賈美清,黃 靜,孟 元,韓國(guó)棟,金寶花,張國(guó)剛

(1.天津師范大學(xué) 天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300387； 2.天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,天津 300387；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

?

增溫和增氮對(duì)荒漠草原土壤可培養(yǎng)真菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響

賈美清1,黃 靜2,孟 元2,韓國(guó)棟3,金寶花2,張國(guó)剛2

(1.天津師范大學(xué) 天津市水資源與水環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300387； 2.天津師范大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院,天津 300387；3.內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)草原與資源環(huán)境學(xué)院,內(nèi)蒙古 呼和浩特 010019)

為了探討氣候變化對(duì)荒漠草原土壤真菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響，進(jìn)而更有效地管理草原，在內(nèi)蒙古短花針茅(Stipabreviflora)荒漠草原進(jìn)行遠(yuǎn)紅外線(xiàn)輻射器模擬增溫和人工施肥模擬增氮試驗(yàn)。經(jīng)過(guò)6年的連續(xù)模擬試驗(yàn)后，采用稀釋平板涂布法結(jié)合18S rRNA分子鑒定技術(shù)，對(duì)試驗(yàn)地土壤可培養(yǎng)真菌群落的組成和多樣性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，1)從內(nèi)蒙古短花針茅荒漠草原土壤中共分離獲得17個(gè)屬的可培養(yǎng)真菌；2)模擬增氮不增溫、增溫增氮處理均使可培養(yǎng)真菌的菌落數(shù)顯著增加(P<0.05)，分別由不增氮不增溫的菌落數(shù)6.70×105CFU·g-1升高到1.45×106和1.92×106CFU·g-1，但二者間差異不顯著 (P>0.05)；3)增氮不增溫、增溫增氮處理的群落組成和優(yōu)勢(shì)屬發(fā)生了改變，在增氮不增溫處理中的優(yōu)勢(shì)菌屬為鐮刀菌屬(Fusarium)、交鏈孢霉屬(Alternaria)和假裸囊菌屬(Pseudogymnoascus)；增溫增氮處理的優(yōu)勢(shì)菌屬為青霉屬(Penicillium)和曲霉屬(Aspergillus)、鐮刀菌屬、交鏈孢霉屬和Chromocleista；4)與其它兩個(gè)處理相比，增氮不增溫處理顯著提高了荒漠草原可培養(yǎng)真菌的物種豐富度、均勻度和多樣性。增溫增氮對(duì)群落內(nèi)物種豐富度、均勻度和多樣性均沒(méi)有顯著影響。

荒漠草原；短花針茅；18S rRNA；可培養(yǎng)真菌；增氮；群落組成；多樣性

在20世紀(jì)內(nèi)，全球氣溫已經(jīng)上升了0.6 ℃[1]，并預(yù)計(jì)到21世紀(jì)末全球平均地表溫度將繼續(xù)升高1.6～6.4 ℃，且在高緯度或高海拔地區(qū)的增溫幅度更為明顯[2]。同時(shí)，由于化石燃料的燃燒、含氮化肥的使用使得輸入到生態(tài)系統(tǒng)中的氮素含量大大增加，在未來(lái)25年內(nèi)大氣氮沉降水平預(yù)計(jì)還會(huì)加倍[3]，大氣氮沉降的增加已成為全球變化的重要現(xiàn)象之一[4]。

在全球氣候變暖的背景下，我國(guó)草原區(qū)的氣候近50年明顯變暖[5]。由于氣候變化加之人為干擾，約90%的草原出現(xiàn)了不同程度的退化[6]。Galloway等[7]報(bào)道，中國(guó)氮沉降水平已高達(dá)1.2 g·(m2·a)-1，是世界三大高氮沉降區(qū)之一。目前，內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)的氮沉降水平為0.4～0.6 g·(m2·a)-1，但隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，化肥和化石燃料使用量的大幅增加，其沉降量必將增加[8]。內(nèi)蒙古草原天然草地面積占全國(guó)草地的1/4，覆蓋了內(nèi)蒙古自治區(qū)土地面積的67.5%[9]?；哪菰莾?nèi)蒙古草原的重要組成部分，位于草原向荒漠的過(guò)渡帶，是對(duì)環(huán)境的變化較敏感的草原生態(tài)類(lèi)型[10]。氣候變暖和氮沉降是內(nèi)蒙古草原面臨的重要環(huán)境問(wèn)題。

土壤微生物是草原生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分，其中真菌群落在微生物群落中占有非常重要的地位。在草地生態(tài)系統(tǒng)中，真菌占分解者生物量總體的78%～90%[11]，是生態(tài)系統(tǒng)健康狀況的指示者。氣候變化和人為干擾對(duì)草地生態(tài)系統(tǒng)的土壤真菌多樣性的影響越來(lái)越受到科技工作者的重視。目前，關(guān)于氣候變化對(duì)荒漠草原生態(tài)系統(tǒng)的研究主要關(guān)注點(diǎn)集中在氣候變化對(duì)植被和群落組成[6,12]、土壤呼吸[13]和土壤特性[14]、植物物種多樣性[12]等方面。對(duì)于草原土壤真菌對(duì)氣候變化響應(yīng)方面的研究也取得了一些成果[15-16]，然而，對(duì)草甸草原的研究居多而荒漠草原甚少[17]。因此，加強(qiáng)氣候變化對(duì)荒漠草原土壤真菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性影響的研究對(duì)于實(shí)現(xiàn)草原的有效管理和可持續(xù)利用具有重要意義。本研究通過(guò)稀釋平板涂布法和18S rRNA分子鑒定技術(shù),探討連續(xù)6年遠(yuǎn)紅外線(xiàn)輻射器模擬增溫、人工施肥模擬氮沉降對(duì)短花針茅(Stipabreviflora)荒漠草原土壤可培養(yǎng)真菌的群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響，以期為荒漠草原對(duì)全球變暖和氮沉降的響應(yīng)機(jī)制的進(jìn)一步研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并為荒漠草原的有效管理提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況和樣地設(shè)置

