草地蘑菇圈對(duì)植被及土壤真菌的影響

張 灝，楊 超

（1. 中國人民大學(xué)附屬中學(xué)，北京 100080；2. 中國農(nóng)業(yè)大學(xué)動(dòng)物科技學(xué)院草業(yè)科學(xué)系，北京 100193）

蘑菇圈(fairy ring)是由土壤中擔(dān)子菌類真菌引起的一種常見的草地生態(tài)學(xué)景觀[1]。真菌菌絲體的蔓延并輻射狀生長構(gòu)成了蘑菇圈，且菌絲體的生長代謝活動(dòng)對(duì)相應(yīng)的植物和土壤生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生影響，使植物也呈現(xiàn)圈狀分布[2]。目前對(duì)蘑菇圈的研究主要集中在蘑菇圈對(duì)植物生物量和土壤理化性質(zhì)的影響。許多研究者對(duì)蘑菇圈的關(guān)注均來自于對(duì)草原上圈帶狀濃綠植物的觀察。由于蘑菇出菇時(shí)間短，且蘑菇子實(shí)體容易受到環(huán)境氣候條件的影響，因此蘑菇圈產(chǎn)生菌的子實(shí)體一般不容易被觀察到。相反，在雨后草原上經(jīng)?？吹饺~色濃綠的綠草環(huán)[3-6]。綠草環(huán)的形成一方面是由于土壤中有機(jī)質(zhì)被蘑菇圈產(chǎn)生菌的菌絲快速分解，進(jìn)而釋放了植被可利用的速效養(yǎng)分，間接提高了植被的營養(yǎng)狀況，同時(shí)也與真菌的特殊攝食方式有關(guān)。死亡的菌絲體被降解后大量速效養(yǎng)分的釋放使得圈內(nèi)綠草環(huán)上的植物比圈外區(qū)域的植物繁茂和濃綠[2]。通常綠草環(huán)上植物生物量及蛋白質(zhì)含量顯著增加[7-10]。綠草環(huán)上植物中的蛋白質(zhì)、纖維素、鈣、磷含量分別提高3.7、2、1.6和3.9倍[11]。許多研究表明，在蘑菇圈的綠草環(huán)區(qū)域中土壤全氮、速效氮、速效磷、速效鉀含量均高于圈外區(qū)域[6,12-14]。且圈上土壤中的細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量高于圈內(nèi)和圈外[15-20]。在對(duì)于蘑菇圈土壤細(xì)菌結(jié)構(gòu)方面的進(jìn)一步研究表明，蘑菇圈真菌存在增加了土壤細(xì)菌多樣性，改變了土壤細(xì)菌多樣性結(jié)構(gòu)[21]。然而蘑菇圈真菌對(duì)于土壤真菌結(jié)構(gòu)的影響及蘑菇圈土壤理化性質(zhì)與土壤真菌結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系的研究還鮮有報(bào)道。因此，本研究通過分析蘑菇圈3個(gè)區(qū)域(圈外、圈上和圈內(nèi))的植被氮磷營養(yǎng)、土壤理化性質(zhì)及土壤真菌結(jié)構(gòu)，旨在補(bǔ)充對(duì)蘑菇圈土壤真菌結(jié)構(gòu)方面的研究。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

研究地點(diǎn)位于河北省沽源縣北部、內(nèi)蒙古錫林郭勒草原南緣 (41°46′ N，115°41′ E，海拔 1 380 m)，屬于農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與草地生態(tài)系統(tǒng)空間交錯(cuò)分布的典型地段。該地區(qū)是以羊草(Leymus chinensis)為優(yōu)勢(shì)種的天然草地。屬半干旱大陸性氣候，冬季寒冷干燥，夏季溫和濕潤。年均溫為-4.4 ℃，最冷的1月均溫為-23.04 ℃，最熱的7月均溫為17.94 ℃。年降水量430 mm左右，多集中在7-9月。水熱同期，對(duì)蘑菇生長十分有利。該地區(qū)土壤以栗鈣土為主。這些土類有機(jī)質(zhì)較豐富，質(zhì)地較輕，疏松，通氣良好，為蘑菇生長提供了良好的環(huán)境。植被以根莖禾草和叢生禾草為主，羊草為建群種[19]。

