土壤因子對黃土丘陵區不同利用方式土地叢植菌根真菌多樣性的影響

劉 晶， 趙 燕， 張巧明， 徐少君

(河南科技大學林學院， 河南 洛陽471023)

叢枝菌根(Arbuscularmycorrhizal,AM)真菌是土壤生態系統重要生物群落之一，分布極為廣泛，能與90%以上的植物建立共生關系[1]，是與植物關系最為密切的土壤微生物類群之一。AM不但可以提高植物抗逆性，保護和提高生物多樣性[2-3]，而且能夠促進土壤團聚體的形成、改善土壤結構[4]，還能夠通過調節土壤呼吸、影響有機質降解等途徑影響土壤的碳固存[5]。因此，AM真菌對于調節植物種間關系和群落演替，提高生態系統的生產力和穩定性，促進土壤礦質循環和結構穩定性、乃至土壤碳庫變化等方面都具有特殊的生態學意義[6]。

一些特定的AM真菌與土壤物理、化學特性，如土壤結構和土壤養分含量具有相關關系[7]。土壤中水穩性大團聚體含量、平均重量直徑、幾何平均直徑與AM真菌菌絲密度呈顯著正相關[4]。貴州獼猴桃根際AM真菌孢子密度與速效磷含量表現為顯著正相關關系，與全氮含量和pH則表現為顯著負相關關系[8]。西藏高原中部山地灌叢草原、高山草原和高寒草甸的土壤有效磷與AM真菌孢子密度呈負相關[9]。山東東部蘋果種植園土壤速效磷與孢子密度呈顯著正相關，有機質與種豐度呈顯著正相關，pH值與種豐度、孢子密度和多樣性指數呈顯著負相關[10-11]。陜北安塞等4個不同生態條件下檸條錦雞兒AM真菌孢子密度與土壤有機質、速效P、速效K含量呈負相關[12]。毛烏素沙地豆科植物AM真菌的孢子密度與有機質和有效N呈顯著正相關[13]。這表明不同營養元素和pH對AM真菌的影響隨研究區域、植被類型的不同存在較大差異。

目前，國內學者對叢枝菌根真菌方面的研究主要集中在西北干旱區、鹽堿地、藏北高寒草地等典型區域[14-16]，對豫西黃土丘陵溝壑區不同植被覆蓋地AM真菌的分布、多樣性及其與土壤因子間的關系還缺乏足夠了解。因此，本研究對該區不同利用方式地土壤AM真菌分布特征和多樣性以及與土壤養分因子間的相互關系進行初步分析，為研究區評價生態恢復效果、制定科學的土壤管理措施和促進土地利用結構優化提供依據。

1 材料與方法

1.1 樣地概況及土樣采集

2016年10月上旬，在豫西黃土丘陵區選取該區常見的4類利用方式地，每塊樣地約200 m2。樣地A位于新安縣曹村鄉，樣地B位于洛寧縣店子鄉，樣地C位于洛寧縣小界鄉，樣地D位于盧氏縣沙河鄉，各樣地情況見表1。

表1 樣地概況Table 1 The basic condition of different plots

在每一樣地內按“S”形設置8至10個1 m×1 m的樣方，記錄樣方內植物的種類及數量。每個樣方內5點取樣，去除地表枯枝落葉層后，采集深度5～30 cm土樣約1 kg，混合裝袋貼標簽運回實驗室。

1.2 測定方法

有機碳采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法，pH測定采用pHS-3B型精密酸度計測定(1:2.5土水比)，全氮采用半微量開氏法，速效氮采用堿解擴散法，全磷采用H2SO4-HCLO4浸提-鉬銻抗比色法，速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀采用NH4OAc浸提-火焰光度法測定[17]。

用濕篩傾析—蔗糖離心分離法分離AM真菌孢子。在顯微鏡(NIKON Eclipse 80i)下觀察孢子的形態特征，參照Schenck&Perez的“VA菌根真菌鑒定手冊”描述以及相應分類單元進行屬種鑒定。

1.3 數據處理與分析

孢子密度、種豐度、相對多度、分離頻度和物種多樣性指數參照文獻公式計算[1,10,12,16,18-19]。采用Excel 2007，SPSS 18.0軟件及CANOCO軟件進行數據處理和統計分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(least significant differences，LSD)比較不同數據組間的差異。

