寧夏荒漠草原區(qū)土地利用方式對(duì)AM真菌多樣性的影響

李 賀，張楠楠 ，馬 琨

(1.西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,銀川 750021；2.寧夏大學(xué) 農(nóng)學(xué)院,銀川 750021)

叢枝菌根(AM)真菌是一類在自然界中廣泛分布的植物共生微生物，是農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物群落的一個(gè)重要組成部分[1]。AM真菌是連接地上與地下生態(tài)系統(tǒng)的紐帶，影響著許多陸地生態(tài)系統(tǒng)；AM真菌的物種及功能多樣性是維護(hù)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素之一[2-4]。在AM真菌與植物形成的共生關(guān)系中， AM真菌通過其根外菌絲網(wǎng)，幫助植物吸收更多的磷、氮，有助于宿主植物生長(zhǎng)[5]。菌根與植物的共生關(guān)系是不對(duì)稱的，植物的選擇性對(duì)AM真菌具有重要的影響[6]。冀春花等[7]在研究西北地區(qū)不同植被類型下AM真菌多樣性時(shí)，發(fā)現(xiàn)由于土壤性狀和植物群落組成的不同， AM真菌群落組成差異明顯。由于 AM真菌對(duì)寄主植物的選擇性及對(duì)環(huán)境條件的適應(yīng)性不同，常造成自然生態(tài)系統(tǒng)中 AM 真菌屬、種分布上的不均衡[8]。

土地利用方式的變化可改變土壤環(huán)境狀況并影響其生態(tài)過程[9]。AM真菌作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，在物質(zhì)循環(huán)、土壤理化性質(zhì)、穩(wěn)定和修復(fù)土壤生態(tài)系統(tǒng)、提高植物生產(chǎn)力等方面起著重要作用[10-11]。近年來，相關(guān)研究多集中于土壤因子及植被類型對(duì)AM真菌多樣性的影響上[12-15]；研究認(rèn)為，AM真菌與土壤細(xì)菌及其他土壤微生物類群間的相互作用會(huì)對(duì)AM真菌多樣性產(chǎn)生影響[3]。

寧夏中部荒漠草原區(qū)，植被覆蓋稀少，農(nóng)牧業(yè)開發(fā)利用后，土地利用方式的改變，影響荒漠草原區(qū)的農(nóng)業(yè)景觀。因此，通過開展幾種典型土地利用方式下，土壤及植被類型對(duì)AM真菌多樣性的影響調(diào)查，有助于探究AM真菌多樣性及其與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、功能間的相互作用機(jī)制；揭示AM真菌多樣性與土地利用變化的關(guān)系。研究結(jié)果能為合理利用 AM 真菌和開發(fā)利用土地資源提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

取樣地點(diǎn)位于寧夏回族自治區(qū)吳忠市紅寺堡區(qū)孫家灘農(nóng)業(yè)綜合開發(fā)區(qū)，東經(jīng)105°45′～106°31′， 北緯37°10′～37°29′，年平均蒸發(fā)量為1 300 mm，年降水量為193.4 mm，屬于溫帶干旱氣候。2009年該區(qū)域開始逐步農(nóng)業(yè)開發(fā)利用，土壤以低鹽淡灰鈣土和風(fēng)積土為主。研究區(qū)原始植被以小蘆草、豬毛蒿為主。

2013年9月采集樣品，依據(jù)土地利用方式和植被類型，選擇位于同一片區(qū)管理方法一致 、土壤與成土母質(zhì)類型相同、地形要素相似的苜蓿地、青貯玉米地、谷子地、小蘆草、豬毛蒿樣地。在每個(gè)樣地內(nèi)隨機(jī)選擇樣點(diǎn)，利用多點(diǎn)取樣的方法，貼近植株根頸部去其枯枝落葉層挖土壤剖面,按5～30 cm 的土層，采集植物根附近土壤,將所取土樣混合均勻放置于滅菌袋內(nèi)帶回。部分土樣過2 mm篩后用于孢子鑒定，部分土樣風(fēng)干后用于土壤理化性狀測(cè)定，部分土壤樣品4 ℃保存，用于土壤微生物群落功能多樣性測(cè)定(Biolog GN板)，部分凍存于-40 ℃用于土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成(PLFA)的測(cè)定。