試驗(yàn)區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)烏蘭察布市四子王旗王府一隊(duì)的內(nèi)蒙古農(nóng)牧科學(xué)院實(shí)驗(yàn)基地內(nèi)，屬于荒漠草原類(lèi)型，地理坐標(biāo)為41°47′17″ N，111°53′46″ E，海拔1 456 m。年均氣溫4 ℃，多年平均降水量280 mm，年均蒸發(fā)量2 947 mm。年平均日照時(shí)數(shù)為3 082.5 h，≥10 ℃的年積溫為2 200～2 500 ℃·d。試驗(yàn)地建群種為短花針茅。

2006年5月選取地形平坦，植被典型的試驗(yàn)樣地架設(shè)模擬增溫裝置。本試驗(yàn)設(shè)不增氮不增溫、增氮不增溫、不增氮增溫和增溫增氮4個(gè)處理，各6次重復(fù)，采用雙因素完全隨機(jī)區(qū)組裂區(qū)設(shè)計(jì)。12個(gè)試驗(yàn)區(qū) (3 m × 4 m), 其中的6個(gè)區(qū)進(jìn)行增溫處理，另外6個(gè)區(qū)不進(jìn)行增溫處理，各試驗(yàn)區(qū)隨機(jī)分布，試驗(yàn)區(qū)間設(shè)置了3 m×3 m的緩沖帶以避免干擾。對(duì)每個(gè)試驗(yàn)區(qū)的一半進(jìn)行施氮處理，另一半不進(jìn)行施氮處理，在施氮和不施氮之間有30 cm深的物理隔離，共24個(gè)小區(qū)。在增溫區(qū)的中央部位距地面2.25 m高度處安裝一臺(tái)功率為2 000 W紅外輻射模擬加熱器，不間斷地進(jìn)行加熱處理，而在不增溫小區(qū)距地2.25 m處安裝1臺(tái)與模擬加熱器大小相同鐵皮制的“假燈”，用來(lái)模擬加熱裝置的陰影效果，以降低誤差。施氮處理采用氮肥NH4NO3，施用量為10 g·(m2·a)-1，每年6月-7月雨季時(shí)進(jìn)行。本研究對(duì)增氮不增溫(N1W0)、不增氮不增溫(N0W0)、增溫增氮(N1W1)3個(gè)處理進(jìn)行分析研究。

1.2 樣品的采集和處理

經(jīng)過(guò)連續(xù)6年的增溫和增氮試驗(yàn)后，于2012年8月初每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇取樣點(diǎn)，用直徑5 cm的土鉆采集0-10、10-20、20-30 cm土層的土樣。將所取土樣各層分別充分混勻后分成兩份，分裝在塑料封口袋中密封，低溫4 ℃下帶回實(shí)驗(yàn)室。其中一份用于測(cè)定土壤含水量，另一份置于冰箱中-20 ℃條件下冷凍保存?zhèn)溆谩?/p>

1.3 土壤可培養(yǎng)真菌的分離培養(yǎng)和分子鑒定

1.3.1 土壤可培養(yǎng)真菌的分離培養(yǎng) 制備馬丁氏培養(yǎng)基[18]對(duì)土壤真菌進(jìn)行培養(yǎng)。取1 g充分混勻后的土壤樣品于裝有100 mL無(wú)菌水的三角瓶中，150 r·min-1震蕩20 min。取此濃度的土壤懸液0.2 mL，用無(wú)菌涂布器均勻涂布到直徑90 mm的平板上，同一樣品分別設(shè)置3個(gè)重復(fù)。將平板倒置在28 ℃的恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)5～7 d，待菌落長(zhǎng)出后參考鑒定手冊(cè)[19-22]進(jìn)行初步鑒定并根據(jù)菌落特征來(lái)分類(lèi)、編號(hào)，進(jìn)行菌落計(jì)數(shù)。最后挑選不同菌種的生長(zhǎng)良好的代表性菌落進(jìn)行分離、純化，以備后續(xù)的分子鑒定用。

1.3.2 可培養(yǎng)真菌18S rRNA的PCR擴(kuò)增 首先利用試劑盒(上海生工)提取將用于后續(xù)試驗(yàn)待鑒定的真菌的DNA，然后進(jìn)行PCR擴(kuò)增。

擴(kuò)增引物：GeoA2:5′-CCAGTAGTCATATGCTTGTCTC-3′和Geo11:5′-ACCTTGTTACGACTTTTACTTCC-3′。PCR的反應(yīng)體系為50 μL：10×Ex Buffer(含Mg2+) 5 μL，dNTP(各2.5 mmol·L-1) 4 μL，上游和下游引物各2 μL，Tap Ex DNA聚合酶0.5 μL (5 U·μL-1)，模板1 μL(10 ng·μL-1)，加超純水至50 μL。PCR反應(yīng)程序： 94 ℃預(yù)變性4 min;變性94 ℃ 1 min，30次循環(huán);退火54 ℃ 1 min;延伸72 ℃ 2 min ;最后72 ℃下延伸7 min;溫度下降到4 ℃。擴(kuò)增后的PCR產(chǎn)物采用瓊脂糖凝膠(1.5%)電泳25 min后，根據(jù)示蹤染料位置可停止電泳，然后進(jìn)行EB染色4 min，最后沖洗凝膠并進(jìn)行凝膠成像，在計(jì)算機(jī)上觀(guān)察成像結(jié)果，拍照分析。

