李 賀，張楠楠 ，馬 琨

(1.西北退化生態(tài)系統(tǒng)恢復與重建教育部重點實驗室,銀川 750021；2.寧夏大學 農學院,銀川 750021)

叢枝菌根(AM)真菌是一類在自然界中廣泛分布的植物共生微生物，是農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中土壤微生物群落的一個重要組成部分[1]。AM真菌是連接地上與地下生態(tài)系統(tǒng)的紐帶，影響著許多陸地生態(tài)系統(tǒng)；AM真菌的物種及功能多樣性是維護生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的關鍵因素之一[2-4]。在AM真菌與植物形成的共生關系中， AM真菌通過其根外菌絲網，幫助植物吸收更多的磷、氮，有助于宿主植物生長[5]。菌根與植物的共生關系是不對稱的，植物的選擇性對AM真菌具有重要的影響[6]。冀春花等[7]在研究西北地區(qū)不同植被類型下AM真菌多樣性時，發(fā)現由于土壤性狀和植物群落組成的不同， AM真菌群落組成差異明顯。由于 AM真菌對寄主植物的選擇性及對環(huán)境條件的適應性不同，常造成自然生態(tài)系統(tǒng)中 AM 真菌屬、種分布上的不均衡[8]。

土地利用方式的變化可改變土壤環(huán)境狀況并影響其生態(tài)過程[9]。AM真菌作為生態(tài)系統(tǒng)的重要組成成分，在物質循環(huán)、土壤理化性質、穩(wěn)定和修復土壤生態(tài)系統(tǒng)、提高植物生產力等方面起著重要作用[10-11]。近年來，相關研究多集中于土壤因子及植被類型對AM真菌多樣性的影響上[12-15]；研究認為，AM真菌與土壤細菌及其他土壤微生物類群間的相互作用會對AM真菌多樣性產生影響[3]。

寧夏中部荒漠草原區(qū)，植被覆蓋稀少，農牧業(yè)開發(fā)利用后，土地利用方式的改變，影響荒漠草原區(qū)的農業(yè)景觀。因此，通過開展幾種典型土地利用方式下，土壤及植被類型對AM真菌多樣性的影響調查，有助于探究AM真菌多樣性及其與土壤微生物群落結構、功能間的相互作用機制；揭示AM真菌多樣性與土地利用變化的關系。研究結果能為合理利用 AM 真菌和開發(fā)利用土地資源提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

取樣地點位于寧夏回族自治區(qū)吳忠市紅寺堡區(qū)孫家灘農業(yè)綜合開發(fā)區(qū)，東經105°45′～106°31′， 北緯37°10′～37°29′，年平均蒸發(fā)量為1 300 mm，年降水量為193.4 mm，屬于溫帶干旱氣候。2009年該區(qū)域開始逐步農業(yè)開發(fā)利用，土壤以低鹽淡灰鈣土和風積土為主。研究區(qū)原始植被以小蘆草、豬毛蒿為主。

2013年9月采集樣品，依據土地利用方式和植被類型，選擇位于同一片區(qū)管理方法一致 、土壤與成土母質類型相同、地形要素相似的苜蓿地、青貯玉米地、谷子地、小蘆草、豬毛蒿樣地。在每個樣地內隨機選擇樣點，利用多點取樣的方法，貼近植株根頸部去其枯枝落葉層挖土壤剖面,按5～30 cm 的土層，采集植物根附近土壤,將所取土樣混合均勻放置于滅菌袋內帶回。部分土樣過2 mm篩后用于孢子鑒定，部分土樣風干后用于土壤理化性狀測定，部分土壤樣品4 ℃保存，用于土壤微生物群落功能多樣性測定(Biolog GN板)，部分凍存于-40 ℃用于土壤微生物群落結構組成(PLFA)的測定。