2 結果與分析

2.1 不同利用方式地土壤養分含量

撂荒地有機碳、全氮和速效氮含量最高，果園地有機碳、全氮、速效氮、全磷和速效鉀含量均為最低(表2)。與果園地土壤相比較，檸條地、刺槐地、撂荒地土壤有機碳含量分別顯著提高了85.44%，65.01%和95.03%，全氮含量分別顯著提高了83.09%，72.79%和110.29%，速效氮含量分別顯著提高了67.81%，49.83%和102.68%，速效磷含量顯著降低了22.05%，29.15%和49.41%(P<0.05)。檸條地和刺槐地全磷和速效鉀含量較果園地顯著提高(P<0.05)。

表2 各樣地土壤基本理化性質特征Table 2 The characteristics of basic physical and chemical properties of soils in different plots

注：同列不同小寫字母表示不同樣地間差異顯著(P<0.05),下同

Note：Different lowercase letters in the same column indicate significant difference among different sample site at the 0.05 level,the same as below

2.2 不同利用方式地AM真菌種的分布特征

采集土樣中共檢出真菌6屬31種，其中無梗囊霉屬(Acaulospora)9種，多孢囊霉屬(Diversispora)2種，管柄囊霉屬(Funneliformis)2種，球囊霉屬(Glomus)13種，巨孢囊霉屬(Gigaspora)2種，盾巨孢囊霉屬(Scutellospora) 3種(表3)。檸條林地、刺槐林地、果園地和撂荒地分別檢出19，21，12和23種真菌。細凹無梗囊霉(A.scrobiculata)、幼套多孢囊霉(D.etunicatum)、聚叢球囊霉(G.aggregatum)、縮球囊霉(G.constrictum)、地球囊霉(G.geosporum)和摩西球囊霉(G.mosseae)6種真菌為4個樣地共有種。凹坑無梗囊霉(A.excauata)只在撂荒地檢出；易誤巨孢囊霉(G.decipiens)和美麗盾巨孢囊霉(S.fulgida)2種真菌為刺槐林地特有種；株狀巨孢囊霉(G.margarita)為果園地特有種。地球囊霉(G.geosporum)和摩西球囊霉(G.mosseae)在四種樣地中的分布頻度都在80%以上，重要值均在50%以上，這2種真菌為該區AM真菌的優勢種。細凹無梗囊霉(A.scrobiculata)和縮球囊霉(G.constrictum)在檸條林地的重要值分別為50.9%和61.6%，在刺槐林地中的重要值分別為52.8%和57.6%，說明這兩個樣地中細凹無梗囊霉(A.scrobiculata)和縮球囊霉(G.constrictum)也為優勢種。

表3 不同利用方式地AM真菌種的分布特征Table 3 Distribution characteristics of AM fungi species in different land use types

注：IF：分離頻度；RA：相對多度;IV:重要值. “—”表示該種真菌在樣地中未檢出。下同

Note:IF:Isolation frequency;RA:Relative abundance;IV:Importance value. — indicates that the fungus is not detected in the plot type. The same as below

2.3 不同利用方式地AM真菌屬的分布特征

不同樣地中球囊霉屬的分布頻度、相對多度和重要值均最高、無梗囊霉屬次之(表4)。與果園地相比，檸條林地和撂荒地無梗囊霉屬分離頻度、相對多度和重要值均顯著提高(P<0.05)，球囊霉屬的分離頻度、相對多度和重要值均顯著降低(P<0.05)，多孢囊霉屬的分離頻度、相對多度和重要值無顯著差異；刺槐林地球囊霉屬的相對多度和重要值顯著降低(P<0.05)，其他屬真菌特征值無顯著變化。

表4 不同利用方式地AM真菌屬的分布頻度、相對多度和重要值Table 4 Distribution frequency,relative abundance and importance value of AM fungal in different land use types

