喀斯特森林常見樹種倒木分解對土壤真菌群落組成及分布規律的影響

張 鐵,于 存,戚玉嬌

貴州大學林學院, 貴陽 550025

倒木是森林生態系統的重要組分,其在生態保育、生物多樣性維持以及森林更新等方面發揮重要作用[1—2]。倒木的分解是森林生態系統中一個極其重要的生態過程,其分解后為周圍其它樹木和生物提供了更多的生長空間[2—3]。同時,倒木也是森林生態系統中重要的碳、氮和磷養分庫[4—5],它為土壤中的微生物提供能量來源,改變土壤微生物群落結構和組成[6—7]。因此,量化倒木分解對土壤真菌群落及分布規律的影響意義重大。

倒木的分解是微生物侵入、淋溶和風化破碎等交互作用的結果[3]。通常,倒木在分解生物體和淋溶等的驅動下,會經歷異養呼吸,生物轉化,物理破碎,浸出等過程[1]。其間,部分元素以呼吸形式釋放[8],部分元素流入土壤[1]。隨著分解的進行,倒木下的土壤有機質和養分含量會發生改變[9—10]。微生物作為影響倒木分解的關鍵因素之一,可將倒木中復雜的底物分解成小分子化合物[11],從而使倒木的碳結構和質量發生變化[12]。因此,倒木分解過程與其上微生物的關系受到越來越多的學者關注。如Makipaa等[13]發現甲烷氧化細菌是所有木材腐爛階段中固氮的主要組分,其固氮的來源主要是由真菌分解倒木產生。袁騰飛[14]發現亞熱帶森林中倒木氮含量與倒木中真菌群落生物量存在正相關關系。常晨暉等[7]發現亞熱帶高山森林中倒木隨著腐爛程度的加深,其內微生物群落生物量顯著增大。同樣,倒木分解與土壤微生物群落之間也存在復雜的聯系[2]。土壤微生物作為土壤中最活躍的部分,同時調節著控制生態系統氮循環的關鍵過程[15]。而倒木與森林土壤直接接觸,其分解、淋溶和破碎的產物會對土壤微生物群落產生一定的影響[16]。近年來,相關報道指出倒木在腐解過程中會改變土壤真菌群落組分和多樣性,如王越[17]對香樟、白櫟和三角槭等不同樹種倒木分解的研究以及蔡琳穎[18]對針闊混交林、山地矮林和常綠闊葉林等不同林型倒木分解的研究。此外,焦陽等[19]對長白山森林倒木分解的研究得出,褐腐和白腐菌條件下倒木影響的土壤有機碳增量存在距離上的差異。因此倒木對土壤真菌多樣性的影響程度與倒木腐爛等級、倒木特性及其所處環境等密切關聯,且存在一定的影響范圍。但目前仍然少見倒木分解對土壤微生物群落影響方面的研究,尤其是將倒木樹種、腐爛等級和距離的影響進行綜合考慮的更是鮮有報道。

茂蘭喀斯特常綠落葉闊葉混交林是喀斯特地區非地帶性頂級植被。近年來對茂蘭喀斯特森林的研究主要集中在喀斯特森林小生境[20]、土壤養分特征[21]、物種多樣性維持機制[22]、林木空間格局[23]、凋落物分解[24]等方面,仍缺乏倒木分解對森林土壤微生物群落及其分布規律影響的相關研究。相比于細菌,真菌因能主導木材類復雜有機物質的降解,其在倒木分解過程中具有較高的貢獻性[25],是倒木的主要分解者。因此,本文以茂蘭典型喀斯特森林4種常見樹種,狹葉潤楠(Machilusrehderi)、楓香(Liquidambarformosana)、青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)和圓果化香(Platycaryalongipes)倒木為研究對象,結合團隊前期的倒木分解對土壤理化性質影響的研究結果[26],對土壤真菌群落采用精度較高的高通量測序分類方法,分析和探討倒木的樹種、腐爛等級和距倒木的距離對土壤真菌群落特征及分布的影響,以期為今后倒木分解規律的深入研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地概況

