土壤因子對黃土丘陵區(qū)不同利用方式土地叢植菌根真菌多樣性的影響

劉 晶， 趙 燕， 張巧明， 徐少君

(河南科技大學(xué)林學(xué)院， 河南 洛陽471023)

叢枝菌根(Arbuscularmycorrhizal,AM)真菌是土壤生態(tài)系統(tǒng)重要生物群落之一，分布極為廣泛，能與90%以上的植物建立共生關(guān)系[1]，是與植物關(guān)系最為密切的土壤微生物類群之一。AM不但可以提高植物抗逆性，保護和提高生物多樣性[2-3]，而且能夠促進土壤團聚體的形成、改善土壤結(jié)構(gòu)[4]，還能夠通過調(diào)節(jié)土壤呼吸、影響有機質(zhì)降解等途徑影響土壤的碳固存[5]。因此，AM真菌對于調(diào)節(jié)植物種間關(guān)系和群落演替，提高生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力和穩(wěn)定性，促進土壤礦質(zhì)循環(huán)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、乃至土壤碳庫變化等方面都具有特殊的生態(tài)學(xué)意義[6]。

一些特定的AM真菌與土壤物理、化學(xué)特性，如土壤結(jié)構(gòu)和土壤養(yǎng)分含量具有相關(guān)關(guān)系[7]。土壤中水穩(wěn)性大團聚體含量、平均重量直徑、幾何平均直徑與AM真菌菌絲密度呈顯著正相關(guān)[4]。貴州獼猴桃根際AM真菌孢子密度與速效磷含量表現(xiàn)為顯著正相關(guān)關(guān)系，與全氮含量和pH則表現(xiàn)為顯著負相關(guān)關(guān)系[8]。西藏高原中部山地灌叢草原、高山草原和高寒草甸的土壤有效磷與AM真菌孢子密度呈負相關(guān)[9]。山東東部蘋果種植園土壤速效磷與孢子密度呈顯著正相關(guān)，有機質(zhì)與種豐度呈顯著正相關(guān)，pH值與種豐度、孢子密度和多樣性指數(shù)呈顯著負相關(guān)[10-11]。陜北安塞等4個不同生態(tài)條件下檸條錦雞兒AM真菌孢子密度與土壤有機質(zhì)、速效P、速效K含量呈負相關(guān)[12]。毛烏素沙地豆科植物AM真菌的孢子密度與有機質(zhì)和有效N呈顯著正相關(guān)[13]。這表明不同營養(yǎng)元素和pH對AM真菌的影響隨研究區(qū)域、植被類型的不同存在較大差異。

目前，國內(nèi)學(xué)者對叢枝菌根真菌方面的研究主要集中在西北干旱區(qū)、鹽堿地、藏北高寒草地等典型區(qū)域[14-16]，對豫西黃土丘陵溝壑區(qū)不同植被覆蓋地AM真菌的分布、多樣性及其與土壤因子間的關(guān)系還缺乏足夠了解。因此，本研究對該區(qū)不同利用方式地土壤AM真菌分布特征和多樣性以及與土壤養(yǎng)分因子間的相互關(guān)系進行初步分析，為研究區(qū)評價生態(tài)恢復(fù)效果、制定科學(xué)的土壤管理措施和促進土地利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 樣地概況及土樣采集

2016年10月上旬，在豫西黃土丘陵區(qū)選取該區(qū)常見的4類利用方式地，每塊樣地約200 m2。樣地A位于新安縣曹村鄉(xiāng)，樣地B位于洛寧縣店子鄉(xiāng)，樣地C位于洛寧縣小界鄉(xiāng)，樣地D位于盧氏縣沙河鄉(xiāng)，各樣地情況見表1。

表1 樣地概況Table 1 The basic condition of different plots

在每一樣地內(nèi)按“S”形設(shè)置8至10個1 m×1 m的樣方，記錄樣方內(nèi)植物的種類及數(shù)量。每個樣方內(nèi)5點取樣，去除地表枯枝落葉層后，采集深度5～30 cm土樣約1 kg，混合裝袋貼標(biāo)簽運回實驗室。

1.2 測定方法

有機碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法，pH測定采用pHS-3B型精密酸度計測定(1:2.5土水比)，全氮采用半微量開氏法，速效氮采用堿解擴散法，全磷采用H2SO4-HCLO4浸提-鉬銻抗比色法，速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定[17]。

用濕篩傾析—蔗糖離心分離法分離AM真菌孢子。在顯微鏡(NIKON Eclipse 80i)下觀察孢子的形態(tài)特征，參照Schenck&Perez的“VA菌根真菌鑒定手冊”描述以及相應(yīng)分類單元進行屬種鑒定。

