柏木人工林林窗位置對香椿細(xì)根分解及土壤真菌群落多樣性的影響

李德會(huì),李相君,吳慶貴,尹海峰,李賢偉,*

1 綿陽師范學(xué)院生態(tài)安全與保護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,綿陽 621000

2 四川農(nóng)業(yè)大學(xué)林學(xué)院,成都 611030

土壤真菌是森林生態(tài)系統(tǒng)中凋落物的主要分解者,作為植物-土壤互作效應(yīng)的媒介之一[1],在有機(jī)碳降解、N/P轉(zhuǎn)換等過程中發(fā)揮著重要作用[2—3]。真菌生態(tài)功能的實(shí)現(xiàn)取決于其群落多樣性和功能動(dòng)態(tài),這一過程既與真菌自身相關(guān),也受環(huán)境干擾的影響[1—3]。在大尺度空間背景下,土壤真菌群落主要受溫度和海拔梯度影響[4—5]；土壤理化性質(zhì)等因子決定著真菌物種生存環(huán)境,亦對群落組成和多樣性產(chǎn)生具體影響,使群落呈現(xiàn)出小空間尺度異質(zhì)性[6—8]。

細(xì)根是植物水養(yǎng)吸收的主要器官,其生命周期短,周轉(zhuǎn)速率快[9—10]。細(xì)根分解是植物與土壤進(jìn)行養(yǎng)分物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)的重要進(jìn)程[2]。在凋落物底物分解過程中真菌群落經(jīng)歷了一系列類群或種群變化[11—12],其群落結(jié)構(gòu)和多樣性在有機(jī)質(zhì)分解[13]、植物生長[1]、促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)和能量流動(dòng)等生態(tài)過程中均發(fā)揮著重要作用[3,11,14—15]。

林窗是森林群落中由于自然災(zāi)害和群落演替導(dǎo)致優(yōu)勢樹種死亡后在林冠層形成的空隙[16—17]。林窗(包括人工林窗)形成后會(huì)導(dǎo)致微地形、光環(huán)境、溫濕度、土壤養(yǎng)分和水分狀況等生態(tài)因子發(fā)生改變,其對土壤生態(tài)過程的調(diào)控機(jī)制較為復(fù)雜[18—20]。林窗內(nèi)不同位置亦對土壤真菌群落特征和功能產(chǎn)生影響[3,6]。Yang等[21]采用磷酸脂肪酸方法發(fā)現(xiàn)土壤微生物活性從林窗中心到郁閉林下逐漸增強(qiáng),相同尺度林窗內(nèi)邊緣位置微生物量在碳氮含量上顯著高于內(nèi)部[22],土壤微生物量和功能多樣性[23]、土壤真菌類群聚集和網(wǎng)絡(luò)關(guān)系也存在位置梯度效應(yīng)[6]。較多研究證實(shí)林窗形成后土壤理化性質(zhì)異質(zhì)性對土壤真菌群落產(chǎn)生影響,但對于參與細(xì)根分解的土壤真菌如何響應(yīng)林窗內(nèi)不同位置差異的研究鮮見報(bào)導(dǎo)。

本文研究區(qū)現(xiàn)存柏木(Cupressusfunebris)人工林系20世紀(jì)80年代在川中丘陵區(qū)營造的“長江防護(hù)林一期”工程,成林后缺乏管理措施,樹種單一,生態(tài)系統(tǒng)功能低下,呈現(xiàn)出退化趨勢,嚴(yán)重影響了森林綜合效益的發(fā)揮[24—25]。在我國生態(tài)文明發(fā)展的整體框架下,采用科學(xué)措施對柏木人工林開展林分結(jié)構(gòu)調(diào)控與功能提升,已成為當(dāng)下重要的科學(xué)議題。香椿(Toonasinensis),蕓香目楝科香椿屬落葉喬木,對環(huán)境條件耐受性好,兼具食用藥用價(jià)值,是柏木人工林林分結(jié)構(gòu)調(diào)整引入的主要鄉(xiāng)土樹種。本文以川中丘陵區(qū)30a生柏木人工林中2014年開設(shè)的200 m2林窗為研究對象,探討林窗內(nèi)位置異質(zhì)性對香椿細(xì)根分解2a時(shí)土壤真菌群落多樣性變化的影響,了解土壤地下生態(tài)進(jìn)程對林窗位置異質(zhì)性的響應(yīng),探索林窗式干擾對柏木人工林養(yǎng)分物質(zhì)循環(huán)的微生物影響機(jī)制,為實(shí)現(xiàn)森林質(zhì)量精準(zhǔn)提升提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況及試驗(yàn)樣地設(shè)置

