科爾沁沙地樟子松人工林土壤真菌共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)及其與土壤因子的關(guān)系

劉明慧, 柳 葉, 任 悅, 高廣磊,2,3,*, 丁國棟,2,3, 張 英,2,3, 趙珮杉, 劉 軒

1 北京林業(yè)大學水土保持學院, 林業(yè)生態(tài)工程教育部工程研究中心, 北京 100083

2 寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國家定位觀測研究站, 鹽池 751500

3 水土保持國家林業(yè)和草原局重點實驗室, 北京 100083

在生態(tài)系統(tǒng)中,土壤真菌發(fā)展出復(fù)雜的種間相互作用,包括協(xié)同、競爭和拮抗等關(guān)系[1],物種間通過這些關(guān)系直接或間接地聯(lián)系在一起,維持生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[2]。土壤真菌群落結(jié)構(gòu)和功能動態(tài),既與真菌的相互作用相關(guān),也受環(huán)境影響[3]。土壤真菌群落不僅受植被恢復(fù)、凋落物和根系分泌物的直接影響,同時受土壤理化性質(zhì)的間接影響[4—5]。因此,明確土壤真菌相互關(guān)系及土壤因子對其影響,對深入認識和理解土壤真菌群落結(jié)構(gòu)有重要意義。但是,由于傳統(tǒng)土壤真菌研究方法在識別和判定種間關(guān)系方面的局限性,對于土壤真菌相互關(guān)系的理解依然較為薄弱。

分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析是一種新興的探索性數(shù)據(jù)分析方法,該方法基于隨機矩陣理論,依托基因測序技術(shù),在合適的閾值選擇下可以表征群落的相互關(guān)系并鑒別出群落關(guān)鍵種[6]。土壤真菌共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)利用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析及高通量測序數(shù)據(jù),解決真菌群落間復(fù)雜的相互關(guān)系[7]。共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)為解釋復(fù)雜的土壤真菌群落提供了一種新的方式不僅可以直觀展示土壤真菌間復(fù)雜的相互作用,還可以有效表征土壤真菌群落對環(huán)境變化的響應(yīng),并在陸地生態(tài)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用[8]。與傳統(tǒng)的土壤真菌群落研究方法相比,網(wǎng)絡(luò)分析對于發(fā)現(xiàn)真菌群落構(gòu)建和維持穩(wěn)定過程中的真菌相互關(guān)系提供了豐富的研究手段,而通過對群落的多樣性分析很難得到這些結(jié)果[6]。研究發(fā)現(xiàn),利用網(wǎng)絡(luò)分析可以明確土壤深度增加后,微生物間的相互作用情況[9],此外,通過生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析不同樹齡林木土壤真菌群落結(jié)構(gòu)和潛在功能變化,有利于制定良好的土壤管理措施,促進森林的可持續(xù)性,對提高林木生產(chǎn)力和健康具有潛在意義[10]。我國東部地區(qū)森林土壤中,高緯度地區(qū)土壤菌群共存關(guān)系更普遍,但相互影響強度卻較低緯度地區(qū)土壤菌群小[11];我國沙地樟子松根系真菌網(wǎng)絡(luò)對土壤含水量變化敏感[12]。因此,共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是研究揭示土壤真菌相互關(guān)系及其環(huán)境影響因素的有效途徑[13]。

樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)是歐洲赤松(P.sylvestris)在東亞的地理變種,原產(chǎn)于我國大興安嶺和呼倫貝爾紅花爾基地區(qū),具有耐寒耐旱耐貧瘠、適應(yīng)性強和生長快等特性,是我國北方干旱半干旱地區(qū)防風固沙的重要樹種[14—15]。同時,樟子松也是典型的外生菌根依賴型樹種[16],其生長和健康狀況受土壤真菌相互關(guān)系的影響。因此,土壤真菌在樟子松生長過程中發(fā)揮一定作用,并且在不同階段發(fā)揮主要作用的土壤真菌并不相同。鑒于此,本研究以科爾沁沙地樟子松人工林為研究對象,采用分子生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析方法,分析樟子松人工林土壤真菌群落種間相互作用,以及土壤理化性質(zhì)對土壤真菌網(wǎng)絡(luò)的影響,明確樟子松人工林土壤真菌種間關(guān)系及其對土壤因子的響應(yīng),并為樟子松人工林可持續(xù)經(jīng)營管理提供科技支撐。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于科爾沁沙地東南部遼寧章古臺沙地國家森林公園(42°23′N,122°22′E),該公園始建于20世紀50年代,1986年經(jīng)彰武縣政府批準建立縣級自然保護區(qū),2003年晉升為省級自然保護區(qū),2012年晉升為國家級自然保護區(qū)。經(jīng)過幾代人努力,1951年到2021年林地面積由120 km2到2021年增加到1367 km2,森林覆蓋率從2.9%提高到34.5%,平均風速由3.4 m/s降到1.9 m/s[17]。沙地總面積約為6.63萬km2,處于內(nèi)蒙古高原向東北平原的過渡帶。研究區(qū)屬溫帶亞濕潤大陸性季風氣候,晝夜溫差大,光照充足。年均氣溫8.0 ℃,年均降水量526.5 mm,年蒸發(fā)量約1932.7 mm,年均日照時數(shù)為2615.2 h,海拔226.5 m。土壤類型主要為風沙土。研究區(qū)常見植物包括樟子松、胡枝子(Lespedezabicolor)、小葉錦雞兒(Caraganamicrophylla)、狗尾草(Setariaviridis)、羊草(Leymuschinensis)和冰草(Agropyroncristatum)等[18]。

1.2 樣品采集與處理

2017年7月,在研究區(qū)選取立地條件和管理措施相同的中齡(26 a)、近熟(33 a)和成熟(44 a)樟子松人工林為實驗樣地,在人工林中分別隨機設(shè)置50 m×50 m樣地(表1)。樟子松人工齡組根據(jù)國家林業(yè)行業(yè)標準中主要樹種齡級與齡組劃分(LY/T 2908—2017)確定,其中年齡范圍21—30 a為中齡林,年齡范圍31—40 a為近熟林,年齡范圍41—60 a為成熟林[19]。每木檢尺后,在每個樟子松人工林樣地內(nèi)隨機選取5株間距在10 m以上的標準木,去除地表枯落物,采用五點取樣法采集樟子松樹冠投影下土壤樣品[14,20]。由于研究區(qū)的樟子松是在未造林地上進行造林,因此以鄰近地段未造林地為對照樣地,在未造林地內(nèi)隨機選取3個1 m×1 m取樣點,采用五點取樣法采集土壤樣品。各樣地采樣深度為0—10和10—20 cm土層的土壤樣品,每個土層隨機采集3份樣本,并將其充分混合為一個樣品。將采集的土樣分別裝入密封袋并編號,置于4 ℃便攜恒溫箱保存,帶回實驗室后,取一部分土壤自然風干后室溫存放用于理化性質(zhì)測定,剩余土樣于-80 ℃冷凍保存用于真菌分子生態(tài)學鑒定。

表1 科爾沁沙地樟子松人工林樣地概況

1.3 土壤理化性質(zhì)測定

表2 科爾沁沙地樟子松人工林土壤真菌網(wǎng)絡(luò)拓撲性質(zhì)

1.4 土壤真菌的分離與鑒定

使用Power Soil?DNA Kit(Mo Bio Laboratories,美國)試劑盒對土壤真菌樣品進行DNA抽提取,完成基因組DNA抽提后,利用1%瓊脂糖凝膠電泳檢測抽提的基因組DNA。以引物ITS1F(5′-CTTGGTCATTT AGAGGAAGTAA-3′)和ITS2(5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′)采用Trans Gen AP221-02: Trans Start Fastpfu DNA Polymerase擴增真菌rDNA ITS區(qū)域。聚合酶鏈反應(yīng)(PCR)擴增時,每個樣本需做3個重復(fù),將同一樣本的PCR產(chǎn)物混合后用2%瓊脂糖凝膠電泳檢測,使用AxyPrepDNA凝膠回收試劑盒(AXYGEN公司,美國)切膠回收PCR產(chǎn)物,再用Tris_HCl洗脫;最后用2%瓊脂糖電泳檢測。凝膠成像后,合格的PCR產(chǎn)物使用Illumina MiSeq測序系統(tǒng)(Illumina,美國)進行測序。合格的PCR產(chǎn)物需滿足以下兩點:1)盡可能使用低循環(huán)數(shù)擴增;2)保證每個樣本擴增的循環(huán)數(shù)一致。隨機選取具有代表性的樣本進行預(yù)實驗,確保在最低循環(huán)數(shù)中使絕大多數(shù)樣本能夠擴增出濃度合適的產(chǎn)物。稀疏曲線見圖1。