1.2 樣品采集

試驗(yàn)以自由放牧利用草地為研究對(duì)象，2016年8月，選擇3個(gè)發(fā)育良好的蘑菇圈由外依次向內(nèi)采集植被及土壤樣品(圖1)。包括圈外(對(duì)照)、圈上和圈內(nèi)；植物樣品采集用25 cm × 25 cm的樣方框。在樣方內(nèi)采用直徑為3.8 cm的土鉆按照五點(diǎn)取樣法采集0-15 cm土層的土壤。土壤混勻，裝入自封袋，在保溫箱中冷藏處理后，帶回實(shí)驗(yàn)室。用2 mm篩子篩出植物根、石子及其他碎屑物。土壤樣品分為兩份，一份用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)，另一份保存于-20 ℃冰箱中，用于微生物結(jié)構(gòu)測(cè)定。

圖1 樣品采集區(qū)示意圖Figure 1 Schematic diagram of sample collection area

1.3 樣品檢測(cè)

植物和土壤全氮含量的測(cè)定用全自動(dòng)凱氏定氮法[22]；植物和土壤全磷含量測(cè)定用HClO4-HNO3消煮鉬銻抗比色法；土壤全碳用土壤總碳分析儀測(cè)定；土壤有效磷濃度的測(cè)定用NaHCO3溶液浸提-鉬銻抗比色法；有效氮濃度的測(cè)定用KCl溶液浸提后，用連續(xù)流動(dòng)分析儀測(cè)定銨態(tài)氮(NH4+-N)+硝態(tài)氮(NO3--N)的濃度，兩者之和即為有效氮含量。利用pH電導(dǎo)率儀測(cè)定土壤的pH及電導(dǎo)率值。稱重法測(cè)土壤含水量。

使用Illumina Miseq PE300測(cè)序平臺(tái)對(duì)土壤微生物的ITS1和ITS2區(qū)段進(jìn)行測(cè)序，獲得環(huán)境微生物群落組成和分類信息。上機(jī)測(cè)序前用帶有Tag標(biāo)簽序列和adapter序列修飾的引物ITS1(5'-CTTGGTCA TTTAGAGGAAGTAA-3')和ITS2 (5'-GCTGCGTT CTTCATCGATGC-3')對(duì)樣品微生物DNA的ITS區(qū)進(jìn)行擴(kuò)增，再將擴(kuò)增產(chǎn)物用1.8%瓊脂糖凝膠電泳檢測(cè)PCR產(chǎn)物純化效果，測(cè)定純化后PCR產(chǎn)物的濃度，將純化產(chǎn)物等摩爾數(shù)混合，以備上機(jī)前純化和測(cè)序儀分析。以上試驗(yàn)均由商業(yè)測(cè)序公司完成(奧維森，北京)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 2016和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。在科水平上分析真菌群落相對(duì)豐度，用來比較蘑菇圈不同區(qū)域微生物群落組成差異。采用單因素方差分析(ANOVA)分析蘑菇圈不同區(qū)域植被、土壤理化指標(biāo)和真菌多樣性指數(shù)在P＜ 0.05水平上的統(tǒng)計(jì)學(xué)差異性。用Pearson相關(guān)性分析土壤理化指標(biāo)與真菌結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。用于土壤微生物與土壤理化性質(zhì)相關(guān)性分析的土壤理化指標(biāo)部分?jǐn)?shù)據(jù)來源于文獻(xiàn)[21]，并使用Sigmaplot 12.5制圖。

2 結(jié)果

2.1 蘑菇圈真菌對(duì)植被的影響

單因素方差分析結(jié)果表明(圖2)，在蘑菇圈發(fā)生的圈上區(qū)域，植被生物量、含氮量及含磷量均顯著高于圈外及圈內(nèi)區(qū)域(P＜ 0.05)。圈內(nèi)區(qū)域的含氮量顯著低于圈外對(duì)照(P＜ 0.05)，而圈內(nèi)區(qū)域的植被磷含量顯著高于圈外對(duì)照(P＜ 0.05)?？梢?，蘑菇圈的存在顯著改變了植被的營養(yǎng)成分。