研究地選擇貴州茂蘭國家級自然保護區,地理位置為25°3′N,107°9′E。最高海拔1078m,最低海拔430m,平均海拔800m。該區屬于中亞熱帶山地濕潤氣候,年均溫度18.3℃,積溫5767.9℃,全年降水量1320.5mm,年平均相對濕度80%[27]。地貌類型是由石灰巖及白云巖構成的裸露率高于90%的典型喀斯特地貌,土層淺薄,土壤有機質含量豐富。植被類型以中亞熱帶石灰巖區常綠落葉闊葉混交林為主,區內林分郁閉度高達0.95。林冠層平均高度10—20m。喬木層主要有圓果化香(Platycaryalongipes)、青岡櫟(Cyclobalanopsisglauca)、楓香(Liquidambarformosana)、小葉欒樹(Boniodendronminus)、狹葉潤楠(Machilusrehderi)等,灌木層主要有小果十大功勞(Mahoniabodinieri)、南天竹(Nandinadomestica)、球核莢蒾(Viburnumpropinquum)等,草本層主要有翠云草(Selaginellauncinata)、天門冬(Asparaguscochinchinensis)等[22]。

1.2 樣品采集

在喀斯特常綠落葉闊葉混交林內選取狹葉潤楠、青岡櫟、楓香和圓果化香4種常見樹種的倒木,按照Sollins[28]提出的三級腐爛等級進行劃分,Ⅰ級(輕度)：倒木的樹皮及側枝較完整,邊材完好無損；Ⅱ級(中度)：倒木的樹皮大部分脫落,少部分邊材分解；Ⅲ級(重度)：倒木幾乎沒有樹皮,邊材大面積分解,部分心材也開始分解。每個樹種的同一腐爛等級選擇3個重復,分別采集包括心材、邊材和樹皮的圓盤密封保存帶回用作倒木理化性質的分析。另外,在距倒木邊際10cm、30cm和50cm處分別取去除表層凋落物的表層土壤(0—10cm)樣品,每個距離處進行多點混合取樣。本次現場采集樣品后馬上用樣品盒封裝再放入干冰冷藏,當天快遞加急送往派森諾生物公司檢測。

1.3 土壤真菌多樣性分析

高通量測序對樣本采用Nanodrop進行DNA定量,并通過1.2%瓊脂糖凝膠電泳檢測DNA提取質量。采用全式金公司的Pfu高保真DNA聚合酶進行目標片段PCR擴增。PCR擴增回收產物使用Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit熒光試劑定量。采用Illumina MiSeq/NovaSeq平臺對群落DNA片段進行雙端 (Paired-end)高通量測序,測序目標片段的最佳長度為200—450bp。利用核糖體RNA保守區域設計引物來擴增rRNA基因的單個或多個可變區后測序。將原始序列按照index和Barcode信息,進行文庫和樣本劃分,并去除barcode序列,按照QIIME2 dada2分析流程中的DADA2方法進行原始序列去噪或OTU聚類[29]。得到最終所需序列進行微生物多樣性分析。

1.4 數據分析

(1)物種分類學注釋：首先調用qiime cutadapt trim-paired切除序列的引物片段,棄去未匹配引物的序列；然后通過qiime dada2 denoise-paired調用DADA2進行質控、去噪、拼接、去嵌合體。對每個樣本的測序量進行序列長度分布統計。對于真核微生物18S rRNA基因,默認選用Silva數據庫(Release132)；3) 對于真菌ITS序列的,默認選用UNITE數據庫(Release 8.0,https://unite.ut.ee/)進行注釋。

(2)物種組成分析：對注釋后的ASV/OTU表采用稀疏(Rarefaction)的方法抽平統計,可獲得每個樣本中的微生物群落在各分類水平的具體組成表。分類學組成分析使用Origin18軟件進行門和屬分類水平上的組成分布的可視化,并以柱狀圖呈現分析結果。

(3)Alpha多樣性分析：使用Chao1指數和Shannon-Wiener指數來分析真菌群落多樣性。使用未抽平的ASV/OTU表,QIIME2 (2019.4)中的“qiime diversity alpha-rarefaction”命令計算以上指數,最小抽平深度為10。

