闞海明,陳 超,馬曉東,徐恒康,龐 卓,張國芳,武菊英

1 北京市農(nóng)林科學(xué)院草業(yè)花卉與景觀生態(tài)研究所,北京 100093 2 山東農(nóng)業(yè)工程學(xué)院林業(yè)工程學(xué)院,濟(jì)南 250100

草原是全球生態(tài)系統(tǒng)的重要組成部分,約占地球陸地總面積的40%和世界農(nóng)業(yè)用地的69%[1-2]。在全球氣候變暖、人類活動(dòng)頻繁的大背景下,草地退化現(xiàn)象普遍存在且日趨嚴(yán)重[3-4]。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示,約50%的草地遭受不同程度的退化,而干旱和半干旱地區(qū)尤甚[5]。草原退化會(huì)導(dǎo)致諸如土壤碳流失等環(huán)境問題,大大削弱草原生態(tài)系統(tǒng)作為穩(wěn)定碳庫的關(guān)鍵作用,最終導(dǎo)致全球碳循環(huán)等功能過程和土壤養(yǎng)分條件的惡化[6-8]。退化荒地是干旱半干旱地區(qū)重要的土地資源,采用建植人工草地的方式,可達(dá)到退化荒地植被生態(tài)恢復(fù)的目的。植被生態(tài)恢復(fù)效果的好壞,關(guān)系到提高區(qū)域生產(chǎn)力、保護(hù)區(qū)域生態(tài)環(huán)境、保障資源可持續(xù)利用和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展等關(guān)鍵問題[6]。因此,開展人工草地建植工程,充分利用好退化荒地資源,有利于實(shí)現(xiàn)人與自然和諧相處,最終驅(qū)動(dòng)區(qū)域經(jīng)濟(jì)、生態(tài)、社會(huì)的協(xié)調(diào)發(fā)展[1]。

土壤真菌群落不僅是土壤生態(tài)系統(tǒng)功能的指標(biāo),在采取適當(dāng)管理措施的情況下還可促進(jìn)植被恢復(fù)過程和系統(tǒng)健康,因而是退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)的重要基礎(chǔ)[9-10]。微生物功能群是根據(jù)微生物的生態(tài)功能,對(duì)生態(tài)功能相似的物種進(jìn)行的功能分組[11]。其中,土壤真菌功能群主要反映的是真菌對(duì)植物宿主的依賴程度[12-14]。例如,菌根等共生真菌與70%-90%的陸生植物建立共生關(guān)系,通過提高宿主植物在環(huán)境脅迫下的養(yǎng)分利用效率和抗性來促進(jìn)植物生長[15-16]。腐生真菌對(duì)植物生長和代謝活動(dòng)至關(guān)重要,因其能夠降解凋落物和腐殖質(zhì),為土壤中的植物提供額外的養(yǎng)分[17]。病原真菌是生物脅迫的主要來源,它們侵染特定宿主并改變植被的種間競爭模式,最終導(dǎo)致植物群落多樣性的變化[18]。前人研究揭示了共生真菌、腐生真菌和病原真菌在調(diào)節(jié)草原生態(tài)系統(tǒng)中植被-土壤-微生物關(guān)系中的協(xié)同作用[19-20]。迄今為止,多數(shù)研究關(guān)注了天然植被演替過程中土壤微生物群落的變化。然而,高度退化草原的植被覆蓋率極低,利用自然恢復(fù)策略修復(fù)高度退化草原效果不佳,建植人工草地是恢復(fù)這類草原植被的常用管理策略[21]。