1.2 AM真菌孢子密度、菌根侵染率及孢子鑒定

每份樣品取 100 g 風(fēng)干土,用濕篩傾析法分離AM真菌孢子,在解剖鏡下進(jìn)行分格計(jì)數(shù)(孢子果按 1 個(gè)孢子計(jì)數(shù))。在體視鏡下觀察孢子的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征,按孢子的大小、形狀、壁厚、壁層、顏色等進(jìn)行初步分類,然后挑取孢子,分別用聚乙烯醇(PVA) 和梅爾澤試劑(等量混合)制片。AM 真菌主要根據(jù) Schenck和Pérez 的《VA 菌根真菌鑒定手冊(cè)》[16]資料進(jìn)行分類鑒定。計(jì)算Shannon-Wiener指數(shù)(H)、種的豐富度(SR)和物種均勻度(J)來描述AM真菌的多樣性特征[17]。

計(jì)算公式如下：

H= -∑(Pi)ln(Pi)，Pi=ni/N，ni是每個(gè)樣地中每種AM真菌個(gè)數(shù)，N是該樣地AM真菌孢子總數(shù)。

SR=AM真菌總種次數(shù)/土樣數(shù)

J=H/lnS。其中，H為Shannon-Wiener多樣性指數(shù)，S為某采樣點(diǎn)AM真菌總種數(shù)。

1.3 土壤微生物結(jié)構(gòu)與功能的測(cè)定

土壤微生物磷脂脂肪酸測(cè)定依照魏常慧等[18]的提取步驟，采用Agilent 6850型氣相色譜儀測(cè)定，在進(jìn)樣口為250 ℃、H2流量為40 mL/min(0.4 MPa)、氮?dú)?0.4 Mpa)、色譜柱為Agilent HP-5MS，30 μm×250 μm×0.25 μm，柱溫：170 ℃，MIDI Sherlock脂肪酸圖譜微生物鑒定系統(tǒng)分析待檢樣品。土壤微生物功能的測(cè)定：采用BIOLOG-GN板來確定供試土壤微生物群落水平的生理分布[19]。

1.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

采用DPS 13.5對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析和方差分析，采用Canoco 4.5軟件進(jìn)行多元分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土地利用方式下AM真菌的屬、種分布特征

不同土地利用方式下，土壤中共鑒定出AM真菌4屬48種(表1)，其中球囊霉屬(Glomus)33種，無梗囊霉屬(Acaulospora)11種，巨孢囊霉屬(Gigaspora)和盾巨孢囊霉屬(Scutellospora)各2種。不同類型樣地土壤AM真菌種的分布差異很大。各類型樣地下土壤中都有分布的AM真菌有6種：分別為網(wǎng)狀球囊霉(G.reticulatum)、縮球囊霉(G.constrictum)、卷曲球囊霉(G.convolutum)、德里球囊霉(G.delhiense)、地表球囊霉(G.versiforme)、網(wǎng)紋盾巨孢囊霉(S.reticulata)，其中5種AM真菌都屬于球囊霉屬，說明球囊霉屬在這一地區(qū)的分布性較廣、適應(yīng)性較好。

11種無梗囊霉屬中，苜蓿地土壤中有8種，明顯高于其他處理。玉米地利用方式下，AM真菌種類最多，達(dá)35種，占全部AM真菌的73%。人工苜蓿、青貯玉米和谷子地土壤中AM真菌種類明顯多于2個(gè)原始植被類型，前3種土地類型下，土壤中均有AM真菌的特有種；其中，玉米地利用方式下的特有種最多，而小蘆草地及豬毛蒿地土壤中AM真菌的特有種則較少。

從土壤AM真菌屬的分布頻率來看(表2),球囊霉屬、無梗囊霉屬、巨孢囊霉屬和盾巨孢囊霉屬，4屬在所有樣地中均有分布。AM真菌屬的分布頻率上,球囊霉屬出現(xiàn)的頻率最高,其次是盾巨孢囊霉屬，巨孢囊霉屬出現(xiàn)的頻率最低。小蘆草地與谷子地AM真菌各屬分布頻率的趨勢(shì)大致相同，但這2種土地利用方式下，盾巨孢囊霉屬、巨孢囊霉屬的分布頻率顯著高于其他3種類型樣地。不同土地利用方式下，AM真菌優(yōu)勢(shì)種也有區(qū)別：苜蓿地與豬毛蒿地土壤AM真菌優(yōu)勢(shì)種均為黑球囊霉(G.melanosporum)，谷子地與小蘆草地土壤AM真菌的優(yōu)勢(shì)種均為網(wǎng)紋盾巨孢囊霉(S.reticulata)，青貯玉米利用方式下AM真菌優(yōu)勢(shì)種為摩西球囊霉(G.mosseae)。

表1 不同土地利用方式下土壤AM真菌的分布Table 1 Distribution of AM fungi species in different land use patterns

注：+ 代表發(fā)現(xiàn)該種。

Note:+ species occurred.

