亞熱帶森林根系和菌根真菌調(diào)控凋落葉分解和主場(chǎng)效應(yīng)

王振宇,萬(wàn)曉華,*,黃志群

1 福建師范大學(xué)地理科學(xué)學(xué)院, 福州 350007

2 濕潤(rùn)亞熱帶生態(tài)-地理過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福州 350007

凋落物分解是森林中一個(gè)基本的生態(tài)過程,不僅調(diào)控植被的生長(zhǎng),也深刻影響著全球陸地的凈初級(jí)生產(chǎn)力[1—2]。“主場(chǎng)效應(yīng)”(HFA),即凋落物在原生生境內(nèi)的分解速度更快,被證明是小尺度范圍內(nèi)調(diào)控凋落物分解的一個(gè)關(guān)鍵因素[3—4]。由于凋落物在分解的過程中產(chǎn)生大量的養(yǎng)分以及凋落物下層適宜的溫度和水分條件,大量根系向凋落物層生長(zhǎng)成為熱帶和亞熱帶森林的普遍現(xiàn)象[5—7]。以往關(guān)于凋落物分解的研究往往集中在氣候條件[8—9]、環(huán)境因子[10]和凋落物質(zhì)量[11]等對(duì)凋落物分解的影響,而關(guān)于根系和菌根真菌如何調(diào)控凋落物層分解以及主場(chǎng)效應(yīng)的研究還比較缺乏。

越來(lái)越多的證據(jù)表明,根系及其相關(guān)的菌根真菌可能是調(diào)控凋落物分解以及HFA效應(yīng)的重要生物因子[12—13]。比如,在溫帶森林中,叢枝菌根(AM)樹種加強(qiáng)了其生境內(nèi)凋落葉的分解,而外生菌根(ECM)樹木森林則抑制了AM樹種凋落葉的分解[14];又如在北方森林中,從96%的AM樹種組成的森林到100%的ECM樹種組成的菌根梯度,無(wú)論不同菌根樹種的占比如何,根系及其菌根真菌的存在都顯著提高了凋落物的分解速率[13]。HFA效應(yīng)的發(fā)生主要是由于不同生境的分解者以不同的功能方式降解特定凋落物類型[3]。此外,根系分泌物在不同植被之間化學(xué)性質(zhì)差異較大[15],而不同的菌根類型也會(huì)以特定的機(jī)制調(diào)節(jié)微生物群落[13,16—17]。這些因子導(dǎo)致同一生境內(nèi)植物根系和分解者之間逐漸形成了特殊而又穩(wěn)定聯(lián)系[12,18—19]。因此,預(yù)測(cè)根系和菌根的存在可能會(huì)對(duì)HFA效應(yīng)產(chǎn)生正反饋[12]。

森林中,約43%植物凈初級(jí)生產(chǎn)力被分配到地下[20],根系為共生菌根真菌和其他異養(yǎng)微生物提供光合產(chǎn)物,刺激酶的合成,加強(qiáng)有機(jī)質(zhì)的分解[21]。菌根真菌和腐生真菌是森林中控制絕大多數(shù)凋落物分解的兩個(gè)關(guān)鍵類群[22]。腐生真菌通過分泌一系列胞外酶來(lái)促進(jìn)低質(zhì)量凋落物的分解[16,23]。但在菌根真菌中,AM真菌沒有已知的腐生能力,但它們可以通過刺激其他異養(yǎng)微生物(尤其是腐生真菌)的活性來(lái)促進(jìn)凋落物的分解[24—26]。而ECM真菌,一方面本身可以通過產(chǎn)生胞外酶來(lái)加速分解[27—28]。另一方面,由于對(duì)限制性養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng),ECM真菌也可能通過抑制腐生真菌的繁殖從而減緩凋落物的分解速率[17,29—30],即“Gadgil效應(yīng)”[31]。比如最近的一項(xiàng)研究表明,由于AM樹種周圍的土壤腐生真菌豐度較高,使得AM樹種的凋落物比ECM樹種具有更快的分解速率[16]。因此預(yù)計(jì),不同菌根類型對(duì)腐生真菌的豐度的影響可能會(huì)調(diào)控凋落物的分解速率和HFA效應(yīng)。