1.2 AM真菌孢子密度、菌根侵染率及孢子鑒定

每份樣品取 100 g 風干土,用濕篩傾析法分離AM真菌孢子,在解剖鏡下進行分格計數(孢子果按 1 個孢子計數)。在體視鏡下觀察孢子的形態(tài)結構特征,按孢子的大小、形狀、壁厚、壁層、顏色等進行初步分類,然后挑取孢子,分別用聚乙烯醇(PVA) 和梅爾澤試劑(等量混合)制片。AM 真菌主要根據 Schenck和Pérez 的《VA 菌根真菌鑒定手冊》[16]資料進行分類鑒定。計算Shannon-Wiener指數(H)、種的豐富度(SR)和物種均勻度(J)來描述AM真菌的多樣性特征[17]。

計算公式如下：

H= -∑(Pi)ln(Pi)，Pi=ni/N，ni是每個樣地中每種AM真菌個數，N是該樣地AM真菌孢子總數。

SR=AM真菌總種次數/土樣數

J=H/lnS。其中，H為Shannon-Wiener多樣性指數，S為某采樣點AM真菌總種數。

1.3 土壤微生物結構與功能的測定

土壤微生物磷脂脂肪酸測定依照魏?；鄣萚18]的提取步驟，采用Agilent 6850型氣相色譜儀測定，在進樣口為250 ℃、H2流量為40 mL/min(0.4 MPa)、氮氣(0.4 Mpa)、色譜柱為Agilent HP-5MS，30 μm×250 μm×0.25 μm，柱溫：170 ℃，MIDI Sherlock脂肪酸圖譜微生物鑒定系統(tǒng)分析待檢樣品。土壤微生物功能的測定：采用BIOLOG-GN板來確定供試土壤微生物群落水平的生理分布[19]。

1.4 試驗數據處理

采用DPS 13.5對數據進行統(tǒng)計分析和方差分析，采用Canoco 4.5軟件進行多元分析。

2 結果與分析

2.1 不同土地利用方式下AM真菌的屬、種分布特征

不同土地利用方式下，土壤中共鑒定出AM真菌4屬48種(表1)，其中球囊霉屬(Glomus)33種，無梗囊霉屬(Acaulospora)11種，巨孢囊霉屬(Gigaspora)和盾巨孢囊霉屬(Scutellospora)各2種。不同類型樣地土壤AM真菌種的分布差異很大。各類型樣地下土壤中都有分布的AM真菌有6種：分別為網狀球囊霉(G.reticulatum)、縮球囊霉(G.constrictum)、卷曲球囊霉(G.convolutum)、德里球囊霉(G.delhiense)、地表球囊霉(G.versiforme)、網紋盾巨孢囊霉(S.reticulata)，其中5種AM真菌都屬于球囊霉屬，說明球囊霉屬在這一地區(qū)的分布性較廣、適應性較好。

11種無梗囊霉屬中，苜蓿地土壤中有8種，明顯高于其他處理。玉米地利用方式下，AM真菌種類最多，達35種，占全部AM真菌的73%。人工苜蓿、青貯玉米和谷子地土壤中AM真菌種類明顯多于2個原始植被類型，前3種土地類型下，土壤中均有AM真菌的特有種；其中，玉米地利用方式下的特有種最多，而小蘆草地及豬毛蒿地土壤中AM真菌的特有種則較少。

從土壤AM真菌屬的分布頻率來看(表2),球囊霉屬、無梗囊霉屬、巨孢囊霉屬和盾巨孢囊霉屬，4屬在所有樣地中均有分布。AM真菌屬的分布頻率上,球囊霉屬出現的頻率最高,其次是盾巨孢囊霉屬，巨孢囊霉屬出現的頻率最低。小蘆草地與谷子地AM真菌各屬分布頻率的趨勢大致相同，但這2種土地利用方式下，盾巨孢囊霉屬、巨孢囊霉屬的分布頻率顯著高于其他3種類型樣地。不同土地利用方式下，AM真菌優(yōu)勢種也有區(qū)別：苜蓿地與豬毛蒿地土壤AM真菌優(yōu)勢種均為黑球囊霉(G.melanosporum)，谷子地與小蘆草地土壤AM真菌的優(yōu)勢種均為網紋盾巨孢囊霉(S.reticulata)，青貯玉米利用方式下AM真菌優(yōu)勢種為摩西球囊霉(G.mosseae)。

