王志波,季 蒙*,張海東,李永樂,李銀祥
(1.內(nèi)蒙古自治區(qū)林業(yè)科學(xué)研究院,呼和浩特 010010;2.興和縣蘇木山林場,烏蘭察布 013650)
凋落物是陸地生態(tài)系統(tǒng)重要組成部分,是連接土壤與植物的紐帶[1],為植物和微生物提供養(yǎng)分[2],對促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)養(yǎng)分循環(huán)和能量流動,維持土壤肥力等具有重要意義。土壤微生物是生物地球化學(xué)循環(huán)的重要參與者和調(diào)控者,在維持生態(tài)系統(tǒng)平衡、穩(wěn)定和功能等方面起關(guān)鍵作用[3]。土壤真菌作為分解者,對外界變化十分敏感[4],其組成、多樣性、群落結(jié)構(gòu)等可作為評價生態(tài)系統(tǒng)健康穩(wěn)定的重要指標(biāo)[5]。
氮沉降對土壤微生物的影響已引起全球的廣泛關(guān)注,有研究認(rèn)為,適量的氮添加可顯著增加土壤微生物生物量[6];多數(shù)研究結(jié)果表明,長期過量氮添加會給土壤微生物帶來不利影響,降低微生物數(shù)量,改變?nèi)郝浣Y(jié)構(gòu)[7-8]。添加與移除是凋落物主要管理措施,對土壤微生物的影響已開展了相關(guān)研究,主要采用磷脂脂肪酸法,結(jié)果發(fā)現(xiàn),凋落物管理明顯改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[2]。目前,有關(guān)氮添加與凋落物管理對土壤微生物的影響已經(jīng)有相關(guān)報道,但大部分試驗都是單一措施,對二者交互作用的研究相對較少。土壤微生物群落的影響因子并非單獨出現(xiàn),而是多因子共同作用,對多因子的交互作用效應(yīng)進(jìn)行研究尤為重要。
華北落葉松(Larixprincipis-rupprechtii)為松科落葉松屬的落葉針葉喬木,內(nèi)蒙古地區(qū)主要分布在陰山和燕山山地,是重要的山地造林樹種。以陰山山地華北落葉松人工林為研究對象,以氮沉降增加為背景,對凋落物進(jìn)行人為干擾,開展凋落物管理試驗。利用高通量測序技術(shù),分析短期氮環(huán)境變化和人為措施是否對土壤真菌群落組成、多樣性和功能產(chǎn)生影響,并對氮添加和凋落物管理的交互作用進(jìn)行探討,以期為加速凋落物分解,促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán),維持地力平衡等提供參考依據(jù)。
研究地點位于內(nèi)蒙古興和縣蘇木山林場,地處陰山山地東段,屬中溫帶大陸性季風(fēng)半干旱氣候區(qū),年均氣溫4.2 ℃,年均降水量397 mm,年均蒸發(fā)量2 060 mm,年均風(fēng)速3.8 m/s,年均無霜期110 d。林場現(xiàn)有林地面積2.20萬 hm2,主要喬木樹種有華北落葉松、白樺(Betulaplatyphylla)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)、油松(Pinustabuliformis)等。華北落葉松人工林面積0.68萬 hm2,林下草本植物主要有苔草(Carextristachya)、唐松草(Thalictrumaquilegifolium)、地榆(Sanguisorbaofficinalis)、委陵菜(Potentillachinensis)、羊草(Leymuschinensis)、胡枝子(Lespedezafioribunda)等。通過本底調(diào)查,試驗地地理坐標(biāo)為東經(jīng)113°47′25″、北緯40°33′42″,海拔2 100 m,坡度15°,林齡47年,平均密度567 株/hm2,平均樹高19.37 m,平均胸徑24.19 cm,林下凋落物平均厚4.5 cm。土壤為灰褐土。研究發(fā)現(xiàn),隨林齡增長,研究區(qū)華北落葉松人工林存在地力衰退趨勢。
