喀斯特森林常见树种倒木分解对土壤真菌群落组成及分布规律的影响

2022-04-25戚玉娇

生态学报 2022年7期

张铁,于存,戚玉娇

贵州大学林学院, 贵阳 550025

倒木是森林生态系统的重要组分,其在生态保育、生物多样性维持以及森林更新等方面发挥重要作用[1—2]。倒木的分解是森林生态系统中一个极其重要的生态过程,其分解后为周围其它树木和生物提供了更多的生长空间[2—3]。同时,倒木也是森林生态系统中重要的碳、氮和磷养分库[4—5],它为土壤中的微生物提供能量来源,改变土壤微生物群落结构和组成[6—7]。因此,量化倒木分解对土壤真菌群落及分布规律的影响意义重大。

倒木的分解是微生物侵入、淋溶和风化破碎等交互作用的结果[3]。通常,倒木在分解生物体和淋溶等的驱动下,会经历异养呼吸,生物转化,物理破碎,浸出等过程[1]。其间,部分元素以呼吸形式释放[8],部分元素流入土壤[1]。随着分解的进行,倒木下的土壤有机质和养分含量会发生改变[9—10]。微生物作为影响倒木分解的关键因素之一,可将倒木中复杂的底物分解成小分子化合物[11],从而使倒木的碳结构和质量发生变化[12]。因此,倒木分解过程与其上微生物的关系受到越来越多的学者关注。如Makipaa等[13]发现甲烷氧化细菌是所有木材腐烂阶段中固氮的主要组分,其固氮的来源主要是由真菌分解倒木产生。袁腾飞[14]发现亚热带森林中倒木氮含量与倒木中真菌群落生物量存在正相关关系。常晨晖等[7]发现亚热带高山森林中倒木随着腐烂程度的加深,其内微生物群落生物量显著增大。同样,倒木分解与土壤微生物群落之间也存在复杂的联系[2]。土壤微生物作为土壤中最活跃的部分,同时调节着控制生态系统氮循环的关键过程[15]。而倒木与森林土壤直接接触,其分解、淋溶和破碎的产物会对土壤微生物群落产生一定的影响[16]。近年来,相关报道指出倒木在腐解过程中会改变土壤真菌群落组分和多样性,如王越[17]对香樟、白栎和三角槭等不同树种倒木分解的研究以及蔡琳颖[18]对针阔混交林、山地矮林和常绿阔叶林等不同林型倒木分解的研究。此外,焦阳等[19]对长白山森林倒木分解的研究得出,褐腐和白腐菌条件下倒木影响的土壤有机碳增量存在距离上的差异。因此倒木对土壤真菌多样性的影响程度与倒木腐烂等级、倒木特性及其所处环境等密切关联,且存在一定的影响范围。但目前仍然少见倒木分解对土壤微生物群落影响方面的研究,尤其是将倒木树种、腐烂等级和距离的影响进行综合考虑的更是鲜有报道。

茂兰喀斯特常绿落叶阔叶混交林是喀斯特地区非地带性顶级植被。近年来对茂兰喀斯特森林的研究主要集中在喀斯特森林小生境[20]、土壤养分特征[21]、物种多样性维持机制[22]、林木空间格局[23]、凋落物分解[24]等方面,仍缺乏倒木分解对森林土壤微生物群落及其分布规律影响的相关研究。相比于细菌,真菌因能主导木材类复杂有机物质的降解,其在倒木分解过程中具有较高的贡献性[25],是倒木的主要分解者。因此,本文以茂兰典型喀斯特森林4种常见树种,狭叶润楠(Machilusrehderi)、枫香(Liquidambarformosana)、青冈栎(Cyclobalanopsisglauca)和圆果化香(Platycaryalongipes)倒木为研究对象,结合团队前期的倒木分解对土壤理化性质影响的研究结果[26],对土壤真菌群落采用精度较高的高通量测序分类方法,分析和探讨倒木的树种、腐烂等级和距倒木的距离对土壤真菌群落特征及分布的影响,以期为今后倒木分解规律的深入研究提供参考。