圖1 樣品稀釋曲線圖

使用Trimmomatic和FLASH對原始fastq文件進行質(zhì)量過濾和合并。使用Usearch程序包(版本8.1.1861,http://www.drive5.com/usearch/)刪除嵌合序列。測序結(jié)果對97%的相似水平上的操作分類單元(OTU)進行聚類,并進行生物信息統(tǒng)計分析[22]。

1.5 數(shù)據(jù)處理與分析

使用SPSS計算OTU間Pearson相關(guān)性(r>0.6)與顯著性值(P<0.05),并用R 4.1.2建立土壤真菌相關(guān)性矩陣,使用R“igraph”包將相關(guān)系數(shù)矩陣轉(zhuǎn)化為網(wǎng)絡(luò)文件,計算網(wǎng)絡(luò)拓撲屬性并生成隨機網(wǎng)絡(luò),拓撲屬性包括網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)即網(wǎng)絡(luò)中的物種數(shù);平均聚類系數(shù)即節(jié)點與其他節(jié)點間連通度的好壞,反應(yīng)了網(wǎng)絡(luò)的凝聚性;平均路徑長度即節(jié)點間最短路徑的長度;模塊化是用來衡量網(wǎng)絡(luò)劃分情況的;平均連通度即某個節(jié)點與其他相鄰節(jié)點的連接數(shù)之和[23],反映了網(wǎng)絡(luò)中能量流動和信息傳遞程度反映了網(wǎng)絡(luò)中能量流動和信息傳遞程度,直觀展示真菌間的作用關(guān)系[24],隨機網(wǎng)絡(luò)為隨機生成的1000個節(jié)點和邊數(shù)與共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)相同的網(wǎng)絡(luò),比較其與共現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的平均聚類系數(shù)和平均路徑長度,判別土壤真菌網(wǎng)絡(luò)是否有意義。為減少配對比較數(shù)量并降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性,剔除相關(guān)系數(shù)過低且不顯著的值,僅選擇總頻次大于10的OTU用于網(wǎng)絡(luò)分析[25]。隨后,計算模塊內(nèi)連通度(Zi)和模塊間連通度(Pi)并判別網(wǎng)絡(luò)節(jié)點,依據(jù)節(jié)點拓撲特征將節(jié)點屬性分為模塊中心點(在模塊內(nèi)部具有高連通度的節(jié)點,Zi>2.5且Pi<0.62)、連接節(jié)點(在兩個模塊之間具有高連通度的節(jié)點,Zi<2.5且Pi>0.62)、網(wǎng)絡(luò)中心點(在整個網(wǎng)絡(luò)中具有高連通度的節(jié)點,Zi>2.5且Pi>0.62)和外圍節(jié)點(在模塊內(nèi)部和模塊之間均不具有高連通度的節(jié)點,Zi<2.5且Pi<0.62)4種類型[26]。其中,模塊中心點、連接節(jié)點和網(wǎng)絡(luò)中心點在模塊間和各自的模塊內(nèi)起重要作用,是維持網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的關(guān)鍵節(jié)點,Zi≥2.5或Pi≥0.62的節(jié)點為關(guān)鍵菌種。最后,對樟子松人工林土壤真菌網(wǎng)絡(luò)中介中心性前50的OTU與土壤理化性質(zhì)進行Pearson相關(guān)性分析并用R“vegan”包進行Mantel分析。利用Gephi 0.9.2軟件進行土壤真菌網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建和網(wǎng)絡(luò)平均聚類系數(shù)、平均路徑長度、模塊化和平均連通度等拓撲屬性的可視化處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同林齡和土層樟子松人工林土壤真菌拓撲性質(zhì)