表1 不同土地利用方式下土壤AM真菌的分布Table 1 Distribution of AM fungi species in different land use patterns

注：+ 代表發(fā)現該種。

Note:+ species occurred.

表2 不同土地利用方式下土壤AM真菌屬的分布頻率及優(yōu)勢種Table 2 Relative abundance and dominant species of AM fungi genera in different land use patterns

2.2 不同土地利用方式下土壤AM真菌多樣性特征

AM真菌的Shannon-Wiener指數(H)在谷子地土壤中最高,在豬毛蒿樣地土壤中較低；在其他3種植被類型的土地利用方式中差異不明顯(表3)。苜蓿、谷子、青貯玉米利用方式下土壤AM真菌物種多樣性指數均高于2種原始植被類型。AM真菌種的豐富度表現為：青貯玉米、苜蓿、谷子地類型下較原始植被類型平均提高46.41%～70.65%。AM真菌種的豐富度(SR)與多樣性指數的變化趨勢相類似；均表現苜蓿、谷子和青貯玉米地土壤AM真菌的物種豐富度及多樣性提高。各土地利用方式下，除豬毛蒿地土壤AM真菌種均勻度指數(J)明顯低于其他處理外，其他各處理土壤AM真菌種的均勻度指數(J)變化不大。

表3 不同土地利用方式下AM真菌的物種多樣性指數Table 3 Species diversity index of AM fungi in different land use patterns

2.3 土壤AM真菌多樣性與土壤環(huán)境因子、土壤微生物群落結構與功能的關系

RDA排序圖內不同因素之間的箭頭方向和夾角表示它們之間的相關性。箭頭方向相同表示正相關，相反表示負相關；夾角越小相關性越高。相關研究表明，影響AM真菌多樣性的因素除了寄主植物以外，還有土壤養(yǎng)分、土壤pH和土壤微生物群落結構及功能等環(huán)境因子[20-23]。

由圖1-a可見，土壤因子與AM真菌多樣性的多元分析圖前兩軸解釋信息量達100%，第1排序軸為93.2%，第2軸為6.8%。5個處理分布在3個不同的象限，各土壤因子主要指向苜蓿、青貯玉米、小蘆草處理；土壤AM真菌H指數與土壤有機質、全氮有顯著的正相關關系，說明這3種處理下土壤中有機質和全氮質量分數較高，有利于提高AM真菌H指數。堿解氮和pH與孢子密度有很好的正相關關系；除J指數外，土壤速效磷與各AM真菌多樣性指標均呈顯著負相關，過高的速效磷對AM真菌的生長發(fā)育具有抑制作用，而全磷對AM真菌的多樣性影響較小。

由圖1-b可見，AM真菌多樣性指標與土壤微生物群落結構能在前兩軸累積貢獻率99.6%上揭示不同土地利用方式下AM真菌的空間分異。AM真菌多樣性指數與土壤細菌、革蘭氏陽性菌和革蘭氏陰性菌有正相關關系，與土壤細菌顯著正相關；其中在苜蓿地利用類型下，土壤AM真菌多樣性對土壤細菌的影響最大。表明在AM真菌多樣性增加的同時，土壤中細菌也會隨之增長。AM真菌種的豐富度及孢子密度與革蘭氏陰性菌顯著正相關，而與放線菌和真菌顯著負相關。說明隨著土壤中微生物群落結構的變化 AM真菌多樣性指數會受到顯著影響。

