魏曉帥 郭米山 高廣磊,2,? 任悅 丁國(guó)棟,2 張英

呼倫貝爾沙地樟子松根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)與功能群特征

魏曉帥1郭米山1高廣磊1,2,?任悅1丁國(guó)棟1,2張英1

1.北京林業(yè)大學(xué)水土保持學(xué)院, 水土保持國(guó)家林業(yè)與草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083; 2.寧夏鹽池毛烏素沙地生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站, 吳忠 751500; ?通信作者, E-mail: gaoguanglei@bjfu.edu.cn

為揭示呼倫貝爾沙地樟子松根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)和功能群特征, 以呼倫貝爾沙地樟子松天然林和不同林齡人工林為研究對(duì)象, 采用野外調(diào)查和分子生物學(xué)相結(jié)合的方法, 鑒定并分析沙地樟子松根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)和功能群特征。在呼倫貝爾沙地樟子松根尖樣品中共獲得 520 個(gè)真菌 OTUs, 隸屬于 5 門(mén) 87 科 197 屬, 其中擔(dān)子菌門(mén)()和子囊菌門(mén)()的相對(duì)豐度較高, 分別為 54.98%和 39.27%。天然林優(yōu)勢(shì)菌屬為雙子擔(dān)子菌屬()、紅菇屬()和, 人工林優(yōu)勢(shì)菌屬為乳牛肝菌屬()、和口蘑屬(), 其余菌屬的相對(duì)豐度隨林齡的變化波動(dòng)較大。沙地樟子松人工林根內(nèi)真菌多樣性指數(shù)隨林齡增長(zhǎng)均呈降低趨勢(shì), 成熟林根內(nèi)真菌多樣性指數(shù)顯著低于沙地樟子松近熟林、中齡林和天然林(<0.05)。沙地樟子松天然林與人工林根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)變異性較小。其中, 天然林與成熟林根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)差異較大, 與近熟林根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)最接近。共生營(yíng)養(yǎng)型真菌比例隨林齡增長(zhǎng)而逐漸增大, 腐生營(yíng)養(yǎng)型和病理營(yíng)養(yǎng)型真菌比例隨林齡增長(zhǎng)逐漸減小; 天然林與近熟林共生營(yíng)養(yǎng)型真菌的占比較為接近, 腐生營(yíng)養(yǎng)型真菌在天然林中占比較大。沙地樟子松根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 物種豐富多樣, 外生菌根真菌和未定義腐生菌為主要功能類(lèi)群, 部分真菌在不同林分的生態(tài)策略存在差異。

根內(nèi)真菌; 沙地樟子松; 呼倫貝爾沙地; 多樣性; 群落結(jié)構(gòu); 生態(tài)功能群

沙地樟子松(var.)耐寒, 耐旱, 耐貧瘠[1], 是我國(guó)北方農(nóng)田防護(hù)林和防風(fēng)固沙林的重要樹(shù)種。20 世紀(jì) 50 年代, 科爾沁沙區(qū)率先引種栽植大量沙地樟子松苗木, 之后沙地樟子松被大規(guī)模引種, 推廣至我國(guó)北方荒漠化地區(qū)。但是, 自 20 世紀(jì) 90 年代起, 科爾沁沙地樟子松人工林出現(xiàn)葉枝枯黃、長(zhǎng)勢(shì)衰退和病蟲(chóng)害爆發(fā)等問(wèn)題[2]。此后, 各地引種栽植的沙地樟子松人工林均出現(xiàn)不同程度的衰退現(xiàn)象。沙地樟子松人工林衰退已成為制約我國(guó)北方風(fēng)沙區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)和農(nóng)林牧業(yè)發(fā)展的重大問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外學(xué)者以沙地樟子松人工林衰退為核心, 圍繞土壤水分、養(yǎng)分、溫度和光照等進(jìn)行研究, 取得一定的成果[3–5], 但沙地樟子松人工林的衰退問(wèn)題依然沒(méi)有得到有效的解決。

土壤真菌是土壤系統(tǒng)中重要的微生物類(lèi)群, 不僅參與凋落物分解, 促進(jìn)土壤有機(jī)質(zhì)積累和轉(zhuǎn)化[6], 驅(qū)動(dòng)和調(diào)控生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)能量循環(huán)[7], 而且促進(jìn)植物吸收水分和養(yǎng)分, 減輕干旱、鹽分和重金屬等脅迫因素的危害[8–10], 對(duì)增強(qiáng)植物適應(yīng)性和抗逆性具有重要意義[10]。沙地樟子松根內(nèi)真菌群落組成復(fù)雜, 多樣性豐富, 是典型的菌根依賴型喬木樹(shù)種[11]。因此, 土壤真菌可能是對(duì)沙地樟子松衰退具有重要影響的生物因素[12–13]。已有部分學(xué)者致力于沙地樟子松根內(nèi)真菌研究, 但大多聚焦于沙地樟子松根內(nèi)真菌群落組成或特定菌種對(duì)于沙地樟子松生長(zhǎng)和生理過(guò)程的影響[14–16], 對(duì)根內(nèi)真菌功能群特征的研究較為薄弱。

