潘 虹,崔福星,楊立賓,魏 丹,付曉宇,朱道光

黑龍江省科學(xué)院自然與生態(tài)研究所,哈爾濱 150040

倒木是林木生長(zhǎng)發(fā)育過程中由于老齡化、種間競(jìng)爭(zhēng)、自然或人為干擾造成死亡的一種粗木質(zhì)殘?bào)w(CWD)。倒木分解深刻影響了森林生態(tài)系統(tǒng)的碳庫(kù)儲(chǔ)存、群落更新、養(yǎng)分循環(huán)等關(guān)鍵過程,是林地重要的生態(tài)功能單元,在維持和穩(wěn)定森林生態(tài)系統(tǒng)的生物地球化學(xué)循環(huán)方面具有重要作用。

近年來(lái),倒木分解逐漸成為森林生態(tài)學(xué)研究熱點(diǎn)領(lǐng)域之一,內(nèi)容多集中于分解過程的生態(tài)功能[1],主要包括倒木養(yǎng)分的分解及釋放動(dòng)態(tài)[2]、木腐機(jī)制及功能菌群的降解機(jī)理[3]、分解過程的呼吸特征及呼吸貢獻(xiàn)[4]、土壤養(yǎng)分輸入中的碳循環(huán)對(duì)氣候變化的響應(yīng)[5—6]以及森林更新[7]等方面,而針對(duì)倒木分解過程中微生物群落組成及功能方面還缺乏深入探討。樹種的差異是如何影響倒木分解過程中真菌群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能的?前人研究發(fā)現(xiàn),倒木分解是小型動(dòng)物蠶食、微生物侵入、自然淋溶和風(fēng)化破碎交互作用的結(jié)果,微生物作為倒木的分解者之一,可將木質(zhì)中的大分子有機(jī)底物腐解,促使倒木結(jié)構(gòu)和質(zhì)量發(fā)生改變[8]。與此同時(shí),倒木通過異養(yǎng)呼吸、生物轉(zhuǎn)化與浸出等過程釋放多種營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),成為微生物的養(yǎng)分來(lái)源[9]。另外,有研究表明,在森林小尺度生境內(nèi),不同樹種倒木的化學(xué)結(jié)構(gòu)和物理性狀存在差異,隨著腐殖化進(jìn)程的加劇,這種差異不僅吸引著具有不同生態(tài)功能微生物的生長(zhǎng)繁殖,而且與真菌群落生物量之間存在定向關(guān)系。王越[10]、蔡琳穎[11]、張鐵等[12]在香樟、紅楠、甜櫧、三角槭、狹葉潤(rùn)楠等分解初期的研究中發(fā)現(xiàn),倒木自身質(zhì)量、含水率、孔隙結(jié)構(gòu)、木質(zhì)殘?bào)w碳結(jié)構(gòu)、含氮量等因素與真菌群落多樣性之間存在密切關(guān)聯(lián),森林群落類型、樹種影響了環(huán)境真菌的群落組成及分布規(guī)律。

大興安嶺北部地區(qū)是以寒溫帶針葉林作為地帶性植被的北方森林生態(tài)系統(tǒng),區(qū)內(nèi)輔以興安落葉松、白樺、樟子松為主要的建群種或優(yōu)勢(shì)種,是全球生態(tài)變化的重要敏感區(qū)。目前,全球范圍有關(guān)寒溫帶中高緯度森林倒木分解過程中真菌群落變化的相關(guān)研究并不廣泛,優(yōu)勢(shì)樹種倒木的養(yǎng)分差異及其對(duì)微生物群落帶來(lái)的動(dòng)態(tài)影響方面的研究還不夠深入。因此,本文在大興安嶺北部高山林區(qū)開展白樺(BetulaplatyphyllaSuk.)、興安落葉松(Larixgmelinii(Rupr.)Kuzen)、樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolicaLitv.)3種優(yōu)勢(shì)樹種倒木分解過程中真菌群落多樣性及功能差異等方面的研究,試圖探究(1)不同優(yōu)勢(shì)樹種倒木真菌群落的多樣性及功能變化;(2)影響倒木真菌群落分布的驅(qū)動(dòng)因子。研究結(jié)果為進(jìn)一步闡述寒溫帶森林生態(tài)系統(tǒng)中微生物參與的倒木分解、物質(zhì)返還及對(duì)土壤碳庫(kù)的貢獻(xiàn)提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)設(shè)置及樣品采集

