吉林省玉米種植區土壤真菌群落多樣性變化及其驅動因子

王媛媛, 王繼巖, 焉 莉, 高 強, 韓 旭

(1.吉林省商品糧基地土壤資源可持續利用重點實驗室 吉林農業大學 資源與環境學院,吉林 長春130118; 2.生態環境部環境規劃院總量控制與排放交易研究中心 北京 100000)

土壤是植物賴以生存的基礎，土壤微生物對外界的感知能力極為敏感，不僅是評價土壤肥力的主要指標，也是土壤生態系統的重要組成。土壤微生物群落反映的土壤質量和生態系統變化是判定土壤的性質和生態功能的重要指標[1]。真菌是土壤中的主要分解者之一，對外界變化更為敏感、直觀，可以通過調節土壤中營養元素的周轉，影響養分資源的分配和化學組成[2]。同時，土壤真菌與土壤生態環境具有復雜的相互作用，其群落結構組成和多樣性因不同管理措施、地理環境、植被類型、土壤肥力、pH值、溫度、降水等綜合因子的改變而發生相應的變化[3]。Thormann等[4]研究發現，土壤真菌群落受土地利用方式和管理模式等因素的影響，且真菌降解土壤有機質的能力要遠遠超過細菌的降解能力；Shen等[5]研究表明，土壤電導率和pH值在一定程度上影響土壤的真菌群落組成。真菌與自然環境以及田間管理等人為因素存在代謝、交流、轉化等相互作用[6]。Illumina MiSeq高通量測序技術相對于微生物稀釋平板菌落計數法、Biolog，PLFA分析法等，具有局限性小、準確率高、靈敏度好及單次分析樣品量大等優點[7]，是近年來分析土壤真菌和細菌等微生物群落結構組成和相對豐度的重要工具。

目前，對于土壤微生物群落結構和功能的研究引起了越來越多專家學者的關注，楊澤良[8]對玉米地根際土壤微生物群落結構研究發現玉米真菌與土壤養分沒有顯著相關性，與pH值呈負相關。程躍揚[9]研究土地利用方式對土壤真菌群落結構的影響發現堿解氮是影響真菌結構與功能類群的主要因素。在土壤微生物中，真菌在有機質分解、土壤肥力演變、土壤結構形成等方面發揮重要作用，其群落結構及多樣性與土壤生態系統健康密切相關[10]。目前大多數研究主要針對小范圍的相同氣候條件下土壤微生物的影響因子分析，但對于空間區域性條件下不同氣候因子和土壤養分對土壤微生物群落結構的差異性及相關性的影響鮮為報道。為此，本研究依據吉林省地形地貌、氣候條件及玉米種植區特點，將吉林省劃分為東部濕潤山區、中部半濕潤平原區和西部半干旱平原區3個種植區[11-12]，以吉林省玉米種植區土壤為研究對象，分析種植區土壤理化性質及酶活性特征，探討環境因子及土壤養分對吉林省土壤微生物真菌群落結構的影響，尋找影響吉林省玉米種植區土壤真菌群落結構的主要驅動因子，為吉林省土壤質量恢復提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 研究區域

吉林省土地面積約1.87×107hm2，屬溫帶大陸性季風氣候，四季分明，年平均降水量為400～600 mm，日照時數為2 259～3 016 h。本研究將吉林省玉米種植帶分為東部濕潤山區、中部半濕潤平原區和西部半干旱平原區3個種植區。東部濕潤山區的年均溫度在2.9～5.5 ℃，年降雨量均值為735.08 mm，有效積溫均值為2 569.25 ℃，無霜期均值為132 d；中部半濕潤平原區的年均溫度在4.3～6.4 ℃，年降雨量均值為605.41 mm，有效積溫均值為2 826.41 ℃，無霜期均值為142 d；西部半干旱平原區的年均溫度在4.3～5.8 ℃，年降雨量均值為442.43 mm，有效積溫均值為2 949.76 ℃，無霜期均值為143 d。

