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中国是世界三大氮沉降区之一,自20世纪80年代以来陆地生态系统氮沉降增加了60%[1]。中国中东部森林生态系统大气氮沉降已超过20 kg·hm−2·a−1,并呈现逐年加重的趋势[2]。长期的氮输入使许多陆地生态系统氮含量增加,引发土壤矿化速率增加、土壤酸化和生物多样性降低等问题[3−4]。丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal, AM)真菌能与绝大多数陆地植物的根系形成互惠共生体,既从宿主植物获得自身生长所需的碳源,也帮助宿主植物吸收营养物质、提高宿主植物对胁迫条件的耐性和减轻病虫害等,其农学和生态学意义都十分重大[5−6]。然而,氮沉降增加会导致土壤氮含量及酸碱度发生改变,也会影响AM真菌群落及其与宿主植物的相互关系,进而影响植物群落组成、土壤微生物类群及相关土壤生态过程[7]。近年来开展了许多模拟氮沉降对AM真菌群落影响的试验,发现氮添加可能增加[8]、降低[9−10]或不影响[11]AM真菌的群落组成和多样性,这可能与土壤养分含量、宿主植物类型、氮添加量和持续时间以及测定方法差异等有关[12]。同时,不同季节土壤温湿度的变化,以及寄主植物能为AM真菌提供碳源的差异也会对AM真菌群落产生影响[13]。
杨树Populus spp.是一类能与AM真菌共生的树种,这在一定程度上促进了其在各种胁迫环境中的生长[14]。杨树人工林在中国氮沉降最严重的地区,即苏北沿海地区,广泛分布,在木材生产和生态环境保护方面发挥着巨大的作用[15]。氮添加会影响杨树人工林土壤有机碳、土壤动物和微生物群落结构等[16−18],但氮添加对杨树根际土壤AM真菌群落的影响及其季节性差异目前尚不明确。鉴于此,本研究以江苏省盐城市东台林场杨树人工林为研究对象,在连续施氮6 a后,于春、夏、秋、冬4个季节分别采集根际土壤,通过高通量测序解析AM真菌群落结构和多样性的动态变化特征;同时监测土壤理化性质,分析AM真菌群落与环境因子之间的关系,以期为认识氮沉降背景下杨树人工林地下生态过程和生态系统功能提供数据支撑。
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双因素(氮添加和季节)方差分析(表1)表明:季节对所测的10个土壤理化性质均有显著影响,而氮处理对土壤pH、碳氮比、铵态氮和硝态氮质量分数有显著影响(P<0.01)。随着氮添加量的增加,土壤pH和碳氮比均有降低的趋势,且N0、N1和N2处理下两者显著高于N3和N4处理(P<0.05);N4处理下的土壤硝态氮质量分数显著高于其他处理,而铵态氮质量分数在N1处理下最大。不同氮组分随着季节变化呈不同的变化方式:秋季和夏季总氮质量分数显著高于冬季和春季(P<0.05);铵态氮和硝态氮质量分数的最大值分别出现在冬季和秋季,且显著高于其余季节(P<0.05)。此外,随季节的变化土壤温度从大到小依次为夏季、秋季、春季、冬季,而土壤湿度从大到小依次为冬季、春季、夏季、秋季,且各季节间均有显著差异(P<0.05)。
季节 氮添加 pH 总氮/
(g·kg−1)总磷/
(mg·kg−1)总碳/
(g·kg−1)碳氮比 速效磷/
(mg·kg−1)铵态氮/
(mg·kg−1)硝态氮/
(mg·kg−1)湿度/% 温度/℃ 夏季 N0 8.29±0.07 ab 1.73±0.06 b 923±6 a 18.1±1.4 a 10.5±1.1 a 36.8±11.6 a 5.98±0.56 b 2.48±0.48 d 20.1±0.2 a 20.2±0.1 a N1 8.19±0.02 b 1.83±0.12 b 893±17 a 16.4±1.6 ab 9.0±1.5 ab 37.2±22.7 a 7.45±0.24 a 7.85±0.54 b 20.5±0.5 a 20.2±0.2 a N2 8.31±0.03 a 2.27±0.15 a 878±10 a 17.4±1.3 ab 7.7±0.6 b 28.4±3.9 a 6.20±0.38 b 4.06±0.33 c 21.0±0.6 a 20.2±0.3 a N3 8.20±0.07 ab 1.97±0.40 ab 893±13 a 15.0±1.7 b 7.7±0.8 b 43.3±3.3 a 7.41±0.49 a 3.61±0.21 c 21.0±0.5 a 20.2±0.1 a N4 7.99±0.08 c 1.97±0.06 ab 