1.3.3 土壤可培養(yǎng)真菌的分子鑒定 將上述真菌18S rRNA電泳檢測(cè)出條帶的PCR產(chǎn)物送交北京六合華大基因科技股份有限公司進(jìn)行測(cè)序。將測(cè)序后的序列在GenBank 數(shù)據(jù)庫(kù)( http:// www. ncbi. nlm. nih. gov) 里進(jìn)行比對(duì)，下載最相似的基因序列進(jìn)行系統(tǒng)發(fā)育分析。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2007進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，使用SPSS13.0軟件對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，采用Sigmaplot12.5軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)的圖表處理；運(yùn)用Bio-dap軟件來(lái)計(jì)算多樣性指數(shù)。

土壤微生物物種多樣性指數(shù)采用如下公式計(jì)算：

物種豐富度指數(shù)(S)

S=Ni

(1)

式中:Ni為每一個(gè)樣點(diǎn)所分離出的全部種屬的數(shù)目，所以S即為種數(shù)；

物種多樣性指數(shù)(H′)

(2)

Pi=ni/N

式中:Pi為第i種的個(gè)體的比例，ni是第i種的菌株數(shù)，N是所有菌株數(shù)總和；

均勻度指數(shù)(E)

E=H′/Hmax

(3)

Hmax=lnS

(4)

式中:H′為實(shí)際觀(guān)察的物種多樣性指數(shù)，Hmax為最大的物種多樣性指數(shù)，S為群落中的總物種數(shù)；

檢出率=某一物種的個(gè)體數(shù)/樣點(diǎn)中所有物種的個(gè)體數(shù)×100%

(5)

2 結(jié)果與分析

2.1 可培養(yǎng)真菌的種屬特征

根據(jù)鑒定手冊(cè)[19-22]并結(jié)合18S rRNA基因序列的分子生物學(xué)分析 (圖1、表1)，共分離到17個(gè)屬的可培養(yǎng)真菌：青霉屬(Penicillium)、曲霉屬(Aspergillus)、鐮刀菌屬(Fusarium)、赤霉屬(Gibberella)、交鏈孢霉屬(Alternaria)、Paraconiothyrium、肉座菌屬(Hypocrea)、Paraphaeosphaeria、犁頭霉屬(Absidia)、彎孢屬(Curvularia)、枝孢霉屬(Cladosporium)、疣瓶孢屬(Eladia)、正青霉屬(Eupenicillium)、暗球腔菌屬(Phaeosphaeria)、假裸囊菌屬(Pseudogymnoascus)、爪甲團(tuán)囊菌科Auxarthron和Chromocleista。另外，還有因測(cè)序失敗而無(wú)法確定種屬關(guān)系的9種真菌歸為未知菌，分別為ZJ6、ZJ9、ZJ17、ZJ29、ZJ35、ZJ55和ZJ62。在已分離鑒定的真菌中，以青霉屬真菌種居多，共11種，分別為ZJ2、ZJ3、ZJ12、ZJ15、ZJ22、ZJ23、ZJ25、ZJ26、ZJ31、ZJ34和ZJ64。其次，可培養(yǎng)真菌ZJ4、ZJ11、ZJ18和ZJ21屬于鐮刀菌屬；ZJ7、ZJ16和ZJ41屬于曲霉屬。其余的屬均只分離到1種真菌，分別是ZJ63為Chromocleista、ZJ58為Auxarthron、ZJ59為假裸囊菌屬、ZJ51為暗球腔菌屬、ZJ46為正青霉屬、ZJ38為枝孢霉屬、ZJ33為疣瓶孢屬、ZJ28為彎孢屬、ZJ14為犁頭霉屬的、ZJ13為Paraphaeosphaeria、ZJ1為肉座菌屬、ZJ10為赤霉屬、ZJ8為Paraconiothyrium以及ZJ5為交鏈孢霉屬。除ZJ14外，所有分離鑒定的真菌與基因庫(kù)中最相似的菌種的相似性均>97%。因此，ZJ14為犁頭霉屬的潛在新種。

表1 可培養(yǎng)真菌菌株18S rRNA基因序列分析結(jié)果Table 1 Results of 18S rRNA gene sequences of fungi strain isolated from soil sample

2.2 增氮和增溫對(duì)可培養(yǎng)真菌菌落數(shù)和群落結(jié)構(gòu)的影響

不增氮不增溫和增氮不增溫處理中，可培養(yǎng)真菌的總種數(shù)相同，均有15種，但是組成發(fā)生了變化，增氮增溫處理中共14種(表2)。與不增氮不增溫處理相比，增氮不增溫處理中新出現(xiàn)了3種可培養(yǎng)真菌，分別是Paraconiothyrium、Paraphaeosphaeria和暗球腔菌屬，并且3種新出現(xiàn)的真菌檢出率均≤1%。與此同時(shí)，犁頭霉屬、枝孢霉屬和Chromocleista3種可培養(yǎng)真菌在經(jīng)增氮處理后消失。其中枝孢霉屬真菌在不增氮不增溫處理中的檢出率為6.97%，其余兩種的檢出率均為0.48%。與不增氮不增溫組相比，增氮增溫處理中出現(xiàn)Paraconiothyrium菌和Paraphaeosphaeria，彎孢屬、枝孢霉屬和未知菌消失。與增氮不增溫組相比，增溫增氮組出現(xiàn)犁頭霉屬和Chromocleista，彎孢屬、暗球腔菌屬和未知菌消失。