呼倫貝爾沙地不僅是沙地樟子松的天然分布區(qū), 還是沙地樟子松的重要造林區(qū)。呼倫貝爾沙地樟子松天然林和人工林面積廣大, 長(zhǎng)勢(shì)良好, 研究其根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)和功能群特征對(duì)深入理解土壤真菌與沙地樟子松衰退之間的關(guān)系具有重要意義。本文以呼倫貝爾沙地樟子松天然林和人工林為研究對(duì)象, 對(duì)比分析沙地樟子松天然林和人工林根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)和功能群特征, 以期為破解沙地樟子松衰退問(wèn)題提供參考借鑒。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部呼倫貝爾沙地(N47°36′—49°13′, E118°58′—120°32′), 屬于中溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候區(qū), 年均氣溫為–0.3~0℃, 年平均降水量為 280~359mm, 年均蒸發(fā)量為 1400~ 1900mm, 年均日照小時(shí)數(shù)為 2558.6。研究區(qū)內(nèi)主要土壤類(lèi)型為風(fēng)沙土, 養(yǎng)分含量較低, 喬木植被主要為沙地樟子松、山楊()、白樺()、蒙古櫟()、興安落葉松()以及山楊等。灌草植被主要為羊草()、針茅()、小葉錦雞兒()以及黃柳()等。

1.2 樣品采集與處理

2017 年 7 月, 在呼倫貝爾紅花爾基國(guó)家森林公園和海拉爾區(qū)國(guó)家森林公園分別采集沙地樟子松天然林和人工林細(xì)根樣品和土壤樣品, 采樣位置見(jiàn)圖 1。研究區(qū)內(nèi)各樣地具有相同的土地利用歷史, 在種植樟子松后均沒(méi)有任何經(jīng)營(yíng)與管理措施。天然林與人工林相距約 100km, 人工林各個(gè)樣地之間距離2~9km 不等。在各樣地內(nèi)分別布設(shè) 50m×50m 的實(shí)驗(yàn)樣方, 通過(guò)生長(zhǎng)錐確定樹(shù)木年齡, 將其劃分為中林齡(HBh)、近熟林(HBn)和成熟林(HBm)[1]。林分每木檢尺后, 在每個(gè)樣地內(nèi)分別選取間距 8m 以上的 5 棵樟子松標(biāo)準(zhǔn)木作為采樣對(duì)象。使用鐵鍬移除林木基部半徑 1m 以內(nèi)的地表灌草植被和枯落物。土壤樣品采集深度為 0~20cm。小心掘取根樣, 挖至根末級(jí), 挑除其他植物混雜的根系, 將沙地樟子松細(xì)根樣品裝入塑封袋內(nèi), 細(xì)根樣品帶有少許新鮮土壤用以保鮮, 挖取的干土和鮮土分開(kāi)封裝并標(biāo)號(hào), 最后將裝有根樣和鮮土的塑封袋放入 4℃便攜恒溫箱內(nèi)保存。樣地的詳細(xì)情況見(jiàn)表1。

1.3 土壤理化性質(zhì)測(cè)定

將土壤樣品風(fēng)干, 過(guò) 0.15mm 篩, 進(jìn)行理化性質(zhì)分析。采用環(huán)刀烘干稱重法測(cè)定土壤孔隙度(SP)和土壤含水量(SWC), 采用 pH 分析儀測(cè)定土壤的pH, 采用重鉻酸鉀稀釋熱法測(cè)定土壤有機(jī)碳(SOC), 采用全自動(dòng)化學(xué)分析儀(Smartchem 200, 意大利)測(cè)定土壤全氮(TN)和全磷(TP)含量。采用碳酸氫鈉浸取、鉬銻抗比色法測(cè)定速效磷; 用醋酸銨浸取后, 用火焰光度計(jì)測(cè)定速效鉀[17]。

