重慶酸雨區(qū)不同林型對土壤酸化和真菌群落的影響

倪秀雅,馮永霞,李如華,尚 鶴,陳 展

中國林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所,國家林業(yè)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100091

酸沉降是全球面臨的主要環(huán)境問題之一,由于酸沉降對生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響,已引起了學(xué)界和政府的廣泛關(guān)注[1—2]。我國由于人口眾多,工業(yè)快速發(fā)展,酸雨已成為一個(gè)比較嚴(yán)重的環(huán)境問題。我國政府采取了一系列措施控制SO2和NOX等酸性氣體的排放[3—4],SO2排放量在2000年代顯著下降,NOx的排放量在2012—2015年間也降低了約20%[5]。同時(shí),近年來我中國政府尤其關(guān)注控制農(nóng)業(yè)源NH3的排放[5],但不容忽視的是大氣中的NH3在中和酸性降水中起著重要的作用,能有助于減輕酸雨[6]。而大氣中NH3水平降低可能會加劇酸性降水使得陸地生態(tài)系統(tǒng)面臨酸雨污染,尤其是我國南方和西南地區(qū)的土壤緩沖能力較低對酸雨尤其敏感[7]。Liu等[5]研究發(fā)現(xiàn),如果在SO2和NOX減排15%的同時(shí),NH3減排50%的話,則會顯著加劇降水的酸化,雨水pH值在北方降低1個(gè)單位之多,而南方也將降低0.1—0.5個(gè)單位,且重酸雨面積會相應(yīng)地大幅增加。鑒于我國南部和四川盆地的降水酸度要大得多,即使pH值小幅下降也會使本已嚴(yán)峻的局勢惡化[5],因此,酸沉降在我國南方仍然是一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問題[2, 8—9]。

重慶鐵山坪是我國酸雨研究的熱點(diǎn)地區(qū)之一,自2000年以來,鐵山坪就已成為中挪合作的中國酸沉降綜合影響觀測研究項(xiàng)目的五個(gè)觀測點(diǎn)之一[19]。鐵山坪的森林主要為起源于20世紀(jì)60年代天然林皆伐后自然更新形成的馬尾松次生林,因受酸沉降危害造成森林衰退,因此,20世紀(jì)80和90年代以來,陸續(xù)在馬尾松林下及其采伐跡地、火燒跡地補(bǔ)植了闊葉樹種,或結(jié)合森林防火栽植或補(bǔ)植了防火樹種木荷,現(xiàn)已形成了馬尾松純林(PinusmassonianaLamb)、香樟林[Cinnamomumcamphora(Linn) Presl]、木荷林(SchimasuperbaGardn. et Champ)以及針闊混交林等多種森林類型鑲嵌分布的空間格局。土壤pH值是土壤微生物的一個(gè)重要驅(qū)動(dòng)因子,土壤酸化必然引起土壤微生物的響應(yīng)。土壤微生物在土壤碳氮磷等元素循環(huán)中起著至關(guān)重要的作用,與土壤健康密切相關(guān)。不同森林類型的土壤細(xì)菌群落差異可能影響土壤酸化緩沖能力。研究發(fā)現(xiàn),在重慶鐵山坪受損馬尾松林改造成香樟純林或馬尾松-香樟混交林后,其土壤中一些有利于土壤團(tuán)聚體形成的細(xì)菌以及增強(qiáng)環(huán)境脅迫抗性細(xì)菌的相對豐度較高,而產(chǎn)酸和嗜酸菌豐度較低;相比之下,馬尾松純林和種植木荷的土壤pH值較低,且產(chǎn)酸菌和嗜酸菌豐度較高[20]。土壤真菌是另一類重要的土壤微生物,相比于細(xì)菌,真菌更直接地依賴于凋落物和樹木的營養(yǎng)相互作用,許多真菌是專一性根共生體或病原體[21—22];且真菌更傾向于酸性環(huán)境[23],土壤酸化必將對土壤真菌產(chǎn)生影響。因此,了解土壤酸化背景下不同林型的土壤真菌群落結(jié)構(gòu)有助于我們更好地了解不同營林措施對酸化土壤及其森林質(zhì)量的影響,為酸雨區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)健康可持續(xù)發(fā)展提供科學(xué)依據(jù)。