1.3 數(shù)據(jù)處理與分析

孢子密度、種豐度、相對多度、分離頻度和物種多樣性指數(shù)參照文獻公式計算[1,10,12,16,18-19]。采用Excel 2007，SPSS 18.0軟件及CANOCO軟件進行數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(least significant differences，LSD)比較不同數(shù)據(jù)組間的差異。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同利用方式地土壤養(yǎng)分含量

撂荒地有機碳、全氮和速效氮含量最高，果園地有機碳、全氮、速效氮、全磷和速效鉀含量均為最低(表2)。與果園地土壤相比較，檸條地、刺槐地、撂荒地土壤有機碳含量分別顯著提高了85.44%，65.01%和95.03%，全氮含量分別顯著提高了83.09%，72.79%和110.29%，速效氮含量分別顯著提高了67.81%，49.83%和102.68%，速效磷含量顯著降低了22.05%，29.15%和49.41%(P<0.05)。檸條地和刺槐地全磷和速效鉀含量較果園地顯著提高(P<0.05)。

表2 各樣地土壤基本理化性質(zhì)特征Table 2 The characteristics of basic physical and chemical properties of soils in different plots

注：同列不同小寫字母表示不同樣地間差異顯著(P<0.05),下同

Note：Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among different sample site at the 0.05 level,the same as below

2.2 不同利用方式地AM真菌種的分布特征

采集土樣中共檢出真菌6屬31種，其中無梗囊霉屬(Acaulospora)9種，多孢囊霉屬(Diversispora)2種，管柄囊霉屬(Funneliformis)2種，球囊霉屬(Glomus)13種，巨孢囊霉屬(Gigaspora)2種，盾巨孢囊霉屬(Scutellospora) 3種(表3)。檸條林地、刺槐林地、果園地和撂荒地分別檢出19，21，12和23種真菌。細凹無梗囊霉(A.scrobiculata)、幼套多孢囊霉(D.etunicatum)、聚叢球囊霉(G.aggregatum)、縮球囊霉(G.constrictum)、地球囊霉(G.geosporum)和摩西球囊霉(G.mosseae)6種真菌為4個樣地共有種。凹坑無梗囊霉(A.excauata)只在撂荒地檢出；易誤巨孢囊霉(G.decipiens)和美麗盾巨孢囊霉(S.fulgida)2種真菌為刺槐林地特有種；株狀巨孢囊霉(G.margarita)為果園地特有種。地球囊霉(G.geosporum)和摩西球囊霉(G.mosseae)在四種樣地中的分布頻度都在80%以上，重要值均在50%以上，這2種真菌為該區(qū)AM真菌的優(yōu)勢種。細凹無梗囊霉(A.scrobiculata)和縮球囊霉(G.constrictum)在檸條林地的重要值分別為50.9%和61.6%，在刺槐林地中的重要值分別為52.8%和57.6%，說明這兩個樣地中細凹無梗囊霉(A.scrobiculata)和縮球囊霉(G.constrictum)也為優(yōu)勢種。

表3 不同利用方式地AM真菌種的分布特征Table 3 Distribution characteristics of AM fungi species in different land use types

注：IF：分離頻度；RA：相對多度;IV:重要值. “—”表示該種真菌在樣地中未檢出。下同

Note:IF:Isolation frequency;RA:Relative abundance;IV:Importance value. — indicates that the fungus is not detected in the plot type. The same as below

2.3 不同利用方式地AM真菌屬的分布特征

不同樣地中球囊霉屬的分布頻度、相對多度和重要值均最高、無梗囊霉屬次之(表4)。與果園地相比，檸條林地和撂荒地?zé)o梗囊霉屬分離頻度、相對多度和重要值均顯著提高(P<0.05)，球囊霉屬的分離頻度、相對多度和重要值均顯著降低(P<0.05)，多孢囊霉屬的分離頻度、相對多度和重要值無顯著差異；刺槐林地球囊霉屬的相對多度和重要值顯著降低(P<0.05)，其他屬真菌特征值無顯著變化。

表4 不同利用方式地AM真菌屬的分布頻度、相對多度和重要值Table 4 Distribution frequency,relative abundance and importance value of AM fungal in different land use types

2.4 不同利用方式地AM真菌的孢子密度、種豐度和多樣性

蘋果園地土壤AM真菌的孢子密度、種豐度和多樣性指數(shù)最低，分別為116.6個·50 g-1、12.2%和0.52，撂荒地最高分別為223.2個·50 g-1、23.3%和0.80(表5)。檸條林地、刺槐林地和撂荒地土壤AM真菌的孢子密度、種豐度和多樣性指數(shù)較蘋果園地顯著提高(P<0.05)。撂荒地土壤AM真菌的孢子密度較檸條林地和刺槐林地顯著提高(P<0.05)，但這3種利用方式地AM真菌的種豐度和多樣性指數(shù)均無顯著性差異。