2.4 不同利用方式地AM真菌的孢子密度、種豐度和多樣性

蘋果園地土壤AM真菌的孢子密度、種豐度和多樣性指數最低，分別為116.6個·50 g-1、12.2%和0.52，撂荒地最高分別為223.2個·50 g-1、23.3%和0.80(表5)。檸條林地、刺槐林地和撂荒地土壤AM真菌的孢子密度、種豐度和多樣性指數較蘋果園地顯著提高(P<0.05)。撂荒地土壤AM真菌的孢子密度較檸條林地和刺槐林地顯著提高(P<0.05)，但這3種利用方式地AM真菌的種豐度和多樣性指數均無顯著性差異。

表5 不同利用方式地AM真菌的孢子密度、種豐度、多樣性Table 5 Spore density,species richness and variety of AM fungal in different land use types

2.5 土壤養分對AM物種多樣性的影響

孢子密度與土壤pH、速效磷及全磷含量顯著負相關(P<0.05,P<0.01)，與有機碳、速效氮和全氮含量顯著正相關(P<0.05,P<0.01)。種豐度與速效氮和速效鉀含量顯著正相關(P<0.05)，與速效磷含量顯著負相關(P<0.05)。多樣性指數與pH和速效磷含量顯著負相關(P<0.05,P<0.01)，與有機碳和速效氮含量顯著正相關(P<0.05)。

表6 土壤養分與AM物種多樣性相關性分析Table 6 Correlation analysis of the species diversity of AM fungi and soil nutrients

注：*表示顯著相關(P<0.05);** 表示極顯著相關(P<0.01)

Note:* indicates significant correlation at the 0.05 level;** indicates highly significant correlation at the 0.01 level

進一步對選取的7個土壤因子做CCA排序分析，箭頭所處的象限表示土壤養分因子與排序軸之間的正負相關性，箭頭連線的長度表示土壤因子與AM真菌群落組成的相關度大小。7個土壤養分因子對AM真菌群落組成都有一定程度的影響(圖1)。其中全氮、速效氮、有機碳和速效鉀與AM真菌多樣性呈正相關，速效磷、全磷和pH與與AM真菌多樣性呈負相關。土壤養分因子與AM真菌多樣性的相關性大小為速效磷>pH>速效氮>有機碳>全氮>速效鉀>全磷。

3 討論

叢枝菌根真菌是專性共生生物，只有與宿主植物形成共生體后才能完成自身的生活史，不同宿主植物的根系形態及其生理代謝不同，必然會影響AM真菌的群落組成和多樣性[20]。李登武等[19]在對黃土丘陵溝壑區由撂荒到灌叢植被恢復地土壤AM真菌的研究中，共分離出AM真菌3屬18種，本研究中檸條地和刺槐地AM真菌種數與該結果接近，但蘋果園地和撂荒地與該結果差異較大。不同樣地地表植被組成差異較大，地表植被種類少的土壤中AM真菌多樣性也較低，說明AM真菌的多樣性受到宿主植物多樣性的影響，植物種類越豐富，AM真菌物種多樣性就越高。尤其是洛寧果園地采用清耕管理并長期大量使用農藥和化肥，地表植物和土壤中AM真菌種數均顯著低于其它樣地。檸條林地土壤中AM真菌種類較刺槐林地少，這可能是由于兩樣地的植物群落組成、鄰體植物及建植次序存在差異，植物群落組成[21 20]、鄰體植物及建植次序[22-23]、植物群落構建歷史[24]均會影響AM真菌群落組成及多樣性。檸條林地初建，栽植密度大，生長速度快，地下根系生長旺盛，部分AM真菌可快速形成共生體，可能抑制了某些類型AM真菌的生長繁殖。本研究中還觀察到縮球囊霉和摩西球囊霉為4個樣地的共有優勢種，果園長期大量使用農藥和化肥，這兩種AM真菌可能有較強的耐受性，適應了這種土壤環境。

圖1 AM群落組成與土壤養分的CCA排序圖Fig.1 CCA of community composition of AM fungi and soil chemistry factors.注：SOC:有機碳;TN:全氮;AN:速效氮;TP:全磷;AP:速效磷;AK:速效鉀;SD:孢子密度;SR:種豐度;H:多樣性指數.Note：SOC:Organic carbon;TN:Total nitrogen;AN:Available nitrogen;TP:Total phosphorus;AP:Available phosphorus;AK:Available potassium;SD:Spore density;SR:Species richness;H:Diversity index.