紫花苜蓿(Medicagosativa)和無芒雀麥(Bromusinermis)均為多年生優(yōu)質(zhì)牧草,在我國有非常廣闊的種植面積,在改良土壤、培肥地力、保持水土等方面具有獨(dú)特作用[22-23]。本研究在華北半干旱區(qū)的退化土地長期生態(tài)定位站開展了田間試驗(yàn),通過模擬退化草原不同生態(tài)管理措施,探明建植豆科植物和禾本植物人工草地對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)和生態(tài)功能特性的影響。在此基礎(chǔ)上,通過測定植被生物量和物種多樣性,結(jié)合土壤理化因子等數(shù)據(jù),分析土壤真菌結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間的關(guān)系。本研究的結(jié)果可從土壤真菌的角度為華北地區(qū)退化草原生態(tài)系統(tǒng)管理策略提供理論依據(jù),并為開拓紫花苜蓿等優(yōu)質(zhì)牧草的市場應(yīng)用前景提供實(shí)踐依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

本研究的田間試驗(yàn)位于北京市延慶區(qū)的退化土地長期生態(tài)定位站(40°27′53″N,115°50′23″E;501 m a.s.l.;圖1)。本區(qū)域?qū)贉貛О敫珊档貐^(qū),是典型的大陸性季風(fēng)氣候,夏季炎熱多雨,冬季寒冷干燥。年平均氣溫(MAT)為 8.4℃,其中7月(24.0℃)是最熱的月份。年平均降水量(MAP)為466 mm,降雨主要集中在植物生長期(5-9月),約占年降雨總量的85.6%,年平均相對(duì)濕度為62%。土壤質(zhì)地介于壤土和沙土之間,研究區(qū)域的植被以荒地植物為主,包括白草(Pennisetumcentrasiaticum)、臭草(Melicascabrosa)和菌陳蒿(Artemisiacapillaris)等。

圖1 研究區(qū)域和實(shí)驗(yàn)設(shè)置Fig.1 Study area and experimental setupCK:對(duì)照;LG:豆科植物人工草地;GG:禾本植物人工草地

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與取樣

該試驗(yàn)于2015年在土壤質(zhì)地和植被分布相對(duì)均勻的退化荒地進(jìn)行,設(shè)置3種退化草原生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)方法:

(1)對(duì)照組(CK):通過植被的自然生長恢復(fù)退化荒地;

(2)建植豆科植物草地(LG):2015年5月,將紫花苜蓿種子以200粒/m2的密度免耕播種;

(3)建植禾本科植物草地(GG):2015年5月,將無芒雀麥種子以200粒/m2的密度免耕播種。

播種后,先灌溉和施肥以確保草的成活,此后植被的生長主要依靠天然降水。植被建立后,將研究區(qū)域圍欄封育。每個(gè)處理區(qū)域約1 hm2,本研究隨機(jī)選取9塊10 m×10 m的樣地(圖1),每種管理方法各三塊樣地,每塊樣地相距約50 m。2019-2021年的每年8月份,在每個(gè)樣點(diǎn)隨機(jī)抽取3個(gè)平行的1 m×1 m樣方,記錄每樣方內(nèi)植物的種名,用尺子測量每株植物的高度,計(jì)算植物總蓋度,依照Steinauer 等人[24]描述的方法在樣方內(nèi)收割植被的地上部分并留樣,用于測定植被生物量。每種管理方法需在3塊樣地的9個(gè)樣方內(nèi)取9個(gè)重復(fù)土壤樣本,3年時(shí)間共取27個(gè)樣本。

1.3 土壤樣品采集

土壤樣品取樣前,先去除土層頂部的凋落物。使用不銹鋼取土鉆從每個(gè)樣方分別收集土層0-30 cm深度的五個(gè)子樣品,用手去除土壤子樣品中的根、土壤動(dòng)物、石子后,將各樣方中相同土層深度的子樣品混合,過2 mm網(wǎng)篩后將其分為幾個(gè)部分:一部分保存在-80℃用于DNA提取,一部分保存在4℃用于測定有效氮(AN)、有效磷(AP)等指標(biāo),剩余部分置于陰涼干燥處自然風(fēng)干,測定土壤中的pH、總有機(jī)碳(TOC)、總氮(TN)、總磷(TP)等土壤理化指標(biāo)。