研究地點(diǎn)位于黑龍江省大興安嶺呼中國(guó)家自然保護(hù)區(qū)(51°49′01″—51°49′19″N,122°59′33″—123°00′03″E),該地點(diǎn)地形平緩,海拔847—974 m,年均氣溫-4℃,年均降水量458.3 mm,年均相對(duì)濕度71%,年均蒸發(fā)量911 mm[13]。該地點(diǎn)共有平均胸徑>1 cm的木本植物41種,其中喬木4種,灌木37種,草本127種,隸屬于21科39屬[14]。

試驗(yàn)樣地內(nèi)設(shè)置20 m×20 m樣方,樣方內(nèi)要求以白樺(下文簡(jiǎn)稱Bp)、興安落葉松(下文簡(jiǎn)稱Lg)、樟子松(下文簡(jiǎn)稱Ps)為主要的建群種或先鋒樹種 。 2018年6月分別在處于生長(zhǎng)期的白樺、落葉松、樟子松上折取長(zhǎng)約50 cm、直徑約2 cm的健康枝條若干,將枝條均勻散布于樣方內(nèi)地表,一年后原位回收各倒木枝條樣品3根,經(jīng)封裝、標(biāo)記后帶回實(shí)驗(yàn)室,刮取土壤接觸面處枝條周皮5 g,用于真菌的DNA提取,每樣品3次重復(fù)。

1.2 分解倒木中真菌DNA的提取、擴(kuò)增及建庫(kù)

利用E.Z.N.A.? Soil DNA Kit(D5625-01,Omega,美國(guó))提取白樺、興安落葉松及樟子松凋落枝條樣品總DNA,采用1%的瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)DNA的提取質(zhì)量,使用超微量分光光度計(jì)(ND-2000,Thermo,美國(guó))檢測(cè)DNA濃度約10 ng/μL即可,電泳條帶均在20 kb以上,具有完整性,滿足擴(kuò)增要求。

利用GeneAmp? 9700型聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)基因擴(kuò)增儀(PCR儀)(9700,ABI,美國(guó)),使用引物SSU0817F(5′-TTAGCATGGAATAA TRRAATA GGA-3′)和1196R(5′-TCTGGACCTGGTGAGTTTCC-3′)對(duì)真菌內(nèi)源轉(zhuǎn)錄間隔區(qū)(ITS)基因序列進(jìn)行擴(kuò)增。反應(yīng)體系:5×FastPfu Buffer 4 μL,dNTPs(2.5 mmol/L)2 μL,Forward Primer(5 μmol/L)0.8 μL,Reverse Primer(5 μmol/L)0.8 μL,FastPfu Polymerase 0.4 μL,BSA 0.2 μL,Template DNA 10 ng,補(bǔ)充ddH2O至反應(yīng)體系20 μL。反應(yīng)條件:95℃預(yù)變性3 min,30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10℃直至停止。產(chǎn)物4℃保存,每樣本3次重復(fù)。

將同一倒木樣品的3次PCR產(chǎn)物混合后,首先,使用2%瓊脂糖凝膠3 μL上樣電泳檢測(cè),切膠回收擴(kuò)增產(chǎn)物,利用AxyPrep DNA Gel Extraction Kit(AP-GX-250,Axygen Biosciences,美國(guó))對(duì)產(chǎn)物進(jìn)行Tris-HCl洗脫純化;其次,使用2%瓊脂糖凝膠二次電泳檢測(cè),并使用QuantiFluorTM-ST藍(lán)色熒光定量系統(tǒng)(Promega,美國(guó))對(duì)回收產(chǎn)物進(jìn)行檢測(cè)定量;最后,使用NEXTflexTMRapid DNA-Seq Kit(5144-08,Bioo Scientific,美國(guó))建立MiSeq文庫(kù)。