1.4 根內(nèi)真菌分子生物學(xué)鑒定

細(xì)根樣品帶回實(shí)驗(yàn)室, 轉(zhuǎn)入–80℃冰箱保存, 用蒸餾水小心地沖掉細(xì)根樣品上的沙土和雜物, 挑出菌根, 剪成 10cm 左右的小段, 置于培養(yǎng)皿中進(jìn)一步清洗干凈。將每個(gè)樣地中 5 棵樹(shù)菌根末級(jí)根剪下后, 充分混合, 再隨機(jī)分成 5 份, 作為 5 個(gè)重復(fù)組樣品。選取 PowerSoil? DNA Kit (MOBIO 公司,美國(guó))試劑盒對(duì)菌根根尖樣品進(jìn)行 DNA 提取, 利用 1%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)抽提的基因組 DNA。用真菌通用引物 ITS1 和 ITS2 進(jìn)行菌根 rDNA ITS 區(qū)段 PCR擴(kuò)增。將 PCR 產(chǎn)物混合后, 用 2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè), 使用 AxyPrepDNA 凝膠回收試劑盒(AXYGEN公司, 美國(guó))切膠回收 PCR 產(chǎn)物, 用 Tris-HCl 緩沖液洗脫后, 使用 2%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)。合格的 PCR產(chǎn)物用于 Illumina Miseq 上機(jī)測(cè)序。

由北京奧維森生物科技有限公司完成 PCR 產(chǎn)物測(cè)序工作, 結(jié)果用相似性大于 97%的 OTU 單元展示。在美國(guó)國(guó)立生物技術(shù)信息中心(NCBI)網(wǎng)站, 利用 BLAST 分析, 對(duì) OTU 代表序列進(jìn)行比對(duì), 并在界、門(mén)、綱、目、科、屬、種各個(gè)水平上注釋其群落的物種信息。若對(duì)比相似率≥97%, 則可以鑒定到種水平; 若相似率介于 90%~97%之間, 則可以鑒定到屬水平[18]。

1.5 數(shù)據(jù)分析方法

采用 R-3.5.1 中 Vegan 模塊, 計(jì)算沙地樟子松林根內(nèi)真菌 Simpson、Shannon 和 Pielou 等多樣性指數(shù)。Sorenson 相似性系數(shù)(Cs)和 Jaccad 相似性系數(shù)(Cj)采用公式 Cj=/(+–)和 Cs=2/(+)(其中為樣地 1 和樣地 2 的共有物種數(shù),為樣地 1 的物種數(shù),為樣地 2 的物種數(shù))計(jì)算得到。采用 SPSS 20.0 進(jìn)行單因素方差和相關(guān)性分析, 置信水平為 0.05。采用 OriginPro 2018 進(jìn)行相對(duì)豐度堆積圖和熱點(diǎn)圖繪制, 并分析不同樣地之間根內(nèi)真菌群落的差異性。利用 Canoco for Windows 4.5 進(jìn)行根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)和土壤理化性質(zhì)的 RDA 分析及 PCA 圖的繪制。利用 Gephi-0.9.2 進(jìn)行沙地樟子松根內(nèi)真菌生態(tài)功能群網(wǎng)絡(luò)互作圖繪制。在 FUNGuild 數(shù)據(jù)庫(kù)解析沙地樟子松根內(nèi)真菌的生態(tài)功能類(lèi)別[19], 置信水平僅選取可能(probable)和很可能(highly probable)的OTUs 及其類(lèi)別。將復(fù)合營(yíng)養(yǎng)型和復(fù)合功能群真菌全部歸為其他營(yíng)養(yǎng)型(Other trophic mode)和其他真菌(Other fungi)。為避免擴(kuò)大功能類(lèi)別的指定, 刪除序列數(shù)小于 3 的 OTUs[18,20]。

表1 樣地基本情況

說(shuō)明: HBh表示中齡林, HBn表示近熟林, HBm表示成熟林, NF表示天然林。

2 結(jié)果與分析

2.1 沙地樟子松根內(nèi)真菌群落組成

從呼倫貝爾沙地樟子松根尖樣品中共獲得 982個(gè)真菌 OTUs, 將不能鑒定到科水平的 OTU 剔除后, 獲得 520 個(gè) OTUs, 隸屬于 5 門(mén) 15 綱 48 目 87 科 197屬。在門(mén)水平上, 擔(dān)子菌門(mén)()的真菌相對(duì)豐度最高(54.98%), 其次是子囊菌門(mén)()(39.27%), 結(jié)合菌門(mén)()相對(duì)豐度較低(2.59%), 而球囊菌門(mén)()和壺菌門(mén)()相對(duì)豐度不足0.1% (圖2)。

從圖 3 可以看出, 在屬水平上, 乳牛肝菌屬()在不同林齡沙地樟子松人工林中占比最大, 在中齡林、近熟林和成熟林中占比分別為 26.17%, 38.28%和 58.46%, 而在天然林中的占比相對(duì)較小(5.42%); 口蘑屬()、和被孢霉屬()的占比隨著林齡的增長(zhǎng)而逐漸減小。天然林中占比最大的物種為雙子擔(dān)子菌屬()(33.54%), 而它在人工林中占比較小, 在中齡林、近熟林和成熟林中占比分別為2.59%, 2.1%和 1.05%。