1.4 土壤理化性質(zhì)測定

使用pH計(jì)在土壤/水(體積比1∶2.5)懸浮液中測定土壤pH值。土壤容重(BD)采用環(huán)刀法測定:利用環(huán)刀采集不穩(wěn)定的天然土壤樣品并烘干,BD計(jì)算公式為:BD (g/cm3) = 土壤干重 (g)/土壤體積 (cm3)。TOC含量通過重鉻酸鉀氧化外加熱法測定[25]。AN通過堿解還原擴(kuò)散法測定[26]。采用碳酸氫鈉萃取法和鉬藍(lán)法測定AP[27]。使用元素分析儀(Vario Macro,德國)測定TN。使用紫外可見分光光度計(jì)測定TP(鉬藍(lán)法)。

1.5 Illumina MiSeq測序

利用E.Z.N.A.?土壤DNA試劑盒(Omega Bio-tek, 美國)從土壤樣品中提取微生物群落基因組DNA樣品,使用瓊脂糖凝膠電泳和NanoDrop2000紫外可見分光光度計(jì)(Thermo Scientific,美國)檢測DNA提取物的濃度和純度。以引物對(duì)ITS3_KYO2F (5′-GATGAAGAACGYAGYRAA-3′)和ITS4R (5′-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3′)擴(kuò)增真核生物核糖體 RNA基因 ITS 的 ITS2 區(qū)。PCR反應(yīng)體系包含 5×TransStart FastPfu 緩沖液 4 μL、2.5 mM dNTPs 2 μL、正向引物 (5 μM) 0.8 μL、反向引物 (5 μM) 0.8 μL、TransStart FastPfu DNA 聚合酶 0.4 μL、模板 DNA 10 ng,最后用dd H2O補(bǔ)足至總體積20 μL。PCR擴(kuò)增條件如下:95℃初始變性3 min,95 ℃變性30 s,55 ℃退火30 s,72 ℃延伸45 s,共27個(gè)循環(huán),72℃單次延伸10 min,4℃結(jié)束。每個(gè)樣本3個(gè)重復(fù),從2%瓊脂糖凝膠中提取PCR產(chǎn)物并使用AxyPrep DNA 凝膠提取試劑盒(Axygen Biosciences,美國)進(jìn)行回收產(chǎn)物純化,并使用 QuantusTM熒光計(jì)(Promega,美國)進(jìn)行定量,合格的PCR產(chǎn)物在Illumina MiSeq平臺(tái)上機(jī)測序。使用Fastp 0.20.0版本對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解復(fù)用和質(zhì)量過濾[28],按照標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議(Majorbio公司,中國上海)對(duì)獲得的序列進(jìn)行合并。根據(jù)不同聚類程序的特點(diǎn),生成操作分類單元(OTU)和擴(kuò)增子序列變體(ASVs),分別分析真菌群落多樣性和真菌功能群[29]。本研究使用UPARSE 7.1版軟件以97%的相似度為界限對(duì)OTU進(jìn)行聚類,使用QIIME2管道中的DADA2插件[30],通過噪聲抑制進(jìn)行質(zhì)量控制拼接后,從優(yōu)化的序列中獲得ASVs。使用QIIME2中的Naive Bayes分類器對(duì)ASVs進(jìn)行物種分類分析。