1.2 土壤樣品采集

本研究采樣點主要位于東部濕潤山區的通化市、白山市和延邊市；中部半濕潤平原區的四平市、長春市、遼源市和吉林市；西部半干旱平原區的白城市和松原市。采樣時間是2018年的6—7月，采用五點采樣法，采樣深度0—20 cm，共采集了3個種植區的72份土壤樣品，每份樣品3次重復，以保證試驗的準確度。采集后的土壤樣品一部分過篩2 mm，風干保存，用于測定土壤理化性質和酶活性；另一部分置于-80 ℃冰箱進行高通量測序。

1.3 測定項目與方法

(1) 土壤理化性質測定指標：測定方法參考《土壤農化分析》[13]，pH值—電位法(水土比2.5∶1)、有機質—重鉻酸鉀(外加熱法)、堿解氮—堿解擴散法、速效磷—鉬銻抗比色法(碳酸氫鈉浸提)、速效鉀—火焰光度法(乙酸銨浸提)。

(2) 土壤酶活性測定指標：脲酶活性—苯酚鈉—次氯酸鈉比色法[14]、蔗糖酶活性-3,5-二硝基水楊酸比色法[15]、磷酸酶活性—磷酸苯二鈉比色法[15]。

(3) 土壤真菌高通量測序分析：保存于-80 ℃冰箱中的土壤樣品首先參照Fast DNA SPIN試劑盒(MP Biomedicals，美國)說明提取土壤總DNA，然后采用真菌特異引物(ITS1/ITS2)對樣品進行擴增，真菌ITS片段采用正向引物ITS1(5′-GGAAGTAAAAGTCGTAACAAGG-3′)和反向引物ITS2(5′-GCTGCGTTCTTCATCGATGC-3′)擴增，采用Illumina Miseq平臺對PCR擴增產物進行高通量測序。

1.4 數據分析

使用Canoco4.5軟件進行CCA分析，采用Excel制表并作圖分析真菌門、綱、屬相對豐度，利用SPSS 19.0做單因素方差及差異性分析。

2 結果與分析

2.1 土壤化學性質

通過吉林省不同玉米種植區土壤化學性質(圖1)分析可知，不同種植區土壤化學性質差異性顯著。吉林省玉米種植區土壤pH均值為6.58，且呈現自東向西逐漸增加的趨勢；有機質均值為13.11 g/kg，堿解氮均值為111.93 mg/kg，速效磷均值為35.42 mg/kg，速效鉀均值為128.08 mg/kg，其含量均呈現自東向西逐漸降低的趨勢。各種植區主要土壤類型有所不同，東部濕潤山區的有機質及速效養分含量較高，土壤類型以暗棕壤和白漿土為主；中部半濕潤平原區有機質含量相對較高，以黑土為主；西部半干旱平原區肥力相對較低，以黑鈣土為主。

注：不同小寫字母表示在5%水平上差異顯著。下同。

2.2 土壤酶活性

從圖2可知，吉林省玉米種植區土壤的脲酶活性為36.6 mg/(g·d)，東部濕潤山區和西部半干旱平原區的脲酶活性顯著高于中部半濕潤平原區；蔗糖酶活性均值為120.7 mg/(g·d)，呈現自東向西逐漸減少的趨勢。磷酸酶活性與土壤pH值有一定相關，東部濕潤山區的pH值偏酸性，酸性磷酸酶含量最高；西部半干旱平原區pH值偏堿性，堿性磷酸酶活性顯著高于其他兩種植區。

圖2 吉林省不同玉米種植區土壤酶活性

2.3 土壤真菌群落Alpha多樣性指數

由表1可知，通過Chao1指數和ACE指數可知，東部濕潤山區的土壤真菌豐富度顯著小于西部半干旱平原區和中部半濕潤平原區。根據吉林省各種植區的Chao1和ACE變異系數可看出，西部半干旱平原區的變異系數最小，說明西部半干旱平原區的樣本相對中部和東部種植區來說更為均勻。Shannon和Simpson指數的側重點有所差異，前者側重于物種豐富度，后者則側重于物種均勻度；3個玉米種植區土壤真菌群落Simpson指數的平均數都為0.95，變異系數均小于5%；Shannon指數平均數在5.94～6.16之間且變異系數均較低，說明吉林省3個種植區的真菌多樣性差異不顯著。