研究區(qū)位于四川省德陽市旌陽區(qū)和新鎮(zhèn),地處川中丘陵區(qū)北部邊緣,屬四川盆地中亞熱帶濕潤季風(fēng)氣候區(qū),現(xiàn)存柏木人工林平均樹高6.8 m、平均胸徑8.2 cm、郁閉度>0.8,單位蓄積量不足50 m3/hm2,遠(yuǎn)低于全國平均水平(83.63 m3/hm2),屬于典型的低產(chǎn)低效林[17]。

試驗(yàn)樣地位于和新鎮(zhèn)永興村(104°25′30″—104° 25′45″E,31°04′08″—31°04′15″N),海拔510—530m,土壤類型為紫色土。2014年3月在研究區(qū)內(nèi)選擇位于山體中坡位、坡向西南向、坡度20°—25°、立地條件相同、屬同一造林批次、生長狀況及經(jīng)營管理水平基本一致的柏木林進(jìn)行林窗式疏伐改造后植入3a生香椿(供試樣地香椿現(xiàn)存狀況見表1),各林窗間隔一個(gè)樹高(6 m)以上[25]。林窗為南北向長、東西向短的近似橢圓形,兩軸相交點(diǎn)為中心,沿中心點(diǎn)向外拓展3/4區(qū)域?yàn)檫吘墔^(qū)(圖1)。林窗面積計(jì)算A=πLW/4,分別設(shè)定為200 m2(20 m×14 m)、150 m2(18 m×11 m)、100 m2(15 m×9 m)、50 m2(12 m×6 m)。為探索香椿細(xì)根分解2a時(shí)土壤真菌群落多樣性對林窗內(nèi)位置異質(zhì)性的響應(yīng),以研究區(qū)內(nèi)最大尺度林窗(200 m2)對象,設(shè)置重復(fù)樣地3個(gè),每個(gè)樣地內(nèi)設(shè)定中心位置(Gap center, GC)、邊緣位置(Gap boarder, GB)3個(gè),以未開窗的柏木郁閉林(Closed canopy, CC)為對照。

表1 200 m2林窗內(nèi)不同位置上香椿現(xiàn)狀表

圖1 柏木人工林林窗內(nèi)位置分區(qū)示意圖

1.2 野外試驗(yàn)設(shè)計(jì)及樣品采集

2016年8月,使用根鉆挖掘法獲取5a生香椿細(xì)根樣品(直徑<2 mm),洗凈后于70 °C下烘干至恒重,剪成<2 cm的小段充分混合稱取4 g,放入10×20 cm、孔徑100 μm的尼龍分解袋中并封口和標(biāo)記。11月在引入香椿的試驗(yàn)林窗內(nèi)選取中心、邊緣位置和柏木純林各3個(gè)樣點(diǎn),每個(gè)樣點(diǎn)埋設(shè)4個(gè)分解袋。通過計(jì)算單位面積土層細(xì)根分布量,于每個(gè)分解袋內(nèi)裝入原位土壤250 g與細(xì)根樣品充分混合后回埋至細(xì)根主要分布土層,觀察分解2a時(shí)林窗位置對細(xì)根降解速率及土壤真菌群落多樣性的影響。2018年11月,采集分解袋內(nèi)土壤樣品,使用50 mL無菌離心管裝取樣品后于4 ℃保存并快速帶回實(shí)驗(yàn)室(中國科學(xué)院成都生物所微生物分子與生理生態(tài)實(shí)驗(yàn)室)進(jìn)行高通量測序分析,剩余土壤樣品作理化性質(zhì)分析,并對香椿細(xì)根樣品進(jìn)行質(zhì)量損失及養(yǎng)分含量測定。