1.6 數(shù)據(jù)處理

采用LEfSe方法 (http://huttenhower.sph.harvard.edu/lefse/)識(shí)別人工草地的潛在微生物生物標(biāo)志物。使用R v.3.5.4 (https://www.r-project.org/) 軟件中的phyloseq R包進(jìn)行微生物α多樣性(包括 Chao 和 Shannon 指數(shù))分析。使用 vegan R包進(jìn)行非度量多維尺度分析 (NMDS),并利用相似性分析 (ANOSIM) 來確定各處理的樣本之間的差異。使用vegan R包進(jìn)行主坐標(biāo)約束性分析 (CAP) 可視化微生物組成與環(huán)境因素之間的關(guān)系,Mantel檢測用于檢驗(yàn)微生物群落距離矩陣和環(huán)境變量距離矩陣之間的相關(guān)性和顯著性。利用FUNGuild軟件用于分析真菌的功能群,有助于預(yù)測不同植被恢復(fù)方法實(shí)施過程中土壤真菌群落的潛在功能?；跀?shù)據(jù)庫FUNGuild中已報(bào)告的各分類水平的功能群數(shù)據(jù),本研究中的真菌群落劃分為三大類功能群,即病原真菌、腐生真菌和共生真菌[31]。根據(jù)Lozano等人[32]描述的功能群分類標(biāo)準(zhǔn),本研究中39.2%的ASV可以被歸入三個(gè)真菌功能群,其中病原真菌占5.0%,腐生真菌占25.1%,共生真菌占9.2%;91.3%的共生真菌是叢枝菌根真菌(AMF)。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤真菌群落組成

通過對(duì)81個(gè)樣本的微生物多樣性數(shù)據(jù)分析,共獲得高質(zhì)量ITS序列708 8322個(gè),它們聚集成6 315個(gè)OTU,隸屬于真菌17門60綱145目347科896屬。三個(gè)最豐富的真菌門是Ascomycetes、Mortierellomycota、Basidiomycetes,占土壤真菌總數(shù)量的73.3%-99.6%。所有樣品中相對(duì)豐度最高的真菌門是Ascomycetes,CK、LG和GG處理下Ascomycetes的平均豐度分別為68.5%、63.5%和58.9%。LG處理相較于CK的Basidiomycetes相對(duì)豐度明顯升高,GG處理相較于CK的Mortierellomycota相對(duì)豐度明顯提高(圖2)。屬水平上,人工草地的建植顯著(P<0.05)增加Fusarium、Gibellulopsis、Beauveria、Trichocladium、Aphanoascus、Lophotrichus的豐度,但顯著(P<0.05)降低Paraphoma、Titaea、Periconia的豐度(圖2)。使用LEfSe方法中的一對(duì)多比較策略確定各處理潛在的土壤微生物生物標(biāo)志物。LG處理下真菌生物標(biāo)志物(閾值為 3)的豐度均高于CK,而GG處理下真菌生物標(biāo)志物的豐度低于CK(圖3)。

圖2 2019-2021年CK、LG和GG處理下退化草地的土壤真菌群落組成Fig.2 Microbial community composition in degraded grasslands under the CK, LG, and GG treatments from 2019 to 2021標(biāo)有*、**和***的值分別表示0.05、0.01和0.001水平的顯著差異,19、20、21分別表示于2019年、2020年、2021年取樣;Ascomycota:子囊菌門;Mortierellomycota:被孢霉門;Basidiomycota:擔(dān)子菌門;Unclassified未分類的;Glomeromycota:球囊菌門;Chytridiomycota:壺菌門;Others:其它的;Fusarium:鐮刀菌屬;Gibellulopsis:吉貝羅普西屬;Paraphoma:異莖點(diǎn)霉屬;Beauveria:白僵菌屬;Trichocladium:短梗蠕孢屬;Titaea:Titaea屬;Periconia:黑團(tuán)孢屬;Aphanoascus:隱囊菌屬;Lophotrichus:瓶毛殼屬

圖3 基于LEfSe分析的退化荒地植被恢復(fù)與重建的真菌群落的生物標(biāo)志物Fig.3 Microbial biomarkers of fungal communities for vegetation restoration of a degraded grassland based on the LEfSe analysisLEfSe:線性判別分析;進(jìn)化分枝圖的圓圈從內(nèi)到外表示從門到屬的分類群,處理間豐度差異顯著的分類群用彩色圓點(diǎn)標(biāo)記,圖中顯示了高于閾值3.0的真菌LEfSe分析結(jié)果