增氮不增溫和增溫增氮處理顯著提高了荒漠草原可培養(yǎng)真菌的菌落數(shù)量(表2)。不增氮不增溫0-30 cm土層的可培養(yǎng)真菌的菌落總數(shù)為6.70×105CFU·g-1，與其相比，增氮不增溫處理顯著增加到1.45×106CFU·g-1(P<0.05),增溫增氮顯著增加到1.92×106CFU·g-1，但是二者間的菌落數(shù)差異不顯著(P>0.05)。不增氮不增溫處理的優(yōu)勢(shì)菌屬為青霉屬(49.75%)、曲霉屬(10.45%)、肉座菌屬(7.46%)、疣瓶孢屬(6.97%)、枝孢霉屬(6.97%)。增氮不增溫處理后的優(yōu)勢(shì)菌屬為青霉屬(35.73%)、鐮刀菌屬(22.35%)、交鏈孢霉屬(13.59%)、假裸囊菌屬(8.52%)和疣瓶孢屬(7.38%)，其鐮刀菌屬、交鏈孢霉屬、疣瓶孢屬、假裸囊菌屬、Auxarthron和未知菌的檢出率升高，青霉屬、曲霉屬、肉座菌屬、彎孢屬、正青霉屬的檢出率降低，赤霉屬和疣瓶孢屬兩個(gè)屬真菌的檢出率變化不大。分析發(fā)現(xiàn),經(jīng)增氮處理后5個(gè)優(yōu)勢(shì)菌屬中有3個(gè)被替代，青霉屬雖然還是優(yōu)勢(shì)菌屬，但是檢出率較對(duì)照有所降低，只有疣瓶孢屬真菌的檢出率沒(méi)有明顯變化。

與不增氮不增溫處理相比，增溫增氮處理中，肉座菌屬、疣瓶孢屬的檢出率降低，青霉屬和犁頭霉屬的檢出率沒(méi)有變化，其它菌屬的檢出率均升高(表2)。優(yōu)勢(shì)菌屬的組成和數(shù)量也發(fā)生了變化，青霉屬曲霉屬的檢出率升高、鐮刀菌屬、交鏈孢霉屬和Chromocleista是不增氮不增溫處理中新的優(yōu)勢(shì)菌。

表2 不同處理間0-30 cm土層可培養(yǎng)真菌群落組成及數(shù)量Table 2 Community composition and quantity of fungi at 0-30 cm soil depth among different treatments

注：同行相同指標(biāo)不同的小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。N1W0增氮不增溫；N0W0不增氮不增溫；N1W1增氮增溫。圖2同。Note：Different lowercase letters of same index in same row indicate significant difference among treatments at the 0.05 level. N1W0, Increasing nitrogen without increasing temperature; N1W1, Increasing nitrogen and temperature; N0W0, No chang to nitrogen or temperature; similarly for Fig. 2.

2.3 不同處理對(duì)可培養(yǎng)真菌多樣性的影響

在0-10、10-20和0-30 cm土層中增氮不增溫處理的物種豐富度指數(shù)、多樣性指數(shù)和均勻度指數(shù)均高于增溫增氮和不增氮不增溫處理(圖2)。在0-30 cm土層，增氮不增溫處理的物種豐富度指數(shù)和多樣性指數(shù)顯著高于不增氮不增溫和增溫增氮處理(P<0.05)。均勻度指數(shù)也呈相同變化趨勢(shì)與無(wú)顯著差異(P>0.05)。

圖2 不同處理的物種豐富度指數(shù)、香農(nóng)-威納指數(shù)和均勻度指數(shù)分析Fig. 2 Analyses of species richness index, Shannon-Wiener index and evenness index in different treatments

注：同一土層不同處理間不同的小寫(xiě)字母表示差異顯著 (P<0.05)。Note：Different lowercase letters above the columns indicate significant differences among the treatments at the same soil depth at the 0.05 level.