2.2 沙地樟子松根內(nèi)真菌多樣性

研究區(qū)沙地樟子松根內(nèi)真菌的 Shannon, Simp-son 和 Pielou 指數(shù)見(jiàn)表 2。隨著林齡增長(zhǎng), 沙地樟子松人工林根內(nèi)真菌多樣性指數(shù)均呈現(xiàn)逐漸降低趨勢(shì), 成熟林根內(nèi)真菌多樣性指數(shù)顯著低于沙地樟子松近熟林、中齡林和天然林(<0.05)。沙地樟子松天然林根內(nèi)真菌 Shannon 指數(shù)最高, 成熟林根內(nèi)真菌 Simpson 指數(shù)大于天然林, 天然林根內(nèi)真菌Pielou 指數(shù)最大, 分布最均勻。

2.3 沙地樟子松根內(nèi)真菌群落組成差異與相似性

沙地樟子松天然林和人工林根內(nèi)真菌群落組成的主成分分析結(jié)果如圖 4 所示。PC1 貢獻(xiàn)率為 14.3%, PC2 貢獻(xiàn)率為 13.2%, 成熟林樣本比較集中, 其余林分的樣點(diǎn)都有不同程度的分散與交錯(cuò), 中齡林與成熟林以及近熟林與天然林樣點(diǎn)之間的相對(duì)距離較短, 有較強(qiáng)的相似性, 天然林與人工林之間存在交錯(cuò), 且距離較近, 表明沙地樟子松天然林與人工林根內(nèi)真菌群落組成的變異性較小。

沙地樟子松天然林與不同林齡人工林根內(nèi)真菌群落組成的相似性如表 3 所示。近熟林與天然林最相似, 其 Jaccad 和 Sorenson 相似性指數(shù)最大, 分別為 0.85 和 0.92。中齡林與天然林的相似性指數(shù)次之, 且與近熟林和天然林相似性指數(shù)的差異不大。成熟林與天然林的 Jaccad 和 Sorenson 相似性指數(shù)最小, 僅為 0.77 和 0.87, 說(shuō)明成熟林與天然林根內(nèi)真菌差異較大。

沙地樟子松天然林與人工林根內(nèi)真菌 Top20 屬中有 9 個(gè)共有屬(表 4), 在各林齡中的比例分別為天然林 61.63%, 中齡林 79.16%, 近熟林 77.19%, 成熟林 78.13%。共有屬在天然林中占比較少, 但在各個(gè)林齡人工林之間的占比相差不大, 表明天然林與人工林根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)存在差異, 人工林各林齡之間根內(nèi)真菌群落組成相似。

表2 呼倫貝爾沙地樟子松根內(nèi)真菌多樣性分析

注: 不同小寫(xiě)字母表示不同林組之間差異顯著(<0.05), 下同。

表3 沙地樟子松根內(nèi)真菌物種組成相似性分析

2.4 沙地樟子松根內(nèi)真菌生態(tài)功能群

基于 FUNGuild 數(shù)據(jù)庫(kù)解析, 除去未鑒定類(lèi)群和復(fù)合型類(lèi)群, 呼倫貝爾沙地樟子松根尖樣品中根內(nèi)真菌可分為 3 種營(yíng)養(yǎng)模式和 10 個(gè)生態(tài)功能群(表5)。隨著林齡的增長(zhǎng), 共生營(yíng)養(yǎng)型真菌的占比逐漸增大, 腐生營(yíng)養(yǎng)型和病理營(yíng)養(yǎng)型真菌的占比逐漸減小。天然林與近熟林共生營(yíng)養(yǎng)型真菌的占比較為接近, 腐生營(yíng)養(yǎng)型真菌在天然林中占比較大。外生菌根真菌為主要生態(tài)功能群, 隨著林齡的增長(zhǎng)在各林齡中的占比逐漸增大, 在天然林與近熟林中的占比最接近。隨著林齡的增長(zhǎng), 內(nèi)生真菌、木質(zhì)腐生真菌、土壤腐生真菌和糞腐生真菌在各林齡中的占比逐漸減小。未定義腐生菌在天然林中的占比明顯大于人工林, 植物病原菌和動(dòng)物病原菌在沙地樟子松人工林中的占比均高于天然林, 在成熟林中占比最高。