科爾沁沙地樟子松人工林和未造林地土壤真菌網(wǎng)絡(luò)模塊化、平均路徑長和平均聚集系數(shù)均大于隨機網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)數(shù)值,表明土壤真菌網(wǎng)絡(luò)符合網(wǎng)絡(luò)特征,可用于研究土壤真菌群落相互關(guān)系(表2)。不同林齡土壤真菌網(wǎng)絡(luò)拓撲性質(zhì)無顯著差異(圖2)。不同林齡土壤真菌網(wǎng)絡(luò)模塊數(shù)量分別為22、21和18,變化不明顯。隨樟子松林齡增加,土壤真菌網(wǎng)絡(luò)平均連通度分別為44.803、72.836、43.076,平均聚類系數(shù)分別為1.852、1.886、1.8,平均路徑長度分別為10.35、6.051、12.044,土壤真菌網(wǎng)絡(luò)節(jié)點數(shù)、平均連通度、平均聚類系數(shù)和正相關(guān)占比先增后減,平均路徑長則先減后增;相比之下,未造林地土壤真菌網(wǎng)絡(luò)中的平均連通度略低于近熟林,平均路徑長低于樟子松人工林,正相關(guān)占比高于人工林。說明隨林齡增加,中齡林到近熟林階段,網(wǎng)絡(luò)愈加復(fù)雜,而近熟林到成熟林階段則相反;與人工林相比,未造林地土壤真菌網(wǎng)絡(luò)更復(fù)雜(圖3,表2)。

圖3 科爾沁沙地樟子松人工林土壤真菌網(wǎng)絡(luò)

在樟子松人工林中,不同土層間真菌網(wǎng)絡(luò)平均連通度存在顯著差異(圖2)。上層土壤真菌平均路徑長度分別為8.46、3.126和8.557,上層土壤真菌平均路徑長度分別為1.89、2.925和3.487。10—20 cm土層土壤真菌平均路徑長度小于0—10 cm土層,平均連通度和聚類系數(shù)大于0—10 cm土層,說明樟子松人工林土壤真菌間聯(lián)系隨土層增加而增加。在未造林地中,10—20 cm比0—10 cm土層土壤真菌網(wǎng)絡(luò)邊數(shù)、平均連通度和聚類系數(shù)更低,平均路徑長度更高,說明未造林地土壤真菌間聯(lián)系隨土層增加而減少。此外,隨土層深度增加,人工林和未造林地土壤真菌網(wǎng)絡(luò)的負相關(guān)占比增加,但仍以正相關(guān)為主(圖3;表3)。

表3 科爾沁沙地樟子松人工林土壤理化性質(zhì)與酶活性

2.2 不同林齡和土層樟子松人工林土壤真菌的關(guān)鍵類群

樟子松人工林和未造林地土壤真菌網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵OTU均屬于連接節(jié)點,無模塊中心點和網(wǎng)絡(luò)中心點(圖4)。不同林齡土壤真菌連接節(jié)點OTU數(shù)量波動較大,近熟林連接節(jié)點OTU數(shù)量最多(圖5)。中齡林識別的關(guān)鍵菌種包括Guehomycessp.、木霉屬真菌(Trichodermasp.)和未知菌,0—10和10—20 cm土層共有的關(guān)鍵菌種為Guehomycessp.,近熟林識別的關(guān)鍵菌種包括樹粉孢屬真菌(Oidiodendronsp.)、毛殼菌屬真菌(Chaetomiumsp.)、被孢霉屬真菌(Mortierellasp.)和未知菌,0—10和10—20 cm土層共有的關(guān)鍵菌種為樹粉孢屬真菌,成熟林識別的關(guān)鍵菌種包括Pseudeurotiumsp.和未知菌,0—10和10—20 cm土層共有的關(guān)鍵菌種為Pseudeurotiumsp.。相比之下,未造林地土壤真菌連接節(jié)點OTU數(shù)量低于中齡林和近熟林。在未造林地中識別的關(guān)鍵菌種包括Alphamycessp.和未知菌,0—10和10—20 cm土層共有的關(guān)鍵菌種為Alphamycessp.。