884±50 a 15.4±0.4 b 7.8±0.4 b 44.5±1.0 a 7.42±0.50 a 25.25±0.41 a 20.6±0.5 a 20.2±0.1 a 秋季 N0 8.65±0.02 a 2.13±0.45 a 778±23 a 17.4±1.2 b 8.5±2.4 a 13.8±5.7 a 5.43±0.42 a 12.38±0.97 b 17.7±0.2 a 17.3±0.2 a N1 8.55±0.03 b 2.40±0.50 a 808±25 a 17.2±0.7 b 7.4±1.4 a 18.4±4.8 a 5.56±0.21 a 2.50±0.49 c 17.7±0.6 a 17.3±0.3 a N2 8.43±0.02 c 2.40±0.46 a 772±64 a 15.2±1.0 c 6.5±1.4 a 13.4±1.5 a 5.28±0.40 a 10.52±1.52 c 17.9±0.7 a 17.3±0.1 a N3 8.55±0.04 b 3.33±1.64 a 806±23 a 17.9±0.4 b 6.2±2.7 a 13.6±6.7 a 3.95±0.30 b 10.80±1.98 c 17.8±0.8 a 17.3±0.2 a N4 8.37±0.03 d 3.63±1.40 a 792±22 a 19.7±1.2 a 5.9±2.0 a 13.9±1.8 a 5.45±0.20 a 58.91±2.09 a 17.6±0.5 a 17.3±0.4 a 冬季 N0 8.46±0.03 bc 1.33±0.21 a 757±8 a 16.5±1.8 a 12.4±0.7 a 19.0±3.6 a 8.86±0.61 a 11.83±0.09 b 33.9±0.2 a 5.5±0.1 a N1 8.51±0.03 ab 1.37±0.25 a 705±6 bc 17.1±1.4 a 12.7±1.5 a 19.2±1.7 a 8.14±0.19 b 11.86±0.41 b 33.9±0.4 a 5.5±0.1 a N2 8.55±0.04 a 1.40±0.10 a 693±22 c 16.4±0.5 a 11.8±0.8 a 19.4±3.6 a 7.46±0.19 c 11.83±0.19 b 33.8±0.2 a 5.5±0.1 a N3 8.42±0.05 c 1.43±0.15 a 727±9 b 15.2±1.0 a 10.6±0.4 a 20.6±4.8 a 7.75±0.05 bc 11.66±0.73 b 34.0±0.2 a 5.5±0.0 a N4 8.46±0.04 bc 1.47±0.21 a 708±9 bc 14.9±0.8 a 10.4±1.9 a 22.1±5.6 a 6.73±0.23 d 14.72±0.19 a 34.0±0.4 a 5.6±0.1 a 春季 N0 8.54±0.06 bc 1.40±0.00 bc 647±10 a 17.1±0.2 b 12.2±0.1 ab 21.8±4.3 a 5.65±0.08 b 1.10±0.24 a 27.9±0.4 a 14.6±0.1 a N1 8.62±0.01 a 1.50±0.20 b 558±147 a 19.6±0.2 a 13.2±1.9 a 25.5±7.9 a 7.47±0.79 a 1.19±0.08 a 27.8±0.6 a 14.6±0.2 a N2 8.57±0.03 ab 1.17±0.06 c 639±12 a 16.9±0.6 b 14.5±0.5 a 22.4±3.2 a 5.17±0.14 b 1.06±0.14 a 27.7±0.6 a 14.6±0.2 a N3 8.50±0.01 c 1.50±0.17 b 668±11 a 18.6±1.2 ab 12.6±2.4 a 21.2±3.5 a 5.51±0.22 b 1.11±0.41 a 27.3±0.5 a 14.6±0.1 a N4 8.60±0.02 ab 1.83±0.15 a 673±1 a 18.1±1.7 ab 9.9±0.2 b 19.8±2.5 a 6.96±0.25 a 1.53±0.07 a 27.9±0.9 a 14.6±0.1 a 氮添加 ** ns ns ns ** ns ** ** ns ns 季节 ** ** ** ** ** ** ** ** ** ** 氮添加×季节 ** ns ns ** ns ns ** ** ns ns 说明:表中数值为3个重复的平均值±标准差。同列不同小写字母表示同一季节下氮添加处理间差异显著(P<0.05)。ns表示差异不显著,*表示差异达5%显著水平,**表示差异达1%显著水平。 Table 1. Soil physicochemical properties in the poplar plantations