AM真菌多樣性與土壤微生物功能在前兩軸上累積解釋信息量達99%，可以表示土壤AM真菌多樣性與土壤微生物碳源利用功能間的相互影響(圖1-c)。圖1-c中土壤AM真菌多樣性指數(H)、均勻度指數(J)以及種的豐富度(SR)與土壤多聚化合物顯著正相關，菌根侵染率與羧酸類化合物顯著正相關；而孢子密度與碳水化合物類、芳香化合物類、氨基酸類及胺類化合物均呈顯著正相關，對軸1及軸2起分異作用的主要碳源是碳水化合物類、芳香化合物類、氨基酸類及胺類化合物，說明在各土地利用方式下這幾種碳源是對土壤AM真菌多樣性變化的敏感碳源，是土壤中廣泛分布且能被各類微生物較好利用的碳源種類。

a圖為土壤因子與AM真菌多樣性指標之間的RDA分析 Figure a shows the RDA analysis of soil factors and AM fungal diversity indices；b圖為AM真菌多樣性指標與土壤微生物結構之間的RDA分析 Figure b shows the RDA analysis between AM fungal diversity indices and soil microbial structure；圖c為AM真菌多樣性指標與土壤微生物功能之間的RDA分析 Figure c shows the correlation between AM fungal diversity indices and soil microbial function RDA analysis；1.苜蓿 Alfalfa；2.谷子 Millet；3.青貯玉米 Silage maize；4.處小蘆草 Small reed；5.豬毛蒿 Artemisia scoparia；OM.有機質 Organic matte; TN.全氮 Total nitrogen; TP.全磷 Total phosphorus; AN.堿解氮 Available nitrogen; AP.速效磷 Available potassium;AK.速效鉀 Available kalium; Carbox.羧酸類化合物 Acid compounds; Pol.多聚化合物 Polymer compounds; Carboh.碳水化合物類 Carbohydrate; Phe.芳香類化合物 Aromatic compounds;Amino.氨基酸類 Amino acid;Amine.胺類化合物 Amine compounds;Bacter.細菌 Bacter; Fun.真菌 Fungal; G+.革蘭氏陽性菌 Gram-positive Bacteria; G-.革蘭氏陰性菌 Gram-negative bacteria; Act.放線菌 Actinomycetes; c.rate.菌根侵染率 Mycorrhizal infection rate; s.densit.孢子密度 Spore density;H.AM真菌多樣性指數 Shannon-Wiener index;J.均勻度指數 Evenness index;SR.種的豐富度 Species richness

圖1AM真菌多樣性與土壤環(huán)境因子及土壤微生物群落結構、功能間的多元分析
Fig.1RDApatternofAMfungaldiversityindexwithsoilfactors,soilmicrobialcommunitystructureandsoilmicrobialfunction

3 討論與結論

3.1 討 論

土壤中共分離鑒定出4屬48種AM真菌，球囊霉屬為共有優(yōu)勢屬。5種典型樣地下，土壤AM真菌多樣性分布存在較大差異。已有研究表明：植物、土壤與AM真菌間相互作用，共同影響AM真菌的定殖、植物的生長及土壤的理化性狀[24]。在一定程度上，宿主植物是植物多樣性的重要影響因素[25]。AM 真菌作為專性共生真菌對不同宿主植物產生的依賴性不同[26],AM真菌群落多樣性對于植物多樣性的響應非常敏感[27],一些植物種類明顯比另一些植物種類更容易被叢枝菌根真菌所定殖[28]。本研究中，青貯玉米的利用方式下，土壤AM真菌屬種數量最高， AM真菌物種多樣性指數也較高。相關研究認為，玉米是AM真菌的優(yōu)良寄主[29]，玉米作為一種C4植物，在適應能力上，C4植物能夠更強的適應高溫、強光和干旱的條件，能為真菌提供更多的碳，從而影響其共生功能[6]。試驗中，不同土地利用方式下，AM真菌的多樣性指數也不相同。劉潤進等[30]在綜述地中海半干旱退化草地的研究成果時，闡述不同植物根際的真菌多樣性顯著不同。Jun等[31]在研究沙漠化草地植被重建時發(fā)現，AM真菌的組成和多樣性具有寄主特異性；Andrea等[32]研究表明，AM真菌多樣性受寄主植物影響，單、雙子葉的植物對AM真菌多樣性的影響不同，植被類型對AM真菌的分布及其多樣性有顯著影響。在物種水平上，由于不同種宿主植物生理代謝、根系內部環(huán)境及其分泌物不同，必然會影響不同AM真菌的侵染，進而改變其群落組成[27]。