1.3 土壤理化性質(zhì)和細(xì)根養(yǎng)分含量測定

土壤溫度(ST)、土壤含水量(SWC)測定采用Thermochron iButton Device(DS1921-G, Maxim,Integrated, San Jose, CA, USA)連續(xù)記錄；采用電位法測定土壤pH值；采用重鉻酸鉀氧化容量法測定土壤有機(jī)質(zhì)、植物組織碳含量；采用凱氏定氮法測定土壤、植物組織全氮含量；采用碳酸氫鈉-鹽酸浸提——鉬銻抗比色法測定土壤速效磷；采用原子分光光度計(jì)法測定組織鈣、鎂含量(LY/T1271—1999)；木質(zhì)素、纖維素、半纖維含量測定采用“范式中性洗滌纖維法”,采用重鉻酸鉀硫酸亞鐵加熱法測定洗滌后的木質(zhì)素含量,采用重鉻酸鉀硫酸亞鐵滴定法測定纖維素含量,采用碘銅法測定半纖維含量。香椿細(xì)根干物質(zhì)殘留率計(jì)算：W=Xt/X0×100%,式中W為細(xì)根殘留率(%),Xt為分解t階段香椿細(xì)根殘留質(zhì)量(g),X0為初始干物質(zhì)量(g)。細(xì)根分解率：Dw=1-W；養(yǎng)分元素質(zhì)量殘留率：N=Nt/N0×100%=(Xt×Ct)/(X0×C0)×100%,式中N表示養(yǎng)分元素質(zhì)量殘留率(%),Nt為分解t時(shí)間養(yǎng)分元素儲量(g),N0為初始養(yǎng)分元素儲量(g),Ct為解t時(shí)間養(yǎng)分元素濃度(%),C0為初始養(yǎng)分元素濃度(%)。細(xì)根養(yǎng)分元素釋放率：DN=1-N。

1.4 土壤真菌DNA提取、擴(kuò)增、測序

采用MO BIO強(qiáng)力土壤DNA提取試劑盒(MO BIO Laboratories, Carlsbad, CA, USA)提取土壤樣本基因組；以稀釋后的基因組DNA為模板,使用帶Barcode的特異引物和高效高保真的酶(TaKaRa, Dalian)進(jìn)行PCR擴(kuò)增,使用正向引物ITS4(5′|TCCTCCGCTTATTGATATGC- 3′)和反向引物gITS7F(5′| GTGARTCATCGARTCTTTG- 3′)對真菌ITS2區(qū)段進(jìn)行PCR擴(kuò)增(擴(kuò)增體系包括：PCR MIX12.5μL,ITS4引物1 μL,gITS7引物1 μL,DNA1 μL,ddH2O9.5 μL；PCR反應(yīng)條件為94 ℃預(yù)變性5 min,34個(gè)循環(huán)：“94℃變性30 s,56 ℃退火30 s,68℃延伸45 s,72℃終延伸10 min”,兩次PCR擴(kuò)增反應(yīng)后混合；使用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測PCR產(chǎn)物,膠回收試劑盒(DNA Gel Extraction Kit)回收目的條帶,使用Nanodrop測定濃度和質(zhì)量,根據(jù)PCR回收產(chǎn)物濃度進(jìn)行等量混樣；TruSeq?DNA PCR|Free Sample Preparation Kit建庫試劑盒進(jìn)行文庫構(gòu)建并定量,文庫合格后由中科院成都生物所環(huán)境基因組高通量測序平臺使用MiSeqTM測序儀(Illumina, San Diego, CA, USA)上機(jī)測序。

1.5 生物信息數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析

Paired-end序列拼接：使用FLASh(V1.2.7, http://ccb.jhu.edu/software/FLASH/)對每個(gè)樣品reads進(jìn)行拼接獲取原始Tags數(shù)據(jù)(Raw Tags)；序列質(zhì)量控制：將拼接后原始Tags嚴(yán)格過濾處理得到高質(zhì)量的Tags數(shù)據(jù)(Clean Tags,參照QIIME V1.9.0,http://qiime.org/scripts/split_libraries_fastq.html的Tags質(zhì)量控制流程),利用Usearch軟件(v8.0,http://drive5.com/uparse/)檢測嵌合體序列,去除后得到最終的有效數(shù)據(jù)(Effective Tags)；聚類：使用QIIME對全部有效數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(cd-hit方法),默認(rèn)以97%相似性將序列聚類成為OUT(Operational Taxonomic Units),選取OTU出現(xiàn)頻數(shù)最高的代表性序列,去除只有1條序列的Singleton；利用QIIME對OTU代表序列進(jìn)行物種注釋(https//unite.uc.ee)；使用FUNGuild進(jìn)行真菌生態(tài)營養(yǎng)模式預(yù)測；使用ggplot2繪制影響因子在林窗位置間的變化情況；采用非參數(shù)多元方差分析(PERMANOVA/Adonis)、隨機(jī)置換(Randomized Permutation Test)檢驗(yàn)不同位置微環(huán)境異質(zhì)性和環(huán)境因子差異情況；利用QIIMEv1.9計(jì)算α多樣性指數(shù)：Chao1指數(shù)(Chao1)、觀測到的OTU數(shù)(Observed OTUs)、香農(nóng)指數(shù)(Shannon)、辛普森指數(shù)(Simpson),采用隨機(jī)置換檢驗(yàn)α多樣性指數(shù)在不同位置變化是否顯著；通過多元分散置換(Permutational Test of Multiyariate Dispersions, PERMDISP,999次迭代)、非參數(shù)多元方差分析(Adonis)、相似性分析(ANOSIM)、多響應(yīng)置換過程分析(Multi Response Permutation Procedure, MRPP)、主坐標(biāo)分析(PCoA)檢驗(yàn)真菌群落β多樣性差異性對林窗位置的響應(yīng)；采用非豐度加權(quán)分析(unweighted UniFrac)描述各降解階段不同位置間特有種和共有種,使用Mantel test(partial Mantel test)、冗余分析(Redundancy analysis, RDA)檢測生物和非生物因子與真菌群落組成的相關(guān)性,并計(jì)算相關(guān)性系數(shù),判斷驅(qū)動(dòng)真菌群落組成變化的關(guān)鍵因子及影響程度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林窗位置土壤理化性質(zhì)和細(xì)根養(yǎng)分含量變化