1.3 高通量測(cè)序和數(shù)據(jù)處理

利用Illumina公司的MiSeq PE 300平臺(tái)對(duì)9份樣本的PCR擴(kuò)增產(chǎn)物進(jìn)行雙端測(cè)序,下機(jī)后對(duì)序列數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制,得到優(yōu)化序列。優(yōu)化序列的數(shù)據(jù)信息上傳至美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心序列閱讀檔案(NCBI SRA)數(shù)據(jù)庫(kù)(序列號(hào):SRP360510)。

使用Uparse(Version 11)[15],將得到的優(yōu)化序列在97%的相似度水平下進(jìn)行聚類,同時(shí)剔除嵌合體,根據(jù)最小樣本序列數(shù)對(duì)樣本序列進(jìn)行抽平,獲得OTU及代表序列。基于OTU分類水平樣本表,首先,使用R(Version 3.3.1)[16],統(tǒng)計(jì)不同分組中OTU數(shù)目并制作Venn圖,以展現(xiàn)不同樹種倒木分解中真菌OTU的組成及重疊情況。其次,使用Mothur(Version 1.30.2),計(jì)算不同分組下Shannon指數(shù),反映真菌群落的Alpha多樣性;Sobs指數(shù)反映實(shí)際觀測(cè)的物種數(shù)目;Chao1指數(shù)為估計(jì)的物種數(shù)目,反映真菌群落的豐富度。

基于Unite(Release 8.0)[17]ITS真菌分類學(xué)數(shù)據(jù)庫(kù),采用RDP classifier(Version 2.13)對(duì)OTU的代表序列進(jìn)行分類學(xué)注釋,設(shè)置序列比對(duì)的置信度閾值為0.7,得到每個(gè)OTU在各物種分類水平對(duì)應(yīng)的物種分類信息。基于真菌群落的分類信息及豐度數(shù)據(jù),使用R,采用One-way ANOVA方法檢驗(yàn)各物種在不同分組中的豐度差異,分別在門、屬水平上繪制柱形圖,以展示不同倒木分組內(nèi)的物種豐度分布及差異顯著性;使用R Ternary包繪制三元相圖,展示優(yōu)勢(shì)真菌在不同倒木分組間的分布比例。

使用R,基于不同分組下OTU、門、屬水平上的真菌多樣性數(shù)據(jù),將物種的差異和豐度作為權(quán)重,基于Bray-Curtis距離算法、Adonis組間差異檢驗(yàn)方法對(duì)分類數(shù)據(jù)進(jìn)行主坐標(biāo)分析(PCoA)[18]。此外,采用Pearson相關(guān)性算法、Bray-Curtis距離算法得到分組樣本的距離矩陣。通過繪制PCoA圖和組間距離矩陣圖,比較分析不同倒木分解中真菌群落的Beta多樣性。

使用R,在群落方面,通過Mantel tests分析檢驗(yàn)倒木養(yǎng)分矩陣與門、屬水平上真菌群落矩陣的相關(guān)關(guān)系;在物種方面,通過計(jì)算養(yǎng)分指標(biāo)與真菌各物種之間的Pearson相關(guān)系數(shù)及差異顯著性P值,獲得相關(guān)性數(shù)值列表,以評(píng)估不同群落、物種與倒木養(yǎng)分變量之間的關(guān)系。

使用Fungal traits[19]真菌功能性狀數(shù)據(jù)庫(kù),對(duì)樣本中真菌群落進(jìn)行功能注釋,繪制條形圖展示不同倒木的主要真菌生態(tài)類型。

1.4 養(yǎng)分指標(biāo)的測(cè)定方法

采用微量凱氏定氮法測(cè)定倒木樣品全氮含量;重鉻酸鉀容量法測(cè)定全碳含量;酸度計(jì)法檢測(cè)樣品pH值;烘干稱重法(60℃,48 h)測(cè)定樣品含水率;96孔板酶標(biāo)法測(cè)定纖維素、半纖維素、木質(zhì)素含量。