表2 不同土地利用方式下土壤AM真菌屬的分布頻率及優(yōu)勢(shì)種Table 2 Relative abundance and dominant species of AM fungi genera in different land use patterns

2.2 不同土地利用方式下土壤AM真菌多樣性特征

AM真菌的Shannon-Wiener指數(shù)(H)在谷子地土壤中最高,在豬毛蒿樣地土壤中較低；在其他3種植被類型的土地利用方式中差異不明顯(表3)。苜蓿、谷子、青貯玉米利用方式下土壤AM真菌物種多樣性指數(shù)均高于2種原始植被類型。AM真菌種的豐富度表現(xiàn)為：青貯玉米、苜蓿、谷子地類型下較原始植被類型平均提高46.41%～70.65%。AM真菌種的豐富度(SR)與多樣性指數(shù)的變化趨勢(shì)相類似；均表現(xiàn)苜蓿、谷子和青貯玉米地土壤AM真菌的物種豐富度及多樣性提高。各土地利用方式下，除豬毛蒿地土壤AM真菌種均勻度指數(shù)(J)明顯低于其他處理外，其他各處理土壤AM真菌種的均勻度指數(shù)(J)變化不大。

表3 不同土地利用方式下AM真菌的物種多樣性指數(shù)Table 3 Species diversity index of AM fungi in different land use patterns

2.3 土壤AM真菌多樣性與土壤環(huán)境因子、土壤微生物群落結(jié)構(gòu)與功能的關(guān)系

RDA排序圖內(nèi)不同因素之間的箭頭方向和夾角表示它們之間的相關(guān)性。箭頭方向相同表示正相關(guān)，相反表示負(fù)相關(guān)；夾角越小相關(guān)性越高。相關(guān)研究表明，影響AM真菌多樣性的因素除了寄主植物以外，還有土壤養(yǎng)分、土壤pH和土壤微生物群落結(jié)構(gòu)及功能等環(huán)境因子[20-23]。

由圖1-a可見，土壤因子與AM真菌多樣性的多元分析圖前兩軸解釋信息量達(dá)100%，第1排序軸為93.2%，第2軸為6.8%。5個(gè)處理分布在3個(gè)不同的象限，各土壤因子主要指向苜蓿、青貯玉米、小蘆草處理；土壤AM真菌H指數(shù)與土壤有機(jī)質(zhì)、全氮有顯著的正相關(guān)關(guān)系，說明這3種處理下土壤中有機(jī)質(zhì)和全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，有利于提高AM真菌H指數(shù)。堿解氮和pH與孢子密度有很好的正相關(guān)關(guān)系；除J指數(shù)外，土壤速效磷與各AM真菌多樣性指標(biāo)均呈顯著負(fù)相關(guān)，過高的速效磷對(duì)AM真菌的生長(zhǎng)發(fā)育具有抑制作用，而全磷對(duì)AM真菌的多樣性影響較小。

由圖1-b可見，AM真菌多樣性指標(biāo)與土壤微生物群落結(jié)構(gòu)能在前兩軸累積貢獻(xiàn)率99.6%上揭示不同土地利用方式下AM真菌的空間分異。AM真菌多樣性指數(shù)與土壤細(xì)菌、革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌有正相關(guān)關(guān)系，與土壤細(xì)菌顯著正相關(guān)；其中在苜蓿地利用類型下，土壤AM真菌多樣性對(duì)土壤細(xì)菌的影響最大。表明在AM真菌多樣性增加的同時(shí)，土壤中細(xì)菌也會(huì)隨之增長(zhǎng)。AM真菌種的豐富度及孢子密度與革蘭氏陰性菌顯著正相關(guān)，而與放線菌和真菌顯著負(fù)相關(guān)。說明隨著土壤中微生物群落結(jié)構(gòu)的變化 AM真菌多樣性指數(shù)會(huì)受到顯著影響。