表4 呼倫貝爾沙地樟子松根內(nèi)真菌Top 20屬中共有屬在各樣地的占比

表5 呼倫貝爾沙地樟子松根內(nèi)真菌功能分類(lèi)與相對(duì)豐度

呼倫貝爾沙地樟子松林根尖樣品中根內(nèi)真菌相對(duì)豐度與生態(tài)功能群共存網(wǎng)絡(luò)圖(圖 5)顯示, 沙地樟子松天然林與人工林共有功能群有 20 個(gè), 其中具有代表性的 7 個(gè)功能群如下: 1)外生菌根真菌群, 分類(lèi)單元有乳牛肝菌屬、紅菇屬()以及等; 2)未定義腐生菌群, 分類(lèi)單元有、毛霉屬()和雙子擔(dān)子菌屬; 3)杜鵑菌根真菌群, 分類(lèi)單元有、和; 4)外生菌根真菌–寄生菌群, 分類(lèi)單元有口蘑屬、、色釘菇屬() 和等; 5)動(dòng)物病原菌-未定義腐生菌群, 分類(lèi)單元有棒狀孢菌屬()、和; 6)內(nèi)生真菌群, 分類(lèi)單元有、、和; 7)糞腐生-植物腐生-木腐生菌群, 分類(lèi)單元有和。

獨(dú)有功能群在各個(gè)樣地中有所不同。在沙地樟子松天然林樣本獨(dú)有功能群中, 有外生菌根–未定義腐生–木腐生功能群中的; 葉片腐生–植物病原–未定義腐生–木腐生功能群中的和絲膜菌屬()以及動(dòng)物病原–植物病原–木腐生菌功能群中的。在沙地樟子松中齡林樣本獨(dú)有功能群中, 有真菌寄生–木腐生功能群中的和內(nèi)生真菌–植物病原–木腐生功能群中的。在沙地樟子松近熟林樣本獨(dú)有功能群中, 有糞腐生–內(nèi)生真菌–植物病原–未定義腐生功能群中的、動(dòng)物病原–糞腐生–內(nèi)生真菌–植物腐生–土壤腐生–木材腐生功能群中的以及真菌寄生功能群中的。在沙地樟子松成熟林樣本獨(dú)有功能群中, 有內(nèi)生真菌–植物病原–未定義腐生功能群中的。

2.5 土壤理化性質(zhì)對(duì)根內(nèi)真菌多樣性和營(yíng)養(yǎng)型的影響

沙地樟子松根圍土壤的理化性質(zhì)如表6所示。天然林中土壤全氮含量、土壤含水量和速效鉀含量顯著低于人工林(<0.05)。土壤全氮含量、土壤含水量和速效鉀含量在近熟林中最高, 分別為 0.7g/kg, 7.83%和 152.32mg/kg, 天然林最低, 為 0.14g/kg, 3.50%和 52.01mg/kg。天然林和成熟林土壤全磷含量顯著低于中齡林和近熟林(<0.05), 中齡林和近熟林中最高, 為 0.23g/kg, 天然林中最低, 為0.05g/kg。但是, 有機(jī)質(zhì)含量在天然林中最高, 并且顯著高于人工林(<0.05), 為 6.50g/kg, 成熟林中最低, 為 1.52g/kg, 有機(jī)質(zhì)含量隨著林齡增長(zhǎng)逐漸減小。研究樣地內(nèi)土壤均為弱酸性, 天然林 pH 值最高, 為 6.49, 人工林 pH 值隨著林齡增長(zhǎng)而增大。土壤含水量、全氮、速效磷和速效鉀的含量均在近熟林中最高, 表明土壤養(yǎng)分含量隨林齡增長(zhǎng)而先上升后下降。

根系周?chē)寥览砘再|(zhì)與根內(nèi)真菌多樣性指數(shù)和根內(nèi)真菌營(yíng)養(yǎng)型相對(duì)豐度的相關(guān)性見(jiàn)表 7。根內(nèi)真菌多樣性與土壤理化性質(zhì)均不存在顯著相關(guān)性(>0.05), 腐生營(yíng)養(yǎng)型真菌相對(duì)豐度與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間極顯著正相關(guān)(<0.05), 病理營(yíng)養(yǎng)型真菌相對(duì)豐度與土壤 pH 之間顯著負(fù)相關(guān)(<0.05), 與土壤全磷含量之間顯著正相關(guān)(<0.05)。不同樣地根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的冗余分析(RDA)以及Top20 共有屬與環(huán)境因子的冗余分析(RDA)結(jié)果顯示, 天然林樣本點(diǎn)受土壤理化因子的影響較小, 人工林樣本點(diǎn)受土壤理化因子的影響較大(圖 6(a)), 不同真菌屬與土壤因子之間的相關(guān)性強(qiáng)弱不等(圖6(b))。