(4)倒木及土壤理化性質分析是基于本團隊前期的研究結果[26]。

為了便于比較,單獨對樹種的分析采用的是重度腐爛等級和距離倒木10cm內的數據,對腐爛等級的分析采用的是距離倒木10cm內的數據。采用單因素方差分析和Duncan多重比較對土壤真菌群落多樣性指數進行差異性檢驗。使用R語言的Vegan包和ggplot2包進行不同腐爛等級下土壤真菌群落結構的非度量多維尺度分析(NMDS),采用QIIME2 (2019.4) 計算土壤真菌Alpha多樣性指數,Excel 2016和Origin 18進行數據處理和繪圖。

2 研究結果

2.1 倒木的樹種對土壤真菌類群的影響

2.1.1樹種對土壤真菌類群的影響

對土壤真菌門水平分析發現(圖1),4種樹種影響的土壤真菌相對豐度位于前3的優勢菌門均為子囊菌門、擔子菌門和毛霉門。狹葉潤楠倒木下土壤真菌相對豐度大小依次為子囊菌門18.78%,擔子菌門6.48%和毛霉門6.73%。楓香倒木下土壤真菌相對豐度為子囊菌門26.08%,擔子菌門9.8%和毛霉門3.1%。青岡櫟倒木下土壤真菌相對豐度為子囊菌門19.57%,擔子菌門14%和毛霉門8.04%。圓果化香倒木下土壤真菌相對豐度為子囊菌門22.08%,擔子菌門8.16%和毛霉門7.48%。

圖1 倒木下土壤真菌門級分類

不同樹種倒木所影響的土壤真菌群落在屬分類等級中相對豐度情況如圖2。狹葉潤楠倒木影響的主要土壤真菌群落平均相對豐度大小依次為Pluteus(7.0%),Mortierella(6.65%),Camarographium(3.1%),Tomentella(2.0%),Phloeomana(1.6%),Ganoderma(1.5%),Mucor(1.4%)和Fusarium(1.3%),另有37.7%的真菌在界分類等級上為未知類型。楓香倒木影響的土壤真菌群落平均相對豐度大小依次為Mortierella(6.5%),Fusarium(2.2%),Chaetomium(1.8%),Ganoderma(1.8%),Humicola(1.2%),Cercophora(1.2%)和Staphylotrichum(1.0%),另有46.8%的真菌在界分類等級上為未知類型。青岡櫟倒木影響的土壤真菌群落相對豐度大小依次為Mortierella(7.2%),Fusarium(1.8%),Chaetomium(1.7%),Pluteus(1.5%),Cercophora(1.3%),Ganoderma(1.2%),Humicola(1.1%)和Aspergillus(1.0%),有35.6%的真菌在界分類等級上為未知類型。圓果化香倒木影響的土壤真菌群落相對豐度大小依次為Alternaria(5.7%),Fusarium(3.3%),Mortierella(2.9%),Chaetomium(1.2%),Papiliotrema、Plectosphaerella和Humicola均為1.0%,另有37.3%的真菌在界分類等級上為未知類型。

圖2 倒木下土壤真菌屬級相對豐度圖

2.1.2樹種對土壤真菌多樣性的影響

圓果化香倒木下土壤真菌群落Chao1指數顯著高于青岡櫟,其它樹種間的Chao1指數與Shannon-Wiener指數均無顯著差異(表1)。

表1 各樹種倒木下的土壤真菌多樣性指數

2.2 倒木的腐爛等級對土壤真菌類群的影響

2.2.1腐爛等級對土壤真菌群落多樣性的影響

狹葉潤楠倒木下的土壤真菌Shannon-Wiener指數在中重度腐爛等級下高于輕度腐爛(P<0.05),Chao1指數在不同腐爛等級間無顯著變化。楓香倒木的Chao1指數和Shannon指數在中重度腐爛等級下顯著高于輕度腐爛等級。青岡櫟倒木的Chao1指數在中度腐爛下顯著高于重度腐爛等級,其Shannon指數在重度腐爛下顯著高于輕度腐爛。圓果化香倒木的Chao1指數與Shannon指數在重度腐爛下顯著高于輕度腐爛等級(表2)。

表2 各樹種在不同腐爛等級下的土壤真菌多樣性指數

2.2.2腐爛等級對土壤真菌群落結構的影響

對土壤真菌群落結構的非度量多維尺度分析結果顯示(圖3),同一樹種不同腐爛程度之間無重合部分,各樹種下的土壤真菌群落在輕度、中度和重度腐爛等級均呈聚集分布模式,說明這4種倒木的腐爛等級對土壤真菌群落確有顯著影響。