AM真菌多樣性與土壤微生物功能在前兩軸上累積解釋信息量達(dá)99%，可以表示土壤AM真菌多樣性與土壤微生物碳源利用功能間的相互影響(圖1-c)。圖1-c中土壤AM真菌多樣性指數(shù)(H)、均勻度指數(shù)(J)以及種的豐富度(SR)與土壤多聚化合物顯著正相關(guān)，菌根侵染率與羧酸類化合物顯著正相關(guān)；而孢子密度與碳水化合物類、芳香化合物類、氨基酸類及胺類化合物均呈顯著正相關(guān)，對(duì)軸1及軸2起分異作用的主要碳源是碳水化合物類、芳香化合物類、氨基酸類及胺類化合物，說明在各土地利用方式下這幾種碳源是對(duì)土壤AM真菌多樣性變化的敏感碳源，是土壤中廣泛分布且能被各類微生物較好利用的碳源種類。

a圖為土壤因子與AM真菌多樣性指標(biāo)之間的RDA分析 Figure a shows the RDA analysis of soil factors and AM fungal diversity indices；b圖為AM真菌多樣性指標(biāo)與土壤微生物結(jié)構(gòu)之間的RDA分析 Figure b shows the RDA analysis between AM fungal diversity indices and soil microbial structure；圖c為AM真菌多樣性指標(biāo)與土壤微生物功能之間的RDA分析 Figure c shows the correlation between AM fungal diversity indices and soil microbial function RDA analysis；1.苜蓿 Alfalfa；2.谷子 Millet；3.青貯玉米 Silage maize；4.處小蘆草 Small reed；5.豬毛蒿 Artemisia scoparia；OM.有機(jī)質(zhì) Organic matte; TN.全氮 Total nitrogen; TP.全磷 Total phosphorus; AN.堿解氮 Available nitrogen; AP.速效磷 Available potassium;AK.速效鉀 Available kalium; Carbox.羧酸類化合物 Acid compounds; Pol.多聚化合物 Polymer compounds; Carboh.碳水化合物類 Carbohydrate; Phe.芳香類化合物 Aromatic compounds;Amino.氨基酸類 Amino acid;Amine.胺類化合物 Amine compounds;Bacter.細(xì)菌 Bacter; Fun.真菌 Fungal; G+.革蘭氏陽性菌 Gram-positive Bacteria; G-.革蘭氏陰性菌 Gram-negative bacteria; Act.放線菌 Actinomycetes; c.rate.菌根侵染率 Mycorrhizal infection rate; s.densit.孢子密度 Spore density;H.AM真菌多樣性指數(shù) Shannon-Wiener index;J.均勻度指數(shù) Evenness index;SR.種的豐富度 Species richness

圖1AM真菌多樣性與土壤環(huán)境因子及土壤微生物群落結(jié)構(gòu)、功能間的多元分析
Fig.1RDApatternofAMfungaldiversityindexwithsoilfactors,soilmicrobialcommunitystructureandsoilmicrobialfunction

3 討論與結(jié)論

3.1 討 論

土壤中共分離鑒定出4屬48種AM真菌，球囊霉屬為共有優(yōu)勢(shì)屬。5種典型樣地下，土壤AM真菌多樣性分布存在較大差異。已有研究表明：植物、土壤與AM真菌間相互作用，共同影響AM真菌的定殖、植物的生長(zhǎng)及土壤的理化性狀[24]。在一定程度上，宿主植物是植物多樣性的重要影響因素[25]。AM 真菌作為專性共生真菌對(duì)不同宿主植物產(chǎn)生的依賴性不同[26],AM真菌群落多樣性對(duì)于植物多樣性的響應(yīng)非常敏感[27],一些植物種類明顯比另一些植物種類更容易被叢枝菌根真菌所定殖[28]。本研究中，青貯玉米的利用方式下，土壤AM真菌屬種數(shù)量最高， AM真菌物種多樣性指數(shù)也較高。相關(guān)研究認(rèn)為，玉米是AM真菌的優(yōu)良寄主[29]，玉米作為一種C4植物，在適應(yīng)能力上，C4植物能夠更強(qiáng)的適應(yīng)高溫、強(qiáng)光和干旱的條件，能為真菌提供更多的碳，從而影響其共生功能[6]。試驗(yàn)中，不同土地利用方式下，AM真菌的多樣性指數(shù)也不相同。劉潤(rùn)進(jìn)等[30]在綜述地中海半干旱退化草地的研究成果時(shí)，闡述不同植物根際的真菌多樣性顯著不同。Jun等[31]在研究沙漠化草地植被重建時(shí)發(fā)現(xiàn)，AM真菌的組成和多樣性具有寄主特異性；Andrea等[32]研究表明，AM真菌多樣性受寄主植物影響，單、雙子葉的植物對(duì)AM真菌多樣性的影響不同，植被類型對(duì)AM真菌的分布及其多樣性有顯著影響。在物種水平上，由于不同種宿主植物生理代謝、根系內(nèi)部環(huán)境及其分泌物不同，必然會(huì)影響不同AM真菌的侵染，進(jìn)而改變其群落組成[27]。