圖4 科爾沁沙地樟子松人工林土壤真菌網(wǎng)絡(luò)模塊間和模塊內(nèi)連接性變化

圖5 連接節(jié)點OTU數(shù)

在樟子松人工林中,0—10 cm土層比10—20 cm土層連接節(jié)點OTU數(shù)量多(圖4,圖5)。其中,0—10 cm土層識別的關(guān)鍵菌種主要為格孢腔菌目(Pleosporales)的未鑒定真菌OTU470和OTU1084,10—20 cm土層識別的關(guān)鍵菌種主要是被孢霉屬真菌(Mortierellasp.)。在未造林地中,與0—10 cm土層相比,10—20 cm土層連接節(jié)點OTU數(shù)量較多。0—10 cm土層中樟子松人工林和未造林地共有的關(guān)鍵菌種是紅菇屬(Russulasp.),10—20 cm土層中樟子松人工林和未造林地共有的關(guān)鍵菌種為Guehomycessp.。

2.3 樟子松人工林土壤真菌網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的土壤影響因素

在0—10 cm土層中,中齡林含水量顯著高于成熟林(P<0.05);成熟林孔隙度和全氮含量顯著低于其他林齡(P<0.05);近熟林脲酶活性顯著高于其他林齡(P<0.05)。10—20 cm土層中,近熟林pH顯著高于成熟林(P<0.05);成熟林全氮含量最低而硝態(tài)氮含量最高;成熟林有機質(zhì)含量顯著高于中齡林(P<0.05);近熟林過氧化氫酶含量顯著高于中齡林(P<0.05);中齡林脲酶活性最低。未造林地土壤的速效磷含量顯著高于人工林(P<0.05),過氧化氫酶含量顯著低于人工林(P<0.05),且速效磷和過氧化氫酶含量與人工林存在顯著差異(P<0.05)(表3)。

將土壤真菌與土壤因子進行Mantel檢驗發(fā)現(xiàn)(表4),土壤真菌網(wǎng)絡(luò)與含水量呈顯著相關(guān)(P<0.05)。土壤真菌網(wǎng)絡(luò)中中介中心性前50的OTU與土壤理化性質(zhì)關(guān)系表明(圖6),土壤全氮較為關(guān)鍵,在網(wǎng)絡(luò)中與更多的OTU呈顯著負相關(guān)(P<0.05),包括被孢霉屬真菌(Mortierellasp.)的OTU5、樹粉孢屬真菌(Oidiodendronsp.)OTU11和未鑒定真菌OTU130、OTU143、OTU21和OTU74呈顯著負相關(guān)(P<0.05)。此外,土壤pH值和速效磷也影響真菌網(wǎng)絡(luò),與土壤真菌網(wǎng)絡(luò)中部分OTU顯著相關(guān)(P<0.05),土壤pH值與金孢霉屬(Geomycessp.)的OTU12、Microdochiumsp.的OTU219、Phialocephalasp.的OTU431和未鑒定真菌OTU166呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。土壤速效磷與Dactylonectriasp.的OTU101、絲蓋傘屬(Inocybesp.)的OTU19、Trechisporasp.的OTU2和未鑒定真菌OTU835呈顯著正相關(guān)(P<0.05)。

圖6 科爾沁沙地樟子松人工林土壤真菌與土壤理化性質(zhì)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系