本研究以重慶鐵山坪林場的馬尾松純林(Pi)、香樟純林(Ci)、木荷純林(Sc)、馬尾松-香樟混交林(Pi_Ci)以及馬尾松-木荷(Pi_Sc)混交林為研究對象,通過對土壤理化性質(zhì)、土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的分析,探討在酸雨區(qū)將馬尾松純林改造成針闊混交林或闊葉林后對土壤酸化和土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的影響,以及對森林生態(tài)系統(tǒng)功能可能存在的潛在影響。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究地點(diǎn)為重慶市鐵山坪林場(N29°38′, E106°41′),位于重慶市中心東北方向約25 km處,屬四川盆地低山丘陵區(qū),海拔變化在242—579 m,坡度變化在5—30°。該地為亞熱帶濕潤氣候,年降水量1100 mm,年均氣溫18 ℃。土壤以砂巖上發(fā)育的山地黃壤為主,厚度50—80 cm,土壤密度1.25—1.64 g/cm3,土壤酸化比較嚴(yán)重(pH值3.80—4.84)[18]。鐵山坪林場現(xiàn)有森林1200 hm2,以20世紀(jì)60年代破壞后天然更新形成的馬尾松次生林為主,馬尾松純林林齡平均為62年。香樟林為20世紀(jì)80年代初在馬尾松林采伐跡地營造的人工林,林齡約為37年。木荷林是20世紀(jì)90年代初在馬尾松林火燒跡地上營造的人工林,林齡約為29年。馬尾松-香樟混交林是20世紀(jì)80年代初在馬尾松林下通過星狀補(bǔ)植香樟形成的,平均林齡50年。馬尾松-木荷混交林是20世紀(jì)90年代初建設(shè)生物防火隔離帶時(shí),在馬尾松林下帶狀栽植木荷形成的,平均林齡45年。

1.2 研究方法

1.2.1樣地設(shè)置

2018年6月,選擇土壤、地形條件基本一致的代表性地點(diǎn),每種林型設(shè)置規(guī)格為20 m × 20 m 的典型樣地各4個(gè),共20個(gè)。

1.2.2土壤取樣及分析

2018年8月,在各個(gè)樣地內(nèi)按“S”型布設(shè)10個(gè)取樣點(diǎn),每個(gè)取樣點(diǎn)挖取一個(gè)土壤剖面,分別采集腐殖質(zhì)層(O層)和淋溶層(A層)的土壤樣品。每個(gè)樣地10個(gè)點(diǎn)的土壤分層混合,每層一個(gè)混合土壤樣品,分別表示為Pi_O(馬尾松純林O層土壤),Pi_A(馬尾松純林A層土壤),Ci_O(香樟純林O層土壤),Ci_A(香樟純林A層土壤),Sc_O(木荷純林O層土壤),Sc_A(木荷純林A層土壤),Pi_Ci_O(馬尾松-香樟混交林O層土壤),Pi_Ci_A(馬尾松-香樟混交林A層土壤),Pi_Sc_O(馬尾松-木荷混交林O層土壤),Pi_Sc_A(馬尾松-木荷混交林A層土壤)。采集的土壤分成兩部分,一部分運(yùn)輸至實(shí)驗(yàn)室,用于土壤性質(zhì)的分析;另一部分-80℃保存,用于土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的分析。