有研究表明土壤速效磷含量過高往往會(huì)抑制 AM 真菌的生長(zhǎng)、發(fā)育和功能[33]。RDA分析顯示土壤速效磷是影響AM真菌多樣性最主要的土壤因子，土壤速效磷與土壤AM真菌多樣性指數(shù)、種的豐富度、菌根侵染率和孢子密度呈顯著負(fù)相關(guān)。試驗(yàn)中，各樣地的pH為8.3～8.6，主要菌屬為球囊霉屬；冀春花等[7]在研究西北地區(qū)AM真菌多樣性時(shí)發(fā)現(xiàn)球囊霉屬在pH在7.5～8.5范圍內(nèi)頻度最高，賀學(xué)禮等[12]調(diào)查荒漠檸條時(shí)也發(fā)現(xiàn)在偏堿性的條件下，隨著土壤pH增加球囊霉屬相對(duì)多度逐漸升高，表明球囊霉屬真菌較其他屬真菌相比更適合在偏堿性的條件下分布，這可能是由于球囊霉素的適應(yīng)性強(qiáng)，在各類型土壤pH范圍內(nèi)分布較均勻，而無梗囊霉屬、巨孢囊霉屬和盾巨孢囊霉屬的AM真菌均較多出現(xiàn)在pH低于7的土壤中[23]。本試驗(yàn)多元分析結(jié)果表明，pH與孢子密度呈顯著正相關(guān)，表明土壤中pH的變化會(huì)影響AM真菌孢子密度，與前人的結(jié)果相一致，土壤pH除了改變AM真菌屬種分布以外，還會(huì)影響AM真菌的產(chǎn)孢能力[34]。

有研究表明，接種AM真菌可以提高土壤中微生物生物量并改變土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[35]。土壤微生物本身就是一種土壤有效養(yǎng)分的儲(chǔ)備庫，在土壤有機(jī)質(zhì)和養(yǎng)分轉(zhuǎn)化與循環(huán)中起重要作用；Keith等[36]的研究表明，在添加AM真菌的處理中，土壤微生物的含量有顯著提高。試驗(yàn)中，土壤微生物群落結(jié)構(gòu)組成中真菌和放線菌與AM真菌均勻度指數(shù)均呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，說明AM真菌的均勻度受到土壤真菌和土壤放線菌種群的影響。AM真菌多樣性指數(shù)與土壤真菌呈良好的正相關(guān)關(guān)系，土壤中的真菌生物量越大，AM真菌多樣性越高。可見，AM真菌與土壤微生物的作用是相互的，土地利用變化改變了AM真菌多樣性的同時(shí)，也改變了土壤微生物群落結(jié)構(gòu)，并且土壤微生物對(duì)不同碳源的利用模式也發(fā)生了改變。這可能是由于土壤微生物群落功能變化受土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的影響，不同的植物根系的分泌物不同，相應(yīng)地影響了利用此類碳源的微生物生長(zhǎng)。

3.2 結(jié) 論

5種不同土地利用方式下土壤AM真菌多樣性差異顯著，其變化受植被類型、土壤養(yǎng)分、土壤微生物、土壤碳源等多種因素影響。苜蓿、谷子、青貯玉米利用方式下土壤AM真菌種類明顯多于2個(gè)原始植被類型，且均有AM真菌特有種，而2個(gè)原始植被類型均沒有特有種；苜蓿、谷子、青貯玉米利用方式下物種多樣性指數(shù)、種的豐富度均高于2種原始植被類型，可見，土地利用方式的不同，AM真菌的種類及多樣性變化不同。本試驗(yàn)不僅揭示AM真菌多樣性與土地利用變化的關(guān)系，同時(shí)為合理開發(fā)利用寧夏荒漠草原區(qū)提供依據(jù)和參考。