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土壤肥力控制高寒森林外生菌根菌丝特征对N沉降的响应

日期: 2021-09-03
标签:


标题Soil fertility controls ectomycorrhizal mycelial traits in alpine forests receiving nitrogen deposition

论文id

doi.org/10.1016/j.soilbio.2021.108386

译名:土壤肥力控制高寒森林外生菌根菌丝特征对N沉降的响应 

期刊:Soil Biology and Biochemistry

IF:7.6

发表时间:2021.8.6

第一作者:郭婉玑

通讯作者:尹华军,张子良

主要单位:中国科学院成都生物研究所


摘要

众所周知,人为N沉降会深刻改变森林生态系统中外生菌根(ECM)菌丝特征的动态变化。在受到N沉降的森林中,菌丝特征在土壤不同位点的差异使我们假设,在这些森林中,ECM菌丝的生长特征和功能特征受到土壤养分有效性的调控。以西南山地养分存在明显差异的两种人工针叶林—云杉林(Picea asperata Mast.)和华山松林(Pinus armandii Franch.)为试验对象,采用N添加模拟大气 N 沉降,研究了N 沉降对两种人工林ECM外延菌丝生长特征(生物量、产量、菌丝密度和周转率)和功能特征(菌丝探测类型和亲/疏水性)的影响差异。我们通过测定连续收获的生长网袋中的菌丝生物量和应用数学模型来量化菌丝的周转和产量。我们还通过对ECM真菌群落组成的表征,获得菌丝的探测类型和疏水性变化。实验结果表明:1)在土壤N素有效性较低的华山松林(18 mg N kg−1),N添加使ECM菌丝产量、菌丝生物量和菌丝长度密度分别增加了79%、39%和73%。相反地,在土壤N素有效性较高的云杉林(30 mg N kg−1),N添加明显抑制了ECM菌丝生长;2)N添加使华山松林ECM菌丝由中长距离疏水性菌丝向中短距离亲水性菌丝转变,而云杉林则表现出相反的响应趋势。总体而言,我们的实验结果证明了N添加对ECM菌丝特征的影响在很大程度上取决于林分土壤养分有效性高低。

研究背景

外生菌根(ECM)共生体在大多数北方和温带森林中普遍存在,其中ECM真菌可以有效的协助植物获取限制性养分(如N),并换取寄主植物光合作用固定的碳(C)用于自身生长。从ECM根尖弥散出的致密外延菌丝体(extrametrical mycelia, ERM)可以有效地勘探周围土壤,并从根系营养耗竭区以外的区域搜寻养分。ECM菌丝体的生产和周转代表着土壤C输入和储存的重要过程,且ECM菌丝被认为是森林土壤中C和养分动态的重要调节剂。因此,弄清影响ECM菌丝特征和动态的驱动因素对于更好地理解ECM真菌在未来全球变化背景下介导生物地球化学过程的作用至关重要。

全球范围内大气N沉降的急剧增大,导致土壤N有效性逐渐增加。由于土壤养分有效性是决定寄主植物对共生伙伴光合C 投入的关键因素,N沉降引起的土壤N有效性的变化将在很大程度上调控ECM真菌与宿主植物间的相互作用,并影响 ECM 根尖和菌丝的生产。已有研究表明,ECM真菌可以根据土壤N有效性和植物C分配量来调节菌丝的生产,从而平衡N收益的C成本。因此,一方面,N 沉降的增加由于可能引起植物分配给ECM真菌的C比例降低,而通常被认为会抑制ECM生物量和产量。另一方面,N 有效性的改变也会影响具有不同菌丝勘探类型的ECM真菌类群的优势度。据报道,在高的土壤N有效性下,“短距离”、“接触”和“中距离光滑”型菌丝勘探类型(无菌索)的ECM属会占主导地位,而在N受限的条件下,“长距离”型菌丝勘探类型(加厚的菌索结构,C需求较高)ECM属会占主导地位。