表6 沙地樟子松林土壤理化性質(zhì)

注: pH為土壤pH值, SOM為土壤有機(jī)質(zhì)含量, AP為土壤速效磷含量, AK為土壤速效鉀含量。

3 討論

3.1 呼倫貝爾沙地樟子松根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)

從呼倫貝爾沙地樟子松林天然林和人工林根內(nèi)樣品中共獲得 520 個(gè)真菌 OTUs, 隸屬 5 門(mén) 87 科 197屬, 擔(dān)子菌門(mén)和子囊菌門(mén)是構(gòu)成沙地樟子松根內(nèi)真菌的主要類(lèi)群, 約占總數(shù)的 94%, 與華北落葉松()和白樺()等外生菌根依賴型樹(shù)種的根內(nèi)真菌群落組成[21,22]相似。子囊菌門(mén)和擔(dān)子菌門(mén)是土壤中主要分解群落[23-24], 子囊菌門(mén)大多數(shù)為腐生菌, 可以分解難降解性有機(jī)質(zhì)[25]; 擔(dān)子菌門(mén)腐生或寄生, 在潮濕的土壤中分解木質(zhì)纖維素[26]。沙地樟子松根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)隨林齡增長(zhǎng)出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化, 這種根內(nèi)真菌的自然演替現(xiàn)象在對(duì)山毛櫸()和楓林()的研究中也有[27], 原因可能是沙地樟子松林中的土壤和植被等環(huán)境因素隨林齡的增長(zhǎng)逐漸發(fā)生改變, 最終造成真菌群落組成和結(jié)構(gòu)的差異[19-28]。

呼倫貝爾沙地樟子松根內(nèi)真菌群落類(lèi)群豐富多樣, 為典型的外生菌根真菌依賴型樹(shù)種, 因此外生菌根真菌在天然林和人工林根內(nèi)真菌中均占主導(dǎo)地位。天然林中相對(duì)豐度最高的是雙子擔(dān)子菌屬, 其豐度與土壤含水量負(fù)相關(guān)。這是因?yàn)樵摼哂休^強(qiáng)的耐熱和耐旱性[29], 能較好地適應(yīng)天然林比人工林水分更匱乏的現(xiàn)象。人工林中乳牛肝菌屬相對(duì)豐度最大, 其次為菌屬。乳牛肝菌屬是對(duì)針葉樹(shù)種具有較高侵染特異性的外生菌根真菌之一, 是針葉樹(shù)種重要的根際益生菌, 能夠促進(jìn)根系對(duì)磷元素和水分的吸收[30], 但在 RDA 分析結(jié)果中, 該菌屬與土壤全磷含量之間沒(méi)有表現(xiàn)出較強(qiáng)的相關(guān)性, 原因可能是外生菌根真菌與植物根部建立共生關(guān)系, 其受根部的影響大于土壤等非生物因素的影響[31]。菌屬為深色有隔內(nèi)生真菌, 常常定殖于植物根部, 與土壤全磷含量有較強(qiáng)的相關(guān)性, 可以促進(jìn)植物對(duì)磷元素的吸收[32], 在中齡林中相對(duì)豐度最大, 在近熟林、天然林和成熟林中相對(duì)豐度依次減小。沙地樟子松根內(nèi)真菌優(yōu)勢(shì)屬在各個(gè)林分中的種類(lèi)和占比不同, 可能是由于不同真菌的定植策略和資源需求各不相同, 并且植物在不同生長(zhǎng)階段對(duì)不同功能性真菌也存在不同程度的偏好。沙地樟子松林土壤營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)貧乏[33], 中齡林和近熟林生長(zhǎng)階段需要吸收更多的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來(lái)維持自身的生長(zhǎng)需求, 因此其根系分泌物可能會(huì)吸引更多有利于植物吸收營(yíng)養(yǎng)的真菌定植[34]。土壤理化因子與沙地樟子松根內(nèi)真菌群落的多樣性之間無(wú)顯著相關(guān)性(>0.05), 成熟林根內(nèi)真菌多樣性指數(shù)顯著低于沙地樟子松近熟林、中齡林和天然林(<0.05)。多樣性產(chǎn)生差異的原因很多, 不同物種對(duì)周?chē)h(huán)境具有不同的適合度, 選擇過(guò)程導(dǎo)致不同物種間個(gè)體數(shù)量比例的差異[35], 進(jìn)而影響生物多樣性的分布格局。由于天然林的林齡結(jié)構(gòu)復(fù)雜, 根內(nèi)真菌趨于多樣化, 真菌分布更為均勻, 菌群結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性, 并且抵御外界真菌侵染的能力更強(qiáng)。

