不同密度布氏田鼠對內蒙古典型草原菌根真菌群落的影響

劉榮榮，王平，代心靈，陳科宇，李國梁，宛新榮，紀寶明*

（1. 北京林業大學草業與草原學院，北京100083；2. 中國科學院動物研究所，農業蟲害鼠害綜合治理研究國家重點實驗室，北京100101）

內蒙古典型草原是我國北方重要的生態屏障，在防風固沙、涵養水源、維持碳平衡及調節氣候等方面發揮著重要作用［1］。由于氣候變化及人類活動，內蒙古草原出現不同程度退化，而草地退化往往伴隨著嚙齒動物種群的聚集［2］。布氏田鼠（Lasiopodomys brandtii）是內蒙古典型草原主要嚙齒類動物種，是草原生態系統的重要組成部分，布氏田鼠活動一方面能夠直接影響草原植被的生長，改變群落組成和多樣性，另一方面其挖掘行為可以改變土壤物理結構，影響土壤化學性質［3］。布氏田鼠活動所引起的植被與土壤的改變，極有可能進一步對生態系統的其他組分和生態過程產生潛在的重要影響。

迄今為止的研究發現，嚙齒動物的活動能夠直接改變草地生態系統地表地形、植物群落特征以及土壤理化特征［4?7］。嚙齒動物對植物種子和莖葉的啃食會抑制植物生長，導致植物數量減少，進而降低了植被蓋度和生物量［8］。同時，隨著嚙齒動物挖掘所形成土丘的增加，雜類草植物逐漸成為草地的優勢種群，使群落結構發生改變［9?10］。但Lindtner 等［11］研究發現，嚙齒動物的擾動增加了植物多樣性、提高了草甸的質量，推動草原生態系統異質性、多樣性發展［5，12］。對于土壤理化特征，嚙齒動物挖掘行為改變了土壤粒徑分布，使得土壤孔隙度和透氣性增加、土壤容重降低［13?14］。此外，其活動改變了地表徑流和侵蝕程度，進而改變土壤水分，同時加快了有機質的分解與轉化，改變了土壤養分狀況［14?16］。顯而易見，任何植物群落和土壤性質的變化均有可能改變草原土壤微生物群落的組成和多樣性，大量研究表明，植物群落的組成、生物量和豐富度均影響土壤微生物群落的組成和多樣性［17?18］，土壤養分的變化也可顯著改變地下真菌的群落組成和多樣性［19?20］。據此推測，嚙齒動物活動可以通過改變植物群落和土壤性質對土壤微生物產生影響，但目前關于布氏田鼠活動對土壤微生物影響的研究鮮有報道。

土壤微生物作為草原生態系統的重要組分，在草地多樣性和生產力維持以及生態演替過程中發揮著關鍵作用，其中叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）是分布最廣泛、功能最重要的共生微生物類群之一。在草地生態系統中，AMF 能夠與80% 的植物形成互惠共生體，在調控植物的生理、生長、群落組成和多樣性以及土壤的物理結構和養分周轉等方面發揮著關鍵作用［19?22］。雖然大量的研究證明地上植物和地下土壤的變化均能夠影響AMF 群落的組成和多樣性［23?25］，但到目前為止，關于布氏田鼠活動的研究主要集中于其穴居行為對植被群落和土壤特征的影響［3，26］，對AMF 群落組成和結構的影響仍然空白。基于此，本研究依托中國科學院動物研究所在內蒙古自治區錫林浩特市毛登牧場草原動物生態研究站建立的大型野外布氏田鼠圍場，通過研究不同密度布氏田鼠活動對土壤AMF 群落組成和結構的影響，探究嚙齒動物?植物?AMF 三者間的關系，以期為草地生態系統的合理管控及應用提供更為全面的數據支撐。

1 材料與方法

1. 1 樣地概況與試驗設計

研究地點位于內蒙古自治區錫林郭勒盟錫林浩特市毛登牧場內的中國科學院動物研究所草原動物生態研究站（44°18′N，116°45′E，海拔1079 m）。該區域屬于半干旱草原氣候，冬季寒冷干燥，夏季溫和濕潤，年平均溫度3 ℃，年平均降水量346. 1 mm，土壤類型以暗栗鈣土為主。該區域草原屬于溫帶典型草原，主要優勢植物為羊草（Leymus chinensis）、大針茅（Stipa grandis）和糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）。