3個(gè)供試林窗位置之間存在顯著的空間異質(zhì)性(P<0.001)(圖2),土壤理化性質(zhì)在不同位置上差異顯著(P<0.05)(表2)。土壤溫度從GC到CC位置逐漸降低,土壤濕度則呈上升趨勢；受研究區(qū)成土母質(zhì)影響,不同位置土壤pH值均在8.0左右；觀察到GB位置土壤速效磷、土壤有機(jī)質(zhì)、土壤全氮含量最高,CC位置最低。

圖2 多元置換分析顯示林窗位置環(huán)境差異

表2 土壤理化性質(zhì)在林窗位置間的變化

觀察到3個(gè)位置上香椿細(xì)根分解速率各異,GB位置降解速率最高,質(zhì)量損失率為40.86%,GC和CC位置降解速率分別為27.89%和27.48%,GB位置細(xì)根降解速率顯著高于GC和CC位置(P<0.05)。細(xì)根組織中固定(儲存)的各類養(yǎng)分元素含量伴隨著降解過程的持續(xù)而改變,木質(zhì)素、纖維素、半纖維素含量逐漸降低,碳、氮以積累為主,鈣、鎂則交替進(jìn)行釋放和積累(表3)。

表3 細(xì)根養(yǎng)分含量在林窗位置間的變化

2.2 不同林窗位置土壤真菌類群構(gòu)成

3個(gè)林窗位置細(xì)根樣品中共檢測出9684條真菌物種OTUs,包括子囊菌門(Ascomycota)、擔(dān)子菌門(Basidiomycota)、壺菌門(Chytridiomycota)、接合菌門(Zygomycota)及球菌門(Glomeromycota)。在GC位置樣品中檢測出5門、19綱、62目、187屬真菌；在GB位置樣品中檢測出5門、17綱、62目、198屬真菌；在CC位置檢測出5門、18綱、59目、192屬真菌。子囊菌門和擔(dān)子菌門是3個(gè)供試位置的優(yōu)勢真菌類群(圖3),但在門水平層次不同位置間真菌物種構(gòu)成及相對豐度差異不顯著(R2=0.217,P=0.216；R2=0.039,P=0.814；R2=0.074,P=0.477)?；贔UNGuild進(jìn)行真菌群落營養(yǎng)模式預(yù)測顯示,腐生類、病原類營養(yǎng)模式在不同位置上呈現(xiàn)出明顯差異(表4),腐生類真菌相對豐度從GB到CC呈降低趨勢。在目水平上相對豐度值前11的類群中,散囊菌目(Eurotiales)、肉座菌目(Hypocreales)、糞殼菌目(Sordariales)、刺盾炱目(Chaetothyriales)及傘菌目(Agaricales)是供試位置上的優(yōu)勢類群(圖3),其相對豐度存在位置差異,Geoglossales、圓盤菌目(Orbiliales)目真菌類群相對豐度在GB和GC之間差異顯著,小囊菌目(Microascales)、Sordariales、瓶口衣目(Verrucariales)真菌在GC和CC位置間具有顯著差異(P<0.05)；Geoglossales、Orbiliales、Pleosporales目真菌相對豐度在GC和GB間有顯著差異(P<0.05)。如圖3所示,圓盤菌屬(Orbilia)、曲霉屬(Aspergillus)、枝頂孢霉屬(Acremonium)、圓孢霉屬(Staphylotrichum)、毛殼屬(Chaetomium)屬真菌相對豐度在GB和CC位置間存在差異顯著(P<0.05),青霉屬(Penicillium)、藤倉赤霉屬(Gibberella)屬相對豐度在GC和GB位置間存在顯著差異；而在GC和CC位置,觀察到Orbilia、Gibberella、Penicillium屬真菌類群有顯著的相對豐度差異。