2.2 蘑菇圈真菌對(duì)土壤理化性質(zhì)的影響

單因素方差分析結(jié)果表明(圖3)，在蘑菇圈發(fā)生的圈上區(qū)域，土壤含水量和土壤有效氮含量顯著低于圈外對(duì)照(P＜ 0.05)。圈外對(duì)照的土壤pH顯著低于圈上和圈內(nèi)(P＜ 0.05)，相反，圈外對(duì)照的土壤電導(dǎo)率顯著高于圈上和圈內(nèi)區(qū)域(P＜ 0.05)。而土壤有效磷含量在圈上區(qū)域顯著高于圈外和圈內(nèi)(P＜ 0.05)?？梢?，蘑菇圈的存在顯著改變了土壤理化性質(zhì)。

2.3 蘑菇圈真菌對(duì)土壤真菌結(jié)構(gòu)的影響

真菌群落α-多樣性指數(shù)分析表明(圖4)，蘑菇圈發(fā)生區(qū)域的土壤真菌多樣性指數(shù)(香農(nóng)維納指數(shù))顯著高于圈外對(duì)照(P＜ 0.05)，且在圈上和圈內(nèi)區(qū)域檢測(cè)出的真菌數(shù)量也顯著高于圈外對(duì)照(P＜ 0.05)。

圖2 蘑菇圈不同區(qū)域植被生物量及氮磷營養(yǎng)Figure 2 Plant biomass, nitrogen, and phosphorus concentrations in different zones of fairy rings

土壤真菌類群相對(duì)豐度可分別反映土壤真菌群落組成(圖5)。科水平分類結(jié)果顯示，在蘑菇圈圈上區(qū)域傘菌科(Agaricaceae)、囊擔(dān)菌科(Cystobasidiaceae)、戴維迪科(Davidiellaceae)和叢赤殼科(Nectriaceae)的相對(duì)豐度均顯著高于圈外區(qū)域(P＜ 0.05)，其中傘菌科、囊擔(dān)菌科及叢赤殼科在圈內(nèi)區(qū)域的相對(duì)豐度同樣顯著高于圈外區(qū)域(P＜ 0.05)。相反，對(duì)于囊藻科(Cystofilobasidiaceae)、大壺菌科(Chytridiaceae)和蟲草科(Cordycipitaceae)圈外區(qū)域的相對(duì)豐度要顯著高于圈上及圈內(nèi)(P＜ 0.05)。

圖3 蘑菇圈不同區(qū)域土壤含水量、土壤酸堿度、電導(dǎo)率、土壤有效氮及有效磷含量Figure 3 Soil water content, pH, EC, and available nitrogen and phosphorus in different zones of fairy rings

圖4 蘑菇圈不同區(qū)域土壤真菌多樣性指數(shù)及觀察到的真菌數(shù)量Figure 4 Soil fungal Shannon-Wiener index and overserved fungi number in different zones of fairy rings

圖5 蘑菇圈不同區(qū)域土壤真菌在科水平上的相對(duì)豐度Figure 5 The relative abundance of soil fungi at family levels in different zones of fairy rings

2.4 土壤真菌結(jié)構(gòu)與土壤理化性質(zhì)的相關(guān)性分析

總體上看，大部分微生物類群與土壤含水量、土壤pH、電導(dǎo)率、全碳含量和全氮含量等理化指標(biāo)均呈現(xiàn)或正或負(fù)的相關(guān)性(表1)，說明土壤理化性質(zhì)的差異是影響土壤微生物組成的重要因素。傘菌科和戴維迪科菌與土壤含水量及有效氮含量均呈顯著(P＜ 0.05)或極顯著(P＜ 0.01)負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時(shí)與土壤有效磷含量呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。囊擔(dān)菌科真菌與土壤電導(dǎo)率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，與土壤全碳含量呈極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。被包霉科

(Mortierellaceae)、囊藻科及叢赤殼科真菌與全碳含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，同時(shí)被包霉科、囊藻科與土壤有效磷含量呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。大壺菌科與土壤pH、全碳含量、全氮含量及全磷含量均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系，同時(shí)與土壤電導(dǎo)率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。而蟲草科真菌與土壤全氮含量及全磷含量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系。