然而尽管大多研究认为,N沉降的增加会抑制ECM菌丝的生产,菌丝的功能特征也会向有限的勘探能力转变,但一些研究也报道了增加的N有效性对ECM生物量和产量产生了积极的影响。例如,Hendrick等人(2016)研究发现:施N后ECM生物量增加。类似的还有Kalliokoski等人(2010)发现的:相比贫瘠的土壤,肥沃的土壤中ERM的产量更高。造成这些差异性结果的原因可能是由于土壤本底养分有效性和N添加量的差异决定了ECM真菌N受限和缓解的程度,从而影响了N沉降对菌丝动态响应的方向和幅度。此外,大量研究发现,向N受限的生态系统输入外源N可以增加宿主植物和共生真菌对磷(P)的需求,从而使这些生态系统的营养状况逐渐由N限制向P限制转变。这种营养限制状态的改变又可能会刺激宿主植物分配更多的C给ECM菌丝,并有利于N活化能力较低而P活化能力较高的真菌生存。与勘探N类似,与“接触”和“短距离”菌丝探测类型相比,“中等距离边缘”型菌丝探测类型和“长距离”菌丝探测类型在P勘测方面更有效。然而,目前土壤养分有效性在N沉降对菌丝生长和功能性状的直接影响中的作用程度尚不清楚,这可能在很大程度上阻碍了我们对N沉降下菌丝动态变化所介导的养分循环过程的理解。

因此,本研究以青藏高原东部两个土壤N有效性存在明显差异的典型人工针叶林—云杉林(Picea Asperata Mast.)和华山松林(Pinus armandii Franch.)为研究对象,采用野外模拟大气N沉降实验,研究了N沉降对菌丝生长特征和功能特征的影响。与云杉林分相比,华山松林土壤无机N含量相对较低,而土壤有效P含量相对较高。我们利用两个人工林不同的土壤肥力,研究了土壤养分有效性对菌丝动态对N沉降响应的影响。由于宿主植物和ECM真菌对N限制表现出不同的敏感性,我们假设N沉降对菌丝动态的影响可能受到土壤天然养分有效性的调节。具体为:1)在土壤N有效性较高的林分施加N(植物N受限,ECM真菌N不受限),菌丝生长会受到抑制,因为植物减弱的N限制会减少地下C向ECM真菌的分配,而在土壤N有效性相对较低的林分施加N(植物和ECM真菌可能均N受限),则会刺激菌丝生长,因为土壤N有效性的小幅增加会缓解N对ECM真菌的直接限制;2)如果N沉降增加了土壤N素有效性,那么菌丝探测类型的养分勘测距离将会变短,因为在增大的N供应条件下支持低C需求的“接触-短”和“接触-中”探测类型真菌属生长要比支持高C需求的“中-长”探测类型属生长对于植物而言获益更多。

主要结果

1) ECM菌丝生长特征对N沉降的响应

在菌丝袋180d的生长季孵育下,我们发现:N沉降使云杉林的菌丝产量下降了35%(从1.61 kg ha-1 d-1下降到1.04 kg ha-1 d-1)(P < 0.001),而使华山松林增加了78%(从1.16 kg ha-1 d-1增加到2.07 kg ha-1 d-1)(图2a)。对菌丝生物量而言, 相比对照样地,施N样地的菌丝生物量在云杉林下降了33% (P = 0.003),而华山松林增加了39%(P = 0.006)(图2b)。菌丝密度对N添加的响应与菌丝生物量和产量的变化趋势相似(图2d), 而ERM的周转率在两林分中均未受到N添加的显著改变(图2c)。此外,通过相关性分析发现:菌丝生物量与菌丝产出、菌丝密度显著相关。

土壤肥力控制高寒森林外生菌根菌丝特征对N沉降的响应

图2 环境样地和N处理样地下云杉林(无斜线)和华山松林(斜线)外延菌丝的(ERM)生物量产量(kg ha-1d-1)(a)、ERM生物量(b)、ERM生物量周转(c)和ERM密度(d)。误差棒为平均值±SE(n = 3),*表示特定林分的ERM生长性状在环境和施N处理之间存在显著差异(P < 0.05)。


2) ECM菌丝功能特征对N沉降的响应

研究发现,施N改变了两个林分的ECM真菌群落在属水平上的组成(图S2)。其中华山松林表现为,施N显著降低了养分勘探能力较强、勘探范围较广的ECM真菌类群的相对丰度(如Amphinema(M-F)和Rhizopogon(L)),而增加了养分勘探范围较小的类群的相对丰度(如Russula(C/M-S)、Tuber(S)和Inocybe(S)(P<0.05; 图3a),而云杉林则表现出相反的趋势,具体为:施N显著降低了Tomentella(S/M-S)、Trichophaea(C)和Inocybe(S)的相对丰度,增加了Amphinema(M-F)的相对丰度(P<0.05;图3b)。