本研究在福建三明亞熱帶地區(qū)以兩種不同菌根類型的闊葉樹種為研究對(duì)象,設(shè)置凋落物互換和去除根系兩種處理,探究不同菌根類型的根系長(zhǎng)入凋落物層如何影響凋落葉的分解以及HFA效應(yīng)。為深入理解不同菌根類型對(duì)養(yǎng)分循環(huán)過程的影響及其機(jī)制提供科學(xué)依據(jù)。假設(shè):1)楠木人工林中,根系在凋落物層生長(zhǎng)會(huì)加快凋落物分解,而格氏栲人工林中,根系在凋落物層生長(zhǎng)會(huì)減緩或?qū)Ψ纸鉀]有影響。這個(gè)假設(shè)基于“Gadgil”效應(yīng),即AM菌根通過根系分泌物刺激腐生真菌的生長(zhǎng)和酶的合成從而促進(jìn)凋落物的分解,而ECM根系與腐生真菌存在拮抗作用。2)由于不同的根系分泌物和菌根類型會(huì)以獨(dú)特方式調(diào)節(jié)土壤微生物群落,在原生生境植物根系和土壤微生物之間形成穩(wěn)定和特殊的聯(lián)系,因此,根系的存在會(huì)加強(qiáng)兩種林分的HFA效應(yīng)。

1 材料與方法

1.1 樣地設(shè)置

研究地位于福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站(26°19′N, 117°36′E)。該地區(qū)屬于亞熱帶季風(fēng)氣候,年均溫和年均降水量分別為19.1℃和1656 mm。地勢(shì)以低山丘陵為主,土壤主要為花崗巖發(fā)育的酸性紅壤。2017年8月,選取54年的楠木(Phoebezhennan,AM 樹種)和56年的格氏栲(Castanopsiskawadamii,ECM樹種)純林為研究對(duì)象,兩個(gè)林分前茬均為格氏栲天然林。楠木林的平均樹密度、平均樹高和平均胸徑分別為1076株/hm2、15.9 m和15.4 cm,格氏栲林為1010株/hm2、19.8 m和27.4 cm。兩個(gè)林分凋落葉初始化學(xué)性質(zhì)見表1。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2017年6—8月,在楠木和格氏栲林中分別設(shè)置3個(gè)20 m×20 m的大樣方,每個(gè)樣方間隔50 m。每個(gè)樣方內(nèi),用5個(gè)凋落物框(1 m × 1 m)收集新鮮且未被破壞的凋落葉,在室溫下(25 ℃)風(fēng)干15 d。采用網(wǎng)袋法(大小為20 cm × 25 cm,網(wǎng)眼大小為1.5 mm的尼龍網(wǎng)袋)進(jìn)行分解實(shí)驗(yàn),每個(gè)網(wǎng)袋兩側(cè)設(shè)置12個(gè)大小為0.25 cm2的小孔,便于土壤生物的進(jìn)出[32]。隨后每個(gè)網(wǎng)袋中放入15 g風(fēng)干凋落葉。每個(gè)大樣方內(nèi)設(shè)置2個(gè)2 m × 2 m 的小樣方,一個(gè)為有根處理:去除地表凋落物后將網(wǎng)袋直接鋪于地表,細(xì)根可以自由的長(zhǎng)入網(wǎng)袋;另一個(gè)為無(wú)根處理:在凋落物網(wǎng)袋下鋪設(shè)1 μm × 1 μm孔徑大小的尼龍網(wǎng),以隔離細(xì)根和共生菌根。以往的研究表明,1 μm孔徑可以通過養(yǎng)分,水分以及某些細(xì)菌,但可以阻擋72%的菌絲生長(zhǎng)[33—34]。每個(gè)小樣方都被平均分成兩部分,分別放置15個(gè)楠木和15個(gè)格氏栲凋落物網(wǎng)袋,并用塑料繩固定。網(wǎng)袋布設(shè)完成后,于第30、90、180、360、540 d和720 d進(jìn)行6次取樣,并保存于4℃小型冰箱。在360 d時(shí),取樣后網(wǎng)袋中一部分樣品放入冰盒中,立即送往實(shí)驗(yàn)室提取DNA。本次實(shí)驗(yàn)總計(jì)取樣360袋。