圖3 不同林窗位置間真菌群落相對豐度組成

表4 不同位置真菌群落生態(tài)營養(yǎng)型相對豐度

非豐度加權(quán)分析(unweighted UniFrac)表明OTU水平真菌群落成員在不同林窗位置間的共有種和特有種均存在差異(圖4)。在CC林窗位置的特有種數(shù)量最高(307),在GB林窗位置的特有種數(shù)量最低(187)；3個(gè)林窗位置的共有種有855個(gè),在GC和CC位置間共有種為250個(gè),在GB和GC位置間的共有種數(shù)量最少(190)。

圖4 不同林窗位置真菌群落共有種/特有種分布

2.3 不同林窗位置真菌群落α多樣性變化及其與環(huán)境相關(guān)性

Spearman′s秩相關(guān)分析顯示出3個(gè)林窗位置的真菌群落α多樣性指數(shù)與影響因子之間的相關(guān)性(表5)。相對于植物養(yǎng)分含量,真菌群落α多樣性指數(shù)與土壤理化性質(zhì)之間具有較明顯的相關(guān)性,STN與Simpon指數(shù)呈極顯著正相關(guān)(P<0.01),SNP與Simpon指數(shù)、Shannon指數(shù)呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。表中數(shù)值代表生物和非生物因子對α多樣性指數(shù)的影響程度,其中細(xì)根組織Ca含量對多樣性指數(shù)影響程度最高。

表5 不同林窗位置真菌群落α多樣性指數(shù)與影響因子間的相關(guān)性

2.4 不同林窗位置真菌群落β多樣性變化

使用多元分散置換分析(PERMDISP)檢測發(fā)現(xiàn),真菌群落β多樣性在不同林窗位置間存在差異(圖5)。GB位置β多樣性最高、CC位置最低,意味著在GB位置的真菌群落異質(zhì)化程度最高,而在CC林窗位置的真菌群落同質(zhì)化程度較高,PCoA分析顯示GC位置的真菌群落β多樣性介于GB和CC之間(圖5)。通過PERMANOVA、ANOSIM及MRPP分析發(fā)現(xiàn)(表6),在GB和CC、GC和CC位置間真菌群落構(gòu)成均存在顯著差異差,在GB和GC位置間真菌群落組成則無顯著差異。

表6 真菌群落組成在不同林窗位置間差異性檢驗(yàn)

圖5 不同林窗位置間真菌群落β多樣性變化

通過Mantel test檢驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn)大部分細(xì)根組織養(yǎng)分含量和土壤理化性質(zhì)與真菌群落存在正相關(guān)關(guān)系(圖6),C/N、ST及SWC與真菌群落呈顯著相關(guān)(P<0.05),SNP、SOC、STN、TC與真菌群落有極顯著相關(guān)性(P<0.01)。經(jīng)partial Mantel test檢驗(yàn)分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)環(huán)境因子被單獨(dú)控制時(shí),僅有SNP、SOC、STN與真菌群落之間呈顯著相關(guān)(P<0.05,STN:P<0.01)。

圖6 環(huán)境影子對真菌群落影響(Mantel test,和偏Mantel test分析)

經(jīng)冗余分析發(fā)現(xiàn),較多環(huán)境因子對真菌群落的影響程度達(dá)到極顯著水平(P<0.01),表明經(jīng)過2a時(shí)間真菌群落對環(huán)境異質(zhì)性的適應(yīng)能力越來越強(qiáng)(圖7)。土壤pH(R2=0.143,P=0.001)、ST(R2=0.52,P=0.001)是GC位置上重要的非生物影響因子；細(xì)根組織鈣含量(R2=0.468,P=0.001)、半纖維素含量(R2=0.457,P=0.001)、木質(zhì)素含量(R2=0.086,P=0.203)分別對CC林窗位置真菌群落產(chǎn)生主要影響；在GB林窗位置,SOC(R2=0.651,P=0.001)、STN(R2=0.607,P=0.001)是該位置真菌群落的重要影響因子。

圖7 不同林窗位置環(huán)境因子變化對真菌群落的影響(冗余分析)