土壤性質(zhì)測定:土壤pH測定采用電位法;土壤陽離子交換量(CEC)采用草酸銨-氯化銨浸提后用半微量凱氏定氮法測定;土壤有機(jī)碳(SOC)用重鉻酸鉀容量-外加熱發(fā)測定;土壤全氮(TN)利用H2SO4-H2O2消煮后半微量定氮法測定;土壤全磷(TP)采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法分析;土壤全鉀(TK)利用NaOH熔融-火焰光度法測定;氨氮和硝氮?jiǎng)t采用0.01mol/L氯化鈣浸提后利用AA3流動(dòng)注射分析儀進(jìn)行分析測定。

DNA提取和聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)(PCR)擴(kuò)增:根據(jù)試劑盒 E.Z.N.A.? soil DNA kit (Omega Bio-tek, 諾克羅斯,喬治亞州,美國)說明書進(jìn)行微生物群落總DNA抽提,使用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA的提取質(zhì)量,使用NanoDrop2000測定DNA濃度和純度;使用ITS1F(5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′)和ITS2R(5′-GCTGCGTTCTTCATCG ATGC-3′)對ITS1基因進(jìn)行PCR擴(kuò)增,擴(kuò)增程序如下:95℃預(yù)變性3 min,37個(gè)循環(huán)(95℃變性30 s,55℃退火30 s,72℃延伸45 s),然后72℃穩(wěn)定延伸10 min,最后在4℃進(jìn)行保存(PCR儀:ABI GeneAmp?9700型)。PCR反應(yīng)體系為:5×TransStartFastPfu緩沖液4 μL,2.5 mmol/L dNTPs 2 μL,上游引物(5 μmol/L)0.8 μL,下游引物(5uM)0.8 μL,TransStartFastPfuDNA聚合酶0.4 μL,模板DNA 10 ng,ddH2O補(bǔ)足至20 μL。每個(gè)樣本3個(gè)重復(fù)。

Illumina Miseq 測序:將同一樣本的PCR產(chǎn)物混合后使用2%瓊脂糖凝膠回收PCR產(chǎn)物,利用試劑盒AxyPrep DNA Gel Extraction Kit (Axygen Biosciences, 聯(lián)合市,加利福尼亞州,美國) 進(jìn)行回收產(chǎn)物純化,經(jīng)2%瓊脂糖凝膠電泳檢測,并用QuantusTMFluorometer (Promega, 美國) 對回收產(chǎn)物進(jìn)行檢測定量。使用NEXTflexTMRapid DNA-Seq Kit(Bioo Scientific,美國)進(jìn)行建庫:(1)接頭鏈接;(2)使用磁珠篩選去除接頭自連片段;(3)利用PCR擴(kuò)增進(jìn)行文庫模板的富集;(4)磁珠回收PCR產(chǎn)物得到最終的文庫。利用Illumina公司的Miseq PE300平臺進(jìn)行測序(上海美吉生物醫(yī)藥科技有限公司)。

1.2.3數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析

(1)土壤性質(zhì)數(shù)據(jù)

本文目的之一是探討不同林型與土壤酸化間的關(guān)系,為了更直觀地表現(xiàn)不同林型之間土壤性質(zhì)的差異,將各林型不同土層的土壤合并后運(yùn)用SPSS18對土壤性質(zhì)進(jìn)行單因素方差分析(ANOVA)和Tukey′s顯著性檢驗(yàn)(HSD),檢測不同林型間土壤酸化指標(biāo)和土壤養(yǎng)分之間的顯著性水平。

(2)土壤真菌群落數(shù)據(jù)

使用fastp[24](https://github.com/OpenGene/fastp,version 0.20.0)軟件對原始測序序列進(jìn)行質(zhì)控,使用FLASH[25](http://www.cbcb.umd.edu/software/flash,version 1.2.7)軟件進(jìn)行拼接:(1)過濾測序儀單次測序所得到的堿基序列(簡稱“序列reads”)尾部質(zhì)量值20以下的堿基,設(shè)置50bp的窗口,如果窗口內(nèi)的平均質(zhì)量值低于20,從窗口開始截去后端堿基,過濾質(zhì)控后50bp以下的reads,去除含N堿基的reads;(2)根據(jù)兩條具有物理關(guān)系的一對序列(PE reads)之間的重疊(overlap)關(guān)系,將成對reads拼接(merge)成一條序列,最小overlap長度為10 bp;(3)拼接序列的overlap區(qū)允許的最大錯(cuò)配比率為0.2,篩選不符合序列;(4)根據(jù)序列首尾兩端的條碼(barcode)和引物區(qū)分樣品,并調(diào)整序列方向,barcode允許的錯(cuò)配數(shù)為0,最大引物錯(cuò)配數(shù)為2。