表5 不同利用方式地AM真菌的孢子密度、種豐度、多樣性Table 5 Spore density,species richness and variety of AM fungal in different land use types

2.5 土壤養(yǎng)分對AM物種多樣性的影響

孢子密度與土壤pH、速效磷及全磷含量顯著負相關(guān)(P<0.05,P<0.01)，與有機碳、速效氮和全氮含量顯著正相關(guān)(P<0.05,P<0.01)。種豐度與速效氮和速效鉀含量顯著正相關(guān)(P<0.05)，與速效磷含量顯著負相關(guān)(P<0.05)。多樣性指數(shù)與pH和速效磷含量顯著負相關(guān)(P<0.05,P<0.01)，與有機碳和速效氮含量顯著正相關(guān)(P<0.05)。

表6 土壤養(yǎng)分與AM物種多樣性相關(guān)性分析Table 6 Correlation analysis of the species diversity of AM fungi and soil nutrients

注：*表示顯著相關(guān)(P<0.05);** 表示極顯著相關(guān)(P<0.01)

Note:* indicates significant correlation at the 0.05 level;** indicates highly significant correlation at the 0.01 level

進一步對選取的7個土壤因子做CCA排序分析，箭頭所處的象限表示土壤養(yǎng)分因子與排序軸之間的正負相關(guān)性，箭頭連線的長度表示土壤因子與AM真菌群落組成的相關(guān)度大小。7個土壤養(yǎng)分因子對AM真菌群落組成都有一定程度的影響(圖1)。其中全氮、速效氮、有機碳和速效鉀與AM真菌多樣性呈正相關(guān)，速效磷、全磷和pH與與AM真菌多樣性呈負相關(guān)。土壤養(yǎng)分因子與AM真菌多樣性的相關(guān)性大小為速效磷>pH>速效氮>有機碳>全氮>速效鉀>全磷。

3 討論

叢枝菌根真菌是專性共生生物，只有與宿主植物形成共生體后才能完成自身的生活史，不同宿主植物的根系形態(tài)及其生理代謝不同，必然會影響AM真菌的群落組成和多樣性[20]。李登武等[19]在對黃土丘陵溝壑區(qū)由撂荒到灌叢植被恢復(fù)地土壤AM真菌的研究中，共分離出AM真菌3屬18種，本研究中檸條地和刺槐地AM真菌種數(shù)與該結(jié)果接近，但蘋果園地和撂荒地與該結(jié)果差異較大。不同樣地地表植被組成差異較大，地表植被種類少的土壤中AM真菌多樣性也較低，說明AM真菌的多樣性受到宿主植物多樣性的影響，植物種類越豐富，AM真菌物種多樣性就越高。尤其是洛寧果園地采用清耕管理并長期大量使用農(nóng)藥和化肥，地表植物和土壤中AM真菌種數(shù)均顯著低于其它樣地。檸條林地土壤中AM真菌種類較刺槐林地少，這可能是由于兩樣地的植物群落組成、鄰體植物及建植次序存在差異，植物群落組成[21 20]、鄰體植物及建植次序[22-23]、植物群落構(gòu)建歷史[24]均會影響AM真菌群落組成及多樣性。檸條林地初建，栽植密度大，生長速度快，地下根系生長旺盛，部分AM真菌可快速形成共生體，可能抑制了某些類型AM真菌的生長繁殖。本研究中還觀察到縮球囊霉和摩西球囊霉為4個樣地的共有優(yōu)勢種，果園長期大量使用農(nóng)藥和化肥，這兩種AM真菌可能有較強的耐受性，適應(yīng)了這種土壤環(huán)境。

圖1 AM群落組成與土壤養(yǎng)分的CCA排序圖Fig.1 CCA of community composition of AM fungi and soil chemistry factors.注：SOC:有機碳;TN:全氮;AN:速效氮;TP:全磷;AP:速效磷;AK:速效鉀;SD:孢子密度;SR:種豐度;H:多樣性指數(shù).Note：SOC:Organic carbon;TN:Total nitrogen;AN:Available nitrogen;TP:Total phosphorus;AP:Available phosphorus;AK:Available potassium;SD:Spore density;SR:Species richness;H:Diversity index.