中國科學院動物研究所于2008 年5 月在內蒙古草原動物生態研究站設置了24 個大型布氏田鼠圍場，每個圍場面積4800 m2（80 m×60 m），圍場四周用2. 4 m 的鍍鋅鋼板進行圍封，鋼板高出地面1. 4 m，延伸到地下1 m。鋼板上方圍有50 cm 高的鐵絲網（網格孔徑1 cm），鐵絲網頂部用尼龍網覆蓋（網格孔徑10 cm），以此控制大型動物、布氏田鼠等在圍欄之間的活動，也防止哺乳動物或鳥類等捕食者的進入。從2018 年開始，每年5 月初將野外捕獲的布氏田鼠投放到相應的圍場，每月進行一次標志重捕統計布氏田鼠數量，9 月底將圍場內所有布氏田鼠清除以確保第二年投放之前圍場內布氏田鼠數量為0。本研究取樣時間為2019 年9 月，選取3 個代表不同密度布氏田鼠處理的圍場以探究不同密度布氏田鼠活動對AMF 群落組成和多樣性的影響，其中低密度處理圍場當年5 月投放布氏田鼠12 只，中密度處理投放布氏田鼠24 只，高密度處理投放布氏田鼠48 只（布氏田鼠雌雄比為1∶1），當年9 月底重捕統計布氏田鼠數量時低密度、中密度和高密度圍場對應的數量分別為66、133 和201 只。

1. 2 樣品采集與指標測定

于2019 年9 月下旬進行植物群落調查和土壤樣品采集。在不同密度布氏田鼠圍場分別選取6 個洞群密集區域設置樣方進行群落調查，樣方面積為0. 5 m×0. 5 m，分物種測定植株高度、密度以及群落蓋度。地上部分貼近土壤平面分種進行刈割，60 ℃烘干至恒重后稱取地上生物量。在植物群落調查樣方內進行根系和土壤樣品采集，用土鉆采集0～15 cm 土樣，3 鉆土壤混合成1 個土壤樣品，共計18 個樣品。土壤過2 mm 的篩子，去除殘留的枯落物及混雜物。將土壤和根系進行分離，植物根系用于AMF 菌絲侵染率的測定［27］，土壤樣品采集后分成兩份，一份保存于?20 ℃進行土壤菌絲密度測定［27］，另一份風干后用于測定土壤理化性質。

土壤含水量（soil water content，SWC）采用烘干法測定［28］，土壤pH 值采用復合玻璃電極檢測［28］，土壤有機質（soil organic matter，SOM）采用重鉻酸鉀容量法?稀釋熱法測定［29］；土壤全氮（soil total nitrogen，TN）采用凱氏定氮法［30］測定；土壤全磷（soil total phosphorus，TP）采用高氯酸?硫酸法消煮鉬銻抗顯色后用分光光度法定量測定［28］，土壤有效磷（soil available phosphorus，AP）用0. 5 mol·L?1碳酸氫鈉浸提?鉬銻抗比色法測定［31］；土壤銨態氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3?-N）采用2 mol·L?1KCl 浸提?靛酚藍比色法測定［28］。

使用DNeasy Powersoil Kit 試劑盒（Qiagen，德國），按照說明書進行土壤DNA 的提取，以NS31（TTGGAGGGCAAGTCTGGTGCC）-AML2（GAACCCAAACACTTTGGTTTCC）和AMDGR（CCCAACTATCCCTATTAATCAT）-AMV4. 5NF（A-AGCTCGTAGTTGAATTTCG）分別作為第1 輪和第2 輪PCR 引物進行巢室PCR 擴增，使用1% 的瓊脂糖凝膠對第2 輪PCR 產物進行電泳檢測和膠回收，在熒光切膠臺上切取目的膠帶，使用膠純化試劑盒（Axygen，Union City，CA，USA）進行回收和純化。使用NanoDrop ND-8000 測定純化后的DNA 樣品濃度，將全部樣品等摩爾混合進行Illumina-Miseq 高通量測序，通過Illumina MiSeq 測序平臺獲得不同操作分類單元（operational taxonomic units，OTU）代表序列，將序列上傳至NCBI 數據庫（https：//www. ncbi.nlm. nih. gov/；）與GenBank 中已有序列進行BLAST 比對，在97% 的序列相似性水平上進行OTUs 的劃分，使用MEGA 7 建立系統發育樹。