使用UPARSE[26]軟件(http://drive5.com/uparse/,version 7.1),根據(jù)97%[26—27]的相似度對序列進(jìn)行操作分類單元(OTU)聚類并剔除嵌合體。利用RDP分類器[28](http://rdp.cme.msu.edu/,version 2.2) 對每條序列進(jìn)行物種分類注釋,比對unite8.0/its_fungi,設(shè)置比對閾值為70%。

本研究利用美吉生物云平臺(https://cloud.majorbio.com/)完成高通量測序數(shù)據(jù)分析。利用Mothur軟件計(jì)算Alpha多樣性指數(shù)(Shannon,Sobs,Chao1,Ace),為了更直觀地表現(xiàn)不同林型之間土壤真菌群落多樣性的差異,將各林型不同土層的土壤合并后運(yùn)用SPSS18對多樣性指數(shù)進(jìn)行單因素方差分析。利用R軟件(version3.3.1)基于Bray-cutis距離算法進(jìn)行主坐標(biāo)分析(PCoA分析)區(qū)分不同林型土壤真菌群落結(jié)構(gòu)特征,結(jié)合PERMONAVA分析確定林型、土層對土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的影響。用97%相似性的樣本OTU表進(jìn)行消除趨勢對應(yīng)分析(DCA),其結(jié)果顯示土壤真菌數(shù)據(jù)適合用冗余分析(RDA分析)探討土壤性質(zhì)與土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的相互關(guān)系。為找出造成不同林型土壤真菌群落差異的主要菌群,利用SPSS18對合并土層的真菌屬水平分類單位豐度進(jìn)行單因素方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤酸化和土壤養(yǎng)分狀況

將Pi改造成Ci以及Pi_Ci后,土壤pH值顯著提高0.43個(gè)單位,而NH4∶NO3則顯著降低三倍;而改造成Sc和Pi_Sc后pH值沒有顯著變化,但Sc的NH4∶NO3與Pi相比顯著提高了約35%。Pi的改造對土壤SOC和TN含量都沒有顯著影響,但改造成Ci顯著提高了TP含量,而改造成Sc和Pi_Sc后TP、TK含量均顯著低于Pi(表1)。

表1 不同林型土壤酸化指標(biāo)及土壤養(yǎng)分Table 1 Soil acidification and nutrients in five forest types

2.2 土壤真菌群落

通過對不同林型不同土層的土壤樣本進(jìn)行高通量測序,按最小樣本序列上進(jìn)行樣本序列抽平處理后,共得到優(yōu)化序列2105668條,經(jīng)分析屬于7門、29綱、88目、216科、451屬、727種、3713OTUs。

2.2.1真菌群落多樣性

除Shannon指數(shù)外,Chao1、Sobs及Ace指數(shù)均以Ci林型最高,且Chao1指數(shù)顯著高于Pi和Pi_Sc樣本,Sobs指數(shù)顯著高于Pi_Ci和Pi_Sc,Ace指數(shù)顯著高于Pi。雖然Sc林型的Shannon指數(shù)最高,但Pi、Ci以及Pi_Ci與其沒有顯著差異(表2)。所以,總體來講,五種林型中Ci林型土壤真菌多樣性更豐富。相關(guān)性分析表明(表3),土壤pH值與Chao1和Sobs指數(shù)顯著正相關(guān);CEC與Shannon、Chao1、Sobs和Ace均呈正相關(guān);而NH4∶NO3則與Chao1和Sobs呈顯著負(fù)相關(guān);TK與Chao1指數(shù)顯著正相關(guān)。