表4 科爾沁沙地樟子松人工林土壤真菌網(wǎng)絡(luò)與土壤因子Mantel檢驗

3 討論

3.1 不同林齡和土層樟子松人工林土壤真菌的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)特征

不同林齡間,土壤真菌網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)波動變化不大,先前研究發(fā)現(xiàn)林齡對樟子松人工林土壤真菌多樣性無顯著影響[27],這證實了使用微生物網(wǎng)絡(luò)分析在一定程度上具有可靠性。并且,網(wǎng)絡(luò)分析還能通過多種拓撲網(wǎng)絡(luò)特征進一步明確真菌群落結(jié)構(gòu),首先網(wǎng)絡(luò)拓撲特征能描述群落中真菌間的互作關(guān)系,比如真菌的互利競爭關(guān)系。網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性可以通過網(wǎng)絡(luò)中相互作用的物種總數(shù)、節(jié)點度分布等進行分析。當拓撲特征無改變時,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定狀態(tài),網(wǎng)絡(luò)中相互作用的物種數(shù)多,物種更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)更容易保持群落穩(wěn)定性[28—29]。隨林齡增加,樟子松人工林土壤真菌網(wǎng)絡(luò)平均連通度先增后減,中齡林到近熟林階段真菌網(wǎng)絡(luò)逐漸復(fù)雜,近熟林到成熟林階段真菌網(wǎng)絡(luò)愈加簡單。研究表明,網(wǎng)絡(luò)平均路徑長度短,土壤真菌網(wǎng)絡(luò)物種間信息傳遞的速率快[30],當環(huán)境變化時,真菌網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)速度在中齡林到近熟林階段逐漸加快,此時土壤真菌群落更易受到環(huán)境影響發(fā)生改變。這近熟林階段,樟子松人工林林木生長量降低[31],土壤真菌網(wǎng)絡(luò)通過頻繁的能量流動和信息傳遞來減輕外界環(huán)境變化對其產(chǎn)生的影響。近熟林到成熟林階段真菌網(wǎng)絡(luò)不易受到環(huán)境變化影響,樟子松在近熟林到成熟林階段,土壤微生物性質(zhì)最佳,在近熟林到成熟林階段根系分泌物及凋落物有所積累,為土壤真菌新陳代謝和自身合成提供了較多的能量來源[32]。

樟子松人工林土壤真菌網(wǎng)絡(luò)平均路徑長高于未造林地,近熟林平均連通度高于未造林地。近熟林土壤真菌網(wǎng)絡(luò)中物種相互作用的復(fù)雜程度低高于未造林地。網(wǎng)絡(luò)平均路徑長更長,真菌間響應(yīng)速度更慢,此時中齡林和成熟林真菌網(wǎng)絡(luò)對外界環(huán)境變化反應(yīng)更慢,不易受環(huán)境變化的干擾,群落穩(wěn)定性更好[23]。中齡林和成熟林真菌群落較未造林地更簡單且更不易受到環(huán)境變化的影響,這是因為樟子松是典型的外生菌根依賴型樹種,可以通過多種方式招募對其生長有利的真菌,通過宿主效應(yīng)對土壤真菌進行篩選和過濾,使樟子松人工林土壤真菌網(wǎng)絡(luò)更簡單[20]。

在樟子松人工林中,與0—10 cm土層相比,10—20 cm土層土壤真菌網(wǎng)絡(luò)邊數(shù)減少且其分布更為集中,真菌間接觸產(chǎn)生聯(lián)系的機會增多,這可能導致隨土壤深度增加人工林真菌間聯(lián)系更加緊密[33]。雖然隨土壤深度增加,未造林地土壤真菌數(shù)量與人工林變化一致,但未造林地土壤真菌遷移速率低,真菌間接觸并產(chǎn)生聯(lián)系的機會變少,因此土層增加未造林地土壤真菌間聯(lián)系減少[9]。在人工林和未造林地中,10—20 cm與0—10 cm土層相比,土壤孔隙度和土壤氧含量等減少,資源環(huán)境的限制導致真菌群落的相互作用由協(xié)作轉(zhuǎn)變?yōu)楦偁嶽34],因此土壤真菌網(wǎng)絡(luò)負相關(guān)增多。

3.2 不同林齡和土層樟子松人工林土壤真菌網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵菌種生態(tài)功能