土壤pH是影響AM真菌孢子形成和分布的重要生態(tài)因子。不同種屬的AM真菌都有各自適宜的pH范圍，一般中性至微酸性土壤有利于AM真菌孢子的形成和發(fā)育。對較大尺度下AM真菌分布研究表明，球囊霉屬的適應(yīng)范圍最廣，在pH 5.0～9.0的土壤中均有分布，盾巨囊霉屬在pH 6.0～7.0時分布較多，無梗囊霉屬喜偏酸性土壤，巨孢霉屬在酸性土壤中分布較少[18]。本研究中分離出的AM真菌種，球囊霉屬種最多為13種，這與其較寬的pH適應(yīng)范圍有關(guān)；但無梗囊霉屬在該區(qū)也有較多分布，尤其是細凹無梗囊霉各樣地中均有分布，其原因尚待進一步研究。土壤pH除了直接影響土壤微生物的活動之外，還會影響土壤中Fe、Cu、Zn等礦質(zhì)離子的濃度和活性，從而簡接影響AM真菌孢子形成、生長和功能[20]。相關(guān)性分析表明，土壤pH與孢子密度呈極顯著負相關(guān)關(guān)系，與AM真菌的種豐度及多樣性指數(shù)表現(xiàn)為顯著負相關(guān)關(guān)系，因此較高的pH會降低土壤AM真菌的多樣性和孢子密度。

土壤養(yǎng)分對AM真菌的分布及生長發(fā)育具有重要影響[25]。本研究中樣地土壤有機碳含量越高，則地表植被和AM真菌的種類也越多，AM真菌的孢子密度和多樣性指數(shù)越大。對于人為干擾較少的生態(tài)系統(tǒng)，植物凋落物、死根及根系分泌物是土壤有機碳的重要來源，地表植被種類越豐富，生物量越大，有利于提高土壤有機碳含量。土壤有機質(zhì)作為保存菌絲的基質(zhì)，較高的有機質(zhì)含量可以促進菌根發(fā)育和菌絲生長[25]，從而提高土壤AM真菌的的孢子密度和多樣性。土壤有效磷的含量直接影響叢枝菌根真菌的分布、產(chǎn)孢及發(fā)育，有效磷含量過高往往會抑制叢枝菌根真菌的生長發(fā)育和功能；含磷量低的土壤中菌根真菌比含磷量高的對外施肥更加敏感，增加P的投入量則減少菌根發(fā)育數(shù)量[26-27]。蘋果園地由于化肥施用量較高造成速效磷含量顯著高于其它樣地(P<0.05)，但AM真菌的多樣性和孢子密度顯著低于其它幾類樣地(P<0.05)，這一結(jié)果說明了高磷土壤環(huán)境對AM真菌的多樣性尤其是產(chǎn)孢能力具有不利影響。本研究中，速效氮與種豐度和多樣性指數(shù)顯著正相關(guān)(P<0.05)，與孢子密度極顯著正相關(guān)(P<0.01)，這與現(xiàn)有研究結(jié)果[8]有所不同，這可能與被研究區(qū)特殊的植物類群組成、AM真菌及土壤環(huán)境的差異有關(guān)。以上結(jié)果一方面說明在黃土高原貧瘠的土壤中，適當(dāng)?shù)靥岣咄寥鲤B(yǎng)分，有助于提高AM真菌的發(fā)育；同時也說明單個的養(yǎng)分因子并不是獨立地產(chǎn)生作用，而是多種養(yǎng)分因子通過協(xié)同或拮抗效應(yīng)作為一個整體綜合發(fā)揮作用，土壤養(yǎng)分對AM真菌的分布及生長發(fā)育的影響是多種養(yǎng)分因子綜合作用的結(jié)果。

本研究初步查明了豫西黃土丘陵區(qū)4種典型利用方式地土壤的AM真菌分布特征、多樣性及主要土壤養(yǎng)分因子對其影響，為該區(qū)評價生態(tài)恢復(fù)效果、制定科學(xué)的土壤管理措施提供了基礎(chǔ)支持。為更好研究AM真菌在不同生態(tài)系統(tǒng)中的作用，有必要對該區(qū)不同生境中AM真菌與宿主植物的相互選擇性、土壤養(yǎng)分及其它生態(tài)因子對AM真菌多樣性影響的交互作用進行更加系統(tǒng)的研究，以便為AM真菌在生態(tài)系統(tǒng)重建和植被恢復(fù)中發(fā)揮的作用提供更有力依據(jù)。

4 結(jié)論

研究結(jié)果表明，豫西黃土丘陵區(qū)地表植被越豐富，AM真菌物種多樣性越高；土壤pH、速效氮和速效磷含量與AM真菌孢子密度、種豐度和多樣性指數(shù)之間存在顯著相關(guān)性；土壤養(yǎng)分因子對AM真菌物種多樣性的影響順序為：土壤有機碳>pH>速效氮>速效磷>全氮>全磷>速效鉀。該結(jié)果初步揭示了該區(qū)AM真菌多樣性與植被及土壤養(yǎng)分因子之間的關(guān)系。