1.3 測(cè)定項(xiàng)目與方法

將每次收集的網(wǎng)袋帶回實(shí)驗(yàn)室后,殘余的凋落物在65℃下烘干至恒重。碳氮含量用元素分析儀測(cè)定(Elemental EL MAX CNS analyser)。用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定(Skalar San++,荷蘭)總磷含量。用酸解法測(cè)定木質(zhì)素含量[35]。凋落葉酶活性測(cè)定參照Saiya-Cork的方法[36],用微孔板酶檢測(cè)技術(shù)測(cè)定。本研究測(cè)定與碳(包括纖維素水解酶;β-葡萄糖苷酶;多酚氧化酶;過氧化物酶)、氮(乙酰氨基葡萄糖苷酶)、磷(酸性磷酸酶)獲取有關(guān)的6種酶活性。為了對(duì)比不同處理之間酶活性的差異,將原始單位(μmol g-1h-1)轉(zhuǎn)化為以天為單位(mol/g),得到凋落葉整個(gè)分解過程中累積的碳、氮、磷降解酶活性[37],分別用EC、EN、EP表示。

用內(nèi)轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(ITS)測(cè)序的方法鑒定微生物的群落組成。DNA的提取采用ZR Microbe DNA MiniPrep kit試劑盒(Zymo 公司,美國(guó))。反應(yīng)體系和擴(kuò)增條件的設(shè)置、后續(xù)OTU數(shù)據(jù)的處理參照Fang等[16]的方法。叢枝菌根真菌、外生菌根真菌和腐生真菌的鑒定依據(jù)Tedersoo等[38]提供的方法。將操作性分類單元(OTU)表歸一化到最小測(cè)序深度,使用叢枝菌根真菌、外生菌根真菌和腐生真菌的OTUs條數(shù)作為相對(duì)豐度的度量。

1.4 統(tǒng)計(jì)分析

凋落物分解速率的變化采用Olson經(jīng)典指數(shù)模型擬合,式中,k為分解系數(shù),k值越大,分解越快。Mo為初始干重,Mt為凋落葉在t時(shí)刻的干重[39]。

通過下式計(jì)算兩種凋落物的平均HFA效應(yīng):

Mean HFA=(khome-kguest)/kguest× 100

式中,khome和kguest分別是凋落葉在原始生境和其他生境中的分解系數(shù)。方差分析(ANOVA)用來(lái)檢測(cè)凋落物類型、生境、根系處理及其相互作用對(duì)凋落物分解率、酶活性和腐生真菌豐度的影響。線性回歸用于確定初始凋落葉質(zhì)量和不同酶活性與分解速率的關(guān)系。冗余分析(RDA)確定初始的凋落葉質(zhì)量和腐生真菌豐度與碳氮磷降解酶活性的關(guān)系,基于置換檢驗(yàn)獲得因子顯著性(VIF<1.2)。Shapiro-Wilk′s檢驗(yàn)和 Leven′s檢驗(yàn)分別用于正態(tài)性和方差齊性檢驗(yàn)。所有分析在R 4.0.0中進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系對(duì)凋落物分解率和HFA效應(yīng)的影響