有研究表明土壤速效磷含量過高往往會抑制 AM 真菌的生長、發(fā)育和功能[33]。RDA分析顯示土壤速效磷是影響AM真菌多樣性最主要的土壤因子，土壤速效磷與土壤AM真菌多樣性指數、種的豐富度、菌根侵染率和孢子密度呈顯著負相關。試驗中，各樣地的pH為8.3～8.6，主要菌屬為球囊霉屬；冀春花等[7]在研究西北地區(qū)AM真菌多樣性時發(fā)現球囊霉屬在pH在7.5～8.5范圍內頻度最高，賀學禮等[12]調查荒漠檸條時也發(fā)現在偏堿性的條件下，隨著土壤pH增加球囊霉屬相對多度逐漸升高，表明球囊霉屬真菌較其他屬真菌相比更適合在偏堿性的條件下分布，這可能是由于球囊霉素的適應性強，在各類型土壤pH范圍內分布較均勻，而無梗囊霉屬、巨孢囊霉屬和盾巨孢囊霉屬的AM真菌均較多出現在pH低于7的土壤中[23]。本試驗多元分析結果表明，pH與孢子密度呈顯著正相關，表明土壤中pH的變化會影響AM真菌孢子密度，與前人的結果相一致，土壤pH除了改變AM真菌屬種分布以外，還會影響AM真菌的產孢能力[34]。

有研究表明，接種AM真菌可以提高土壤中微生物生物量并改變土壤微生物群落結構[35]。土壤微生物本身就是一種土壤有效養(yǎng)分的儲備庫，在土壤有機質和養(yǎng)分轉化與循環(huán)中起重要作用；Keith等[36]的研究表明，在添加AM真菌的處理中，土壤微生物的含量有顯著提高。試驗中，土壤微生物群落結構組成中真菌和放線菌與AM真菌均勻度指數均呈明顯的正相關關系，說明AM真菌的均勻度受到土壤真菌和土壤放線菌種群的影響。AM真菌多樣性指數與土壤真菌呈良好的正相關關系，土壤中的真菌生物量越大，AM真菌多樣性越高?？梢?，AM真菌與土壤微生物的作用是相互的，土地利用變化改變了AM真菌多樣性的同時，也改變了土壤微生物群落結構，并且土壤微生物對不同碳源的利用模式也發(fā)生了改變。這可能是由于土壤微生物群落功能變化受土壤微生物群落結構的影響，不同的植物根系的分泌物不同，相應地影響了利用此類碳源的微生物生長。

3.2 結 論

5種不同土地利用方式下土壤AM真菌多樣性差異顯著，其變化受植被類型、土壤養(yǎng)分、土壤微生物、土壤碳源等多種因素影響。苜蓿、谷子、青貯玉米利用方式下土壤AM真菌種類明顯多于2個原始植被類型，且均有AM真菌特有種，而2個原始植被類型均沒有特有種；苜蓿、谷子、青貯玉米利用方式下物種多樣性指數、種的豐富度均高于2種原始植被類型，可見，土地利用方式的不同，AM真菌的種類及多樣性變化不同。本試驗不僅揭示AM真菌多樣性與土地利用變化的關系，同時為合理開發(fā)利用寧夏荒漠草原區(qū)提供依據和參考。