3 討論

3.1 模擬氮沉降對(duì)土壤可培養(yǎng)真菌的影響

增氮不增溫處理對(duì)土壤真菌數(shù)量的影響存在爭(zhēng)議。Bardgett等[23]認(rèn)為，在草地生態(tài)系統(tǒng)中，施氮對(duì)微生物群落的影響與高氮條件下真菌含量的減少有關(guān)。Nemergut和Tounsend[24]的研究結(jié)果也顯示高山凍原區(qū)草地為期18年的施氮試驗(yàn)使真菌的比例減少。而在美國(guó)科羅拉多長(zhǎng)期草地施氮試驗(yàn)研究站的研究發(fā)現(xiàn)，施氮增加了細(xì)菌的數(shù)量，而對(duì)真菌數(shù)量沒(méi)有影響[25]。陳美玲[15]對(duì)貝加爾草甸草原土壤微生物群落的研究表明增氮顯著增加了土壤中真菌和細(xì)菌的比值。這可能與增氮持續(xù)的時(shí)間、增氮量、生態(tài)系統(tǒng)的植物群落和土壤環(huán)境不同有關(guān)系。本研究中模擬氮沉降試驗(yàn)(每年施氮量100 kg·hm-2)使可培養(yǎng)真菌的總菌落顯著增加，增氮不增溫增加了可培養(yǎng)真菌的菌落數(shù)，表明增氮不增溫促進(jìn)了真菌的生長(zhǎng)或孢子的形成。同一試驗(yàn)區(qū)的研究表明氮素是試驗(yàn)區(qū)的主要限制因子，增氮不增溫可以顯著提高植物群落地下凈初級(jí)生產(chǎn)力[26]。但是試驗(yàn)區(qū)土壤可培養(yǎng)真菌與植物地下部分之間是對(duì)氮的可利用性存在競(jìng)爭(zhēng)而引起的菌落數(shù)增加還是群落地下凈初級(jí)生產(chǎn)力提高導(dǎo)致可分解有機(jī)物增加，進(jìn)而真菌數(shù)量增加，或者是二類(lèi)作用共同存在？具體機(jī)理有待進(jìn)一步研究。同時(shí)，由于試驗(yàn)地植被稀疏，建群種單一，所以增氮不增溫處理中可培養(yǎng)真菌群落組成的變化和優(yōu)勢(shì)種發(fā)生的替代主要是由試驗(yàn)地增氮引起。目前，氮沉降對(duì)土壤真菌群落多樣性的影響也沒(méi)有一致的結(jié)論。Newel等[26]的研究顯示，氮沉降增加了真菌的多樣性和豐富度。Robinson等[27]研究表明，模擬氮沉降5年，腐生真菌的多樣性呈降低的趨勢(shì)，然而在兩年的北極半荒漠生態(tài)系統(tǒng)的氮沉降試驗(yàn)卻對(duì)土壤腐生真菌的多樣性沒(méi)有影響。真菌群落的物種豐富度與生態(tài)系統(tǒng)中植物群落的多樣性有關(guān)，本試驗(yàn)區(qū)模擬增氮試驗(yàn)降低了植物群落Shannon-Wiener指數(shù)、物種豐富度和Margalef豐富度指數(shù)[28]。然而受增氮的影響，增氮后可培養(yǎng)真菌的物種豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)和多樣性指數(shù)都有不同程度的增加。這可能是由于土壤真菌群落與地上植物之間存在既相互促進(jìn)又競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)系[29]，加之土壤環(huán)境的異質(zhì)性，所以很難確定生境尺度中真菌具體受增氮還是其它環(huán)境因子的影響[30]。隋心等[31]研究結(jié)果顯示，氮沉降增加濕地土壤細(xì)菌多樣性有閾值限制性，而增氮對(duì)荒漠草原土壤可培養(yǎng)真菌多樣性影響是否具有閾值限制性還有待進(jìn)一步研究。本研究中增氮不增溫處理對(duì)不同屬可培養(yǎng)真菌檢出率的影響不同，總體來(lái)說(shuō)增氮不增溫改變了荒漠草原土壤可培養(yǎng)真菌的群落結(jié)構(gòu)，并且使優(yōu)勢(shì)菌屬發(fā)生了變化。具體機(jī)制有待下一步深入研究。

3.2 模擬增溫和氮沉降對(duì)可培養(yǎng)真菌的影響

目前，對(duì)于室外增溫試驗(yàn)引起土壤微生物變化有兩種觀(guān)點(diǎn)，其一是增溫對(duì)微生物的影響幾乎不存在或者很微弱[32-35]，其二是增溫對(duì)土壤微生物產(chǎn)生了顯著的影響[36-37]。這可能與增溫持續(xù)的時(shí)間、增溫幅度、生態(tài)系統(tǒng)不同以及試驗(yàn)地中原有微生物種類(lèi)不同有關(guān)。Gutknecht等[38]研究發(fā)現(xiàn)增溫和增氮交互作用比單獨(dú)增溫對(duì)加利福尼亞州草地土壤真菌/細(xì)菌的比值的影響更強(qiáng)烈。在條件適宜的情況下，草地土壤微生物的數(shù)量和多樣性與土壤溫度呈正相關(guān)關(guān)系[39]。在本研究區(qū)的其它研究表明，不增氮增溫處理顯著提高了土壤溫度[14]，降低了可培養(yǎng)真菌菌落數(shù)量和多樣性[17]。本研究中，遠(yuǎn)紅外線(xiàn)加熱模擬增溫和增氮的交互作用可以使可培養(yǎng)真菌的菌落數(shù)顯著升高，但是與增氮不增溫處理相比差異并不顯著；同時(shí)增溫增氮處理的交互作用使群落組成和優(yōu)勢(shì)屬發(fā)生了改變。這表明本研究增氮的基礎(chǔ)上增溫在可培養(yǎng)真菌的菌落數(shù)量方面沒(méi)有顯著的促進(jìn)作用。張宇[14]在本研究區(qū)對(duì)土壤特征的研究表明，增溫和增氮的交互作用改變了樣地土壤的水熱狀況。土壤水熱狀況的改變直接或間接導(dǎo)致了土壤中的植物及動(dòng)物的生長(zhǎng)環(huán)境及它們的代謝產(chǎn)物[40]，所以影響了土壤中可培養(yǎng)真菌的組成及數(shù)量，使群落組成和優(yōu)勢(shì)種發(fā)生了改變。孫良杰等[41]研究認(rèn)為溫度上升可能對(duì)土壤微生群落多樣性產(chǎn)生不同的影響，本研究增溫增氮交互作用對(duì)物種豐富度指數(shù)、均勻度指數(shù)和多樣性指數(shù)沒(méi)有明顯的影響，物種豐富度、均勻度和多樣性沒(méi)有顯著變化。