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60个土壤样本共获得1 337 714条原始序列,去除低质量序列后,得AM真菌有效序列1 307 513条(每个样本12 998~24 496条),分属于196个分类单元(OUT)。所有样本的稀释曲线在测序量为4 000条时已趋于平稳,表明本研究中的土壤样品测序深度足够反映样本中的AM真菌群落结构。双因素方差分析结果(表2)表明:氮处理对Chao指数(P=0.193)和Shannon指数(P=0.725)均无显著影响,而不同季节间差异显著(P<0.01)。Chao和Shannon指数最大值均出现在秋季,平均值分别为98.31和3.07。秋季、冬季和春季间的Shannon指数差异不显著,且显著高于夏季(P<0.01);对Chao指数而言,除夏季和冬季差异不显著外,其他季节间均有显著差异,从大到小依次为秋季、春季、夏季、冬季。
处理 Chao指数 Shannon指数 夏季 秋季 冬季 春季 夏季 秋季 冬季 春季 N0 90.1±2.6 a 105.0±10.7 a 68.5±2.2 a 94.9±16.2 a 2.58±0.23 a 3.20±0.04 a 2.78±0.36 a 3.12±0.10 a N1 76.0±11.7 a 98.4±14.8 a 78.4±3.9 a 93.8±7.5 a 2.63±0.51 a 3.22±0.08 a 3.00±0.06 a 2.86±0.05 c N2 73.5±11.3 a 89.3±11.4 a 77.2±15.9 a 77.3±5.5 a 2.65±0.58 a 2.84±0.80 a 2.88±0.25 a 2.90±0.15 bc N3 71.5±20.0 a 97.9±3.5 a 68.6±13.4 a 82.2±10.2 a 2.45±0.24 a 3.16±0.05 a 2.70±0.12 a 3.04±0.16 abc N4 74.3±19.6 a 101.4±18.6 a 67.2±2.7 a 91.7±4.9 a 2.24±0.40 a 2.92±0.48 a 2.83±0.21 a 3.10±0.05 ab 氮添加 ns ns 季节 ** ** 氮添加×季节 ns ns 说明:表中数值为3个重复的平均值±标准差。同列不同小写字母表示同一季节下氮添加处理间差异显著(P<0.05)。ns表示差异不显著,*表示差异达5%显著水平,**表示差异达1%显著水平。 Table 2. Soil AM fungal community richness and diversity index
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主要群落(平均相对丰度≥0.05%)组成如表3所示:主要有球囊霉属Glomus、多胞囊霉属Diversispora、盾巨孢囊霉属Scutellospora和原囊霉属Archaeospora。双因素方差分析表明:季节和氮添加处理均对球囊霉属和多胞囊霉属相对丰度有显著影响(P<0.05)。N4处理下的球囊霉属相对丰度显著高于N1和N2处理(P<0.05);从N1到N4处理,多胞囊霉属相对丰度逐渐降低,除N2和N3处理差异不显著外,其他处理间均有显著差异(P<0.05)。球囊霉属相对丰度随着季节变化从大到小依次为冬季、秋季、夏季、春季,除夏季和秋季差异不显著外,其余季节间差异均达显著水平(P<0.05);而多胞囊霉属相对丰度在冬季出现最小值(4.8%),且显著低于其他3个季节。
季节 氮添加 优势AM真菌相对丰度/% 球囊霉属
Glomus多胞囊霉属
Diversispora盾巨孢囊霉属
Scutellospora球囊菌纲
Glomeromycetes
(未分类)多样孢囊霉科
Diversisporaceae
(未分类)原囊霉属