表2 不同林型土壤真菌的alpha多樣性指數(shù)Table 2 Alpha diversity index of soil fungi in five forest types

表3 真菌多樣性指數(shù)與土壤性質(zhì)相關(guān)性分析Table 3 The correlation between soil fungal diversity and soil properties

2.2.2真菌群落組成

從圖1可以看出,在Ci和Pi_Ci兩林型O層和A層土壤樣品中的優(yōu)勢物種表現(xiàn)一致,子囊菌門(Ascomycota)相對豐度最高(平均為43.44%),其次為被孢霉門(Mortierellomycota)(18.24%),擔(dān)子菌門(Basidiomycota)和羅茲菌門(Rozellomycota)相對低一些(平均相對豐度分別為11.11%和6.06%)。而Pi、Sc及Pi_Sc的O層和A層土壤樣品中,相對豐度排在前兩位的優(yōu)勢物種比較一致,分別是子囊菌門(37.72%)和擔(dān)子菌門(22.63%)。而相對豐度排在第三位的物種在O層和A層中表現(xiàn)不同,O層中為羅茲菌門(平均22.83%),而A層中相對豐度排在第三位的則是被孢霉門(平均為8.39%)。子囊菌門在各樣本中分布比例比較均衡(25.20—63.16%);擔(dān)子菌門分布比例差別較大,Pi_A中分布比例達(dá)48.62%,而在Pi_Sc_O中分布比例只有(6.13%);被孢霉門在Ci_O中分布比例最大(32.33%),同樣在Pi_Sc_O中分布比例最少(2.99%);而Pi_Sc_O中羅茲菌門分布比例高達(dá)35.12%,而在Pi_A中分布比例只有1.61%。由此可見,不同林型的不同土層樣本之間土壤真菌群落組成存在差異。

圖1 不同林型不同土層土壤真菌門水平群落組成Fig.1 Soil fungal communities at the phylum level under different five forest typesPi_O,馬尾松純林O層土壤; Pi_A,馬尾松純林A層土壤;Ci_O,香樟純林O層土壤;Ci_A,香樟純林A層土壤;Sc_O,木荷純林O層土壤;Sc_A,木荷純林A層土壤; Pi_Ci_O,馬尾松-香樟混交林O層土壤; Pi_Ci_A,馬尾松-香樟混交林A層土壤;Pi_Sc_O,馬尾松-木荷混交林O層土壤; Pi_Sc_A,馬尾松-木荷混交林A層土壤;O層:腐殖質(zhì)層土壤;A層:淋溶層土壤

2.2.3群落結(jié)構(gòu)及其與土壤環(huán)境因子間的關(guān)系

主坐標(biāo)分析(PCoA)結(jié)果表明(圖2),PC1軸解釋了土壤真菌群落結(jié)構(gòu)變異量的21.97%,且該軸將不同林型的土壤真菌群落區(qū)分為兩個(gè)大的類群,由圖2中可以看出,Pi、Sc、Pi_Sc的土壤真菌群落分布在PC1軸的右側(cè),而Ci和Pi_Ci則分布在左側(cè)。而PC2軸解釋了土壤真菌群落結(jié)構(gòu)變異量的19.68%,且不同土層在PC2軸上區(qū)分開來,O層基本分布在PC2軸的下半部分,而A層則聚集在PC2軸的上半部分。置換多元(因素)方差分析(PERMANOVA)分析結(jié)果表明,森林類型、土層及兩者交互作用均對土壤真菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響(P=0.001);林型和土層交互作用的R2值為0.84041,林型的R2值為0.4112,土層的R2值為0.17492,說明林型對土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的影響大于土層。

圖2 不同林型不同土層土壤真菌群落PCoA分析Fig.2 Principal coordinates analysis of soil fungal communitiesPCoA分析:主坐標(biāo)分析 Principal co-ordinates analysis; PC: 主成分 Principal component