3 討論

3.1 不同林窗位置土壤理化性質(zhì)的變化

大量研究表明,森林中一旦形成林窗,太陽輻射直接進(jìn)入林窗內(nèi)部,顯著增加了林窗內(nèi)近地面大氣溫度和土壤溫度。本研究發(fā)現(xiàn)林窗內(nèi)中心位置土壤溫度顯著高于林窗邊緣和郁閉林下,這與大多數(shù)關(guān)于林窗位置對土壤溫度的研究結(jié)果相一致[6,23,26]。受太陽輻射、降水、蒸發(fā)等因素的影響,土壤濕度在林窗內(nèi)和郁閉林下存在明顯差異,土壤濕度亦會(huì)隨林窗尺度、位置而發(fā)生改變。有研究發(fā)現(xiàn)林窗中心土壤濕度最低,郁閉林下土壤濕度最高,這主要與郁閉林下植被生長有關(guān)[6]。受研究區(qū)海拔及成土母質(zhì)的影響,土壤pH值變化對林窗的響應(yīng)不及土壤溫濕度積極[19,27]。土壤中營養(yǎng)元素主要來自于凋落物的分解,本研究中SOC、SNP、STN含量在GC和GB林窗位置存在顯著差異,這是由于林窗形成后有效改善了林地的光照和水分條件,溫度升高可促進(jìn)土壤養(yǎng)分礦化、提高養(yǎng)分可利用性和微生物活性,從而促進(jìn)凋落物的分解,增加土壤養(yǎng)分[6,28]。

3.2 不同林窗位置香椿細(xì)根降解速率和養(yǎng)分釋放變化

細(xì)根分解是植物與土壤進(jìn)行能量流動(dòng)和物質(zhì)交換的復(fù)雜生態(tài)過程,既有物理和化學(xué)作用(如水溶性物質(zhì)的淋溶作用),也有生物因素(如土壤動(dòng)物啃食、土壤微生物降解)。細(xì)根通常遵循漸進(jìn)衰減模式,初期主要是一些水溶性物質(zhì)(如蔗糖、淀粉)的淋溶作用,從而導(dǎo)致細(xì)根質(zhì)量快速損失[29—30]；伴隨著分解時(shí)間的持續(xù),纖維素、單寧、木質(zhì)素等難溶性物質(zhì)大量存在,細(xì)根分解速率放緩,這些難分解物質(zhì)只能由土壤微生物中部分具有胞外酶特征的真菌類群所分解[31]；當(dāng)木質(zhì)素等物質(zhì)被降解后,細(xì)根組織在生長中儲存的養(yǎng)分會(huì)完全釋放到土壤中,這又是一個(gè)質(zhì)量快速損失的過程[30]。

環(huán)境條件、基質(zhì)特征和降解者降解能力是細(xì)根分解的三大主要驅(qū)動(dòng)因素。本研究發(fā)現(xiàn),在3個(gè)供試林窗位置的香椿細(xì)根降解速率存在顯著差異,GB位置細(xì)根降解速率顯著高于GC和CC位置(P<0.05)。與郁閉林下相比,林窗形成后改變了林內(nèi)水熱條件和降解者的群落結(jié)構(gòu)[20]。林窗內(nèi)不同位置間土壤理化性質(zhì)的異質(zhì)性,對土壤微生物活性[32]、種類分布[33]產(chǎn)生影響,從而影響真菌類群的生長[34—35]和競爭[36]等生命活動(dòng),最終決定著根系的降解速率和途徑[31],進(jìn)而導(dǎo)致林窗內(nèi)不同位置的細(xì)根降解速率存在顯著差異。林成芳等[37]分析認(rèn)為,細(xì)根降解主要受底物質(zhì)量、土壤溫度、水分及微生物等的影響。細(xì)根干物質(zhì)殘留率與細(xì)根中纖維素和木質(zhì)素的濃度呈正相關(guān)[18]。