表7 沙地樟子松根內(nèi)真菌多樣性和營(yíng)養(yǎng)型相對(duì)豐度與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性

注: *表示相關(guān)性顯著, **表示相關(guān)性極顯著。

3.2 呼倫貝爾沙地樟子松根內(nèi)真菌功能群特征

呼倫貝爾沙地樟子松根內(nèi)真菌的營(yíng)養(yǎng)模式主要分為病理營(yíng)養(yǎng)型、腐生營(yíng)養(yǎng)型和共生營(yíng)養(yǎng)型 3 種, 共生營(yíng)養(yǎng)型在沙地樟子松根內(nèi)真菌中占據(jù)主導(dǎo)地位, 其次為腐生營(yíng)養(yǎng)型。同種營(yíng)養(yǎng)型的真菌在天然林及人工林各林齡之間出現(xiàn)不同的富集現(xiàn)象。其中, 腐生營(yíng)養(yǎng)型真菌相對(duì)豐度與土壤有機(jī)質(zhì)含量之間極顯著正相關(guān)(<0.05)。土壤有機(jī)質(zhì)是腐生營(yíng)養(yǎng)型真菌主要養(yǎng)分來(lái)源[36], 受地表枯落物、根系分泌物及根系分解的影響[32], 沙地樟子松人工林土壤有機(jī)質(zhì)含量隨著林齡增長(zhǎng)而逐漸減少, 腐生營(yíng)養(yǎng)型真菌的相對(duì)豐度也隨之減小, 同時(shí)共生營(yíng)養(yǎng)型真菌隨植物根部生長(zhǎng)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)逐漸增強(qiáng)[37]。有研究表明, 不同林齡結(jié)構(gòu)下土壤真菌類(lèi)群因植物根系和凋落物含量的不同而出現(xiàn)動(dòng)態(tài)變化[19,38]。因此, 共生營(yíng)養(yǎng)型真菌類(lèi)群和腐生營(yíng)養(yǎng)型真菌類(lèi)群在沙地樟子松根內(nèi)真菌中的占比極有可能受到植物根系和凋落物含量的共同影響[39]。病理營(yíng)養(yǎng)型真菌相對(duì)豐度與土壤全磷含量顯著正相關(guān)(<0.05), 與 pH 呈顯著負(fù)相關(guān)(<0.05), 原因可能是磷元素參與病理營(yíng)養(yǎng)型真菌多種生理過(guò)程和信號(hào)傳導(dǎo)[40–41]對(duì)病理營(yíng)養(yǎng)型真菌生長(zhǎng)和繁殖至關(guān)重要, 并且病原真菌在低 pH 環(huán)境下更容易存活[42]。因此, 沙地樟子松根內(nèi)真菌功能群結(jié)構(gòu)的改變受到土壤 pH、有機(jī)質(zhì)含量、土壤磷元素和植物生長(zhǎng)情況等因素的共同影響, 但其相互關(guān)系需進(jìn)一步研究。部分內(nèi)生真菌會(huì)因環(huán)境不同表現(xiàn)出不同的生態(tài)策略[43], 甚至?xí)霈F(xiàn)多種生態(tài)策略共存的現(xiàn)象, 如外生菌根真菌群、外生菌根真菌–寄生菌群與糞腐生–植物腐生–木腐生功能群中的以及杜鵑菌根真菌群與外生菌根真菌–寄生菌功能群中的等, 這些真菌就表現(xiàn)出不同的生態(tài)策略。其中和在天然林中以外生菌根真菌的形式存在, 在人工林中卻以植物病原菌的形式存在。則恰恰相反, 在天然林中以植物病原菌的形式存在, 但在人工林中以外生菌根真菌的形式存在。這個(gè)結(jié)果支持有些具復(fù)雜生活史的病原菌在不同宿主中常表現(xiàn)為不同的生態(tài)狀態(tài)的觀點(diǎn)[44]。同時(shí), 我們?cè)贔UNGuild 解析結(jié)果中發(fā)現(xiàn), 有些真菌在天然林中表現(xiàn)出較多的生態(tài)策略, 比如雙子擔(dān)子菌屬在天然林中以內(nèi)生真菌寄生菌、外生菌根真菌和糞腐生–木腐生菌群形式存在, 但在人工林中只以未定義腐生菌的形式存在, 這表明沙地樟子松天然林中真菌群落的生境較為復(fù)雜, 迫使真菌向其他營(yíng)養(yǎng)型轉(zhuǎn)變。隨著林齡增長(zhǎng), 沙地樟子松人工林根內(nèi)真菌功能群趨于單一化, 多樣性逐漸減小, 也許是造成其衰退的原因之一。通過(guò)對(duì)沙地樟子松根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)與功能群特征的研究, 有助于深入理解沙地樟子松人工林衰退的微生物機(jī)制, 可以為森林撫育與經(jīng)營(yíng)提供理論依據(jù)。