1 材料与方法

1.1 研究地概况

研究地选择贵州茂兰国家级自然保护区,地理位置为25°3′N,107°9′E。最高海拔1078m,最低海拔430m,平均海拔800m。该区属于中亚热带山地湿润气候,年均温度18.3℃,积温5767.9℃,全年降水量1320.5mm,年平均相对湿度80%[27]。地貌类型是由石灰岩及白云岩构成的裸露率高于90%的典型喀斯特地貌,土层浅薄,土壤有机质含量丰富。植被类型以中亚热带石灰岩区常绿落叶阔叶混交林为主,区内林分郁闭度高达0.95。林冠层平均高度10—20m。乔木层主要有圆果化香(Platycaryalongipes)、青冈栎(Cyclobalanopsisglauca)、枫香(Liquidambarformosana)、小叶栾树(Boniodendronminus)、狭叶润楠(Machilusrehderi)等,灌木层主要有小果十大功劳(Mahoniabodinieri)、南天竹(Nandinadomestica)、球核荚蒾(Viburnumpropinquum)等,草本层主要有翠云草(Selaginellauncinata)、天门冬(Asparaguscochinchinensis)等[22]。

1.2 样品采集

在喀斯特常绿落叶阔叶混交林内选取狭叶润楠、青冈栎、枫香和圆果化香4种常见树种的倒木,按照Sollins[28]提出的三级腐烂等级进行划分,Ⅰ级(轻度)：倒木的树皮及侧枝较完整,边材完好无损；Ⅱ级(中度)：倒木的树皮大部分脱落,少部分边材分解；Ⅲ级(重度)：倒木几乎没有树皮,边材大面积分解,部分心材也开始分解。每个树种的同一腐烂等级选择3个重复,分别采集包括心材、边材和树皮的圆盘密封保存带回用作倒木理化性质的分析。另外,在距倒木边际10cm、30cm和50cm处分别取去除表层凋落物的表层土壤(0—10cm)样品,每个距离处进行多点混合取样。本次现场采集样品后马上用样品盒封装再放入干冰冷藏,当天快递加急送往派森诺生物公司检测。

1.3 土壤真菌多样性分析

高通量测序对样本采用Nanodrop进行DNA定量,并通过1.2%琼脂糖凝胶电泳检测DNA提取质量。采用全式金公司的Pfu高保真DNA聚合酶进行目标片段PCR扩增。PCR扩增回收产物使用Quant-iT PicoGreen dsDNA Assay Kit荧光试剂定量。采用Illumina MiSeq/NovaSeq平台对群落DNA片段进行双端 (Paired-end)高通量测序,测序目标片段的最佳长度为200—450bp。利用核糖体RNA保守区域设计引物来扩增rRNA基因的单个或多个可变区后测序。将原始序列按照index和Barcode信息,进行文库和样本划分,并去除barcode序列,按照QIIME2 dada2分析流程中的DADA2方法进行原始序列去噪或OTU聚类[29]。得到最终所需序列进行微生物多样性分析。

1.4 数据分析

(1)物种分类学注释：首先调用qiime cutadapt trim-paired切除序列的引物片段,弃去未匹配引物的序列；然后通过qiime dada2 denoise-paired调用DADA2进行质控、去噪、拼接、去嵌合体。对每个样本的测序量进行序列长度分布统计。对于真核微生物18S rRNA基因,默认选用Silva数据库(Release132)；3) 对于真菌ITS序列的,默认选用UNITE数据库(Release 8.0,https://unite.ut.ee/)进行注释。

(2)物种组成分析：对注释后的ASV/OTU表采用稀疏(Rarefaction)的方法抽平统计,可获得每个样本中的微生物群落在各分类水平的具体组成表。分类学组成分析使用Origin18软件进行门和属分类水平上的组成分布的可视化,并以柱状图呈现分析结果。