RDA分析結(jié)果(圖3)表明,土壤pH值對真菌群落影響最大(P=0.001),其次為CEC和SOC(P值分別為0.002和0.003),TN含量也顯著影響真菌群落結(jié)構(gòu)(P=0.004),而TP和TK對真菌群落結(jié)構(gòu)的影響不顯著。

圖3 不同林型不同土層土壤真菌群落與土壤性質(zhì)的RDA分析Fig.3 Redundancy analyses to reveal soil fungal communities in different forest types and correlations with edaphic propertiesRDA分析:冗余分析 Redundancy analysis; 環(huán)境因子箭頭的長短可以代表環(huán)境因子對于物種數(shù)據(jù)的影響程度的大小; NH4_NO3; 硝態(tài)氮與銨態(tài)氮的比值,即NH4∶NO3;pH:酸堿度 Potential of hydrogen;TP:土壤全磷 Total phosphorus;TN:土壤全氮 Total nitrogen;CEC:土壤陽離子交換量 Soil cation exchange capacity;SOC:土壤有機(jī)碳 Soil organic carbon

2.2.4不同林型中差異菌分析

通過分析發(fā)現(xiàn),除Pi_Ci外,其他林型都有一些特征菌(表4)。Russula、Geminibasidium、Tomentella、Sebacina屬及Russulaceae和Herpotrichiellaceae科在Pi土壤中的相對豐度顯著高于其他四個(gè)林型,且其他四個(gè)林型中這些真菌的豐度很低或未檢出。Ci土壤中的Mortierella屬相對豐度是Pi、Sc及Pi_Sc三個(gè)林型的三倍之多,且Hygrocybe屬只出現(xiàn)在Ci林型中。而Sc土壤中Cladophialophora、Sarcodon、Paecilomyces、Chloridium及Chamaeleomyces的相對豐度顯著高于其他林型。而Venturiales目和Penicillium屬在Pi、Sc及Pi_Sc中豐度都相對較高,且Pi_Sc中這兩類真菌含量顯著高于Ci和Pi_Ci,且Ci和Pi_Ci中未檢出Venturiales。

表4 不同林型之間有顯著差異的土壤真菌的相對豐度Table 4 The abundance of soil fungi showing significant difference in five forest types

表5相關(guān)性分析表明,Ci中含量豐富的Mortierella和Hygrocybe與土壤pH值、總磷含量及硝態(tài)氮含量呈顯著正相關(guān),且Mortierella與土壤NH4∶NO3呈顯著負(fù)相關(guān)。Pi中含量高的Russulaceae與土壤TN、SOC及NO3-N呈負(fù)相關(guān),而Sebacina與pH呈顯著負(fù)相關(guān)。Sc中相對豐度最高的Sarcodon、Chloridium及Chamaeleomyces均與TK呈顯著負(fù)相關(guān),后兩者與NH4-N呈顯著正相關(guān);且Sarcodon與CEC、TN、TP及TK呈顯著負(fù)相關(guān),與NH4∶NO3呈正相關(guān)。而Venturiales除了與pH無相關(guān)性、與NH4∶NO3呈正相關(guān)外,與其他所有土壤指標(biāo)呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系;且Penicillium也與大多數(shù)土壤性質(zhì)呈顯著負(fù)相關(guān),與pH、SOC、及NH4-N無相關(guān)性。

表5 不同林型差異菌與土壤性質(zhì)的相關(guān)性分析Table 5 The correlation between significantly different fungi and soil properties

3 討論

土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)中重要的分解者,其多樣性和組成在土壤健康調(diào)控中起關(guān)鍵作用[32]。而真菌是土壤微生物的重要組成部分,在營養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)過程中起著重要作用,土壤真菌是評價(jià)土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)[33]。在酸沉降區(qū)域,對受損馬尾松純林進(jìn)行闊葉林替代或林下補(bǔ)值闊葉樹種形成針闊混交林是常用的營林措施[18]。研究發(fā)現(xiàn)種植香樟,如香樟純林和馬尾松-香樟混交林,其土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)和組成優(yōu)于馬尾松純林、木荷純林以及馬尾松-木荷混交林,有利于緩解土壤酸化[18, 20]。