Archaeospora其他 夏季 N0 89.6±4.9 a 10.0±4.9 b 0.090±0.078 a 0.000±0.000 c 0.027±0.029 a 0.067±0.090 a 0.157±0.271 a N1 76.3±5.7 b 23.3±5.8 a 0.223±0.387 a 0.007±0.012 c 0.133±0.154 a 0.000±0.000 a 0.000±0.000 a N2 85.8±6.3 a 13.5±5.9 b 0.550±0.470 a 0.003±0.006 c 0.043±0.006 a 0.000±0.000 a 0.030±0.052 a N3 85.9±2.5 a 13.3±2.9 b 0.643±0.772 a 0.080±0.070 b 0.003±0.006 a 0.040±0.069 a 0.000±0.000 a N4 90.9±2.3 a 8.8±2.3 b 0.000±0.000 a 0.213±0.025 a 0.070±0.082 a 0.053±0.051 a 0.000±0.000 a 秋季 N0 88.9±0.4 a 10.1±1.1 b 0.757±1.250 a 0.060±0.010 a 0.030±0.026 a 0.000±0.000 a 0.123±0.205 a N1 74.7±8.6 b 24.6±8.7 a 0.100±0.173 a 0.340±0.150 a 0.160±0.156 a 0.090±0.123 a 0.090±0.147 a N2 91.1±5.9 a 6.3±2.9 b 1.763±2.470 a 0.790±1.340 a 0.057±0.029 a 0.000±0.000 a 0.000±0.000 a N3 89.1±3.2 a 10.6±3.1 b 0.063±0.110 a 0.027±0.038 a 0.123±0.021 a 0.013±0.023 a 0.007±0.006 a N4 89.9±0.9 a 9.1±1.2 b 0.070±0.113 a 0.730±0.729 a 0.127±0.110 a 0.000±0.000 a 0.033±0.049 a 冬季 N0 91.6±1.7 bc 7.82±1.80 a 0.233±0.404 a 0.060±0.026 b 0.000±0.000 a 0.010±0.017 b 0.317±0.107 a N1 95.7±1.2 ab 4.25±1.21 bc 0.000±0.000 a 0.020±0.020 b 0.007±0.006 a 0.000±0.000 b 0.010±0.017 b N2 93.1±2.7 b 6.79±2.59 ab 0.000±0.000 a 0.077±0.098 b 0.007±0.012 a 0.057±0.049 a 0.013±0.023 b N3 97.3±0.7 a 1.88±0.26 c 0.000±0.000 a 0.793±0.435 a 0.000±0.000 a 0.000±0.000 b 0.000±0.000 b N4 96.7±1.2 a 3.29±1.18 bc 0.000±0.000 a 0.043±0.059 b 0.007±0.012 a 0.003±0.006 b 0.000±0.000 b 春季 N0 83.0±1.5 ab 16.4±1.4 ab 0.127±0.219 a 0.037±0.032 a 0.190±0.329 a 0.020±0.026 a 0.173±0.300 a N1 83.6±5.6 ab 15.7±5.3 ab 0.203±0.352 a 0.263±0.040 a 0.057±0.051 a 0.023±0.032 a 0.137±0.237 a N2 74.0±2.0 b 24.3±2.8 a 0.893±1.030 a 0.357±0.592 a 0.067±0.076 a 0.453±0.777 a 0.000±0.000 a N3 82.6±9.5 ab 16.2±8.5 ab 0.000±0.000 a 0.593±0.370 a 0.537±0.657 a 0.013±0.006 a 0.010±0.017 a N4 88.1±4.6 a 11.2±3.9 b 0.430±0.745 a 0.107±0.032 a 0.060±0.072 a 0.153±0.129 a 0.000±0.000 a 氮添加 ** ** ns ns ns ns ** 季节 ** ** ns ns ns ns ns 氮添加×季节 ** ** ns ns ns ns ns 说明:表中数值为3个重复的平均值±标准差。同列不同小写字母表示同一季节下氮添加处理间差异显著(P<0.05)。ns表示差异不显著,*表示差异达5%显著水平,**表示差异达1%显著水平。 Table 3. Relative abundances of the AM fungal groups (relative abundance ≥0.05%)