(3)Alpha多样性分析：使用Chao1指数和Shannon-Wiener指数来分析真菌群落多样性。使用未抽平的ASV/OTU表,QIIME2 (2019.4)中的“qiime diversity alpha-rarefaction”命令计算以上指数,最小抽平深度为10。

(4)倒木及土壤理化性质分析是基于本团队前期的研究结果[26]。

为了便于比较,单独对树种的分析采用的是重度腐烂等级和距离倒木10cm内的数据,对腐烂等级的分析采用的是距离倒木10cm内的数据。采用单因素方差分析和Duncan多重比较对土壤真菌群落多样性指数进行差异性检验。使用R语言的Vegan包和ggplot2包进行不同腐烂等级下土壤真菌群落结构的非度量多维尺度分析(NMDS),采用QIIME2 (2019.4) 计算土壤真菌Alpha多样性指数,Excel 2016和Origin 18进行数据处理和绘图。

2 研究结果

2.1 倒木的树种对土壤真菌类群的影响

2.1.1树种对土壤真菌类群的影响

对土壤真菌门水平分析发现(图1),4种树种影响的土壤真菌相对丰度位于前3的优势菌门均为子囊菌门、担子菌门和毛霉门。狭叶润楠倒木下土壤真菌相对丰度大小依次为子囊菌门18.78%,担子菌门6.48%和毛霉门6.73%。枫香倒木下土壤真菌相对丰度为子囊菌门26.08%,担子菌门9.8%和毛霉门3.1%。青冈栎倒木下土壤真菌相对丰度为子囊菌门19.57%,担子菌门14%和毛霉门8.04%。圆果化香倒木下土壤真菌相对丰度为子囊菌门22.08%,担子菌门8.16%和毛霉门7.48%。

图1 倒木下土壤真菌门级分类

不同树种倒木所影响的土壤真菌群落在属分类等级中相对丰度情况如图2。狭叶润楠倒木影响的主要土壤真菌群落平均相对丰度大小依次为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%的真菌在界分类等级上为未知类型。枫香倒木影响的土壤真菌群落平均相对丰度大小依次为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%的真菌在界分类等级上为未知类型。青冈栎倒木影响的土壤真菌群落相对丰度大小依次为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%的真菌在界分类等级上为未知类型。圆果化香倒木影响的土壤真菌群落相对丰度大小依次为Alternaria(5.7%),Fusarium(3.3%),Mortierella(2.9%),Chaetomium(1.2%),Papiliotrema、Plectosphaerella和Humicola均为1.0%,另有37.3%的真菌在界分类等级上为未知类型。

图2 倒木下土壤真菌属级相对丰度图

2.1.2树种对土壤真菌多样性的影响

圆果化香倒木下土壤真菌群落Chao1指数显著高于青冈栎,其它树种间的Chao1指数与Shannon-Wiener指数均无显著差异(表1)。

表1 各树种倒木下的土壤真菌多样性指数

2.2 倒木的腐烂等级对土壤真菌类群的影响

2.2.1腐烂等级对土壤真菌群落多样性的影响

狭叶润楠倒木下的土壤真菌Shannon-Wiener指数在中重度腐烂等级下高于轻度腐烂(P<0.05),Chao1指数在不同腐烂等级间无显著变化。枫香倒木的Chao1指数和Shannon指数在中重度腐烂等级下显著高于轻度腐烂等级。青冈栎倒木的Chao1指数在中度腐烂下显著高于重度腐烂等级,其Shannon指数在重度腐烂下显著高于轻度腐烂。圆果化香倒木的Chao1指数与Shannon指数在重度腐烂下显著高于轻度腐烂等级(表2)。

表2 各树种在不同腐烂等级下的土壤真菌多样性指数

2.2.2腐烂等级对土壤真菌群落结构的影响

对土壤真菌群落结构的非度量多维尺度分析结果显示(图3),同一树种不同腐烂程度之间无重合部分,各树种下的土壤真菌群落在轻度、中度和重度腐烂等级均呈聚集分布模式,说明这4种倒木的腐烂等级对土壤真菌群落确有显著影响。

