土壤因子对黄土丘陵区不同利用方式土地丛植菌根真菌多样性的影响

刘 晶， 赵 燕， 张巧明， 徐少君

(河南科技大学林学院， 河南 洛阳471023)

丛枝菌根(Arbuscularmycorrhizal,AM)真菌是土壤生态系统重要生物群落之一，分布极为广泛，能与90%以上的植物建立共生关系[1]，是与植物关系最为密切的土壤微生物类群之一。AM不但可以提高植物抗逆性，保护和提高生物多样性[2-3]，而且能够促进土壤团聚体的形成、改善土壤结构[4]，还能够通过调节土壤呼吸、影响有机质降解等途径影响土壤的碳固存[5]。因此，AM真菌对于调节植物种间关系和群落演替，提高生态系统的生产力和稳定性，促进土壤矿质循环和结构稳定性、乃至土壤碳库变化等方面都具有特殊的生态学意义[6]。

一些特定的AM真菌与土壤物理、化学特性，如土壤结构和土壤养分含量具有相关关系[7]。土壤中水稳性大团聚体含量、平均重量直径、几何平均直径与AM真菌菌丝密度呈显著正相关[4]。贵州猕猴桃根际AM真菌孢子密度与速效磷含量表现为显著正相关关系，与全氮含量和pH则表现为显著负相关关系[8]。西藏高原中部山地灌丛草原、高山草原和高寒草甸的土壤有效磷与AM真菌孢子密度呈负相关[9]。山东东部苹果种植园土壤速效磷与孢子密度呈显著正相关，有机质与种丰度呈显著正相关，pH值与种丰度、孢子密度和多样性指数呈显著负相关[10-11]。陕北安塞等4个不同生态条件下柠条锦鸡儿AM真菌孢子密度与土壤有机质、速效P、速效K含量呈负相关[12]。毛乌素沙地豆科植物AM真菌的孢子密度与有机质和有效N呈显著正相关[13]。这表明不同营养元素和pH对AM真菌的影响随研究区域、植被类型的不同存在较大差异。

目前，国内学者对丛枝菌根真菌方面的研究主要集中在西北干旱区、盐碱地、藏北高寒草地等典型区域[14-16]，对豫西黄土丘陵沟壑区不同植被覆盖地AM真菌的分布、多样性及其与土壤因子间的关系还缺乏足够了解。因此，本研究对该区不同利用方式地土壤AM真菌分布特征和多样性以及与土壤养分因子间的相互关系进行初步分析，为研究区评价生态恢复效果、制定科学的土壤管理措施和促进土地利用结构优化提供依据。

1 材料与方法

1.1 样地概况及土样采集

2016年10月上旬，在豫西黄土丘陵区选取该区常见的4类利用方式地，每块样地约200 m2。样地A位于新安县曹村乡，样地B位于洛宁县店子乡，样地C位于洛宁县小界乡，样地D位于卢氏县沙河乡，各样地情况见表1。

表1 样地概况Table 1 The basic condition of different plots

在每一样地内按“S”形设置8至10个1 m×1 m的样方，记录样方内植物的种类及数量。每个样方内5点取样，去除地表枯枝落叶层后，采集深度5～30 cm土样约1 kg，混合装袋贴标签运回实验室。

1.2 测定方法

有机碳采用重铬酸钾容量法-外加热法，pH测定采用pHS-3B型精密酸度计测定(1:2.5土水比)，全氮采用半微量开氏法，速效氮采用碱解扩散法，全磷采用H2SO4-HCLO4浸提-钼锑抗比色法，速效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法，速效钾采用NH4OAc浸提-火焰光度法测定[17]。

用湿筛倾析—蔗糖离心分离法分离AM真菌孢子。在显微镜(NIKON Eclipse 80i)下观察孢子的形态特征，参照Schenck&Perez的“VA菌根真菌鉴定手册”描述以及相应分类单元进行属种鉴定。

1.3 数据处理与分析

孢子密度、种丰度、相对多度、分离频度和物种多样性指数参照文献公式计算[1,10,12,16,18-19]。采用Excel 2007，SPSS 18.0软件及CANOCO软件进行数据处理和统计分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)和最小显著差异法(least significant differences，LSD)比较不同数据组间的差异。

2 结果与分析

2.1 不同利用方式地土壤养分含量

撂荒地有机碳、全氮和速效氮含量最高，果园地有机碳、全氮、速效氮、全磷和速效钾含量均为最低(表2)。与果园地土壤相比较，柠条地、刺槐地、撂荒地土壤有机碳含量分别显著提高了85.44%，65.01%和95.03%，全氮含量分别显著提高了83.09%，72.79%和110.29%，速效氮含量分别显著提高了67.81%，49.83%和102.68%，速效磷含量显著降低了22.05%，29.15%和49.41%(P<0.05)。柠条地和刺槐地全磷和速效钾含量较果园地显著提高(P<0.05)。

表2 各样地土壤基本理化性质特征Table 2 The characteristics of basic physical and chemical properties of soils in different plots

注：同列不同小写字母表示不同样地间差异显著(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真菌种的分布特征