1. 3 數據統計與分析

運用IBM SPSS 20. 0 統計軟件對不同密度布氏田鼠處理下植物群落特征、土壤理化性質、根系侵染率、土壤菌絲密度、AMF 群落多樣性數據進行單因素方差分析，采用Duncan 法多重比較檢驗各個處理間的差異顯著性，顯著性水平為P<0. 05。 利用R 語言中的vegan 包進行非度量多維尺度分析（non-metric multidimensional scaling，NMDS）和“Adonis”函數進行非參數多元方差分析（permutational multivariate analysis，PerMANOVA）分析不同密度布氏田鼠處理對AMF 群落結構的差異性。利用冗余分析（redundancy analysis，RDA）解釋土壤理化特征和植被群落特征對AMF 群落的影響。

2 結果與分析

2. 1 不同密度布氏田鼠對植物群落的影響

布氏田鼠密度處理顯著影響植物群落生物量和蓋度（圖1）。隨著布氏田鼠密度的增加，植被群落地上生物量與地下生物量均呈下降趨勢，且高密度處理地上生物量顯著低于中、低密度處理（P<0. 05），其中高密度處理相較于低密度處理下降了30. 51%，相較于中密度處理下降了29. 92%。地下生物量在高密度處理下顯著低于低密度處理（P<0. 05），高密度處理相較于低密度處理下降了33. 71%，相較于中密度處理下降了20. 65%。植被蓋度隨著布氏田鼠密度的增加先降低后上升，中密度處理顯著低于低、高密度處理（P<0. 05），其中，中密度處理相較于低密度處理下降了20. 86%，相較于高密度處理下降了33. 66%。

圖1 不同密度布氏田鼠對植物群落生物量和蓋度的影響Fig. 1 Effects of different densities of Brandt’s voles on the biomass and coverage of plant communities

布氏田鼠密度處理顯著改變了植物群落多樣性和豐富度（圖2）。隨著布氏田鼠密度的增加，植物群落多樣性和物種豐富度呈下降趨勢，植物群落物種豐富度在中、高密度處理下顯著低于低密度處理（P<0. 05），其中，中密度處理相較于低密度處理下降了21. 05%，高密度處理相較于低密度處理下降了17. 55%。植物群落多樣性在高密度處理下顯著低于低、中密度處理（P<0. 05），高密度相較于低密度處理下降了85. 1%，相較于中密度處理下降了82. 6%。

圖2 不同密度布氏田鼠對植物群落物種豐富度和香農-威納指數的影響Fig. 2 Effects of different densities of Brandt’s voles on the plant communities OTU richness and Shannon-wiener index

2. 2 不同密度布氏田鼠對土壤理化性質的影響

隨著布氏田鼠密度的增加土壤有機質含量顯著下降（P<0. 05）、硝態氮含量顯著上升（P<0. 05），土壤pH、全氮、全磷以及銨態氮含量呈下降趨勢，土壤含水量先增加后降低，且高密度處理下土壤pH、全氮、全磷、銨態氮以及土壤含水量顯著低于低、中密度處理（P<0. 05）。布氏田鼠密度處理對土壤有效磷含量影響不顯著（P>0. 05，表1）。

表1 不同密度布氏田鼠處理下土壤理化性質Table 1 Soil characteristics in different densities of Brandt’s voles