2 結(jié)果和分析

2.1 不同樹種倒木分解中真菌群落多樣性比較

序列經(jīng)質(zhì)控后得到356300條優(yōu)化序列,經(jīng)聚類后得到59個(gè)OTU。從Venn(圖1)可以直觀地表現(xiàn)出白樺(Bp)、興安落葉松(Lg)、樟子松(Ps)倒木組間OTU的比例及重疊情況,其中,Bp、Lg、Ps的真菌OTU占總OTU比率分別為77.97%、83.05%、61.02%,三組共有OTU占比52.54%,獨(dú)有OTU占比分別為15.25%、15.25%、0。可見,落葉松倒木分解過程中真菌種類最多,白樺次之,樟子松最少,僅存在與白樺或落葉松倒木上的獨(dú)有真菌數(shù)量相同,樟子松沒有獨(dú)有真菌。

圖1 基于OTU水平不同樹種倒木分解的真菌Venn圖

如表1,Coverage表示真菌物種文庫(kù)的覆蓋率,3種倒木樣本中真菌序列被測(cè)出的概率均達(dá)到0.99以上,可以反應(yīng)分解倒木上真菌的真實(shí)情況,在此前提下可開展不同樹種倒木分解過程中真菌群落Alpha多樣性指數(shù)變化及分析。

表1 不同樹種倒木分解中真菌群落Alpha多樣性指數(shù)

在分解的倒木中,Lg、Bp、Ps 樹種真菌群落的Shannon指數(shù)逐漸降低,說明3種倒木樣品中興安落葉松分解倒木中真菌群落具有較高的物種豐度或均勻度,Alpha多樣性最高,白樺次之,樟子松最低。另外,從實(shí)際觀測(cè)到的物種數(shù)目來(lái)看(Sobs指數(shù)表征),Lg倒木真菌數(shù)量最多,Bp次之,Ps最少。與Sobs指數(shù)相比,Chao1指數(shù)對(duì)稀有物種更為敏感,可表征物種的豐富度,下表可見,Lg倒木Chao1指數(shù)最高,Bp次之,Ps最少,說明興安落葉松分解倒木中不僅觀測(cè)到的物種數(shù)目最多,同時(shí)也具有稀有物種的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。差異性檢驗(yàn)表明,Shannon、Sobs與Chao1指數(shù)在Lg與Ps組間均呈現(xiàn)顯著差異,Bp與Lg組間、Bp與Ps組間均無(wú)顯著差異,可見,在3種不同樹種倒木分解過程中,興安落葉松、樟子松上真菌群落的Alpha多樣性差異顯著,白樺與其它樹種的Alpha多樣性盡管存在一定程度差異,但并不顯著。

2.2 主要真菌群落在不同樹種倒木分解中的組成及分布

圖2柱狀圖所示,門水平上,大興安嶺林地3種倒木上共檢測(cè)出2個(gè)已知真菌門,分別為Ascomycota(子囊菌門)、Basidiomycota(擔(dān)子菌門),其中Ascomycota為L(zhǎng)g組內(nèi)優(yōu)勢(shì)菌門,Basidiomycota為Bp、Ps組優(yōu)勢(shì)菌門,且Ascomycota菌門的相對(duì)豐度在不同倒木分組中呈現(xiàn)顯著差異,Basidiomycota呈極顯著差異。

圖2 基于門分類水平下倒木分解的真菌群落組成與分布

圖3柱狀圖所示,屬水平上,相對(duì)豐度0.01以上的真菌包括附毛菌屬(Trichaptum)、Acidea、傘菌綱未分類屬(Agaricomycetes unclassified)、子囊菌門未分類屬(Ascomycota unclassified)、肉座菌目未分類屬(Hypocreales unclassified)、散囊菌綱未分類屬(Eurotiomycetes unclassified)、Cryptotrichosporon等10個(gè)菌屬,其中Trichaptum為Bp、Ps優(yōu)勢(shì)菌屬,Acidea為L(zhǎng)g優(yōu)勢(shì)菌屬,且Trichaptum菌屬的相對(duì)豐度在不同倒木分組中呈極顯著差異,Acidea呈顯著差異。