图3 各树种不同腐烂等级下土壤真菌群落结构的非度量多维尺度转化排序(NMDS)分析

2.3 距倒木的距离对土壤真菌群落多样性的影响

距倒木不同距离处的土壤真菌群落多样性见表3。狭叶润楠倒木所影响的土壤真菌群落Shannon-Wiener指数在10cm处为7.32,高于50cm处的5.88(P<0.05),枫香所影响的土壤真菌群落Chao1指数在10cm处为541.08,显著高于50cm处的320.07。其它树种不同距离处的土壤真菌多样性指数无显著差异。

表3 各树种在不同距离下的土壤真菌多样性指数

为进一步探究距离对土壤真菌群落的影响,分别对距倒木10cm和50cm处的土壤真菌群落相对丰度进行分析(表4)。Pluteus、Mortierella、Ganoderma和Hebeloma受狭叶润楠倒木影响较大,50cm与10cm处的相对丰度分别相差6.27%、4.05%、4.04%和2.09%。Tetracladium受枫香倒木影响较大,其在50cm处比10cm处的相对丰度减少1.02%。受青冈栎倒木影响较大的土壤真菌类群为Phlebia和Oliveonia,在50cm处比10cm处的相对丰度分别减少1.62%和1.4%。受圆果化香倒木距离影响较大的土壤真菌群落为Alternaria、Mortierella、Fusarium和Ganoderma,50cm与10cm处的相对丰度分别相差5.27%、2.48%、1.56%和1.26%。

表4 各树种在不同距离下的土壤真菌群落相对丰度

3 讨论

倒木分解是由微生物主导的生物化学过程,倒木在分解过程中经破碎淋溶后的产物输入土壤会对土壤的微生物群落结构产生一定的影响[17]。喀斯特森林4种树种倒木所影响的土壤真菌在门级分类上主要为子囊菌门、担子菌门和毛霉门(图1),优势属有Mortierella、Phlebia、Pluteus和Chaetomium等(图2)。因倒木富含木质素,担子菌门中如白腐真菌就能够分解碳氮比高的木质素[30],而光柄菇属(Pluteus)中的大多数种则多生于腐木上,通过淋溶破碎到林地上使得土壤中的Pluteus增多[31]。因此担子菌在倒木这样的生长环境下,更多地利用降解的残留物达到快速增长的目的[32]。其它腐生真菌,如子囊菌门毛壳属(Chaetomium),能够产生多种拮抗物质和纤维素酶,可以分解倒木碎片的纤维素[33],接合菌门中的被孢霉菌(Mortierella)不仅具有分解多种复杂有机化合物的能力,亦可抵御某些真菌和细菌病原菌的生长繁殖,通过改善土壤碳磷养分转化、分泌生长激素、合成抗生素抑制病原菌来促进植被生长[34]。灵芝属(Ganoderma)常侵染腐朽干基[35],黑盘孢属(Melanconium)多数种类是木本阔叶树枝的寄生菌[36—37]。因此,通过倒木分解对土壤微生物群落的影响研究可以揭示倒木的腐解机制。