4 結(jié)論

本研究采用傳統(tǒng)平板培養(yǎng)法和微生物18S rRNA分子鑒定技術(shù)對(duì)連續(xù)6 年的室外遠(yuǎn)紅外線(xiàn)模擬增溫、人工施肥模擬增氮對(duì)短花針茅荒漠草原土壤可培養(yǎng)真菌的群落組成及其多樣性進(jìn)行了分析研究，結(jié)果表明：1)從內(nèi)蒙古荒漠草原土壤中共分離到17屬32種的可培養(yǎng)真菌(包括增氮不增溫、增溫增氮處理)，其中屬于青霉屬的種類(lèi)最多，有11種。2) 增氮不增溫、增溫增氮都顯著提高了荒漠草原可培養(yǎng)真菌的菌落數(shù)量。3) 增氮不增溫顯著提高了荒漠草原土壤可培養(yǎng)真菌的物種豐富度、均勻度和物種多樣性，使荒漠草原可培養(yǎng)真菌的群落組成和優(yōu)勢(shì)屬發(fā)生改變。4)增溫增氮使荒漠草原可培養(yǎng)真菌的群落組成和優(yōu)勢(shì)屬發(fā)生了改變，但對(duì)土壤可培養(yǎng)真菌的物種豐富度、均勻度和物種多樣性沒(méi)有顯著影響。

References:

[1] 高嵩.增溫和氮素添加對(duì)松嫩草原羊草群落結(jié)構(gòu)和功能的影響.長(zhǎng)春:東北師范大學(xué)博士學(xué)位論文,2012. Gao S.Effect of warming and nitrogen addition on structure and function ofLeymuschinensiscommunity in Songnen grassland.PhD Thesis.Changchun:Northeast Normal University,2012.(in Chinese)

[2] IPCC.IPCC WGI Fourth Assessment Report.Climatic Change:The Physical Science Basis.Geneva:Intergovernmental Panel on Climate Change,2007.

[3] Neff J C,Townsend A R,Gleixner G,Lehman S J,Turnbull J,Bowman W D.Variable effects of nitrogen additions on the stability and turnover of soil carbon.Nature,2002,419:915-917.

[4] Zhou X B,Zhang Y M,Alison D.Non-linear response of microbial activity across a gradient of nitrogen addition to a soil from the Gurbantunggut Desert,northwestern China.Soil Biology and Biochemistry,2012,47(1):67-77.

[5] 蘭玉坤.內(nèi)蒙古地區(qū)近50年氣候變化特征研究.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院碩士學(xué)位論文,2007. Lan Y K.Study on characteristics of climate changes in Inner Mongolia in recent 50 years.Master Thesis.Beijing:Chinese Academy of Agricultural Sciences,2007.(in Chinese)

[6] Yu M,Ellis J E,Epstein H E.Regional analysis of climate,primary production,and livestock density in Inner Mongolia.Journal of Environmental Quality,2004,33(5):1675-1681.

[7] Galloway J N,Townsend A R,Erisman J W,Bekunda M,Cai Z,Freney J R,Martinelli L A,Seitzinger S P,Sutton M A.Transformation of the nitrogen cycle:recent trends,questions,and potential solutions.Astronomy and Astrophysics,2008,565(9):89-93.

[8] Liu X J,Duan L,Mo J M,Du E Z,Shen J L,X K Lu,Zhang Y,Zhou X B,He C,Zhang F S.Nitrogen deposition and its ecological impact in China:An overview.Environmental Pollution,2011,159(10):2251-2264.

[9] 陳晨,王靖,潘學(xué)標(biāo),魏玉蓉,馮利平.CENTURY模型在內(nèi)蒙古草地生態(tài)系統(tǒng)的適用性評(píng)價(jià).草地學(xué)報(bào),2012,20(6):1011-1019. Chen C,Wang J,Pan X B,Wei Y R,Feng L P.Validation and adaptability evaluation of grass ecosystem model CENTURY in Inner Mongolia.Acta Agrestia Sinica,2012,20(6):1011-1019.(in Chinese)

[10] 中國(guó)科學(xué)院內(nèi)蒙古寧夏綜合考察隊(duì).內(nèi)蒙古植被.北京:科學(xué)出版社,1985. Comprehensive Investigation Team of China Academy of Science in Inner Mongolia and Ningxia.Inner Mongolia Vegetation.Beijing:Science Press,1985.(in Chinese)

[11] Kjoller A,Struwe S.Microfungi in ecosystems:Fungal occurrence and activity in litter and soil.Oikos,1982,39(3):389-422.

[12] 王晨晨,王珍,張新杰,李寅龍,劉軍利,韓國(guó)棟.增溫對(duì)荒漠草原植物群落組成及物種多樣性的影響.生態(tài)環(huán)境學(xué)報(bào),2014,23(1):43-49. Wang C C,Wang Z,Zhang X J,Li Y L,Liu J L,Han G D.Effect of warming on plant community composition and plant species diversity in the desert steppe.Ecology and Environmental Sciences,2014,23(1):43-49.(in Chinese)

[13] 楊陽(yáng).模擬增溫和氮素添加對(duì)內(nèi)蒙古荒漠草原土壤呼吸的影響.呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文, 2012. Yang Y.Effects of stimulated warming and nitrogen deposition on soil respiration in a desert steppe of Inner Mongolia.Master Thesis.Huhhot:Inner Mongolia Agricultural University,2012.(in Chinese)

[14] 張宇.荒漠草原土壤特性對(duì)增溫和施氮的響應(yīng).呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014. Zhang Y.The response of soil properties to experimental warming and nitrogen addition in desert steppe.Master Thesis.Huhhot:Inner Mongolia Agricultural University,2014.(in Chinese)

[15] 陳美玲.模擬增氮和增雨對(duì)貝加爾針茅草甸草原的植被、土壤以及土壤真菌群落的影響.長(zhǎng)春:東北師范大學(xué)碩士學(xué)位論文,2013. Chen M L.Effect of simulated nitrogen deposition and precipitation on plant community,soil and soil fungal community in aStipabaicalensisgrassland.Master Thesis.Changchun:Northeast Normal University.2013.(in Chinese)