圖3 基于屬分類水平下倒木分解的真菌群落組成與分布

圖2、圖3中三元相圖展示了白樺、興安落葉松、樟子松倒木對(duì)主要真菌類群的富集特征。結(jié)果表明,不同倒木樣本中真菌群落的組成和分布比例有所不同,其中,Ascomycota菌門,Acidea、Hypocreales unclassified、Basidiomycota unclassified菌屬主要分布于Lg;Basidiomycota菌門,以及Trichaptum、Cryptotrichosporon菌屬主要分布于Ps;Agaricomycetes unclassified、Ascomycota unclassified菌屬主要分布于Bp,各主要真菌類群在優(yōu)勢(shì)組別的相對(duì)豐度在0.05—0.96之間,體現(xiàn)了微生物在不同分解倒木中的分布差異性。

2.3 不同樹種倒木分解中真菌群落組間差異性分析

圖4所示,在門水平上,Bp、Ps組間相對(duì)距離為0.907,群落相似程度較高,Bp、Lg組間、Lg、Ps組間相對(duì)距離分別為-0.569、-0.171,群落差異性較大,但整體來(lái)看,Bp、Lg、Ps 3組倒木真菌群落組間的置信橢圓重疊性相對(duì)較高,P值為0.068,組間無(wú)顯著性差異。在屬、OTU水平上,Bp、Lg、Ps組間置信橢圓重疊性較低,相對(duì)距離分別在0.194—0.513、0.134—0.339之間,P值分別為0.005、0.001,說明不同樹種倒木在屬和OTU分類水平上的真菌群落均具有較低的相似性,組間呈現(xiàn)極顯著差異?？梢?不同樹種在屬、OTU水平上極顯著改變了倒木上真菌群落的Beta多樣性,間接說明OTU這種假定的分類層次在一定程度上客觀地反應(yīng)了屬水平上體現(xiàn)的物種群落信息。

圖4 不同樹種倒木分解的真菌群落PCoA分析及相關(guān)性矩陣

2.4 倒木分解中真菌群落主要生態(tài)類型

圖5可見,大興安嶺林地3種樹種倒木上真菌群落的主要生態(tài)類型為腐生型(Saprotroph)、病原型(Pathotroph)以及共生型(Symbiotroph),其中,腐生是Bp、Lg、Ps倒木上優(yōu)勢(shì)真菌的主要類型。同一生態(tài)類型下主要真菌類群存在不同的生活方式、營(yíng)養(yǎng)特征及宿主,Trichaptum為木質(zhì)腐生(Wood saprotroph),Acidea為土壤腐生(Soil saprotroph),Capnobotryella、Cystobasidiopsis等為未確定腐生(Undefined saprotroph),Cryptotrichosporon為植物病原(Plant pathogen),Anzia為地衣共生(Lichen symbiotroph)。此外,不同倒木上真菌群落的生態(tài)類型分布不同,Bp、Ps真菌主要以木質(zhì)腐生為主,其次為土壤腐生、植物病原及地衣共生等;Lg真菌則以土壤腐生為主,其次為木質(zhì)腐生及植物病原。綜上所述,腐生型是大興安嶺白樺、興安落葉松、樟子松倒木上真菌群落的主要生態(tài)類型,優(yōu)勢(shì)腐生真菌的生活方式及營(yíng)養(yǎng)特征在不同樹種間具有一定的差異性。

圖5 不同樹種倒木真菌群落的生態(tài)類型

2.5 不同樹種倒木養(yǎng)分差異及其與真菌群落的關(guān)聯(lián)分析

表2所示,養(yǎng)分指標(biāo)中,TC、TN、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在3種倒木中由高到低依次為Ps、Lg、Bp,MC、pH則以Bp最高,Lg次之,Ps最低,可見,不同養(yǎng)分指標(biāo)的含量在3種倒木間呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性。另外,在統(tǒng)計(jì)分析上,倒木基質(zhì)的pH、TC、TN、C/N、半纖維素、木質(zhì)素在Bp、Lg、Ps不同樹種間均存在顯著性差異。