2.4 土壤真菌群落結構組成

在門水平分類上(圖3)，土壤真菌豐度較高的前9個門種類分別為子囊菌門(Ascomycota)、擔子菌門(Basidiomycota)、結核菌門(Zygomycota)、壺菌門(Chytridiomycota)、隱真菌門(Rozellomycota)、蟲門(Cercozoa)、纖毛門(Ciliophora)、球囊菌門(Glomeromycota)、新麗鞭毛菌門(Neocallimastigomycota)。從真菌門水平相對豐度圖中可知，子囊菌門(69.34%～77.98%)和擔子菌門(14.83%～23.88%)為吉林省3個玉米種植區土壤真菌的優勢菌門，西部半干旱平原區的子囊菌門顯著高于中部半濕潤平原區，而擔子菌門與之相反；3個種植區的結核菌門也存在顯著差異，呈自東向西逐漸降低的趨勢。

表1 吉林省不同玉米種植區土壤真菌群落Alpha多樣性指數

圖3 真菌門水平相對豐度

綱水平分類上選取豐度排名前20的物種，其中糞殼菌綱(Sordariomycetes)的相對豐度最高，為主要優勢菌綱；其次為銀耳綱(Tremellomycetes)、散囊菌綱(Eurotiomycetes)、傘菌綱(Agaricomycetes)和座囊菌綱(Dothideomycetes)，其豐度均大于5%。糞殼菌綱和座囊菌綱呈現自東向西逐漸增加的趨勢，散囊菌綱呈現自東向西逐漸降低的趨勢，而銀耳綱和傘菌綱表現為中部半濕潤平原區最高。

屬水平上真菌豐度較高的有酵母菌屬(Guehomyces，3.06%～8.83%)、青霉菌屬(Penicillium，1.50%～5.40%)和被孢霉屬(Mortierella，1.82%～5.66%)，其中酵母菌屬為主要的優勢菌屬。中部半濕潤平原區相對豐度較高的菌屬有酵母菌屬、青霉菌屬、腐殖霉屬、被孢霉屬和香筆屬，其屬所占比例均大于2%。東部半濕潤山區相對豐度較高的菌屬有酵母菌屬、腐殖霉屬、被孢霉屬、假裸囊菌屬、曲霉屬、木霉屬和粗糙孔菌屬。而西部半干旱平原區相對豐度較高的菌屬為酵母菌屬、青霉菌屬、金擔子菌屬、莖點霉屬和支頂孢屬。3個種植區排名前20的菌屬一致，說明3個種植區的真菌群落結構較為相似，但不同種植區的優勢菌屬含量有細微差異。由圖4可知，吉林省3個種植區中，中部半濕潤平原區的酵母菌屬和腐殖霉屬含量最高，青霉菌屬、莖點霉屬和金擔子菌屬呈現自東向西逐漸增加的趨勢，被孢霉屬、曲霉屬真菌、假裸囊菌屬和木霉屬呈現自東向西逐漸減少的趨勢。

圖4 真菌屬水平相對豐度

2.5 環境因子對土壤真菌群落組成的影響

為進一步研究吉林省不同玉米種植區土壤真菌群落組成與環境因子的關系，采用典范對應分析方法，對土壤化學性質、酶活性、氣候因子(積溫、無霜期、年均降雨量和年均溫度等)與土壤真菌群落的關系進行研究，尋找影響土壤真菌群落組成的驅動因子。通過圖5可知，氣候因子中積溫、無霜期和年均溫度對土壤真菌微生物群落結構影響程度最高，土壤化學性質中pH值對土壤的影響程度最高。年均降雨量(rainfall)、酸性磷酸酶(ACP)、中性磷酸酶(NP)、堿解氮(AN)、速效磷(AP)、速效鉀(AK)、脲酶活性(urease activity)和有機質(OM)之間夾角為銳角，pH值、積溫(accumulated Tep)、年均溫度(Tep)、堿性磷酸酶(ALP)之間，pH值與蔗糖酶(sucrase activity)之間均為銳角，表明這幾種環境因子之間呈正相關關系，可能具有一定的協同效應。從吉林省玉米不同種植區的真菌群落分布看，西部半干旱平原區的土壤樣品大部分分布在橫坐標軸的負方向，東部濕潤山區的土壤樣品真菌分布主要在CCA橫坐標軸的正方向，而中部半濕潤平原區的土壤樣品真菌分布主要集中在坐標軸附近。西部、東部和中部種植區樣本真菌分布有很大部分重合，說明3個地區有很大的相似性；但東部和西部相對距離較遠，說明兩個種植區中的土壤微生物真菌群落結構又有各自相對獨特的特點。