3.3 不同林窗位置真菌群落結(jié)構(gòu)的變化

林窗的形成及其位置對真菌群結(jié)構(gòu)存在不同程度影響。本研究發(fā)現(xiàn)在3個(gè)供試位置的優(yōu)勢真菌類群均為Ascomycota門和Basidiomycota門,包含大量具有不同環(huán)境適應(yīng)性的物種[38—39]。Ascomycota門包括大量腐生和寄生營養(yǎng)類型真菌,在土壤中以腐生營養(yǎng)型為主[38,40]。Glomeromycota門真菌主要以叢枝菌根和內(nèi)生菌根功能與植物形成共生關(guān)系[41],從而在根系養(yǎng)分吸收[42]、植物生長等過程中起到重要作用。本研究將分解袋埋設(shè)于0—15 cm土層中,這也是香椿細(xì)根主要分布區(qū)域,在2a時(shí)間尺度下部分活細(xì)根穿透尼龍網(wǎng)袋,故而在分解袋土壤中檢測到少量球囊菌門真菌類群。真菌營養(yǎng)模式可以反映群落組成的變化,Eurotiales和Agaricales目是土壤中重要的腐生真菌類群,對植物殘?bào)w中木質(zhì)素和纖維素具有較強(qiáng)的降解能力。Chaetothyriales目真菌類群多為植物寄生菌[43],Microascales、Sordariales及Hypocreales目真菌具有腐生性和病理性兩種營養(yǎng)類型[6],其相對豐度在不同林窗位置呈現(xiàn)差異變化。Sordariales目真菌類群屬于寡營養(yǎng)策略者[44],在林窗邊緣位置上豐度較高；Microascales目是林窗中心的主要腐生性真菌類群。Penicillium、Aspergillus、Chaetomium、Dactylonectria及Staphylotrichum屬真菌是3個(gè)林窗位置的優(yōu)勢真菌類群。Penicillium屬真菌通過降解凋落物中有機(jī)質(zhì)實(shí)現(xiàn)其對纖維素的降解功能[45—46],Aspergillus屬真菌類群則通過產(chǎn)生能夠降解木質(zhì)纖維素的酶廣泛參與植物凋落物的降解過程[46—48]。Chaetomium、Dactylonectria及Staphylotrichum屬真菌在各林窗位置的豐度值也較高,Chaetomium屬真菌在纖維素降解過程中具有重要生態(tài)功能,其常出現(xiàn)在凋落物降解的早期或中期[49],而Dactylonectria屬真菌是重要的植物病原體類群[50]。

3.4 不同林窗位置的真菌群落多樣性

經(jīng)過2a的試驗(yàn)周期研究,未發(fā)現(xiàn)不同林窗位置間真菌群落α多樣性存在顯著變化趨勢。與在海拔梯度[51]、土層深度[15]等大空間尺度下的研究結(jié)論有所不同,真菌群落α多樣性對環(huán)境異質(zhì)性具有一定程度的抵抗力[52],通過這種能力阻止真菌群落中α多樣性在不同環(huán)境的損失,使群落內(nèi)物種豐富度和均勻度得以維持[8]。真菌群落α多樣性指數(shù)在不同林窗位置間無顯著差異,但土壤理化性質(zhì)和細(xì)根養(yǎng)分含量卻對真菌群落α多樣性指數(shù)存在差異性影響。由于存在太陽輻射、降水、植被類型的差異,不同林窗位置的土壤理化性質(zhì)的不同則導(dǎo)致微環(huán)境異質(zhì)性,從而對真菌群落β多樣性產(chǎn)生影響,GB林窗位置真菌群落β多樣性相對較高,CC林窗位置最低。真菌群落β多樣性大小表征群落組成的同質(zhì)化/異質(zhì)化程度,在小空間尺度下更具有應(yīng)用效果[53]。研究發(fā)現(xiàn)邊緣受到的太陽輻射強(qiáng)度介于林窗中心和郁閉林下之間,其擁有更適宜的土壤溫濕度和風(fēng)強(qiáng)度,從而對真菌群落組成結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[6]。與環(huán)境因子的相關(guān)性分析顯示,土壤物理性質(zhì)對真菌群落β多樣性的影響較大,土壤溫濕度調(diào)節(jié)地下生態(tài)系統(tǒng)中香椿細(xì)根降解、菌絲擴(kuò)展、子實(shí)體形成[54]、孢子萌發(fā)[55]和釋放[35]等過程。GB林窗位置適宜的溫濕度為真菌類群生長和繁殖提供了良好條件,從而導(dǎo)致?lián)碛凶罡叩恼婢郝洚愘|(zhì)化特征,符合邊緣效應(yīng)追蹤物種資源需要理論[56]。特有種/共有種數(shù)量可以解釋真菌群落β多樣性“量”的變化[54],GB林窗位置特有種數(shù)量最少,意味著該位置環(huán)境條件對真菌群落有著較寬幅度的生態(tài)位支持力度。GC林窗位置特有種數(shù)量最高,相對于其它林窗位置,其土壤溫度較高濕度較低,這可能會(huì)增加真菌群落的生存壓力[3],只有部分對惡劣環(huán)境具有較強(qiáng)耐受能力的真菌類群可以生存[57]。