先前研究基于真菌相對豐度數(shù)據(jù)劃分優(yōu)勢菌種,廣泛證實優(yōu)勢物種在群落中發(fā)揮一定的生態(tài)作用[4,7]。本研究利用OTU在網(wǎng)絡(luò)中拓撲角色,識別對群落組成部分產(chǎn)生巨大影響的關(guān)鍵真菌[11],研究發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵菌種能通過某種調(diào)節(jié),對群落結(jié)構(gòu)和功能產(chǎn)生影響,例如Pseudeurotiumsp.能通過產(chǎn)生抗真菌化合物,抑制病原微生物活性達到改變菌群的組成的效果[35—36]。不同林齡中土壤真菌網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵菌種不同,因為在生長過程中,樟子松通過招募特定真菌,提高可利用養(yǎng)分的含量以滿足快速生長的需求[12]。為保證分析變量的唯一性,僅取不同林齡樟子松人工林真菌0—10 cm和10—20 cm土層共有的OTU進行分析,其中中齡林0—10 cm和10—20 cm土層共有的關(guān)鍵菌種為Guehomycessp.,近熟林的關(guān)鍵菌種為樹粉孢屬真菌,成熟林的關(guān)鍵菌種為Pseudeurotiumsp.。中齡林關(guān)鍵菌種為Guehomycessp.,擔子菌門的Guehomycessp.是一種促進植物生長的微生物,具有廣泛的酶活性[37]?？赡苁且驗橹旋g林處于快速生長階段,Guehomycessp.真菌提高了土壤酶活性,在中齡林階段脲酶和全氮含量都最高,且脲酶是促進氮轉(zhuǎn)化的專一酶,土壤全氮含量升高對樟子松生長有一定促進作用[38]。近熟林關(guān)鍵菌種為樹粉孢屬真菌,子囊菌門的樹粉孢屬真菌為腐生營養(yǎng)型真菌,偏愛針葉林的酸性土壤,可以通過刺激木質(zhì)素和纖維素降解并產(chǎn)生多種酶降解凋落物,增加碳和氮的有效性,從而提供植物必要的營養(yǎng)物質(zhì),有利于植物生長[39—40]。近熟林生長對土壤中可利用養(yǎng)分的需求量較大,樹粉孢屬真菌能為樟子松人工林的生長提供了良好的物質(zhì)條件。此外,近熟林階段,樟子松細根長度和面積最大,根系分泌有機物的能力最強,根系分泌物影響微生物的比例和群落結(jié)構(gòu)[12,41]。成熟林關(guān)鍵菌種為子囊菌門的Pseudeurotiumsp.,它能產(chǎn)生抗真菌化合物并抑制病原微生物活性[35],從而促進植物健康生長,這是其作為關(guān)鍵菌種的原因。未造林地關(guān)鍵菌種為壺菌門(Chytridiomycota)的Alphamycessp.,其功能與產(chǎn)生纖維素酶并分解纖維素相關(guān)[42],從而導致養(yǎng)分歸還能力增大,維持了未造林地肥力。研究發(fā)現(xiàn),土壤微生物的定殖和群落建立受根系分泌物的數(shù)量和質(zhì)量、土壤理化性質(zhì)和氣候條件等因素的影響[43]。與未造林地相比,樟子松人工林具有強大的根系[44],此外人工林土壤養(yǎng)分含量和土壤微生物量明顯高于未造林地[45],這是導致樟子松人工林與未造林地土壤真菌具有差異的主要原因。

樟子松人工林0—10 cm土層土壤真菌關(guān)鍵菌種主要為格孢腔菌目的未鑒定真菌OTU470和OTU1084,10—20 cm土層主要是被孢霉屬真菌。格孢腔菌目是根際土壤內(nèi)真菌群落中的主要種群,能利用根系分泌的有機物實現(xiàn)快速生長[46],但其對樟子松的作用尚不明確。被孢霉菌是土壤有益微生物,能抑制致病菌,緩解土壤負面狀態(tài)對土壤酶活性和植物生長的影響,能夠提高土壤養(yǎng)分有效性[47—48]。一般情況下,10—20 cm土層土壤孔隙度和土壤氧含量等較0—10 cm土層土壤差,本研究中被孢霉菌的存在有效調(diào)節(jié)10—20 cm土層土壤狀態(tài)對植物的影響,有利于樟子松生長。0—10 cm土層土壤中樟子松人工林和未造林地共有的關(guān)鍵菌種是紅菇屬真菌。研究發(fā)現(xiàn),紅菇屬真菌是樟子松林內(nèi)常見的外生菌根真菌[49],它能促進植物根系的生長和營養(yǎng)吸收,提高植物的抗逆性[50]。10—20 cm土層中樟子松人工林和未造林地共有的關(guān)鍵菌種是為Guehomycessp.。Guehomycessp.同時是中齡林關(guān)鍵菌種,其能提高土壤有效養(yǎng)分含量,有利于植物生長[51]。0—10 cm和10—20 cm土層中,人工林和未造林地關(guān)鍵菌種的差異可能是土層變化影響了土壤總孔隙度和氧含量,從而限制了微生物的生長,同時土壤理化性質(zhì)在不同土層間存在差異,從而導致關(guān)鍵菌種的不同[9]。