研究發(fā)現(xiàn),香樟純林的土壤真菌多樣性高于其他林型,這應(yīng)該與香樟純林土壤酸化沒有其他林型嚴(yán)重有關(guān);且多樣性指數(shù)與土壤酸化指標(biāo)(pH值、CEC、NH4∶NO3)顯著相關(guān),說明土壤酸化緩解后有利于土壤真菌多樣化,這與對細(xì)菌多樣性的影響一致[20]。張義杰等[34]發(fā)現(xiàn),在酸化土壤中施用生石灰后能提高土壤pH的同時(shí),也顯著增加了真菌多樣性指數(shù),這與本文研究結(jié)果一致。土壤真菌群落多樣性發(fā)生變化的同時(shí),不同林型的真菌群落結(jié)構(gòu)也發(fā)生顯著變化,而且從PCoA圖可以看出土壤O層和A層的真菌群落結(jié)構(gòu)分化明顯,Stone等[35]同樣發(fā)現(xiàn)土壤深度是影響微生物群落結(jié)構(gòu)的主要因子,這主要是由于不同深度土壤理化性質(zhì)的差異造成的[36],而這種理化性質(zhì)之間的差異主要是由于地上凋落物和細(xì)根周轉(zhuǎn)對表層土壤的影響要大于深層土壤[37]。從PCoA圖上還可以看出,不同林型的真菌聚成兩大類,香樟純林和馬尾松-香樟混交林的真菌群落結(jié)構(gòu)更相似,而馬尾松純林、木荷純林與馬尾松-木荷混交林的真菌群落結(jié)構(gòu)更接近,這與五個(gè)林型下土壤細(xì)菌群落結(jié)構(gòu)表現(xiàn)一致[20]。同樣,RDA分析結(jié)果表明,反應(yīng)土壤酸化特征的pH、CEC對真菌群落結(jié)構(gòu)的影響最顯著,真菌群落多樣性與這些指標(biāo)呈正相關(guān),表明土壤真菌群落多樣性和結(jié)構(gòu)的差異與不同林型下土壤酸化程度存在密切相關(guān)性。其次,SOC、TN兩項(xiàng)土壤性質(zhì)也同樣顯著影響真菌群落結(jié)構(gòu),這與劉立玲等[38]的研究結(jié)果是一致的,均認(rèn)為SOC、TN與真菌群落結(jié)構(gòu)的變化密切相關(guān)[39]。這是因?yàn)樘己偷钦婢臓I養(yǎng)元素,為真菌提供養(yǎng)分來源。同時(shí)土壤的碳氮水平影響著真菌分解有機(jī)物的酶的合成,從而對真菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[40]。又有研究表明,無論是松樹林、橡樹林還是草地,土壤的SOC和TN含量隨著土層變深而遞減,其垂直分布呈“倒三角”趨勢[41],這也很好地解釋了PCoA圖中顯示的土壤O層和A層的真菌群落結(jié)構(gòu)分化明顯的現(xiàn)象。