在原生生境中,楠木(AM樹種)和格氏栲(ECM樹種)的凋落葉分解速率沒有顯著差異 (圖1)。楠木根系的存在顯著增加了原生生境凋落葉的分解速率 (圖1)。然而對(duì)于格氏栲凋落葉來(lái)說,根系存在顯著增加了其在客場(chǎng)的分解速率(圖1)。相反,無(wú)論有根無(wú)根,楠木凋落物在主場(chǎng)和客場(chǎng)的分解速率均無(wú)顯著差異(圖1)。此外,有根和無(wú)根情況下,楠木凋落物的平均HFA值分別為-4.4%和7.7%,且無(wú)顯著差異 (圖1);而格氏栲凋落葉分別為-31.2%和6.2%,具有顯著差異 (圖1)。

圖1 根系處理和生境對(duì)楠木和格氏栲凋落葉分解速率 (k) 以及平均主場(chǎng)效應(yīng)(HFA)的影響

2.2 植物根系對(duì)碳氮磷水解酶活性的影響

在原生生境,格氏栲(ECM樹種)根系的去除顯著增加了格氏栲凋落葉的碳氮降解酶的活性(圖2),但降低了磷降解酶的活性(圖2)。此外,在楠木(AM樹種)人工林中,根系存在也顯著增加了格氏栲凋落葉磷降解酶活性(圖2)。線性回歸表明,磷降解酶活性對(duì)分解速率有正的效應(yīng)(圖3,校準(zhǔn)R2= 18%;P= 0.021),而碳氮降解酶活性對(duì)分解速率無(wú)顯著影響。

圖2 根系處理和生境對(duì)楠木和格氏栲凋落葉碳氮磷降解酶活性的影響

圖3 磷降解酶活性和凋落葉分解率的關(guān)系以及根系處理和生境對(duì)楠木和格氏栲凋落葉腐生真菌豐度的影響

2.3 植物根系對(duì)真菌群落組成的影響

方差分析的結(jié)果顯示,在楠木(AM樹種)人工林中,去除根系顯著降低了兩種凋落物的腐生真菌豐度(圖3)。而在格氏栲(ECM樹種)人工林中,去除根系卻顯著增加了兩種凋落物的腐生真菌豐度(圖3)。此外,在根系存在情況下,楠木凋落葉在主場(chǎng)時(shí)腐生真菌豐度顯著高于客場(chǎng);而有根情況下,格氏栲凋落葉在楠木林分中腐生真菌豐度更高(圖3)。而去除根系后,不同凋落葉在主客場(chǎng)生境下腐生真菌豐度無(wú)顯著差異(圖3)。

2.4 凋落葉初始質(zhì)量和腐生真菌豐度與水解酶活性的關(guān)系

冗余分析顯示,有根情況下,腐生真菌豐度(P=0.001)和凋落物初始碳氮比(P=0.001)是影響降解酶活性的重要因子。根系存在的情況下, 凋落葉初始C/N比和腐生真菌豐度共同解釋了酶活性的62.1%的變異(圖4),且磷降解酶活性與腐生真菌的豐度呈正相關(guān),與凋落葉C/N比呈負(fù)相關(guān)(圖4)。而在菌根移除的條件下,凋落葉初始質(zhì)量C/N比和腐生真菌的豐度共同解釋了酶活性的31.5%的變異(圖4)。