2.2 土壤真菌群落多樣性

本研究選取Chao豐富度指數(shù)和香農(nóng)多樣性指數(shù)作為微生物α多樣性代表。如圖4a所示,CK和GG處理間的α多樣性指數(shù)無顯著差異。LG處理下真菌Chao豐富度顯著(P<0.05)高于CK,但與GG處理無顯著差異; 而LG處理下的真菌的香農(nóng)多樣性顯著(P<0.05)高于GG,但與CK無顯著差異?；贠TU之間 Bray-Curtis距離的 NMDS 分析可應(yīng)用于可視化各處理間的群落水平相似性。NMDS結(jié)果顯示,GG處理下真菌群落結(jié)構(gòu)與CK相比完全分離,LG處理下真菌群落結(jié)構(gòu)與其它處理未分離(圖4)。ANOSIM 用于確定不同處理的樣品間的距離是否顯著大于各處理的內(nèi)部樣品間的距離。結(jié)果表明,不同處理方法顯著影響了土壤真菌群落的結(jié)構(gòu)(基于 999個(gè)隨機(jī)排列,R=0.421,P<0.001),LG處理相較于其他處理對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)影響更大(圖4)。

圖4 CK、LG、GG處理下退化荒地植被恢復(fù)與重建的土壤真菌多樣性指數(shù)Fig.4 Soil fungal diversity indices under CK, LG, and GG treatments for vegetation restoration of the degraded wasteland. Chao richness index of the fungal community

2.3 真菌群落多樣性關(guān)聯(lián)環(huán)境因子

基于各處理樣品的土壤理化性質(zhì)和Bray-Curtis距離等指標(biāo),采用CAP分析了土壤真菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子之間的關(guān)系。如圖5所示,三組樣品的真菌群落結(jié)構(gòu)分離明顯:CK的真菌群落結(jié)構(gòu)落在第一象限,LG處理的真菌群落結(jié)構(gòu)落在第三、四象限,GG處理的真菌群落結(jié)構(gòu)落在第二象限。土壤容重和凋落物質(zhì)量等因素落在第一象限,AN落在第二象限,pH、植被物種豐富度和生物量、TOC、TN、TP、AP等因素均落在三、四象限。Mantel檢驗(yàn)分析表明,TOC、TN、TP、AN、植物物種豐富度、根系生物量、凋落物質(zhì)量均與真菌群落結(jié)構(gòu)顯著(P<0.05)相關(guān)(表1)。

表1 土壤真菌群落結(jié)構(gòu)與環(huán)境因子的Mantel檢驗(yàn)分析Table 1 Mantel test analysis between soil fungal community structure and environmental factors across all samples

圖5 退化荒地各處理土壤樣品的真菌群落與環(huán)境因子之間關(guān)系的主坐標(biāo)約束分析(CAP)Fig.5 Constrained analysis of principal coordinates (CAP) of fungal communities with environmental factors under CK, LG, and GG treatments for the degraded wastelandpH:酸堿度;TOC:總有機(jī)碳;TN:總氮;TP:總磷;AN:有效氮;AP:有效磷

2.4 土壤真菌群落功能群特征

本研究利用FUNGuild 預(yù)測了退化荒地土壤真菌功能群的分類,并重點(diǎn)關(guān)注了可以完全歸為共生真菌、腐生真菌和病原真菌三大類功能群的土壤真菌。如圖6所示,豐度最大的功能群是“未定義的腐生真菌”,在CK、LG和GG 處理下的平均豐度分別為23.72%、17.32%和18.65%,而“內(nèi)生真菌-凋落物腐生真菌-土壤腐生真菌-未定義的腐生真菌”的平均豐度在CK、LG和GG處理下的平均豐度分別為19.69%、19.49%和30.60%?？蓺w為三大類功能群的土壤真菌中,共生真菌包括外生菌根真菌(EMF)、AMF、蘭花菌根真菌和石蠟菌根真菌,建植豆類和禾本植物人工草地顯著(P<0.05)增加了EMF的豐度,但降低了AMF、蘭花菌根真菌和石蠟菌根真菌的豐度。本研究關(guān)注了六種主要腐生真菌,即木材腐生真菌、土壤腐生真菌、植物腐生真菌、葉腐生真菌、糞便腐生真菌和未定義的腐生真菌,以及同時(shí)具有兩種或兩種以上功能類型的腐生真菌。與CK相比,LG和GG處理顯著(P<0.05)增加了總體腐生真菌的豐度,而單一或多種功能類型腐生真菌的豐度在不同處理之間差異很大。病原真菌主要有植物和動(dòng)物病原真菌,LG和GG處理相較于CK的植物和動(dòng)物病原真菌的豐度顯著(P<0.05)升高(圖6)。