虽然倒木覆盖所影响的土壤真菌群落结构组成相似,但不同树种倒木下的土壤真菌丰度和多样性存在差异(表1,图2)。这种差异往往是由不同树种自身木材特性决定的,即树种化学性质和结构差异会导致倒木分解过程中对土壤理化性质和微生物结构的影响差异[17]。以往报道得出不同性质的植物凋落物分解会对土壤微生物群落造成不同的影响[38]。因此,倒木下土壤微生物丰富度与倒木本身及其所影响的土壤元素含量息息相关[19,39—40]。如王越[17]和胡芳[41]等人研究表明土壤真菌群落多样性指数与土壤氮和磷含量呈正相关,胡芳[41]发现土壤真菌群落多样性与土壤钾含量呈负相关。本研究中圆果化香倒木下的土壤真菌丰富度Chao1指数高于青冈栎(表1),与前期报道的圆果化香倒木下土壤全氮含量显著高于青冈栎,有效磷、速效钾、有机碳和碳氮比低于青冈栎的结果相对应[26]。因为较高的氮素利于微生物的繁殖,其含量的多少决定微生物的数量及活性[42],倒木的分解增大了土壤微生物对氮元素的固持[43]。适当的磷添加也能够提高土壤微生物活性[44]、木材腐朽菌的菌丝和有机物的持续分解会导致磷素的相对富集[45—46]。虽然圆果化香和青冈栎倒木下全磷的含量差异不显著,但有效磷易于吸附络合的铝、铁离子,其含量与倒木分解的有机质被消耗而铝铁离子的释放有关[47—48]。而土壤碳氮比的增加通常会促进土壤细菌的增殖,降低土壤真菌的活性[49]。钾具有较高的迁移特性[50—51],易在土壤真菌作用下被植被吸收和利用[49]。可见,不同树种倒木分解对土壤真菌群落具有不同调节能力。

另外,倒木分解对土壤微生物群落的影响程度与所处的腐烂等级有关。本研究显示喀斯特森林4种树种倒木下的土壤真菌群落多样性随腐烂程度加深显著增加(表2)。以往对秸秆的研究发现,秸秆还田后会增加土壤氮磷含量及土壤微生物群落的多样性[52—53],但秸秆只有短期效益(1年和2年),当时间超过5年时秸秆还田对土壤微生物多样性的影响会显著性降低[53—54]。与秸秆不同,倒木分解周期至少20年以上且储量巨大[3],然而倒木与秸秆元素释放等对土壤的作用机制有相似之处,即氮磷等元素的淋溶释放会提高土壤微生物多样性[54—55]。本区域4种树种倒木临近土壤的氮磷含量均随着腐烂程度的加深呈现显著递增趋势[26],土壤腐殖质组分、有机碳的释放也随着倒木分解等级的增加而增加[26]。通常,倒木在分解初期的养分物质刚被分解和释放,含量较低。到分解中后期,木质结构变疏松,与土壤接触面积变大,土壤真菌对倒木的腐解加速,腐殖化进程加快[55]。同时倒木中大量的木质素等渗透到土壤中被担子菌门的真菌群落和木腐菌等分解利用[56],促进土壤有机质的积累[40,57],增加了土壤真菌群落的多样性[54]。

在小尺度空间区域内,倒木可能是森林表层土壤碳氮等的重要输入源[58]。喀斯特森林土壤真菌群落丰度随着距倒木距离的增大(10—50cm)变化明显,包括很多优势真菌群落如狭叶润楠影响的Pluteusspp.、Mortierellaspp.和Ganodermaspp.,枫香的Chaetomiumspp.,圆果化香的Mortierellaspp.和青冈栎的Phlebiaspp.和Oliveoniaspp.等(表4)。另外,狭叶润楠和枫香倒木对土壤真菌群落多样性和丰富度的影响随距离增大呈减小趋势(表3),这与焦阳[19]对长白山森林倒木腐解的研究得出的近倒木处真菌数量高于远离倒木处的结果一致,说明倒木分解对土壤真菌群落的影响存在一定的距离范围。然而,与狭叶润楠和圆果化香相比,枫香和青冈栎倒木所影响的不同距离处土壤真菌群落相对丰度差值却较小。且圆果化香和青冈栎倒木分解对土壤真菌群落多样性或丰富度的影响也没有表现出明显的距离差异,可能与不同树种的木材特性差异以及倒木周边微环境的影响有关。本研究中倒木的采样点集中在同一区域,大体上保证了温度和湿度等气候条件和海拔的一致性,但微地形和微环境的影响不可避免。特别是因雨水对倒木的淋溶和对土壤的冲刷等作用,会存在倒木下土壤发生迁移的情况。因此,后期可考虑综合分析影响因素或控制实验对相关研究进行深入探索[26]。