2. 3 不同密度布氏田鼠對AMF 群落的影響

隨布氏田鼠密度的增加，AMF 菌絲侵染率先增加后降低，高密度處理下菌絲侵染率顯著低于中密度處理（P<0. 05），高密度處理相較于中密度處理侵染率下降了69. 46%，相較于低密度處理下降了53. 73%。土壤菌絲密度隨布氏田鼠密度增加呈下降趨勢，高密度處理下土壤菌絲密度顯著低于低、中密度處理（P<0. 05），其中高密度處理相較于低密度處理下降了56. 55%，相較于中密度處理下降了54. 06%（圖3）。

圖3 不同密度布氏田鼠處理下菌絲侵染率和菌絲密度Fig. 3 Mycorrhizal colonization and hyphal length density in different densities of Brandt’s voles

隨布氏田鼠密度的增加，土壤AMF 群落OTU 豐富度、香農?威納指數先增加后下降。AMF 群落OTU 豐富度在高密度處理下顯著低于低、中密度處理（P<0. 05），其中高密度處理相較于低密度處理下降了17. 21%，相較于中密度處理下降了23. 12%。香農?威納指數在高密度處理下顯著低于中密度處理（P<0. 05），與低密度處理間差異不顯著（P>0. 05），其中高密度處理相較于低密度處理下降了9. 95%，相較于中密度處理下降了14. 15%（圖4）。

圖4 不同密度布氏田鼠處理下AMF 物種豐富度和香農-威納指數Fig. 4 AMF OTU richness and Shannon-Wiener index in different densities of Brandt’s voles

從18 個土壤樣品中共鑒定出146 個OTU，分屬4目6 科9 屬，包括球囊霉屬（Glomus）、近明球囊霉屬（Claroideoglomus）、盾巨孢囊霉屬（Scutellospora）、隔球囊霉屬（Septoglomus）、斗管囊霉屬（Funneliformis）、雙型囊霉屬（Ambispora）、根孢囊霉屬（Rhizophagus）、多樣孢囊霉屬（Diversispora）和類球囊霉屬（Paraglomus）。其中，低密度處理下優勢屬為球囊霉屬（72. 59%）和近明球囊霉屬（22. 80%），中密度處理下優勢屬為球囊霉屬（86. 77%）和近明球囊霉屬（6. 2%），高密度處理優勢屬包括球囊霉屬（88. 22%）、近明球囊霉屬（5. 30%）以及盾巨孢囊霉屬（3. 52%）。與低密度處理相比，中、高密度處理顯著降低了近明球囊霉屬的相對豐度（P<0. 05，圖5）。

圖5 不同密度處理下基于屬水平的AMF 相對豐度Fig. 5 Relative abundances of AMF at the genus level in different density treatment

通過NMDS 和PerMANOVA 分析對不同密度處理下AMF 群落結構進行差異性檢驗，結果表明，高密度和低密度布氏田鼠處理下AMF 群落結構差異顯著（P<0. 05），中密度布氏田鼠處理下AMF 群落結構與其他兩個處理差異不顯著（P>0. 05，圖6）。

圖6 AMF 群落結構在不同密度處理下的NMDS 排序Fig. 6 NMDS plots demonstrating the effects of sampling sites on AMF communities in different densities

2. 4 土壤因子和植物多樣性對AMF 群落的影響

通過對菌絲密度、菌絲侵染率、AMF 群落多樣性與土壤理化性質、植物群落特征進行相關性分析，結果表明，土壤菌絲密度與硝態氮極顯著負相關（P<0. 01），與土壤全氮、全磷、pH、含水量、有機質以及植物香農?威納指數極顯著正相關（P<0. 01）與植物豐富度顯著正相關（P<0. 05）。根系菌絲侵染率與土壤pH、含水量極顯著正相關（P<0. 01），與香農?威納指數顯著正相關（P<0. 05）。AMF 群落OTU 豐富度與土壤pH 和香農?威納指數顯著正相關（P<0. 05），AMF 群落香農?威納指數與土壤pH 和土壤含水量顯著正相關（P<0. 05，表2）。

表2 菌絲密度、菌絲侵染率、AMF 群落多樣性與環境因子的相關性分析Table 2 Correlation analysis of hyphal length density，mycorrhizal rate，AMF community diversity and environmental variables