通過對不同林型土壤真菌多樣性差異的分析,發(fā)現(xiàn)在香樟純林中Mortierella和Hygrocybe這兩屬真菌明顯高于其他林型。Mortierella為溶磷菌,是參與土壤磷循環(huán)的重要微生物類群,能增加土壤中有效磷含量,對植物生長有促進(jìn)作用[42],而且也有利于其他微生物對磷的吸收利用[43]。在本研究中,Mortierella與土壤有效磷呈顯著正相關(guān)(表4),表明該菌的豐度越高土壤中的磷含量越多,這與土壤總磷含量結(jié)果也一致,從而有利于植物生長。Zhang等[44]研究證實(shí)土壤酸化顯著降低了Mortierella的相對豐度,這與本文研究結(jié)果一致,相關(guān)性分析表明該菌豐度與土壤pH呈顯著正相關(guān),土壤pH越低的土壤中該菌豐度相對較低。另外,有研究表明,Mortierella屬的很多種類參與降解植物殘?bào)w以及土壤有機(jī)污染物的降解,能有效促進(jìn)土壤碳循環(huán),保持土壤的健康狀況[45—46];且該屬真菌對土傳病菌鐮孢菌(Fusariumspp.)有一定的抑制能力[47—48]。因此,在受損馬尾松林地種植香樟后,Mortierella豐度大大提高,有利于土壤健康和植物生長。只在香樟林中出現(xiàn)的Hygrocybe的營養(yǎng)模式和功能還不甚清楚[49]。

馬尾松是典型的外生菌根樹種。本文在馬尾松純林土壤中檢測出Russulaceae、Russula、Tomentella以及Sebacina的相對豐度較高,而在其他林型中相對豐度則較低或未檢出。Russula不僅是外生菌根真菌,也是嗜酸菌[50],偏好酸性環(huán)境,同時(shí)也產(chǎn)生丁酸[51]。作為外生菌根菌Sebacina屬真菌能在逆境中提高宿主植物對土壤中營養(yǎng)元素的吸收,有利于宿主在逆境條件下存活[52]。Sebacina屬真菌也是一類嗜酸菌,出現(xiàn)在低pH值和高腐殖質(zhì)環(huán)境中[53],這與本研究結(jié)果一致,即Sebacina相對豐度與土壤pH值呈負(fù)相關(guān),與SOC呈正相關(guān)。Geminibasidium為腐生菌,在馬尾松純林中豐度較高,該林型土壤pH值也是五個(gè)林型中較低的。王楠等[54]在對毛竹闊葉林土壤真菌結(jié)構(gòu)的研究中發(fā)現(xiàn),模擬酸雨脅迫下Geminibasidium相對含量發(fā)生顯著變化,在酸度最高的酸雨處理下其相對豐度最高,由此認(rèn)為該屬真菌可以作為酸雨脅迫下土壤真菌群落結(jié)構(gòu)變化的指示物種之一。

本文研究發(fā)現(xiàn)Venturiales和Penicillium真菌在馬尾松純林、木荷純林以及馬尾松-木荷混交林土壤中相對豐度比較高。Venturiales目中許多真菌都是重要的植物病原菌[61]。而Penicillium在自然界中分布極其廣泛,促進(jìn)碳氮磷等多種元素循環(huán),是最有力的N2O產(chǎn)生菌之一[62],因此,在馬尾松、木荷及其混交林土壤中該菌含量豐富可能會促進(jìn)N2O的排放。Penicillium也是嗜酸菌和產(chǎn)酸菌,能產(chǎn)生大量有機(jī)酸[58]。在木荷純林及其與馬尾松混交林土壤中發(fā)生大量產(chǎn)酸菌,可進(jìn)一步加速土壤酸化,豐富的植物病原菌則會對森林健康產(chǎn)生威脅。

4 結(jié)論

(1)馬尾松純林改造成香樟林后可緩解土壤酸化,提高土壤養(yǎng)分;而改造成木荷林后可能進(jìn)一步加劇土壤酸化,降低土壤養(yǎng)分含量。

(2)不同林型土壤真菌群落多樣性以香樟林最為豐富,且土壤pH值、CEC和NH4∶NO3顯著影響真菌多樣性。

(3)林型和土壤厚度均對真菌群落結(jié)構(gòu)具有顯著影響,且林型影響土壤酸度進(jìn)而對真菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著影響。香樟純林中有益菌較多,而馬尾松純林以外生菌根真菌占優(yōu)勢,木荷及其與馬尾松的混交林則含有更多的植物病原真菌和產(chǎn)酸菌。