倪秀雅,馮永霞,李如華,尚 鶴,陳 展

中國(guó)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(guó)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(wèn)題之一,由于酸沉降對(duì)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(guó)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(wèn)題。我國(guó)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(lái)我中國(guó)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(huì)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(guó)南方和西南地區(qū)的土壤緩沖能力較低對(duì)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(huì)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(huì)相應(yīng)地大幅增加。鑒于我國(guó)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(huì)使本已嚴(yán)峻的局勢(shì)惡化[5],因此,酸沉降在我國(guó)南方仍然是一個(gè)嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題[2, 8—9]。

重慶鐵山坪是我國(guó)酸雨研究的熱點(diǎn)地區(qū)之一,自2000年以來(lái),鐵山坪就已成為中挪合作的中國(guó)酸沉降綜合影響觀測(cè)研究項(xiàng)目的五個(gè)觀測(cè)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(lái),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(duì)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(yíng)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(duì)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(yíng)林措施對(duì)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(chǎng)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(duì)象,通過(guò)對(duì)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(duì)土壤酸化和土壤真菌群落結(jié)構(gòu)的影響,以及對(duì)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(chǎng)(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(rùn)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(chǎng)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(yíng)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(yíng)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(guò)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(cè)定:土壤pH測(cè)定采用電位法;土壤陽(yáng)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(cè)定;土壤有機(jī)碳(SOC)用重鉻酸鉀容量-外加熱發(fā)測(cè)定;土壤全氮(TN)利用H2SO4-H2O2消煮后半微量定氮法測(cè)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(cè)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(cè)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(guó))說(shuō)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(cè)DNA的提取質(zhì)量,使用NanoDrop2000測(cè)定DNA濃度和純度;使用ITS1F(5′-CTTGGTCATTTAGAGGAAGTAA-3′)和ITS2R(5′-GCTGCGTTCTTCATCG ATGC-3′)對(duì)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(cè)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(guó)) 進(jìn)行回收產(chǎn)物純化,經(jīng)2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè),并用QuantusTMFluorometer (Promega, 美國(guó)) 對(duì)回收產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)定量。使用NEXTflexTMRapid DNA-Seq Kit(Bioo Scientific,美國(guó))進(jìn)行建庫(kù):(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(kù)模板的富集;(4)磁珠回收PCR產(chǎn)物得到最終的文庫(kù)。利用Illumina公司的Miseq PE300平臺(tái)進(jìn)行測(cè)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(duì)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(cè)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(duì)原始測(cè)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(guò)濾測(cè)序儀單次測(cè)序所得到的堿基序列(簡(jiǎn)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(guò)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(duì)序列(PE reads)之間的重疊(overlap)關(guān)系,將成對(duì)reads拼接(merge)成一條序列,最小overlap長(zhǎng)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(duì)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(duì)每條序列進(jìn)行物種分類注釋,比對(duì)unite8.0/its_fungi,設(shè)置比對(duì)閾值為70%。

本研究利用美吉生物云平臺(tái)(https://cloud.majorbio.com/)完成高通量測(cè)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(duì)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(duì)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(shì)對(duì)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(duì)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(duì)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(guò)對(duì)不同林型不同土層的土壤樣本進(jìn)行高通量測(cè)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(lái)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(shì)物種表現(xiàn)一致,子囊菌門(Ascomycota)相對(duì)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(duì)低一些(平均相對(duì)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(duì)豐度排在前兩位的優(yōu)勢(shì)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(duì)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(duì)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(lái),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(duì)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(shuō)明林型對(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)短可以代表環(huán)境因子對(duì)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(yáng)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(guò)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(wú)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(wú)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(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)、能量流動(dòng)過(guò)程中起著重要作用,土壤真菌是評(píng)價(jià)土壤質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)[33]。在酸沉降區(qū)域,對(duì)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(yíng)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(shuō)明土壤酸化緩解后有利于土壤真菌多樣化,這與對(duì)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(duì)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(duì)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(yíng)養(yǎng)元素,為真菌提供養(yǎng)分來(lái)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(duì)真菌群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響[40]。又有研究表明,無(wú)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(shì)[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(guò)對(duì)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(duì)植物生長(zhǎng)有促進(jìn)作用[42],而且也有利于其他微生物對(duì)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(zhǎng)。Zhang等[44]研究證實(shí)土壤酸化顯著降低了Mortierella的相對(duì)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(duì)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(duì)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(zhǎng)。只在香樟林中出現(xiàn)的Hygrocybe的營(yíng)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(cè)出Russulaceae、Russula、Tomentella以及Sebacina的相對(duì)豐度較高,而在其他林型中相對(duì)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(duì)土壤中營(yíng)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(duì)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(duì)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(duì)含量發(fā)生顯著變化,在酸度最高的酸雨處理下其相對(duì)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(duì)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(huì)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(huì)對(duì)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(duì)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(duì)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(shì),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。