采用兩因素隨機(jī)區(qū)組試驗設(shè)計,包括3種氮添加處理(NT)和3種凋落物管理(LM),交互后共9種措施。根據(jù)Liu等[9]研究結(jié)果,中國北方氮沉降量大約為25 kg/(hm2·a),因此,試驗按實際氮沉降量的2倍和4倍進(jìn)行添加,分別為不施氮(NN:清水)、低氮[LN:50 kg/(hm2·a)]和高氮[HN:100 kg/(hm2·a)]。分3次施入,以 NH4NO3為氮源,溶解在10 L自來水中,使用噴壺噴施,為避免濃度交叉,設(shè)置10 m的隔離帶。管理方式分別為保持原狀(RM:不處理)、堆積(TG:將腐殖質(zhì)層、半分解層和未分解層均勻混合后按2 m×2 m的距離堆積成直徑50 cm、高40 cm的圓團(tuán)狀)和攪拌(MX:翻動、攪拌,將腐殖質(zhì)層和凋落物層均勻混合后平鋪)。施氮后立即對林下現(xiàn)有凋落物進(jìn)行管理,初次噴氮后直接管理,第二次和第三次堆積管理時,根據(jù)施氮梯度將溶液等量均勻噴施在已堆積好的凋落物上,充分混勻后繼續(xù)在原位置堆積。氮添加與凋落物管理時間為2018年7月、9月和2019年5月,周期為1年,為了更好地闡述土壤真菌群落特征對不同措施響應(yīng),第三次措施在次年的5月進(jìn)行,7月土壤取樣。每種措施3個重復(fù),共布設(shè)10 m×10 m試驗樣方27塊。
土壤取樣時間為2019年7月。取樣時去除凋落物和腐殖質(zhì)層,每個樣方隨機(jī)選取5個采樣點,取樣點距樹干1.5 m以上。用土鉆取0~10 cm層土壤,用無菌鑷子挑除粗根、石塊和其他雜物,將5個點的土樣混合成一個樣品,置于無菌自封袋中,混合均勻。每個樣方的土樣分成兩部分,一部分迅速放入低溫冷藏箱中,及時帶回實驗室,置于-80 ℃冰箱中保存,用于真菌高通量測序。另一部分在室溫下風(fēng)干用于土壤化學(xué)性質(zhì)的測定,pH用pH 計測定,有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法,全氮采用凱氏定氮法,全磷采用HClO4-H2SO4消煮-鉬銻抗比色法,全鉀、速效鉀采用火焰光度法,堿解氮采用堿解擴(kuò)散法,有效磷采用鉬銻抗比色法,硝態(tài)氮采用酚二磺酸比色法,銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法。
1.4.1 真菌DNA提取和ITS測序
采用十六烷基三甲基溴化銨(cetyl trimethyl ammonium ammonium bromide,CTAB)法對基因組DNA進(jìn)行提取[10],每個樣品3次重復(fù),用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的純度和濃度,無菌水稀釋至1 ng/μL,以稀釋后的基因組DNA為模板,使用ITS1區(qū)引物ITS5-1737F(5′-GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG-3′)和ITS2-2043R(5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′)進(jìn)行PCR(聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng),Polymerase Chain Reaction)擴(kuò)增[11]。PCR 擴(kuò)增體系為30 μL,包括Phusion Master Mix(2×)15 μL,Primer(2 μmol/L)3 μL(6 μmol/L),gDNA(1 ng/μL)10 μL(5~10 ng),H2O 2 μL。擴(kuò)增條件為98 ℃預(yù)變性1 min,98 ℃ 10 s,50 ℃ 30 s,72 ℃ 30 s,30個循環(huán);再72 ℃ 5 min。根據(jù)PCR產(chǎn)物濃度進(jìn)行等量混樣,用2%的瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產(chǎn)物,針對目標(biāo)條帶進(jìn)行切膠回收。構(gòu)建文庫,經(jīng)過Qubit檢驗定量,合格后使用NovaSeq6000上機(jī)測序。測序過程由北京諾禾致源生物信息科技有限公司完成。