圖3 各樹種不同腐爛等級下土壤真菌群落結構的非度量多維尺度轉化排序(NMDS)分析

2.3 距倒木的距離對土壤真菌群落多樣性的影響

距倒木不同距離處的土壤真菌群落多樣性見表3。狹葉潤楠倒木所影響的土壤真菌群落Shannon-Wiener指數在10cm處為7.32,高于50cm處的5.88(P<0.05),楓香所影響的土壤真菌群落Chao1指數在10cm處為541.08,顯著高于50cm處的320.07。其它樹種不同距離處的土壤真菌多樣性指數無顯著差異。

表3 各樹種在不同距離下的土壤真菌多樣性指數

為進一步探究距離對土壤真菌群落的影響,分別對距倒木10cm和50cm處的土壤真菌群落相對豐度進行分析(表4)。Pluteus、Mortierella、Ganoderma和Hebeloma受狹葉潤楠倒木影響較大,50cm與10cm處的相對豐度分別相差6.27%、4.05%、4.04%和2.09%。Tetracladium受楓香倒木影響較大,其在50cm處比10cm處的相對豐度減少1.02%。受青岡櫟倒木影響較大的土壤真菌類群為Phlebia和Oliveonia,在50cm處比10cm處的相對豐度分別減少1.62%和1.4%。受圓果化香倒木距離影響較大的土壤真菌群落為Alternaria、Mortierella、Fusarium和Ganoderma,50cm與10cm處的相對豐度分別相差5.27%、2.48%、1.56%和1.26%。

表4 各樹種在不同距離下的土壤真菌群落相對豐度

3 討論

倒木分解是由微生物主導的生物化學過程,倒木在分解過程中經破碎淋溶后的產物輸入土壤會對土壤的微生物群落結構產生一定的影響[17]。喀斯特森林4種樹種倒木所影響的土壤真菌在門級分類上主要為子囊菌門、擔子菌門和毛霉門(圖1),優勢屬有Mortierella、Phlebia、Pluteus和Chaetomium等(圖2)。因倒木富含木質素,擔子菌門中如白腐真菌就能夠分解碳氮比高的木質素[30],而光柄菇屬(Pluteus)中的大多數種則多生于腐木上,通過淋溶破碎到林地上使得土壤中的Pluteus增多[31]。因此擔子菌在倒木這樣的生長環境下,更多地利用降解的殘留物達到快速增長的目的[32]。其它腐生真菌,如子囊菌門毛殼屬(Chaetomium),能夠產生多種拮抗物質和纖維素酶,可以分解倒木碎片的纖維素[33],接合菌門中的被孢霉菌(Mortierella)不僅具有分解多種復雜有機化合物的能力,亦可抵御某些真菌和細菌病原菌的生長繁殖,通過改善土壤碳磷養分轉化、分泌生長激素、合成抗生素抑制病原菌來促進植被生長[34]。靈芝屬(Ganoderma)常侵染腐朽干基[35],黑盤孢屬(Melanconium)多數種類是木本闊葉樹枝的寄生菌[36—37]。因此,通過倒木分解對土壤微生物群落的影響研究可以揭示倒木的腐解機制。

雖然倒木覆蓋所影響的土壤真菌群落結構組成相似,但不同樹種倒木下的土壤真菌豐度和多樣性存在差異(表1,圖2)。這種差異往往是由不同樹種自身木材特性決定的,即樹種化學性質和結構差異會導致倒木分解過程中對土壤理化性質和微生物結構的影響差異[17]。以往報道得出不同性質的植物凋落物分解會對土壤微生物群落造成不同的影響[38]。因此,倒木下土壤微生物豐富度與倒木本身及其所影響的土壤元素含量息息相關[19,39—40]。如王越[17]和胡芳[41]等人研究表明土壤真菌群落多樣性指數與土壤氮和磷含量呈正相關,胡芳[41]發現土壤真菌群落多樣性與土壤鉀含量呈負相關。本研究中圓果化香倒木下的土壤真菌豐富度Chao1指數高于青岡櫟(表1),與前期報道的圓果化香倒木下土壤全氮含量顯著高于青岡櫟,有效磷、速效鉀、有機碳和碳氮比低于青岡櫟的結果相對應[26]。因為較高的氮素利于微生物的繁殖,其含量的多少決定微生物的數量及活性[42],倒木的分解增大了土壤微生物對氮元素的固持[43]。適當的磷添加也能夠提高土壤微生物活性[44]、木材腐朽菌的菌絲和有機物的持續分解會導致磷素的相對富集[45—46]。雖然圓果化香和青岡櫟倒木下全磷的含量差異不顯著,但有效磷易于吸附絡合的鋁、鐵離子,其含量與倒木分解的有機質被消耗而鋁鐵離子的釋放有關[47—48]。而土壤碳氮比的增加通常會促進土壤細菌的增殖,降低土壤真菌的活性[49]。鉀具有較高的遷移特性[50—51],易在土壤真菌作用下被植被吸收和利用[49]。可見,不同樹種倒木分解對土壤真菌群落具有不同調節能力。