圖6 各處理下基于FUNGuild分類的真菌功能群相對(duì)豐度Fig.6 Relative abundance of fungal groups classified by FUNGuild under the CK, LG, and GG treatments

如圖7所示,病原真菌相對(duì)豐度最高的4個(gè)真菌綱是Agaricomycetes、Dothideomycetes、Cystobasidiomycetes、Chytridiomycetes,它們占病原真菌總數(shù)量的98.3%-99.1%。所有樣品中相對(duì)豐度最高的病原真菌綱是Agaricomycetes,CK、LG和GG處理下Agaricomycetes的平均豐度分別為88.1%、86.6%和85.6%。LG處理增加Cystobasidiomycetes、Chytridiomycetes的豐度,但降低Agaricomycetes的豐度。GG處理增加Dothideomycetes、Cystobasidiomycetes的豐度,也降低了Agaricomycetes的豐度。如圖7所示,腐生真菌相對(duì)豐度最高的7個(gè)真菌綱是Sordariomycetes、Dothideomycetes、Eurotiomycetes、Agaricomycetes、Leotiomycetes、Pezizomycotina_cls_Incertae_sedis、Tremellomycetes,它們占腐生真菌總數(shù)量的98.3%-99.1%。所有樣品中相對(duì)豐度最高的病原真菌綱是Sordariomycetes,CK、LG和GG處理下Sordariomycetes的平均豐度分別為44.2%、44.8%和56.9%。LG處理顯著(P<0.05)增加Agaricomycetes、Leotiomycetes、Pezizomycotina_cls_Incertae_sedis的豐度,但顯著(P<0.05)降低Dothideomycetes、Eurotiomycetes、Tremellomycetes的豐度。GG處理顯著(P<0.05)增加Sordariomycetes、Leotiomycetes、Pezizomycotina_cls_Incertae_sedis的豐度,但顯著(P<0.05)降低Dothideomycetes、Eurotiomycetes的豐度。如圖7所示,共生真菌相對(duì)豐度最高的7個(gè)真菌綱是Glomeromycetes、unclassified_p__Glomeromycota、Agaricomycetes、Eurotiomycetes、Leotiomycetes、Paraglomeromycetes、Dothideomycetes,它們占土壤真菌總數(shù)量的99.9%-100.0%。所有樣品中相對(duì)豐度最高的病原真菌綱是Glomeromycetes,CK、LG和GG處理下Glomeromycetes的平均豐度分別為90.3%、73.8%和86.9%。LG處理顯著(P<0.05)增加unclassified_p__Glomeromycota、Eurotiomycetes、Paraglomeromycetes、Dothideomycetes的豐度,但顯著(P<0.05)降低Glomeromycetes、Agaricomycetes的豐度。GG處理顯著(P<0.05)增加unclassified_p__Glomeromycota、Agaricomycetes、Dothideomycetes的豐度,但顯著(P<0.05)降低Glomeromycetes、Eurotiomycetes、Paraglomeromycetes的豐度。