1.4.2 生物信息統(tǒng)計與分析
測序原始數(shù)據(jù)截去Barcode和引物序列后,使用FLASH(V1.2.7)軟件[12]進(jìn)行拼接,利用QIIME(V1.9.1)軟件[13]進(jìn)行質(zhì)量控制,通過與物種注釋數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比對去除嵌合體序列,得到1 719 800條有效序列。利用UPARSE(v7.0.1001)軟件[14]將有效序列以97%的一致性聚類成操作分類單元(operational taxonomic units,OTU),并選擇出現(xiàn)頻數(shù)最高的序列作為 OTU的代表序列。用QIIME軟件與UNIT(v7.2)數(shù)據(jù)庫[15]進(jìn)行物種注釋分析,統(tǒng)計各樣品的群落組成。
采用 Excel 2007軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和繪制柱狀圖,使用QIIME軟件計算Chao1指數(shù)、Ace指數(shù)、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù),使用R(V2.15.3)軟件繪制稀釋曲線、花瓣圖、Venn圖,并進(jìn)行典范對應(yīng)分析(canonical correspondence analysis,CCA)。采用FunGuild數(shù)據(jù)庫[16]對真菌群落的生態(tài)功能進(jìn)行歸類和預(yù)測。用SAS(V9.0)軟件進(jìn)行方差分析和多重比較(Duncan法)。
由表1所示,氮添加顯著提高土壤有效磷、速效鉀、硝態(tài)氮含量,降低有機(jī)質(zhì)含量,高氮土壤有效磷、硝態(tài)氮含量最大,分別為17.11 mg/kg和44.64 mg/kg,低氮土壤速效鉀含量最大,為359.08 mg/kg。凋落物管理顯著提高土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、有效磷、速效鉀、硝態(tài)氮含量,均攪拌最大,分別為125.81 g/kg、3.97 g/kg、17.98 mg/kg、359.08 mg/kg、31.25 mg/kg。高氮堆積pH最小,為6.04;不施氮攪拌有機(jī)質(zhì)含量最大,為125.81 g/kg;高氮攪拌有效磷、速效鉀、硝態(tài)氮含量最大,分別為18.64 mg/kg、366.32 mg/kg、62.74 mg/kg。
表1 不同措施對土壤理化性質(zhì)的影響
在97%的相似度下進(jìn)行OTU聚類,獲得5 089個OTU,高氮攪拌最多,為2 405個。利用隨機(jī)抽取的測序條數(shù)與其所代表的OTU數(shù)量構(gòu)建稀釋曲線,如圖 1 所示,隨著測得序列條數(shù)的增加,曲線趨于平坦,測序覆蓋度均大于0.99,測序數(shù)據(jù)合理,能夠真實反映土壤真菌群落組成。圖2(a)花瓣圖顯示,9種措施共有OTU數(shù)目為428個,不施氮攪拌特有OTU數(shù)目最多,低氮保持原狀最少。圖2(b)韋恩圖顯示,單獨氮添加共獲得3 286個OTU,高氮最多,單獨凋落物管理共獲得3 197個OTU,攪拌最多。
圖1 不同土壤樣品稀釋曲線
圖2 不同措施土壤真菌OTU花瓣圖與韋恩圖