采集土样中共检出真菌6属31种，其中无梗囊霉属(Acaulospora)9种，多孢囊霉属(Diversispora)2种，管柄囊霉属(Funneliformis)2种，球囊霉属(Glomus)13种，巨孢囊霉属(Gigaspora)2种，盾巨孢囊霉属(Scutellospora) 3种(表3)。柠条林地、刺槐林地、果园地和撂荒地分别检出19，21，12和23种真菌。细凹无梗囊霉(A.scrobiculata)、幼套多孢囊霉(D.etunicatum)、聚丛球囊霉(G.aggregatum)、缩球囊霉(G.constrictum)、地球囊霉(G.geosporum)和摩西球囊霉(G.mosseae)6种真菌为4个样地共有种。凹坑无梗囊霉(A.excauata)只在撂荒地检出；易误巨孢囊霉(G.decipiens)和美丽盾巨孢囊霉(S.fulgida)2种真菌为刺槐林地特有种；株状巨孢囊霉(G.margarita)为果园地特有种。地球囊霉(G.geosporum)和摩西球囊霉(G.mosseae)在四种样地中的分布频度都在80%以上，重要值均在50%以上，这2种真菌为该区AM真菌的优势种。细凹无梗囊霉(A.scrobiculata)和缩球囊霉(G.constrictum)在柠条林地的重要值分别为50.9%和61.6%，在刺槐林地中的重要值分别为52.8%和57.6%，说明这两个样地中细凹无梗囊霉(A.scrobiculata)和缩球囊霉(G.constrictum)也为优势种。

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

注：IF：分离频度；RA：相对多度;IV:重要值. “—”表示该种真菌在样地中未检出。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真菌属的分布特征

不同样地中球囊霉属的分布频度、相对多度和重要值均最高、无梗囊霉属次之(表4)。与果园地相比，柠条林地和撂荒地无梗囊霉属分离频度、相对多度和重要值均显著提高(P<0.05)，球囊霉属的分离频度、相对多度和重要值均显著降低(P<0.05)，多孢囊霉属的分离频度、相对多度和重要值无显著差异；刺槐林地球囊霉属的相对多度和重要值显著降低(P<0.05)，其他属真菌特征值无显著变化。

表4 不同利用方式地AM真菌属的分布频度、相对多度和重要值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、种丰度和多样性

苹果园地土壤AM真菌的孢子密度、种丰度和多样性指数最低，分别为116.6个·50 g-1、12.2%和0.52，撂荒地最高分别为223.2个·50 g-1、23.3%和0.80(表5)。柠条林地、刺槐林地和撂荒地土壤AM真菌的孢子密度、种丰度和多样性指数较苹果园地显著提高(P<0.05)。撂荒地土壤AM真菌的孢子密度较柠条林地和刺槐林地显著提高(P<0.05)，但这3种利用方式地AM真菌的种丰度和多样性指数均无显著性差异。

表5 不同利用方式地AM真菌的孢子密度、种丰度、多样性Table 5 Spore density,species richness and variety of AM fungal in different land use types

2.5 土壤养分对AM物种多样性的影响

孢子密度与土壤pH、速效磷及全磷含量显著负相关(P<0.05,P<0.01)，与有机碳、速效氮和全氮含量显著正相关(P<0.05,P<0.01)。种丰度与速效氮和速效钾含量显著正相关(P<0.05)，与速效磷含量显著负相关(P<0.05)。多样性指数与pH和速效磷含量显著负相关(P<0.05,P<0.01)，与有机碳和速效氮含量显著正相关(P<0.05)。

表6 土壤养分与AM物种多样性相关性分析Table 6 Correlation analysis of the species diversity of AM fungi and soil nutrients

注：*表示显著相关(P<0.05);** 表示极显著相关(P<0.01)

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

进一步对选取的7个土壤因子做CCA排序分析，箭头所处的象限表示土壤养分因子与排序轴之间的正负相关性，箭头连线的长度表示土壤因子与AM真菌群落组成的相关度大小。7个土壤养分因子对AM真菌群落组成都有一定程度的影响(图1)。其中全氮、速效氮、有机碳和速效钾与AM真菌多样性呈正相关，速效磷、全磷和pH与与AM真菌多样性呈负相关。土壤养分因子与AM真菌多样性的相关性大小为速效磷>pH>速效氮>有机碳>全氮>速效钾>全磷。