圖7 CK、LG和GG處理下沙荒地真菌功能群的組成Fig.7 Fungal group composition in the degraded wastelands under the CK, LG, and GG treatmentsAgaricomycetes:傘菌綱;Dothideomycetes:座囊菌綱;Cystobasidiomycetes:囊擔(dān)菌綱;Chytridiomycetes:壺菌綱;Sordariomycetes:糞殼菌綱;Eurotiomycetes:散囊菌綱;Leotiomycetes:錘舌菌綱;Pezizomycotina_cls_Incertae_sedis:盤菌亞門未分類綱;Tremellomycetes:銀耳綱;Glomeromycetes:球囊菌綱;unclassified_p__Glomeromycota:球囊菌門未分類綱;Paraglomeromycetes:類球囊霉綱

3 討論

3.1 建植人工草地對(duì)土壤真菌群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響

本研究分析了不同分類水平下土壤真菌群落組成的變化。絕大多數(shù)樣品中豐度最高的真菌門是Ascomycetes,這與黃土高原子午嶺林區(qū)、東北大興安嶺林區(qū)土壤真菌群落的研究結(jié)論相似[33-34],即Ascomycetes是草地土壤樣品中的優(yōu)勢真菌門。Ascomycetes是一類可分解木質(zhì)素、角質(zhì)素等難降解有機(jī)物的土壤腐生真菌,易受到植物種類和植物殘茬的強(qiáng)烈影響[35]。另一類自然界中分布較廣的腐生真菌是Basidiomycota,它們在各處理中呈現(xiàn)出與Ascomycetes相反的變化規(guī)律,這與Ascomycetes優(yōu)勢度有較大關(guān)聯(lián)[36-37]。Mortierellomycota因與土壤養(yǎng)分關(guān)系密切被視為養(yǎng)分指示類群,它們在禾本植物草地中豐度最高,這與禾本植物草地土壤養(yǎng)分更豐富的事實(shí)相吻合[38]。一般認(rèn)為微生物分類水平越低,生態(tài)功能相對(duì)越保守,因此,不同處理間差異顯著的真菌屬也值得關(guān)注[39]。豆類植物草地相較于其他草地增加了Fusarium和Beauveria的豐度,諸多研究表明它們可能是動(dòng)物病原體和植物內(nèi)生菌[40-41]。與此同時(shí),建植人工草地抑制了病原真菌Paraphoma的生長[42]。

在本研究中,建植豆類植物草地增加了Chao豐富度和Shannon多樣性等微生物α多樣性,但建植禾本植物草地對(duì)微生物α多樣性無顯著影響。NMDS分析表明,不同處理下的土壤真菌群落結(jié)構(gòu)受植物功能類型影響較大。這與Cline等[43]研究結(jié)果相一致,即禾本科植物、固氮豆科植物等植物功能類型是土壤真菌群落β多樣性的主要驅(qū)動(dòng)因素之一。LEfSe結(jié)果顯示,LG處理的樣品中真菌生物標(biāo)志物的數(shù)量最多,其次是CK,GG處理最少。由于不同植物功能群與土壤養(yǎng)分水平相關(guān)性較強(qiáng),作者們認(rèn)為該結(jié)果是不同植物功能群宿主自身和土壤養(yǎng)分水平差異共同結(jié)果[44]。由此可知,人工草地用草的植物功能類型選擇對(duì)退化荒地植被恢復(fù)與重建進(jìn)程有較大影響。

3.2 微生物群落與環(huán)境因子的關(guān)系

CAP分析結(jié)果顯示,土壤理化性質(zhì)(pH、土壤容重、TOC、N、P等)、植被生物量、物種豐富度和凋落物質(zhì)量等是微生物群落組成的重要驅(qū)動(dòng)因素。根據(jù)土壤pH、磷、物種豐富度等環(huán)境變量,LG處理的真菌群落可沿CAP1軸分離,GG處理的真菌群落可根據(jù)土壤碳、氮等環(huán)境變量沿CAP2軸分離。此外,Mantel檢驗(yàn)顯示,真菌群落結(jié)構(gòu)受植物物種豐富度、根系生物量、凋落物質(zhì)量等植被參數(shù)的顯著影響,并與TOC、TN、AN、TP等土壤養(yǎng)分含量顯著相關(guān)。上述結(jié)果表明,隨著LG和GG處理對(duì)土壤養(yǎng)分的快速消耗,復(fù)雜凋落物和土壤有機(jī)質(zhì)的真菌分解類群豐度增加,并顯著影響了相關(guān)微生物群落及其活動(dòng)[33]。