門分類水平,共鑒定出已知真菌門14個,優(yōu)勢門(相對豐度≥1%)是擔(dān)子菌門(Basidiomycota)和子囊菌門(Ascomycota),其次為被孢霉門(Mortierellomycota)和毛霉門(Mucoromycota),如圖3所示。這與前人研究基本一致,如:劉雷[17]對陰山主脈大青山華北落葉松根區(qū)、鄧嬌嬌等[18]對遼東山區(qū)落葉松人工林土壤、李敏等[5]對陰山支脈烏拉山油松根圍的土壤微生物群落研究,均認(rèn)為土壤中真菌以擔(dān)子菌門、子囊菌門為主,這主要因為針葉林凋落物量大,含有較高的木質(zhì)素,為子囊菌和擔(dān)子菌的生長提供了良好條件。氮添加顯著增加土壤子囊菌門相對豐度,低氮最大,為43.81%,與He等[19]研究結(jié)果相同,短期適量的氮添加提高了土壤硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等速效氮的含量,促進(jìn)子囊菌門某些菌種的生長[20]。凋落物管理改變土壤碳輸入環(huán)境,導(dǎo)致土壤養(yǎng)分狀況發(fā)生變化,進(jìn)而改變土壤真菌群落組成,管理后子囊菌門相對豐度顯著增加,堆積最大,為71.67%。氮添加和凋落物管理限制擔(dān)子菌門真菌對木質(zhì)素的利用,進(jìn)而抑制其生長[21],相對豐度顯著降低,分別在低氮和堆積最小,為22.77%和7.68%,引起土壤真菌群落結(jié)構(gòu)朝子囊菌方向演替[22]。如表2所示,經(jīng)兩因素方差分析,交互作用顯著提高土壤真菌子囊菌門相對豐度,降低擔(dān)子菌門相對豐度,對被孢霉門和毛霉門相對豐度的影響不顯著。如圖3所示,擔(dān)子菌門相對豐度不施氮保持原狀最大,為79.37%;子囊菌門相對豐度不施氮堆積最大,為71.67%;被孢霉門和毛霉門相對豐度均高氮堆積最大,分別為12.39%和1.21%。
圖3 不同措施土壤真菌門水平相對豐度
表2 不同措施土壤真菌優(yōu)勢門相對豐度方差分析結(jié)果
屬分類水平,共鑒定出已知真菌屬448個,相對豐度≥1%有24個,相對豐度≥10%的7個屬中,乳牛肝菌屬(Suillus)相對豐度不施氮保持原狀最大,為67.59%;豬塊菌屬(Choiromyces)、糙緣腺革菌屬(Amphinema)、威氏盤菌屬(Wilcoxina)相對豐度低氮堆積最大,分別為31.27%、15.48%和20.83%;假裸囊菌屬(Pseudogymnoascus)相對豐度不施氮攪拌最大,為13.84%;馬鞍菌屬(Helvella)相對豐度不施氮堆積最大,為13.57%;被孢霉菌屬(Mortierella)高氮堆積最大,為11.28%;結(jié)果如圖4所示。鄧嬌嬌等[18]研究發(fā)現(xiàn),遼東山區(qū)落葉松人工林優(yōu)勢真菌屬為乳牛肝菌屬、蠟殼菌屬、棉革菌屬等14個屬,其中,乳牛肝菌屬是對針葉樹種具有較高侵染特異性的外生菌根真菌之一[23],這與本試驗研究結(jié)果相似,而有些菌屬本研究未發(fā)現(xiàn),說明同一植被類型不同區(qū)域土壤真菌群落組成和相對豐度存在一定差異。隨氮添加量的增加,乳牛肝菌屬相對豐度顯著降低,高氮最小,為0.17%;高氮處理顯著提高糙緣腺革菌屬相對豐度,為10.15%;凋落物管理后,乳牛肝菌屬相對豐度顯著降低,攪拌最小,為0.12%;豬塊菌屬、馬鞍菌屬和被孢霉菌屬相對豐度顯著增加,均堆積最大,分別為11.03%、13.57%和6.36%。不同措施乳牛肝菌屬的相對豐度均顯著降低,從屬水平上進(jìn)一步說明氮添加與凋落物管理抑制擔(dān)子菌門某些共生真菌的生長。研究發(fā)現(xiàn),同一真菌門的不同屬,對氮添加和凋落物管理的響應(yīng)不同,在今后研究和應(yīng)用中,針對某些特定的屬和種需要進(jìn)行深入分析。交互作用對威氏盤菌屬、馬鞍菌屬、糙緣腺革菌屬、乳牛肝菌屬相對豐度的影響極顯著,對豬塊菌屬、假裸囊菌屬、被孢霉菌屬相對豐度的影響不顯著(表3)。
表3 不同措施土壤真菌優(yōu)勢屬相對豐度方差分析結(jié)果
圖4 不同措施土壤真菌屬水平相對豐度