3 討論與結(jié)論

蘑菇圈綠草環(huán)上的植物生長較兩側(cè)更為濃綠旺盛[3]。通過調(diào)查分析圍欄保護(hù)的3個(gè)蘑菇圈上的植物生長狀況，植物地上生物量在圈上和圈外正常草區(qū)分別為928.2和247.8 g·m-2，蘑菇圈上植物生物量提高3倍左右，有明顯的增產(chǎn)現(xiàn)象[4,13]。圈上優(yōu)勢(shì)植物羊草的出現(xiàn)頻率增加，其株高和株數(shù)明顯增加，且圈上植被氮含量及磷含量均顯著高于圈外，其主要原因是蘑菇圈生草層土壤中速效養(yǎng)分含量較高[15]，之前有研究發(fā)現(xiàn)，圈上區(qū)域土壤有效磷含量顯著增加，給植被補(bǔ)充了磷元素[1]，本研究結(jié)果進(jìn)一步表明，蘑菇圈圈上區(qū)域土壤含水量顯著降低，這可能是由于圈上區(qū)域生物量的增加會(huì)消耗較多的土壤水分，且植被的蒸騰作用也會(huì)帶走大量土壤水分。然而，本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在蘑菇圈圈上區(qū)域土壤有效氮含量卻低于圈外對(duì)照區(qū)域，這與前人的研究結(jié)果不一致。相對(duì)于其他營養(yǎng)元素，氮素是植物需求最多的營養(yǎng)元素，由于圈上區(qū)域植物的地上生物量提高了3倍左右，且圈上區(qū)域的植物含氮量也高于圈外。因此圈上區(qū)域植物會(huì)從土壤中帶走大量的有效氮，從而降低了土壤中的有效氮含量。

表1 土壤理化性質(zhì)與主要微生物類群的相關(guān)分析Table 1 Correlation analysis between soil physical and chemical properties and major microbial communities

蘑菇圈真菌之所以能提高植被生物量，主要是其改變了土壤理化性質(zhì)。土壤是土壤微生物賴以生存的環(huán)境，土壤微生物必定會(huì)受到蘑菇圈真菌的影響[21]。前人的許多研究結(jié)果都表明，圈上土壤中的細(xì)菌、放線菌、真菌數(shù)量高于圈內(nèi)和圈外，且細(xì)菌 ＞ 放線菌 ＞ 真菌，纖維素分解菌數(shù)量也高于圈外[15-20]。浸麻芽孢桿菌(Bacillusmaccrans)和德氏食酸菌(Acidovoraxdelafieldii)在蒙古口蘑圈上數(shù)量增加顯著，被認(rèn)為是蒙古口蘑的有益微生物[15-16]。蘑菇圈產(chǎn)生菌菌絲能刺激細(xì)菌類群的生長和繁殖。最新的研究進(jìn)一步表明，只有在蘑菇圈真菌發(fā)生過的區(qū)域，即圈上及圈內(nèi)區(qū)域檢測(cè)出微桿菌科(Microbacteriaceae)的細(xì)菌[19]。本研究在分析土壤真菌結(jié)構(gòu)時(shí)發(fā)現(xiàn)，在蘑菇圈圈上區(qū)域傘菌科、囊擔(dān)菌科、戴維迪科和叢赤殼科的相對(duì)豐度均顯著高于圈外區(qū)域，其中傘菌科、囊擔(dān)菌科及叢赤殼科在圈內(nèi)區(qū)域的相對(duì)豐度同樣顯著高于圈外區(qū)域。相關(guān)分析表明了影響其分布的土壤因子。土壤有機(jī)質(zhì)含量及土壤有效磷含量是影響土壤真菌結(jié)構(gòu)的主要土壤因子。

綜上所述，蘑菇圈真菌的存在改變了土壤的理化性質(zhì)，活化土壤養(yǎng)分，增加植被生物量及營養(yǎng)狀況，且土壤理化性質(zhì)的改變對(duì)土壤真菌結(jié)構(gòu)的影響顯著。植被-土壤-微生物是草地生態(tài)系統(tǒng)的主體，其中任意一個(gè)因素的改變會(huì)影響其他兩個(gè)因素。