土壤，其与根际微生物的互馈机制研究还有待进一步加强。

针对以上在研究中存在的问题，本研究提出了相应的展望：在黄土高原地区和喀斯特地区发展全球气候变化对根际微生物影响的研究，青藏高原地区进一步深化研究。加强区域尺度的综合研究，开展不同生态脆弱区之间的比较研究，探讨不同气候因素对根际微生物的影响，如干旱、降水、二氧化碳浓度等方面，在整个区域尺度上形成系统的研究体系。加强整个根际微生物类群对生态恢复过程正负面影响的综合研究，重点关注根际有害微生物对生态修复过程的影响作用及机制，进一步探讨生态退化的根际微生物影响，从根际角度揭示生态环境退化问题。注重对根际微生物类群之间的共存网络调控的研究，通过调控这种互作关系来维持微生物群落的结构以及稳定性，进而更好地发挥根际微生物的功能，从互作关系调控的角度促进生态脆弱区的植被恢复。开展功能微生物生态修复机理的研究也是未来这几个区域关于根际微生物研究的重要工作之一。功能微生物参与土壤中碳循环、氮循环、硫循环等元素转化过程，对土壤养分的积累与消耗起到重要作用。而土壤养分的变化直接关系到地上植物的生长，影响生态修复过程。因此利用分子检测技术进行功能基因鉴定来深入研究功能微生物的生态修复机理将是未来工作的重点。“植物-土壤”和“植物-根际微生物”之间的互馈作用得到了广泛研究，接下来应该重点关注植物-土壤-根际微生物之间的互馈机制，并与功能微生物相结合，共同探讨根际微生物的生态修复作用及其机制。