基于OTUs的NMDS排序分析结果(图1)表明:季节显著影响AM真菌群落结构(r=0.695, P=0.001),而氮处理对其影响不显著(r=0.027, P=0.163)。对同一季节下不同氮处理间进行相似性检验发现:春季(r=0.529, P=0.001)、冬季(r=0.479, P=0.002)和秋季(r=0.310, P=0.016)不同氮添加处理间AM真菌群落结构差异显著,而夏季氮添加处理间差异不显著(r=0.124, P=0.125)。
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测定的所有环境因子中有9个因子VIF小于10,分别是pH、总磷、速效磷、总碳、总氮、碳氮比、铵态氮、硝态氮和温度,它们对AM真菌群落组成变化的解释量为57.6% (P=0.001)。Monte Carlo检验结果表明:除硝态氮外,所有环境因子均与AM真菌群落组成有显著相关关系(P<0.05,图2)。其中,AM真菌群落组成与温度相关关系最大(r=0.766),其次为pH (r=0.385)和总磷(r=0.331,P<0.01)。
土壤AM真菌群落多样性指数与土壤理化性质间的相关分析(表4)发现:Chao指数与pH、总碳、碳氮比和温度显著正相关(P<0.05),与总磷、铵态氮和湿度显著负相关(P<0.05);Shannon指数则与pH和总碳显著正相关(P<0.05),与总氮、总磷和铵态氮显著负相关(P<0.05)。
指数 pH 总氮 总磷 总碳 碳氮比 速效磷 铵态氮 硝态氮 湿度 温度 Chao指数 0.344** −0.090 −0.291* 0.505** 0.316* −0.190 −0.511** 0.110 −0.449** 0.325* Shannon指数 0.596** −0.396** −0.548** 0.271* 0.020 0.110 −0.390** −0.096 0.016 −0.149 说明:n=60,*P<0.05; **P<0.01。 Table 4. Correlation coefficients between AM fungal community Chao and Shannon indexes and soil physicochemical properties
Seasonal dynamic responses of soil arbuscular mycorrhizal fungal community to nitrogen additions in a poplar plantation
doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220640
- Received Date: 2022-10-17
- Accepted Date: 2023-04-10
- Rev Recd Date: 2023-04-10
- Available Online: 2023-07-13
- Publish Date: 2023-08-20
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Key words:
- nitrogen deposition /
- seasonal dynamics /
- arbuscular mycorrhizal fungi /
- community composition /
- diversity /
- poplar plantation
Abstract:
Citation: | PENG Sili, ZHANG Xin, WU Renjie, CAI Yanjiang, XING Wei, GE Zhiwei, MAO Lingfeng. Seasonal dynamic responses of soil arbuscular mycorrhizal fungal community to nitrogen additions in a poplar plantation[J]. Journal of Zhejiang A&F University, 2023, 40(4): 792-800. doi: 10.11833/j.issn.2095-0756.20220640 |