3.3 真菌群落的功能預(yù)測

FUNGuild是預(yù)測土壤真菌功能群的實(shí)用工具[45]。結(jié)果顯示,不同植被恢復(fù)方法改變了土壤真菌功能群的豐度。在本研究中,建植人工草地顯著增加了EMF的相對(duì)豐度,但降低了真菌功能群中其他共生真菌的相對(duì)豐度。以往的研究表明,EMF具備通過釋放胞外酶降解和獲取有機(jī)氮的能力,EMF的增殖表明在有機(jī)養(yǎng)分含量相對(duì)較高的生態(tài)系統(tǒng)中,植物根系通過誘導(dǎo)外生菌根增加來提高有機(jī)養(yǎng)分的可獲得性[46-47]。此外,本研究中還發(fā)現(xiàn)建植人工草地刺激了腐生真菌的總體數(shù)量增加,表明人工草地的有機(jī)養(yǎng)分形態(tài)更加豐富。需要注意的是,人工草地中病原真菌的相對(duì)豐度增加,表明在人工草地上放牧可能會(huì)增加對(duì)人類健康的不利風(fēng)險(xiǎn)[8]。

不同的植被恢復(fù)方法還改變了土壤真菌功能群的組成。綱水平上,建植人工草地對(duì)腐生真菌和共生真菌的組成比病原真菌組成影響更顯著。研究表明,不同植物功能群關(guān)聯(lián)的根系性狀差異顯著影響腐生真菌的組成,但對(duì)病原真菌群落組成影響很小[29, 37]。由于豆類植物和禾本植物優(yōu)勢度的增加,導(dǎo)致植被群落多樣性和凋落物生化性質(zhì)的變化,后者是決定腐生真菌群落組成的關(guān)鍵因素[29, 39]。在本研究中,禾本植物的凋落物頑固性強(qiáng)、生物可利用度低,因而Sordariomycetes等具有木質(zhì)素分解能力的真菌豐度增加,相對(duì)富含氮的豆類植物有利于特定的Agaricomycetes、Leotiomycetes綱的腐生真菌和Eurotiomycetes、Paraglomeromycetes、Dothideomycetes綱的共生真菌生長。

4 結(jié)論

在本研究中,研究區(qū)域土壤表層樣品的土壤真菌包括17門60綱145目347科896屬。退化荒地植被恢復(fù)與重建過程中土壤真菌群落主要由Ascomycetes、Mortierellomycota和Basidiomycetes組成,土壤真菌功能群類型以腐生真菌為主,共生真菌次之,病原真菌最少。土壤真菌群落結(jié)構(gòu)受地上植被變化的顯著影響,且與土壤養(yǎng)分水平顯著相關(guān)。建植人工草地對(duì)腐生真菌和共生真菌相較于病原真菌的群落組成影響更明顯。在土壤養(yǎng)分消耗更大、凋落物輸入更豐富的人工草地中,腐生真菌的豐度增加,共生真菌的豐度減少,這種適應(yīng)性變化有利于增強(qiáng)真菌群落對(duì)有機(jī)養(yǎng)分的利用效率,表明土壤真菌在退化荒地植被恢復(fù)的土壤養(yǎng)分循環(huán)中發(fā)揮著關(guān)鍵的調(diào)節(jié)作用。綜上,本研究的結(jié)果有助于理解建植人工草地與土壤真菌群落結(jié)構(gòu)和功能之間的聯(lián)系,并為退化草原生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)策略提供重要參考。