3.5 環(huán)境因子對真菌群落多樣性的影響

真菌屬于異養(yǎng)生物[5],其生長和繁殖依靠土壤養(yǎng)分有效性,環(huán)境通過決定/選擇過程影響真菌群落的組成和結(jié)構(gòu)[53],較多研究就環(huán)境選擇對真菌群落的聚集和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述[6—8]。太陽輻射使得GC林窗位置土壤溫度較高濕度較低,由于缺乏凋落物[58]和根系分泌物輸入[59],SNP、STN、SOC等土壤養(yǎng)分含量和有效性在GC林窗位置相對較低。經(jīng)Mantel test和partial Mantel test分析顯示,pH、SWC、ST、SNP、STN等土壤理化性質(zhì)對真菌群落β多樣性影響較大。土壤pH、SWC、ST對土壤微生物群落存在重要影響[3,57,60]。Liu等[4]對中國西南地區(qū)不同海拔高度山脈真菌群落多樣性的研究發(fā)現(xiàn),土壤pH值是真菌群落在海拔高度梯度間呈高度多樣性變化的主要驅(qū)動(dòng)因子。真菌在pH5—9中均能生長,其對土壤pH值的適應(yīng)范圍較細(xì)菌廣；Shen等[61]和于天赫等[62]的研究也證實(shí)了土壤pH值對真菌群落多樣性的影響,Lauber等[63]發(fā)現(xiàn)土壤pH值越高,Ascomycota門豐度相應(yīng)越高。

Peltoniemi等[57]通過田間控制試驗(yàn)研究了模擬增溫和降低地下水位對土壤真菌群落的影響,發(fā)現(xiàn)增溫對真菌群落影響不大；而將模擬增溫調(diào)整至+8 ℃時(shí),升溫處理顯著改變了降解真菌種類的組成和結(jié)構(gòu),提高了群落多樣性[64]。GC位置土壤溫度最高而群落多樣性最低,這是由于研究中GC位置土壤增溫幅度小,而控制試驗(yàn)一般會(huì)設(shè)置較大的溫度梯度差異。SWC通常與ST協(xié)同作用,經(jīng)partial Mantel test分析發(fā)現(xiàn),當(dāng)土壤理化因子被單獨(dú)控制時(shí),SWC是真菌群落多樣性變化重要的驅(qū)動(dòng)因子,這與Zhang等[65]、Yergeau等[66]和Chu等[67]研究結(jié)果一致。盡管有研究顯示大部分真菌偏好濕潤環(huán)境[3,16,57],但適中的濕度更適合真菌群落發(fā)展[6,57],這也解釋了GB位置真菌群落β多樣性相對較高的原因。

土壤養(yǎng)分含量差異也會(huì)影響真菌群落,林窗中土壤養(yǎng)分含量變化既受季節(jié)影響,也受植被生長影響[18]。不同林窗位置間土壤養(yǎng)分循環(huán)各異,植物降解過程中碳、氮、磷、鉀等含量在不同林窗位置間存在顯著差異[32],通常GC位置由于植物養(yǎng)分輸入量和根際分泌物量較GB和CC低,導(dǎo)致GC位置土壤養(yǎng)分含量較低[59]。真菌生長依靠土壤養(yǎng)分有效性,GC位置養(yǎng)分有效性尤其是SNP較低,形成了真菌生長相對惡劣的環(huán)境條件,僅部分適應(yīng)類群可以生存,這對真菌群落來說意味著生存壓力加大[3,57],這個(gè)結(jié)論解釋了真菌群落β多樣性在不同位置間變化的原因。

4 結(jié)論

人工林窗形成后受太陽輻射和降水等因素的影響,林窗內(nèi)不同位置間微環(huán)境存在異質(zhì)性,從而使植物細(xì)根降解速率在各位置間存在差異,邊緣位置降解速率顯著高于林窗中心和郁閉林。真菌群落構(gòu)成及豐度變化因林窗位置不同而存在差異,優(yōu)勢真菌類群對細(xì)根降解過程起著重要的調(diào)控作用,林窗邊緣對真菌種類組成及優(yōu)勢類群豐度變化的影響最為突出,意味著真菌群落和環(huán)境因子之間存在密切的反饋機(jī)制。林窗位置對真菌群落α多樣性無顯著影響,但對真菌群落β多樣性存在顯著影響,土壤含水量、pH值及SNP含量在林窗位置間的異質(zhì)性對真菌物種組成和群落多樣性產(chǎn)生重要影響。林窗位置不同導(dǎo)致的土壤理化性質(zhì)的異質(zhì)性對β多樣性存在積極影響。適度考慮林窗所表現(xiàn)的生態(tài)效應(yīng),深入探究林窗式改造對真菌群落特征的作用機(jī)制,清晰認(rèn)識林窗改造與柏木人工林地下物質(zhì)循環(huán)的關(guān)系,可為柏木人工林生態(tài)服務(wù)功能提升的實(shí)踐提供理論依據(jù)。