對9種措施的土壤真菌多樣性(Alpha多樣性)進(jìn)行分析,單因素方差分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),不同措施Chao1指數(shù)、Ace指數(shù)差異不顯著(P>0.05),Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)差異極顯著(P<0.01)。高氮攪拌措施的Chao1指數(shù)、Ace指數(shù)、Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)均最大,分別為1 600.27、1 636.56、6.75和0.97,如表4所示。氮添加顯著提高土壤真菌Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù),Chao1指數(shù)、Ace指數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)均高氮最大,分別為1 385.99、1 420.00、6.41和0.96。凋落物管理同樣顯著提高Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù),Chao1指數(shù)、Ace指數(shù)、Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)均攪拌最大,分別為1 207.26、1 244.53、5.77和0.94。交互作用對Shannon指數(shù)、Simpson指數(shù)的影響極顯著。
表4 不同措施土壤真菌Alpha多樣性指數(shù)及方差分析結(jié)果
氮添加和凋落物管理通過改變土壤理化性質(zhì),間接改變土壤真菌生存環(huán)境,進(jìn)而影響真菌群落多樣性[24]。氮添加和凋落管理均顯著增加土壤硝態(tài)氮含量,降低土壤pH,刺激嗜酸性真菌的大量生長,是導(dǎo)致Alpha多樣性升高的主要原因[3]。真菌群落對土壤 pH 適應(yīng)范圍較寬,在微酸性條件下能夠很好的生活,這與鄧嬌嬌等[25]研究結(jié)果相同。也有學(xué)者研究結(jié)果與本試驗相似,Liu等[26]認(rèn)為pH是影響西南地區(qū)土壤真菌多樣性最主要因素,呈現(xiàn)極顯著的負(fù)相關(guān)性;田艷琴等[8]認(rèn)為,施氮后土壤微生物多樣性指數(shù)升高,施氮量為40 g/(m2·a)時最大。然而,有些結(jié)論則與本結(jié)果相反,Wang等[27]、李巖等[28]認(rèn)為,氮增加顯著降低土壤真菌Chao1 指數(shù)和Shannon指數(shù),Shannon指數(shù)與pH呈正相關(guān)。由此可見,土壤真菌多樣性對土壤理化性質(zhì)的響應(yīng)并不一致,這可能是受研究區(qū)域、樹種組成以及其他土壤理化性質(zhì)等因子的影響所致,有待進(jìn)一步深入研究。
不同措施土壤真菌群落可以劃分為9個生態(tài)功能群,如圖5所示,相對豐度較高(平均相對豐度≥1%)功能群有5種。其中,共生營養(yǎng)型(symbiotroph)相對豐度不施氮保持原狀最大,為69.49%;腐生營養(yǎng)型(saprotroph)和病理營養(yǎng)型(pathotroph)相對豐度均高氮攪拌最大,分別為26.26%和9.11%;病理-腐生-共生過渡營養(yǎng)型(pathotroph-saprotroph-symbiotroph)相對豐度不施氮攪拌最大,為14.13%;病理-共生過渡營養(yǎng)型(pathotroph-symbiotroph)相對豐度不施氮堆積最高,為4.52%。由于FunGuild數(shù)據(jù)庫是新近開發(fā)的工具[29],其數(shù)據(jù)庫還有待完善,利用其分析氮添加與凋落物管理對土壤真菌群落功能影響的研究鮮有報道,受現(xiàn)有參考資料的限制,各樣品中仍有12.56%~72.74%的功能未被解析出來,還有待深入研究。本研究共生營養(yǎng)型平均相對豐度最高,通過與華北落葉松共生的方式來獲取營養(yǎng),并提高林木對養(yǎng)分的吸收能力,有利于林木生長,其次是腐生營養(yǎng)型,而在遼西北風(fēng)沙區(qū),土壤真菌主要以腐生營養(yǎng)型為主,腐生-共生營養(yǎng)型次之[25],說明不同區(qū)域和植被類型,土壤真菌群落功能具有一定差異。