[16] 孫盛楠.草甸草原土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與多樣性對(duì)增氮增雨的響應(yīng).長(zhǎng)春:東北師范大學(xué)博士學(xué)位論文,2015 Sun S N.Response of soil microbial community structure and diversity to nitrogen addition and increased precipitation on meadow steppe.PhD Thesis.Changchun:Northeast Normal University,2015.(in Chinese)

[17] 劉麗,賈美清,劉成寶,李陽(yáng),黃維,孫圣,馬成倉(cāng),張國(guó)剛.氣候變干變暖對(duì)內(nèi)蒙古荒漠草原土壤可培養(yǎng)真菌的組成及多樣性的影響.寧夏農(nóng)林科技,2014,55(1):37-39. Liu L,Jia M Q,Liu C B,Li Y,Huang W,Sun S,Ma C C,Zhang G G.Effect of warmer and drier climate on the culturable fungal composition and diversity of Inner Mongolia desert steppe soiI.Ningxia Journal of Agriculture and Forestry Science and Technology,2014,55(1):37-39.(in Chinese)

[18] 錢(qián)存柔,黃儀秀.微生物學(xué)實(shí)驗(yàn)教程.北京:北京大學(xué)出版社,1999:19-20. Qian C R,Huang Y X.Microbiology Experiment Course.Beijing:Beijing University Press,1999:19-20.(in Chinese)

[19] Gams W,Bissett J.Morphology and Identification ofTrichoderma.Basic Biology,Taxonomy and Genetics.London:Taylor and Francis Ltd.,1998,1:3-34.

[20] 齊祖同,孔華忠,孫增美.中國(guó)真菌志.曲霉屬及相關(guān)有性型.北京:科學(xué)出版社,2003:1-173. Qi Z T,Kong H Z,Sun Z M.Flora Fungorum Sinicorum.Aspergillusand Related Teleomorph Genus.Beijing:Science Press,2003:1-173.(in Chinese)

[21] Leslie J F,Summerell B A.TheFusariumLaboratory Manual.Oxford:Blackwell Publishing,2006:1-278.

[22] 孔華忠,王龍.中國(guó)真菌志.青霉屬及其相關(guān)有性型屬.北京:科學(xué)出版社,2007,35:1-269. Kong H Z,Wang L.Flora Fungorum SinicorumPenicilliumand Related Teleomorph Genus.Beijing:Science Press,2007,35:1-269.(in Chinese)

[23] Bardgett R D,Denton C S,Cook R.Below-ground herbivory promotes soil nutrient transfer and root growth in grassland.Ecology Letters,1999,2(6):357-360.

[24] Nemergut D R,Townsend A R.The effects of chronic nitrogen fertilization on alpine tundra soil microbial communities and implications for carbon and nitrogen cycling.Environmental Microbiology,2008,10(11):3093-3105.

[25] Bontti E E,Burke I C,Lauenroth W K.Nitrogen partitioning between microbes and plants in the shortgrass steppe.Plant and Soil,2011,342(1-2):445-457.

[26] Newell S Y,Arsuffi T L,Palm L A.Misting and nitrogen fertilisation of shoots of a saltmarsh grass:Effects upon fungal decay of leaf blades.Oecologia,1996,108(3):495-502.

[27] Robinson C H,Fisher P J,Sutton B C.Fungal biodiversity in dead leaves of fertilized plants ofDryasoctopetalafrom a high Arctic site.Mycological Research,1998,102(5):573-576.

[28] 李元恒.內(nèi)蒙古荒漠草原植物群落結(jié)構(gòu)和功能對(duì)增溫和氮素添加的響應(yīng).呼和浩特:內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文,2014. Li Y H.Responses of plant community structure and uunction to warming and nitrogen addition in a desert steppe of Inner Mongolia.PhD Thesis.Huhhot:Inner Mongolia Agricultural University,2014.(in Chinese)

[29] Jumpponen A,Johnson L.Can rDNA analyses of diverse fungal communities in soil and roots detect effects of environmental manipulation——A case study from tallgrass prairie.Mycologia,2005,97(6):1177-1194.

[30] Kolman H J,Ard K,Beatty C L.Fungal growth response to carbon and nitrogen limitation:Application of a model to laboratory and field data.Soil Biology Biochemistry,1987,19(6):621-629.

[31] 隋心,張榮濤,楊立賓,許楠,柴春榮,王繼豐,付曉玲,鐘海秀,邢軍會(huì),張玉,倪紅偉.模擬氮沉降對(duì)三江平原小葉章濕地土壤細(xì)菌多樣性的影響.草業(yè)科學(xué),2016,33(4):589-598. Sui X,Zhang R T,Yang L B,Xu N,Chai C R,Wang J F,Fu X L,Zhong H X,Xing J H,Zhang Y,Ni H W.Effect of simulation nitrogen depositions on bacterial diversity ofDeyeuxiaangustifoliain wetland of Sanjiang Plain.Pratacultural Science,2016,33(4):589-598.(in Chinese)

[32] Zhang N L,Liu W X,Yang H J,Yu X J,Gutknecht J L M,Zhang Z,Wan S Q,Ma K P.Soil microbial responses to warming and increased precipitation and their implications for ecosystem C cycling.Oecologia,2013,173(3):1125-1142.

[33] Zhou X Q,Chen C R,Wang Y F,Xu Z H,Duan J C,Hao Y B,Smaill S.Soil extractable carbon and nitrogen,microbial biomass and microbial metabolic activity in response to warming and increased precipitation in a semiarid Inner Mongolian grassland.Geoderma,2013,206(9):24-31.