表2 不同樹種倒木養(yǎng)分

表3中Mantel測(cè)試分析顯示倒木養(yǎng)分指標(biāo)與屬水平上真菌群落之間相關(guān)性更高(r=0.432,P=0.002),說明腐朽過程中養(yǎng)分指標(biāo)主要改變屬水平各物種的組成和分布。其中,通過Pearson相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),MC與Ascomycota unclassified之間呈現(xiàn)極顯著正相關(guān);纖維素、半纖維素、TN與Trichaptum呈極顯著或顯著正相關(guān);纖維素、TC、TN與Cryptotrichosporon呈顯著正相關(guān)性。另外,盡管養(yǎng)分指標(biāo)與門水平上真菌群落相關(guān)性較低(r=0.170,P=0.107),但纖維素、半纖維素與Basidiomycota呈現(xiàn)的正相關(guān)性驗(yàn)證了擔(dān)子菌門物種在倒木腐解初期的重要作用?？傊?通過多種相關(guān)分析,推測(cè)TN、TC、MC、纖維素、半纖維素是影響倒木上優(yōu)勢(shì)真菌群落分布的主要養(yǎng)分因素,對(duì)Basidiomycota、Trichaptum、Cryptotrichosporon、Ascomycota unclassified等菌群可能產(chǎn)生的富集作用,有待進(jìn)一步證實(shí)。

表3 倒木養(yǎng)分與真菌群落的相關(guān)性分析

3 討論

3.1 不同樹種倒木真菌群落多樣性變化

眾多研究表明,樹種類型是影響倒木真菌群落結(jié)構(gòu)的重要因素之一[11,20]。崔寶凱等對(duì)不同腐朽喬木真菌的聚類分析發(fā)現(xiàn),大興安嶺落葉松屬倒木上的真菌種類和數(shù)量明顯高于本地云杉屬和杉屬[21]。王越等對(duì)亞熱帶典型樹種與微生物群落相關(guān)研究得出,落葉闊葉樹種楓香、三角槭以及常綠闊葉樹種香樟、紅楠倒木上真菌群落組分發(fā)生明顯改變[10]。本研究對(duì)林地優(yōu)勢(shì)樹種倒木的真菌群落多樣性分析表明,與白樺、樟子松相比,興安落葉松倒木真菌群落具有較高的物種豐富度和均勻度,多樣性指數(shù)最高,樹種的差異顯著改變了倒木真菌群落的Alpha多樣性。造成這一結(jié)果的原因,一方面是由樹種自身不同的化學(xué)和結(jié)構(gòu)特性對(duì)真菌群落的影響決定的,另一方面是由林分中樹種的不同覆蓋度導(dǎo)致的寄主差異決定的,即興安落葉松屬作為區(qū)域原始天然林的建群種,擁有富集真菌的相對(duì)優(yōu)勢(shì)。

在倒木真菌群落組成上,多項(xiàng)研究表明,在Ascomycota、 Basidiomycota、 Mortierellomycota(被孢霉門)等菌門,以及Trichaptum、Oligoporussericeomollis(柔絲干酪孔菌)、Daedaleopsistricolor(三色擬迷孔菌)等菌屬為寒溫帶落葉松林、闊葉紅松林、針闊混交林優(yōu)勢(shì)樹種倒木上的主要真菌類群[22—23]。本研究中,Ascomycota、Basidiomycota菌門以及Trichaptum、Acidea菌屬是白樺、興安落葉松、樟子松倒木分解的優(yōu)勢(shì)菌群,這與上述他人研究結(jié)果部分一致?？梢?在北方森林生態(tài)系統(tǒng)中,盡管林分不同,但Basidiomycota、Ascomycota、Trichaptum是主導(dǎo)倒木初期分解的主要真菌類群。此外,在林地小環(huán)境下,樣地原位土壤真菌類型對(duì)倒木的群落組成產(chǎn)生重要的影響。楊立賓、隋心等在與本文同一樣地進(jìn)行土壤真菌群落的研究中認(rèn)為,大興安嶺落葉松林樣地土壤中存在Ascomycota、Basidiomycota、Zygomycota(接合菌門)、Chytridiomycota(壺菌門)、Mucoromycota(毛霉門)等優(yōu)勢(shì)菌群[13, 24],其中原位土壤中的Ascomycota、Basidiomycota菌門與腐朽倒木優(yōu)勢(shì)菌群一致,推測(cè)這些真菌類群在分解初期可能會(huì)突破土壤基質(zhì)向倒木接觸面延伸,成為了腐解過程的先驅(qū)者。