3.3 土壤理化性質(zhì)對土壤真菌網(wǎng)絡(luò)的調(diào)控作用

土壤真菌網(wǎng)絡(luò)與含水量存在顯著相關(guān)性,植物在沙地中活動受水分條件的影響,土壤含水量的增加,利于植物生長。研究發(fā)現(xiàn),土壤含水量較高的濕潤環(huán)境對微生物的生理活動產(chǎn)生積極影響,并提高微生物同化的速率[52]。土壤水分條件的改善有利于土壤微生物活性增加,進而提高土壤微生物生物量[5]。采用生態(tài)網(wǎng)絡(luò)分析可以明確點和點之間的關(guān)系,即某個真菌與某個土壤因子的關(guān)系,得到的結(jié)果具有代表性。網(wǎng)絡(luò)分析更關(guān)注環(huán)境因子與各OTU之間的相關(guān)作用,這種方法只研究網(wǎng)絡(luò)中處于重要地位的少數(shù)OTU,會忽略優(yōu)勢物種與環(huán)境因子的關(guān)系[53],但該不足并沒有導致本研究結(jié)果與先前研究結(jié)果出現(xiàn)較大差異?？茽柷呱车卣磷铀扇斯ち滞寥勒婢W(wǎng)絡(luò)中介中心性前50的OTU受土壤全氮的顯著影響,本研究結(jié)果與科爾沁沙地樟子松土壤環(huán)境因子對微生物群落的影響結(jié)果相似[54]。這是因為氮是表層土壤微生物互作的主要貢獻因素,在氮含量低時,土壤真菌網(wǎng)絡(luò)通過增強競爭作用滿足自身的需求[29];氮含量增高時,土壤中氮對微生物的限制降低,微生物的相互作用更強烈,進而影響微生物網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度[55]。土壤pH值與土壤真菌網(wǎng)絡(luò)呈顯著正相關(guān)。土壤pH是驅(qū)動微生物生長和群落結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)境因子,pH降低會引起土壤微生物量的降低,同時能改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu),使土壤微生物活性降低,網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性降低[56—58]。土壤速效磷與土壤真菌網(wǎng)絡(luò)呈顯著正相關(guān),這與旱地土壤微生物與環(huán)境因子網(wǎng)絡(luò)的相互作用結(jié)果相似[59]。這是磷含量降低抑制了土壤真菌的生長,并減少了微生物種間相互作用或生態(tài)位共享[60];而增加磷含量真菌間的相互作用增多,網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性和穩(wěn)定性增強,對外界環(huán)境變化抵抗力增強[61]。

4 結(jié)論

(1)在科爾沁沙地樟子松人工林中,與中齡林和成熟林相比,近熟林土壤真菌群落更復(fù)雜,隨土壤深度增加,樟子松人工林10—20 cm土層土壤真菌間聯(lián)系比0—10 cm土層多,而未造林地則相反。與未造林地相比,中齡林和近熟林土壤真菌群落更穩(wěn)定。

(2)科爾沁沙地不同林齡樟子松人工林土壤真菌網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵菌種存在差異。其中,近熟林中關(guān)鍵菌種較多,未造林地關(guān)鍵菌種數(shù)低于人工林。在不同土層中,樟子松人工林和未造林地0—10 cm土層土壤真菌網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵菌種比10—20 cm土層多;人工林關(guān)鍵菌種主要包括Guehomycessp.、Oidiodendronsp.、Pseudeurotiumsp.和被孢霉屬真菌等,未造林地關(guān)鍵菌種為Alphamycessp.。

(3)科爾沁沙地樟子松人工林土壤真菌網(wǎng)絡(luò)組成與土壤含水量顯著相關(guān)。中介中心性前50的OTU受土壤理化性質(zhì)影響,土壤全氮的影響最為顯著,其次是土壤pH和速效磷。