3 讨论

丛枝菌根真菌是专性共生生物，只有与宿主植物形成共生体后才能完成自身的生活史，不同宿主植物的根系形态及其生理代谢不同，必然会影响AM真菌的群落组成和多样性[20]。李登武等[19]在对黄土丘陵沟壑区由撂荒到灌丛植被恢复地土壤AM真菌的研究中，共分离出AM真菌3属18种，本研究中柠条地和刺槐地AM真菌种数与该结果接近，但苹果园地和撂荒地与该结果差异较大。不同样地地表植被组成差异较大，地表植被种类少的土壤中AM真菌多样性也较低，说明AM真菌的多样性受到宿主植物多样性的影响，植物种类越丰富，AM真菌物种多样性就越高。尤其是洛宁果园地采用清耕管理并长期大量使用农药和化肥，地表植物和土壤中AM真菌种数均显著低于其它样地。柠条林地土壤中AM真菌种类较刺槐林地少，这可能是由于两样地的植物群落组成、邻体植物及建植次序存在差异，植物群落组成[21 20]、邻体植物及建植次序[22-23]、植物群落构建历史[24]均会影响AM真菌群落组成及多样性。柠条林地初建，栽植密度大，生长速度快，地下根系生长旺盛，部分AM真菌可快速形成共生体，可能抑制了某些类型AM真菌的生长繁殖。本研究中还观察到缩球囊霉和摩西球囊霉为4个样地的共有优势种，果园长期大量使用农药和化肥，这两种AM真菌可能有较强的耐受性，适应了这种土壤环境。

图1 AM群落组成与土壤养分的CCA排序图Fig.1 CCA of community composition of AM fungi and soil chemistry factors.注：SOC:有机碳;TN:全氮;AN:速效氮;TP:全磷;AP:速效磷;AK:速效钾;SD:孢子密度;SR:种丰度;H:多样性指数.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是影响AM真菌孢子形成和分布的重要生态因子。不同种属的AM真菌都有各自适宜的pH范围，一般中性至微酸性土壤有利于AM真菌孢子的形成和发育。对较大尺度下AM真菌分布研究表明，球囊霉属的适应范围最广，在pH 5.0～9.0的土壤中均有分布，盾巨囊霉属在pH 6.0～7.0时分布较多，无梗囊霉属喜偏酸性土壤，巨孢霉属在酸性土壤中分布较少[18]。本研究中分离出的AM真菌种，球囊霉属种最多为13种，这与其较宽的pH适应范围有关；但无梗囊霉属在该区也有较多分布，尤其是细凹无梗囊霉各样地中均有分布，其原因尚待进一步研究。土壤pH除了直接影响土壤微生物的活动之外，还会影响土壤中Fe、Cu、Zn等矿质离子的浓度和活性，从而简接影响AM真菌孢子形成、生长和功能[20]。相关性分析表明，土壤pH与孢子密度呈极显著负相关关系，与AM真菌的种丰度及多样性指数表现为显著负相关关系，因此较高的pH会降低土壤AM真菌的多样性和孢子密度。

土壤养分对AM真菌的分布及生长发育具有重要影响[25]。本研究中样地土壤有机碳含量越高，则地表植被和AM真菌的种类也越多，AM真菌的孢子密度和多样性指数越大。对于人为干扰较少的生态系统，植物凋落物、死根及根系分泌物是土壤有机碳的重要来源，地表植被种类越丰富，生物量越大，有利于提高土壤有机碳含量。土壤有机质作为保存菌丝的基质，较高的有机质含量可以促进菌根发育和菌丝生长[25]，从而提高土壤AM真菌的的孢子密度和多样性。土壤有效磷的含量直接影响丛枝菌根真菌的分布、产孢及发育，有效磷含量过高往往会抑制丛枝菌根真菌的生长发育和功能；含磷量低的土壤中菌根真菌比含磷量高的对外施肥更加敏感，增加P的投入量则减少菌根发育数量[26-27]。苹果园地由于化肥施用量较高造成速效磷含量显著高于其它样地(P<0.05)，但AM真菌的多样性和孢子密度显著低于其它几类样地(P<0.05)，这一结果说明了高磷土壤环境对AM真菌的多样性尤其是产孢能力具有不利影响。本研究中，速效氮与种丰度和多样性指数显著正相关(P<0.05)，与孢子密度极显著正相关(P<0.01)，这与现有研究结果[8]有所不同，这可能与被研究区特殊的植物类群组成、AM真菌及土壤环境的差异有关。以上结果一方面说明在黄土高原贫瘠的土壤中，适当地提高土壤养分，有助于提高AM真菌的发育；同时也说明单个的养分因子并不是独立地产生作用，而是多种养分因子通过协同或拮抗效应作为一个整体综合发挥作用，土壤养分对AM真菌的分布及生长发育的影响是多种养分因子综合作用的结果。

本研究初步查明了豫西黄土丘陵区4种典型利用方式地土壤的AM真菌分布特征、多样性及主要土壤养分因子对其影响，为该区评价生态恢复效果、制定科学的土壤管理措施提供了基础支持。为更好研究AM真菌在不同生态系统中的作用，有必要对该区不同生境中AM真菌与宿主植物的相互选择性、土壤养分及其它生态因子对AM真菌多样性影响的交互作用进行更加系统的研究，以便为AM真菌在生态系统重建和植被恢复中发挥的作用提供更有力依据。

4 结论

研究结果表明，豫西黄土丘陵区地表植被越丰富，AM真菌物种多样性越高；土壤pH、速效氮和速效磷含量与AM真菌孢子密度、种丰度和多样性指数之间存在显著相关性；土壤养分因子对AM真菌物种多样性的影响顺序为：土壤有机碳>pH>速效氮>速效磷>全氮>全磷>速效钾。该结果初步揭示了该区AM真菌多样性与植被及土壤养分因子之间的关系。