土壤pH是影響AM真菌孢子形成和分布的重要生態因子。不同種屬的AM真菌都有各自適宜的pH范圍，一般中性至微酸性土壤有利于AM真菌孢子的形成和發育。對較大尺度下AM真菌分布研究表明，球囊霉屬的適應范圍最廣，在pH 5.0～9.0的土壤中均有分布，盾巨囊霉屬在pH 6.0～7.0時分布較多，無梗囊霉屬喜偏酸性土壤，巨孢霉屬在酸性土壤中分布較少[18]。本研究中分離出的AM真菌種，球囊霉屬種最多為13種，這與其較寬的pH適應范圍有關；但無梗囊霉屬在該區也有較多分布，尤其是細凹無梗囊霉各樣地中均有分布，其原因尚待進一步研究。土壤pH除了直接影響土壤微生物的活動之外，還會影響土壤中Fe、Cu、Zn等礦質離子的濃度和活性，從而簡接影響AM真菌孢子形成、生長和功能[20]。相關性分析表明，土壤pH與孢子密度呈極顯著負相關關系，與AM真菌的種豐度及多樣性指數表現為顯著負相關關系，因此較高的pH會降低土壤AM真菌的多樣性和孢子密度。

土壤養分對AM真菌的分布及生長發育具有重要影響[25]。本研究中樣地土壤有機碳含量越高，則地表植被和AM真菌的種類也越多，AM真菌的孢子密度和多樣性指數越大。對于人為干擾較少的生態系統，植物凋落物、死根及根系分泌物是土壤有機碳的重要來源，地表植被種類越豐富，生物量越大，有利于提高土壤有機碳含量。土壤有機質作為保存菌絲的基質，較高的有機質含量可以促進菌根發育和菌絲生長[25]，從而提高土壤AM真菌的的孢子密度和多樣性。土壤有效磷的含量直接影響叢枝菌根真菌的分布、產孢及發育，有效磷含量過高往往會抑制叢枝菌根真菌的生長發育和功能；含磷量低的土壤中菌根真菌比含磷量高的對外施肥更加敏感，增加P的投入量則減少菌根發育數量[26-27]。蘋果園地由于化肥施用量較高造成速效磷含量顯著高于其它樣地(P<0.05)，但AM真菌的多樣性和孢子密度顯著低于其它幾類樣地(P<0.05)，這一結果說明了高磷土壤環境對AM真菌的多樣性尤其是產孢能力具有不利影響。本研究中，速效氮與種豐度和多樣性指數顯著正相關(P<0.05)，與孢子密度極顯著正相關(P<0.01)，這與現有研究結果[8]有所不同，這可能與被研究區特殊的植物類群組成、AM真菌及土壤環境的差異有關。以上結果一方面說明在黃土高原貧瘠的土壤中，適當地提高土壤養分，有助于提高AM真菌的發育；同時也說明單個的養分因子并不是獨立地產生作用，而是多種養分因子通過協同或拮抗效應作為一個整體綜合發揮作用，土壤養分對AM真菌的分布及生長發育的影響是多種養分因子綜合作用的結果。

本研究初步查明了豫西黃土丘陵區4種典型利用方式地土壤的AM真菌分布特征、多樣性及主要土壤養分因子對其影響，為該區評價生態恢復效果、制定科學的土壤管理措施提供了基礎支持。為更好研究AM真菌在不同生態系統中的作用，有必要對該區不同生境中AM真菌與宿主植物的相互選擇性、土壤養分及其它生態因子對AM真菌多樣性影響的交互作用進行更加系統的研究，以便為AM真菌在生態系統重建和植被恢復中發揮的作用提供更有力依據。

4 結論

研究結果表明，豫西黃土丘陵區地表植被越豐富，AM真菌物種多樣性越高；土壤pH、速效氮和速效磷含量與AM真菌孢子密度、種豐度和多樣性指數之間存在顯著相關性；土壤養分因子對AM真菌物種多樣性的影響順序為：土壤有機碳>pH>速效氮>速效磷>全氮>全磷>速效鉀。該結果初步揭示了該區AM真菌多樣性與植被及土壤養分因子之間的關系。