土壤肥力控制高寒森林外生菌根菌丝特征对N沉降的响应

图 3  环境和N添加处理下华山松(a)和云杉(b)丰度前15的ECM真菌在属水平的丰度差异。圆的位置代表了两种处理下丰度的差异性大小。红圈表示N添加处理的丰度比例高于环境处理;蓝色圆圈表示与N添加处理的真菌丰度比例低于环境处理。*表示两处理间在P = 0.05上差异显著。探测类型:C(接触式探测)、S(短距离探测)、M-S(中距离平滑探测)、M-F(中距离边缘探测)、L(长距离探测)、ND(未识别)。


将ECM真菌ASVs划分到不同的勘探类型水平后,结果显示,施N显著降低了华山松林分“中-长”类群的相对丰度,而增加了“短-接触”类群和“中-接触”类群的相对丰度,而云杉则表现出相反的趋势(图4a);将ECM真菌ASVs按菌丝的疏水特性划分归类后,我们发现N添加显著增加了华山松林中“亲水型”菌丝的相对丰度,降低了“疏水型”菌丝的相对丰度,而云杉林中也表现出相反的趋势。

土壤肥力控制高寒森林外生菌根菌丝特征对N沉降的响应

图 4  云杉和华山松林地在环境和N处理下ECM真菌在探测类型(a)和疏水性水平[亲水性(Hi),疏水性(Ho)]中的平均相对丰度(%)。误差棒为平均值±SE(n = 3),*表示特定林分的探测类型和疏水性在环境处理和N处理之间存在显著差异(P < 0.05)。


3) 菌丝生长特性与功能特性的偶联关系

我们研究发现, ECM真菌群落组成与菌丝生物量、菌丝产量和菌丝密度显著相关(RDA; P = 0.005, 图5a)。在菌丝勘探类型水平上,菌丝生物量与“接触-短”和“接触-中”菌丝类型属的丰度呈显著正相关,而与“中-长”菌丝类型属的丰度呈负相关(图5b)。从疏水性水平看,菌丝生物量与属于亲水性菌丝的属的相对丰度呈显著正相关,而与属于疏水性菌丝的属的相对丰度呈显著负相关(图5b)。在属水平上,两种林分添加N后Russula、Amphinema、Tomentella、Rhizopogon、Sebacina、Tyichophaea和Inocybe属均发生了显著变化(图5a)。其中属于“接触-短”和“接触-中”距离探测类型属的相对丰度(如Russula、Tomentella、Inocybe)明显和菌丝生物量和密度呈正相关, 而属于“中-长”探测类型的属(如Amphinema 和Rhizopogon)的相对丰度与菌丝生物量和密度呈显著负相关(图5a)。

土壤肥力控制高寒森林外生菌根菌丝特征对N沉降的响应

图 5  ERM探测类型冗余分析(RDA)显示了两种林分土壤外生菌根(ECM)真菌群落组成对N处理的响应(a)。带箭头的红色直线表示ERM生长特性;不同颜色的点代表ECM真菌所属的不同ERM探测类型;点的大小代表它们的相对丰度。轴1和轴2分别解释了41.16%和21.37% 的群落变异。(b) 图展示了ECM真菌生物量与ECM真菌类群的相对丰度(%)之间的线性关系。蓝色(华山松)和红色(云杉)代表不同的林分类型。空心点(环境)和实心点(N处理)表示不同的处理方式。

综合

本研究结果表明:N添加对ECM菌丝特征的影响在很大程度上取决于林分土壤养分有效性高低(图6)。此外,结合前人相关研究,本研究提出了一个关于N沉降对ECM菌丝特征影响的预测概念框架(图S3),即林分土壤N受限程度、N饱和阶段、以及其它养分限制(如P)等因素共同调控ECM菌丝特征对N沉降的响应规律。上述结果为阐释N沉降下森林ECM菌丝呈现多样化变化特征提供了新的视角。

土壤肥力控制高寒森林外生菌根菌丝特征对N沉降的响应

图6 两种针叶林菌丝生长特性和功能特性对模拟N沉降的响应差异

土壤肥力控制高寒森林外生菌根菌丝特征对N沉降的响应

图S3 ECM菌丝生物量和菌丝探测类型对长期N添加响应的概念框架图


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