注：Accum Tep代表積溫； FFP代表無霜期； Tep代表年均溫度； Rainfall代表年均降雨量； ALP代表堿性磷酸酶活性； Sucrase Activity代表蔗糖酶活性； Urease Activity代表脲酶活性； NP代表中性磷酸酶活性； OM代表有機質含量； AN代表堿解氮含量； AK代表速效鉀含量； AP代表速效磷含量。

3 討 論

3.1 積溫、無霜期和年均溫度對土壤真菌微生物的影響

土壤微生物對不同環境因子的的響應存在差異性，真菌作為微生物區系的主要組成部分，是土壤生態系統健康與否的重要指標[16]。本研究發現積溫、無霜期和年均溫度是影響該區域土壤真菌群落結構的重要氣候因子。3個種植區真菌群落有很大的相似性主要是由于他們有相似的區域氣候特征，而差異性的存在可能主要是由于3個生態區不同的地形地貌的形成了各自小氣候特征。東部地區隸屬長白山脈海拔高，年均溫度較低，無霜期較短；而中部地區屬于世界黃金玉米帶，氣候條件非常有利于玉米生長，產量也是全省最高的地區；西部地區積溫較高，年均溫度與中部地區相似，但由于相對干旱且土壤大多為鹽堿地而使得土壤微生物結構與中部也略有不同。有研究證明，溫度對光合作用影響最大，溫度升高影響了凋落物的數量和質量，增加了碳的有效性，增高C/N比值[17]，明顯提高土壤真菌的活性和豐富度[18]，從而改變了土壤微生物群落的結構和功能。近年來，也有少數研究證明了積溫[19]、年均溫度[20]、無霜期[21]對作物產量的影響程度，與本研究結果相符。還有研究發現，土壤真菌對土壤溫度、濕度、養分含量等因素的變化十分敏感[22]，真菌群落結構及多樣性也會受到季節變化的影響[23]。土壤真菌多樣性與土壤生態環境密不可分，且土壤微生物群落結構主要受地理因素、土壤養分、管理模式以及氣候條件等多種因素的影響，不同種植區的環境會導致土壤真菌種類和數量的差異性[24]，這一結論與Davide等[25]研究結果一致。

3.2 pH值對土壤真菌的影響

土壤和植物間的相互作用可以直接或間接地影響土壤真菌群落組成和多樣性，土壤的化學性質與真菌群落結構和多樣性有著密切的聯系。本次研究結果發現pH值是影響土壤真菌微生物群落結構的重要化學因素。這與韓世忠等[26]人的研究結果一致。同樣，王楠楠等[27]人的研究均證明了土壤pH值對土壤真菌群落結構與組成影響顯著。巨天珍等[28]研究認為，真菌更喜歡在偏酸性的土壤中生存。地理因素和人為因素都會在一定程度上導致土壤質量發生變化，例如，施肥可以改變土壤的特性，長期施用氮肥造成土壤pH值下降，有機質含量下降，土壤中真菌群落密度增加[29]，長期施用有機肥也會引起土壤微生物組成差異，提高土壤中微生物群落多樣性[30]，顯著降低土壤真菌與細菌的比率，從而改變真菌和細菌的群落結構[31]。也有相關研究認為[32]，土壤堿解氮含量也是導致土壤真菌群落變化的重要因素。真菌群落結構必然會受到土壤環境因子的直接或間接的影響，但就本研究而言，土壤pH是導致吉林省不同種植區玉米主產區真菌群落結構和多樣性變化的重要化學驅動因素。

4 結 論

積溫、無霜期和年均溫度是影響吉林省玉米種植區土壤真菌優勢類群變化的主要氣候驅動因子；pH值是主要化學驅動因子。隨著全球氣候變暖，氣候變化將不可避免，同時由于施肥影響，土壤多呈酸化趨勢，隨之必將帶來土壤微生物環境的變化，進而影響土壤質量和作物生產。因此應多關注吉林省玉米種植區土壤真菌群落變化趨勢，以便采取合理的管理措施以改善并恢復土壤質量。