圖4 凋落葉累積酶活性在有根和無(wú)根條件下的冗余分析

3 討論

3.1 根系和菌根真菌對(duì)凋落葉分解速率的影響

結(jié)果支持了第一個(gè)假設(shè),即楠木(AM)根系可能會(huì)加速其原生生境中的凋落葉分解率,而格氏栲(ECM)樹種的凋落葉分解率在有根和無(wú)根的情況下沒有明顯差異(圖1)。一種解釋是,由于對(duì)限制性養(yǎng)分的競(jìng)爭(zhēng),在格氏栲人工林中,ECM真菌可以通過抑制根際腐生真菌的生長(zhǎng)從而減緩了凋落物分解率,即“Gadgil效應(yīng)”[30—31,40]。根系對(duì)微生物群落結(jié)構(gòu)的影響主要是通過:1)以根系分泌物形式通過“激發(fā)效應(yīng)”刺激微生物的活性[41—42];2)菌根真菌與土壤中其他異養(yǎng)微生物之間的相互作用[13,16]。這些機(jī)制的相互平衡調(diào)控著根際微生物的群落動(dòng)態(tài)[12]。之前研究表明,不同菌根類型可以通過改變土壤中的腐生真菌的豐度來(lái)影響凋落物的分解速率[16]。然而,這種影響的大小和方向隨菌根類型而變化。具體來(lái)說,AM根系往往可以提供比ECM根系更多的根系分泌物,通過提高土壤養(yǎng)分的有效性[24],來(lái)促進(jìn)土壤中其它微生物的活性[13,43—44],而這些微生物從營(yíng)養(yǎng)限制的條件下激發(fā),可能導(dǎo)致分解速率短時(shí)間急劇增加。

然而,由于AM真菌本身無(wú)法合成水解酶,缺少礦化低質(zhì)量底物的能力,其主要也是通過菌絲和光合產(chǎn)物獲得能量和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[45]。因此,有研究也發(fā)現(xiàn),AM真菌也可能通過競(jìng)爭(zhēng)限制性營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)抑制其他根際微生物的活性[46]。相比之下,由于ECM真菌和腐生真菌有著相同的進(jìn)化史,其可以通過產(chǎn)生胞外酶水解復(fù)雜的化合物,釋放生長(zhǎng)和代謝功能所需的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[47—49],因此,ECM真菌和腐生真菌更加相似的生態(tài)位導(dǎo)致二者競(jìng)爭(zhēng)將更為激烈[16]。研究強(qiáng)調(diào),在特定的生態(tài)系統(tǒng)中,菌根真菌和腐生真菌之間的不同互動(dòng)機(jī)制(促進(jìn)或拮抗)可能對(duì)凋落物分解產(chǎn)生重要影響[13]。

3.2 根系和菌根真菌對(duì)HFA效應(yīng)的影響

與第二個(gè)假設(shè)相反,無(wú)論根系是否存在,楠木(AM)樹種凋落物都沒有顯示出HFA效應(yīng)(圖1),而格氏栲(ECM)凋落物僅在有根的情況下顯示出負(fù)的HFA效應(yīng)(圖1)。這一結(jié)果與以前的一些研究是一致的,比如,溫帶森林的研究發(fā)現(xiàn),盡管凋落物生境條件發(fā)生很大的變化,但HFA效應(yīng)卻隨凋落物質(zhì)量而不同:高質(zhì)量(較低的C/N)的凋落葉的分解確實(shí)受到不同生境的影響,而低質(zhì)量落葉的分解率卻與生境無(wú)關(guān)[14]。而亞熱帶的另一項(xiàng)互換凋落物的實(shí)驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)闊葉樹米老排(Mytilarialaosensis)凋落物表現(xiàn)出正的HFA效應(yīng),而針葉樹杉木(Cunninghamialanceolata)凋落物表現(xiàn)出負(fù)的HFA效應(yīng)[32]。一種解釋是由于凋落物質(zhì)量對(duì)分解的控制仍然占主導(dǎo)地位,比生境所起的作用更強(qiáng)。此外,功能寬度假說預(yù)測(cè),長(zhǎng)期生長(zhǎng)在低質(zhì)量凋落物中的微生物群落表現(xiàn)出廣泛的功能寬度,因?yàn)榈唾|(zhì)量的底物化學(xué)成分往往更加復(fù)雜[4,50]。因此,高質(zhì)量的凋落物(如本研究中的格氏栲樹種凋落物)比低質(zhì)量的凋落物對(duì)生境的變化更加敏感。