[34] Li Q,Bai H H,Liang W J,Xia J Y,Wan S Q,van der Putten W H.Nitrogen addition and warming independently influence the belowground micro-food web in a temperate steppe.PLoS One,2013,8(3):e60441.

[35] Papanikolaou N,Britton A J,Helliwell R C,Johnson D.Nitrogen deposition,vegetation burning and climate warming act independently on microbial community structure and enzyme activity associated with decomposing litter in low-alpine heath.Global Change Biology,2010,16(11):3120-3132.

[36] Haugwitz M S,Michelsen A.Soil microorganisms respond to five years of climate change manipulations and elevated atmospheric CO2in a temperate heath ecosystem.Plant and Soil,2014,374(1-2):211-222.

[37] Dennis P G,Newsham K K,Rushton S P,Ord V J,Donnell A G,Hopkins D W.Warming constrains bacterial community responses to nutrient inputs in a southern,but not northern,maritime Antarctic soil.Soil Biology and Biochemistry,2013,57(3):248-255.

[38] Gutknecht J L M,Field C B,Balser T C.Microbial communities and their responses to simulated global change fluctuate greatly over multiple years.Global Change Biology,2012,18(7):2256-2269.

[39] 韓叢叢,楊陽(yáng),劉秉儒,謝應(yīng)忠.草地土壤微生物多樣性影響因子.草業(yè)科學(xué),2014,31(12):2242-2250. Han C C,Yang Y,Liu B R,Xie Y Z.Influencing factors of soil microbial diversity in grass land.Pratacultural Science,2014,31(12):2242-2250.(in Chinese)

[40] Weltzin J F,Bridgham S D,Pastor J,Chen J,Harth C.Potential effects of warming and drying on peatland plant community composition.Global Change Biology,2003,9(2):141-151.

[41] 孫良杰,齊玉春,董云社,彭琴,何亞婷,劉欣超,賈軍強(qiáng),曹叢叢.全球變化對(duì)草地土壤微生物群落多樣性的影響研究進(jìn)展.地理科學(xué)進(jìn)展,2012,31(12):1715-1723. Sun L J,Qi Y C,Dong Y S,Peng Q,He Y T,Liu X C,Jia J Q,Cao C C.Research progresses on the effects of global change on microbial community diversity of grassland soils.Progress in Geography,2012,31(12):1715-1723.(in Chinese)

(責(zé)任編輯 茍燕妮)

Effect of warming and nitrogen addition on the community composition and diversity of cultivatable fungi from the desert steppe of Inner Mongolia

Jia Mei-qing1, Huang Jing2, Meng Yuan2, Han Guo-dong3, Jin Bao-hua2, Zhang Guo-gang2
(1.Tianjin Key Laboratory of Water Resource and Environment, College of Life Sciences, Tianjin Normal University, Tianjin 300387; 2.College of Life Sciences, Tianjin Normal University, Tianjin 300387, China; 3.College of Grassland, Resources and Environment, Inner Mongolia Agricultural University, Hohhot 010018, China)

To understand how to effectively manage a desert steppe environment during a period of warming and nitrogen deposition, the effects of nitrogen (N) addition and warming on the community structure and diversity of cultivatable fungi were studied. The dilution plate method was used together with the molecular analysis of 18S rRNA after the application of infrared radiation to simulate global warming and fungi were artificially fertilised for 6 years in a desert steppe with the dominant species ofStipabreviflorain Inner Mongolia. The results indicated that 17 fungal genera were isolated from the desert soil. N addition alone or with simulated warming led to a significant (P<0.05) increase in the total number of cultivatable fungi from 6.70×105colony-forming units·g-1in the untreated control to 1.45×106or 1.92×106colony-forming units·g-1, respectively. Moreover, the community composition and dominant species changed with N addition. With N addition alone, the dominant fungal generaAspergillus,Hypocrea, andCladosporiumwere replaced byFusarium,Alternaria, andPseudogymnoascus, and the species richness, evenness, and diversity significantly increased. The effect of N addition with simulated warming increased the abundance of the dominant fungal generaPenicilliumandAspergillus, and another three dominant fungal genera were replaced byFusarium,Alternaria, andChromocleista. Combining N addition with simulated warming had no significant effects on the species richness, evenness, and diversity of cultivable fungi, compared with N addition alone.

desert steppe;Stipabreviflora; 18S rRNA; cultivatable fungi; nitrogen addition; community composition; diversity

Zhang Guo-gang E-mail:zhangguogang@163.com

2016-09-26 接受日期：2017-04-21

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31500365、31100330、31270502);天津市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2JCYBJC19700);天津市科技支撐資助項(xiàng)目(15ZCZDSF00410)

賈美清(1978-)，女，山西偏關(guān)人，實(shí)驗(yàn)師，碩士，研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)。E-mail：jiameiqing@mail.nankai.edu.cn

張國(guó)剛(1976-)，男，東北榆樹(shù)人，副教授，博士，研究方向?yàn)橥寥郎鷳B(tài)。E-mail：zangguogang@163.com

10.11829/j.issn.1001-0629.2016-0502

S812.2;Q948.15

A

1001-0629(2017)07-1397-11

賈美清,黃靜,孟元,韓國(guó)棟,金寶花,張國(guó)剛.增溫和增氮對(duì)荒漠草原土壤可培養(yǎng)真菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響.草業(yè)科學(xué),2017,34(7)：1397-1407.

Jia M Q,Huang J,Meng Y,Han G D,Jin B H,Zhang G G.Effects of warming and nitrogen addition on the community composition and diversity of cultivatable fungi from the desert steppe of Inner Mongolia.Pratacultural Science，2017,34(7)：1397-1407.