除此以外,本研究在呼中國(guó)家自然保護(hù)區(qū)監(jiān)測(cè)樣地3種倒木上共檢測(cè)出2個(gè)已知真菌門,10個(gè)豐度0.01以上菌屬,這與前人在豐林自然保護(hù)區(qū)針葉林倒木上檢出的主要真菌70屬[22]、官山自然保護(hù)區(qū)常綠闊葉林倒木真菌16種屬[25]、喀斯特常綠落葉闊葉混交林倒木31屬[12]相比甚少。究其原因可能為,本研究中倒木屬于Renvall[26]粗木質(zhì)殘?bào)w分解等級(jí)中的腐爛Ⅱ級(jí),木質(zhì)處于腐爛初期,基質(zhì)表面腐解程度低,殘?bào)w較硬,潰孔較小,對(duì)多種木腐真菌未起到較好的富集作用。此外,我國(guó)森林生態(tài)系統(tǒng)氣候多樣,相較熱帶、亞熱帶和溫帶森林,本研究樣地屬于中國(guó)寒溫帶最高緯度林區(qū),氣溫較低,樹種稀少,從而造成林地倒木真菌種類相對(duì)較少。

3.2 倒木養(yǎng)分及腐殖化差異對(duì)真菌群落的影響

有研究表明,同一環(huán)境,不同樹種間因自身理化特性及養(yǎng)分釋放規(guī)律的差別導(dǎo)致倒木腐殖化存在較大差異[27—28]。盡管本研究不同樹種倒木間的TC、TN、半纖維素、木質(zhì)素等養(yǎng)分指標(biāo)存在顯著性差異,但因不同喬木基質(zhì)的初始質(zhì)量不同,養(yǎng)分含量無(wú)法作為判斷倒木腐殖進(jìn)程的依據(jù)。

有研究證實(shí),N是真菌利用胞外酶分解倒木的重要元素[29],養(yǎng)分含量是衡量植物殘?bào)w分解速率的重要計(jì)量指標(biāo)[30],較高的TC、TN、纖維素、半纖維素、木質(zhì)素以及較低的C/N更利于植物殘?bào)w的分解[31]。本研究中樟子松倒木TC、TN、木質(zhì)纖維素含量最高,C/N最低,據(jù)此推測(cè)樟子松倒木可能是寒溫帶森林優(yōu)勢(shì)喬木初期分解進(jìn)程最快、腐殖化程度最高的樹種。另外,康玲等學(xué)者對(duì)大興安嶺原始林中倒木分解的研究表明,興安落葉松倒木中的C、N、木質(zhì)纖維素等養(yǎng)分含量顯著大于白樺,與本研究結(jié)果一致。該研究還認(rèn)為,興安落葉松倒木的分解常數(shù)為0.0121/a(R2=0.9715),白樺為0.2859/a(R2=0.8915),白樺倒木的分解速率明顯高于興安落葉松[32]。倘若本研究通過養(yǎng)分指標(biāo)比對(duì)(表2所示)得出興安落葉松倒木分解速率高于白樺,則與上述康玲的研究結(jié)果相反。除了上述TC、TN、木質(zhì)纖維素等養(yǎng)分指標(biāo)外,含水率也是影響倒木呼吸的重要因子[10],本研究中白樺倒木含水率顯著高于興安落葉松,在一定的閾值內(nèi)較高的儲(chǔ)水條件會(huì)增加倒木表面潰孔,提高透氣性,從而加速白樺分解?？梢?造成不同樹種倒木腐殖化差異的因素復(fù)雜多樣,學(xué)者應(yīng)進(jìn)行多角度比較,盡可能得到合理的綜合分析結(jié)論。