另外,倒木分解對土壤微生物群落的影響程度與所處的腐爛等級有關。本研究顯示喀斯特森林4種樹種倒木下的土壤真菌群落多樣性隨腐爛程度加深顯著增加(表2)。以往對秸稈的研究發現,秸稈還田后會增加土壤氮磷含量及土壤微生物群落的多樣性[52—53],但秸稈只有短期效益(1年和2年),當時間超過5年時秸稈還田對土壤微生物多樣性的影響會顯著性降低[53—54]。與秸稈不同,倒木分解周期至少20年以上且儲量巨大[3],然而倒木與秸稈元素釋放等對土壤的作用機制有相似之處,即氮磷等元素的淋溶釋放會提高土壤微生物多樣性[54—55]。本區域4種樹種倒木臨近土壤的氮磷含量均隨著腐爛程度的加深呈現顯著遞增趨勢[26],土壤腐殖質組分、有機碳的釋放也隨著倒木分解等級的增加而增加[26]。通常,倒木在分解初期的養分物質剛被分解和釋放,含量較低。到分解中后期,木質結構變疏松,與土壤接觸面積變大,土壤真菌對倒木的腐解加速,腐殖化進程加快[55]。同時倒木中大量的木質素等滲透到土壤中被擔子菌門的真菌群落和木腐菌等分解利用[56],促進土壤有機質的積累[40,57],增加了土壤真菌群落的多樣性[54]。

在小尺度空間區域內,倒木可能是森林表層土壤碳氮等的重要輸入源[58]。喀斯特森林土壤真菌群落豐度隨著距倒木距離的增大(10—50cm)變化明顯,包括很多優勢真菌群落如狹葉潤楠影響的Pluteusspp.、Mortierellaspp.和Ganodermaspp.,楓香的Chaetomiumspp.,圓果化香的Mortierellaspp.和青岡櫟的Phlebiaspp.和Oliveoniaspp.等(表4)。另外,狹葉潤楠和楓香倒木對土壤真菌群落多樣性和豐富度的影響隨距離增大呈減小趨勢(表3),這與焦陽[19]對長白山森林倒木腐解的研究得出的近倒木處真菌數量高于遠離倒木處的結果一致,說明倒木分解對土壤真菌群落的影響存在一定的距離范圍。然而,與狹葉潤楠和圓果化香相比,楓香和青岡櫟倒木所影響的不同距離處土壤真菌群落相對豐度差值卻較小。且圓果化香和青岡櫟倒木分解對土壤真菌群落多樣性或豐富度的影響也沒有表現出明顯的距離差異,可能與不同樹種的木材特性差異以及倒木周邊微環境的影響有關。本研究中倒木的采樣點集中在同一區域,大體上保證了溫度和濕度等氣候條件和海拔的一致性,但微地形和微環境的影響不可避免。特別是因雨水對倒木的淋溶和對土壤的沖刷等作用,會存在倒木下土壤發生遷移的情況。因此,后期可考慮綜合分析影響因素或控制實驗對相關研究進行深入探索[26]。

4 結論

茂蘭喀斯特森林4種常見樹種倒木所影響的土壤真菌群落結構組成相似,且不同樹種倒木下的土壤真菌豐度和多樣性存在差異。隨著倒木分解程度的加深,4種樹種倒木下的土壤真菌群落多樣性顯著增加。倒木分解對土壤真菌的影響存在一定的距離范圍,但會受微地形和微環境的影響。