4 結(jié)論

本文以呼倫貝爾沙地樟子松天然林和不同林齡人工林為研究對(duì)象, 采用野外調(diào)查和分子生物學(xué)相結(jié)合的方法, 通過(guò)對(duì)沙地樟子松根內(nèi)真菌群落結(jié)構(gòu)和功能群特征的鑒定分析，得到以下結(jié)論。

1)在呼倫貝爾沙地樟子松根尖樣品中共獲得520 個(gè)真菌 OTUs, 隸屬 5 門(mén) 15 綱 48 目 87 科 197屬。擔(dān)子菌門(mén)和子囊菌門(mén)是構(gòu)成沙地樟子松根內(nèi)真菌的主要類(lèi)群, 沙地樟子松天然林根內(nèi)真菌優(yōu)勢(shì)屬為雙子擔(dān)子菌屬, 人工林為乳牛肝菌屬、口蘑屬和菌屬。

2)呼倫貝爾沙地樟子松成熟林根內(nèi)真菌多樣性指數(shù)顯著低于沙地樟子松近熟林、中齡林和天然林(<0.05)。與人工林相比, 天然林根內(nèi)真菌趨于多樣化, 真菌分布更均勻, 菌群結(jié)構(gòu)具有較高的穩(wěn)定性, 抵御外界真菌侵染的能力更強(qiáng)。

3) 呼倫貝爾沙地樟子松根內(nèi)真菌的營(yíng)養(yǎng)模式主要分為病理營(yíng)養(yǎng)型、腐生營(yíng)養(yǎng)型和共生營(yíng)養(yǎng)型 3 種, 共生營(yíng)養(yǎng)型在沙地樟子松根內(nèi)真菌中占據(jù)主導(dǎo)地位, 其次為腐生營(yíng)養(yǎng)型。天然林根內(nèi)真菌群落的生境較為復(fù)雜, 真菌營(yíng)養(yǎng)型存在轉(zhuǎn)變現(xiàn)象, 且部分真菌在天然林中表現(xiàn)出較多樣化的生態(tài)策略。

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Community Structure and Functional Groups of Fungi in the Roots Associated withvar.in the Hulunbuir Sandy Land

WEI Xiaoshuai1, GUO Mishan1, GAO Guanglei1,2,?, REN Yue1, DING Guodong1,2, ZHANG Ying1

1. School of Soil and Water Conservation, Key Laboratory of State Forestry and Grassland Administration on Soil and Water Conservation, Beijing Forestry University, Beijing 100083; 2. Yanchi Ecology Research Station of the Mu Us Desert, Wuzhong 751500; ? Corresponding author, E-mail: gaoguanglei@bjfu.edu.cn

To reveal the fungal community structure and functional groups in the roots associated withs, natural forest and different-aged plantations were analyzed using field investigation and molecular biotechnology in the Hulunbuir Sandy Land. 520 fungal OTUs were obtained from root tip samples of, and belonged to 197 genera, 87 families, 5 phyla.andhad higher relative abundances, accounted for 54.98% and 39.27% respectively. The dominant bacteria in natural forest were,and, whereas the dominant bacteria in plantation were,and. Further, the relative abundance of other bacteria fluctuated with the stand age. Thediversity index of fungi in the roots ofplantation decreased gradually with the increasing of stand age. Among the different stands, the fungal diversity in the roots of mature forest was significantly lower than that in near-mature and middle-aged plantations as well as natural forest (<0.05). Although the fungal community composition associated withnatural forest and plantations had stable variability, and near-mature forest is the closest to natural forest, natural forest and mature plantation obviously differed in the composition of fungal community. The proportion of symbiotic trophic fungi increased with the increasing of stand age. Conversely, the saprophytic and pathological trophic fungi decreased with the aging forest. The proportion of symbiotic trophic fungi in natural forest was similar with near-mature plantation, however saprophytic trophic fungi was the dominant type in natural forest. In the Hulunbuir Sandy Land, the fungal community in the root ofhas complex structure and diverse species. The main functional groups are ectomycorrhizal and undefined saprophytic fungi. Some fungi show different ecological strategies in different stands.

root fungi;var.; Hulunbuir Sandy Land; diversity; community structure; functional groups

10.13209/j.0479-8023.2020.040

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃(2018YFC0507101, 2016YFC0500802)、國(guó)家自然科學(xué)基金(31600583)和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(2017PT03)資助

2019–05–15;

2019–11–09