真菌是腐朽倒木的重要分解者,倒木養(yǎng)分、腐殖化等級(jí)與真菌群落的變化息息相關(guān)[33]。有研究表明,N含量是影響倒木分解的重要指標(biāo),盡管可溶性有機(jī)C、N因自然作用不斷淋失,但倒木的分解增大了微生物的N固持,從而導(dǎo)致分解初期N含量升高[34]。還有研究表明,較高的N 含量不僅可以加速倒木的分解進(jìn)程,也有利于營(yíng)腐生菌群的代謝繁殖,與真菌群落存在正相關(guān)關(guān)系[35]。此外,在倒木分解初期,自然淋溶及分解者的呼吸作用促進(jìn)了部分纖維素的解聚,從而造成有機(jī)碳、纖維素、半纖維素含量逐漸下降,木質(zhì)素含量逐漸上升[36—37]。本研究倒木養(yǎng)分與真菌群落的關(guān)聯(lián)分析也證實(shí),在門水平上,Basidiomycota與TC、TN、纖維素、半纖維素含量存在正相關(guān)性,這與崔福星等研究者在大興安嶺落葉松倒木研究中得出的結(jié)論一致[23]。

木腐真菌是主導(dǎo)倒木分解的重要微生物類群,包括偏好纖維素、半纖維素水解的褐腐真菌,以及偏好木質(zhì)素降解的白腐真菌[38]。本研究中,Trichaptum為屬水平上3種倒木的優(yōu)勢(shì)菌群,也是白腐真菌的主要類群之一,從熱帶到溫帶森林腐朽木質(zhì)上均有不同種類發(fā)生,由于倒木樣本屬于腐爛Ⅱ級(jí),處于分解初期,該時(shí)期木質(zhì)殘?bào)w中大部分菌群未經(jīng)木腐條件的長(zhǎng)期馴化,功能性分化不明顯,Trichaptum并未展現(xiàn)出木質(zhì)白腐特性。李俊凝等學(xué)者在木腐真菌多樣性與寄主倒木關(guān)系的研究中,認(rèn)為腐爛Ⅱ級(jí)倒木與白腐真菌多度具有極顯著相關(guān)性[22],這與本研究中的Trichaptum為一年期倒木優(yōu)勢(shì)菌群結(jié)果一致,說明Trichaptum菌屬可能是大興安嶺寒溫帶森林倒木腐朽初期的主要分解者。此外,在關(guān)聯(lián)分析中,Trichaptum菌屬展現(xiàn)了與纖維素、半纖維素極顯著的正相關(guān)性。有研究表明,白腐真菌通過分泌多種水解酶降解木材中的部分纖維素、半纖維素和木質(zhì)素等大分子多糖物質(zhì),促使木質(zhì)喪失纖維結(jié)構(gòu)而腐朽[28],反之,這些多糖物質(zhì)對(duì)倒木優(yōu)勢(shì)真菌的影響如何?目前,樹種特性對(duì)真菌的影響主要是基于群體數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),纖維素、半纖維素及木質(zhì)素對(duì)優(yōu)勢(shì)菌群的影響研究相對(duì)匱乏,急需開展條件控制實(shí)驗(yàn)進(jìn)行深入探討,以補(bǔ)充倒木寄主特性對(duì)真菌群落分布及生態(tài)功能的影響。

4 結(jié)論

大興安嶺呼中國(guó)家自然保護(hù)區(qū)寒溫帶森林優(yōu)勢(shì)樹種倒木上共檢測(cè)出2個(gè)真菌門、10個(gè)真菌屬(相對(duì)豐度≥0.01),優(yōu)勢(shì)門為Ascomycota、Basidiomycota,優(yōu)勢(shì)屬為Trichaptum、Acidea,各優(yōu)勢(shì)菌群的相對(duì)豐度在不同倒木中差異顯著;倒木組內(nèi)真菌群落Alpha多樣性由高到低依次為興安落葉松、白樺、樟子松,樹種差異極顯著的改變了OTU、屬水平上倒木組間真菌群落的Beta多樣性;腐生型是3種倒木上優(yōu)勢(shì)真菌的主要生態(tài)類型,木質(zhì)腐生、土壤腐生為真菌類群的主要生活方式;推測(cè)TN、TC、MC、纖維素、半纖維素可能是影響倒木真菌群落分布的主要因素,對(duì)Basidiomycota、Trichaptum、Cryptotrichosporon等菌群產(chǎn)生的富集作用有待進(jìn)一步證實(shí)。