格氏栲凋落物只在菌根存在的情況下顯示出負(fù)的HFA效應(yīng),這也是由于菌根真菌和腐生真菌之間的不同互作機(jī)制造成的[13,17]。進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),楠木人工林中,根系存在情況下,兩種凋落物腐生真菌的豐度顯著高于根系排除,而原生生境下,阻隔菌根顯著減少了楠木凋落物腐生真菌的豐度,但增加了格氏栲凋落物腐生真菌的豐度(圖3)。這表明一個(gè)潛在的機(jī)制,即楠木根系(AM)和腐生真菌之間有一個(gè)凈的積極的作用,而格氏栲根系(ECM)和腐生真菌之間拮抗作用占主導(dǎo)[13,16,28—29],導(dǎo)致格氏栲凋落物表現(xiàn)出負(fù)HFA效應(yīng)。

3.3 根系和菌根通過調(diào)節(jié)腐生真菌的豐度和磷酸酶活性影響分解速率

冗余分析表明,腐生真菌的豐度是影響凋落物酶活性的一個(gè)關(guān)鍵因素(圖4)。且根系存在情況下,磷水解酶活性與腐生真菌豐度呈正相關(guān)(圖4)。分解過程中較高的磷水解酶活性表明微生物對(duì)磷的需求較高[51—52]。而腐生真菌通過水解一系列胞外酶,分解著大部分的凋落物(尤其是低質(zhì)量凋落物)[53—54]。在森林中,阻斷根系碳輸入往往會(huì)使根際微生物群落處于營(yíng)養(yǎng)有限的競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境[26,55],導(dǎo)致酶活性降低[30,56]。然而,研究發(fā)現(xiàn),在阻隔根系后,不同生境凋落物只有磷水解酶活性降低(圖2)。線性回歸顯示,磷酸酶活性和凋落葉分解率之間呈正相關(guān)(圖3)。這些結(jié)果表明,根和菌根存在可能有利于磷酸酶活性的增加[13],而在亞熱帶森林中,由根系和菌根所調(diào)控的磷酸酶活性可能是植物獲取有限養(yǎng)分的重要策略[57]。此外,研究發(fā)現(xiàn)在格氏栲人工林中,阻隔根系導(dǎo)致碳氮降解酶活性增加(圖2)。這一結(jié)果表明了一個(gè)類似于“Gadgil”效應(yīng)的過程,即異養(yǎng)微生物的代謝功能在ECM根系下可能被抑制[13,28]。此外,注意到阻隔根系的條件下,腐生真菌的豐度和氮水解酶活性正相關(guān),這可能是由于在資源有限的環(huán)境中,底物的減少使得氮素變得更加重要,以維持微生物自身的基本代謝功能。

4 結(jié)論

研究發(fā)現(xiàn),楠木(叢枝菌根)根系存在的情況下,格氏栲和楠木的凋落物均有較高的分解速率。而格氏栲(外生菌根)人工林中,根系對(duì)格氏栲凋落物分解速率無(wú)顯著影響。這種結(jié)果是由于叢枝菌根系存在的情況下,腐生真菌豐度和磷降解酶活性更高。結(jié)果表明,菌根真菌和腐生真菌之間的不同互動(dòng)機(jī)制(拮抗或促進(jìn))可能對(duì)特定生態(tài)系統(tǒng)中的凋落物的分解產(chǎn)生重要影響。此外,研究強(qiáng)調(diào)了在評(píng)估主場(chǎng)效應(yīng)時(shí),不同菌根類型是一個(gè)不可忽視的生物因素。值得注意的是,研究只基于一種叢枝菌根和外生菌根樹種,未來(lái)的研究需要進(jìn)一步的擴(kuò)大樹種和范圍,以獲得一個(gè)更為普遍的機(jī)制。

致謝：梁藝凡、王濤、張冰冰、楊軍錢對(duì)野外調(diào)查和室內(nèi)分析給予幫助,福建三明森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站提供外業(yè)調(diào)查支持。