氮添加和凋落物管理破壞了共生營養(yǎng)型真菌的生存環(huán)境,抑制其生長,相對豐度顯著降低,這與Paungfoo-Lonhienne等[20]和聶三安等[29]研究結(jié)果相似。真菌生活史較為復(fù)雜,為了適應(yīng)環(huán)境變化會同時采用多種營養(yǎng)方式[30],因此,當(dāng)土壤理化性質(zhì)發(fā)生變化時,病理-腐生-共生過渡營養(yǎng)型、病理-共生過渡營養(yǎng)型等多種兼有型真菌相對豐度明顯提高。如表5所示,交互作用對共生營養(yǎng)型和病理-腐生-共生過渡營養(yǎng)型真菌相對豐度的影響顯著,對病理-共生過渡營養(yǎng)型真菌相對豐度的影響極顯著。
圖5 不同措施土壤真菌功能群相對豐度圖
表5 不同措施土壤真菌功能群相對豐度方差分析結(jié)果
基于屬水平進(jìn)行典范對應(yīng)分析(canonical correspondence analysis,CCA),研究土壤真菌群落與化學(xué)性質(zhì)的關(guān)系,如圖6所示,第一軸和第二軸累積解釋變異量達(dá)到58.86%,表明土壤化學(xué)性質(zhì)對真菌群落結(jié)構(gòu)有很大的影響。其中,土壤 pH(R2=0.70,P=0.000 5)和硝態(tài)氮含量(R2=0.40,P=0.004 5)為主導(dǎo)真菌群落變化的主要因子,其次為全氮(R2=0.28,P=0.033 0)、堿解氮(R2=0.26,P=0.045 0)、有效磷(R2=0.27,P=0.045 5)和速效鉀(R2=0.25,P=0.045 5)含量。其他相關(guān)研究也認(rèn)為,pH是影響針葉人工林[18]、挪威北部群島[31]、內(nèi)蒙古西部地區(qū)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的主要因子[32];土壤硝態(tài)氮和有機(jī)質(zhì)含量是影響寧南山區(qū)人工林[21]和烏拉山油松根圍[16]土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的重要因素;有機(jī)質(zhì)、速效磷含量是引起茶園土壤真菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化的關(guān)鍵因素[22]。
OM為有機(jī)質(zhì);TN為全氮;TP為全磷;TK為全鉀;AN為堿解氮;AP為有效磷;AP為速效鉀;NO3.N為硝態(tài)氮;NH4.N為銨態(tài)氮
在不改變凋落物現(xiàn)存量的基礎(chǔ)上,首次對陰山山地華北落葉松人工林進(jìn)行氮添加與凋落物管理試驗,采用高通量測序技術(shù),對表層(0~10 cm)土壤真菌群落進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論。
(1)不同措施土壤硝態(tài)氮、有效磷、速效鉀等養(yǎng)分含量顯著提高,pH降低。
(2)氮添加和凋落物管理后,子囊菌門相對豐度顯著增加,擔(dān)子菌門相對豐度顯著下降。氮添加顯著增加糙緣腺革菌屬相對豐度,凋落物管理顯著增加豬塊菌屬、馬鞍菌屬、被孢霉菌屬相對豐度。兩種處理方式均顯著提高土壤真菌Shannon指數(shù)和Simpson指數(shù)。在9個真菌功能類群中,共生營養(yǎng)型平均相對豐度最高,其次是腐生營養(yǎng)型。
(3)土壤 pH和硝態(tài)氮含量是影響土壤真菌群落的主要因子。
(4)高氮攪拌措施的土壤有效磷、速效鉀、硝態(tài)氮含量以及真菌OTU數(shù)目、Alpha多樣性指數(shù)、腐生營養(yǎng)型真菌相對豐度等均最大,子囊菌門及其優(yōu)勢屬的相對豐度也較大。因此,在營林過程中,可采用高氮攪拌措施對華北落葉松人工林林下凋落物進(jìn)行管理,對促進(jìn)凋落物分解,加快養(yǎng)分循環(huán)有重要作用。