對AMF 群落結構與土壤理化性質、植物群落特征、菌絲侵染率、菌絲密度進行RDA 分析，結果表明，土壤pH、硝態氮、菌絲密度和菌絲侵染率顯著影響了AMF 群落結構（P<0. 05），共能解釋46. 03% 的AMF群落結構變化。其中pH 的解釋度為20. 7%，NO3?的解釋度為14. 3%（圖7）。

圖7 AMF 群落結構與環境因子RDA 分析Fig. 7 RDA analysis between AMF community structure and environmental factors

3 討論

植物群落是陸地生態系統的重要組成部分，其組成和多樣性決定了生態系統的結構和功能［32?34］。嚙齒動物的活動行為將直接影響植物群落組成、生產力以及物種多樣性［35?36］。本研究發現，中密度布氏田鼠處理對植物群落影響相對較弱，高密度處理顯著降低了植物群落生物量、豐富度和多樣性指數，與Semenov等［36］的研究結果一致。 一方面，布氏田鼠對植物莖葉、根系的采食造成的損傷會導致植物生長受到抑制，進而直接影響植物群落；另一方面，較高的田鼠數量會增加其挖掘行為的頻率，使植物生長的微地形和土壤物理結構發生變化，對植物群落產生間接影響，二者綜合影響導致植物群落生物量、豐富度和多樣性顯著下降［37?38］。有研究表明AMF 群落與植物群落之間存在較強的“共變性”，植物群落發生改變后AMF 群落通常隨之產生變化，反之亦然［25，39?40］，本研究中，菌絲密度、菌絲侵染率、AMF 群落多樣性均與植物群落多樣性顯著正相關，因為較高的植物群落多樣性可以為AMF 群落提供更為豐富的生態位［41］。AMF 群落多樣性、物種豐富度與植物群落多樣性和豐富度顯著正相關，植物群落的豐富度越高，AMF 群落的多樣性越高［42］。本研究中，高密度布氏田鼠處理下侵染率、土壤菌絲密度以及群落多樣性顯著低于其他兩個處理，這是由于布氏田鼠數量增加導致因啃食而被破壞的植物葉片數量降低，使光合作用產生的營養物質減少，植物能夠向地下分配的碳源也逐漸減少，不能滿足植物根系和AMF 菌絲的需求，從而導致侵染率降低，AMF 群落多樣性下降［43?45］。因此，由布氏田鼠數量增加而引起的植物群落生物量和多樣性的下降，是侵染率、菌絲密度以及AMF 群落多樣性下降的重要影響因素之一。

土壤是陸地生態系統中物質循環和能量流動的重要載體，儲存著大量的碳、氮、磷等元素，為植物生長提供水分和營養物質［46］。嚙齒動物的活動能夠對土壤理化特征產生影響［47?49］。本研究中，高密度布氏田鼠處理顯著增加土壤硝態氮含量。土壤礦化作用受土壤透氣性的影響，高密度布氏田鼠挖洞行為破壞土壤穩定性，增加的氧氣供應會加快礦化作用的速度，導致土壤硝態氮含量增加［50?51］。田富等［47］研究發現，土壤含水量會隨著鼠洞密度的增加而下降。本研究同樣發現高密度布氏田鼠處理會顯著降低土壤含水量，這是因為高密度鼠群過度挖掘行為持續將下層松散土壤運輸到地表形成土丘，裸露的鼠丘降低土壤保水性能、加速水分蒸發，導致土壤含水量下降［52］。劉碧穎等［53］以鼠洞數量表征鼠群密度發現pH 隨鼠群密度梯度的增加逐漸遞增，且高密度梯度下pH 最高。而本研究中，高密度布氏田鼠使土壤酸化，顯著降低土壤pH。由于土壤pH 受氣候條件、土壤理化性質和土地利用方式等多因素影響［54?56］，其中持續的氮沉積到生態系統可直接導致土壤酸化［57］，因此，本研究中高密度布氏田鼠活動導致的硝態氮含量增加可能是土壤pH 下降的關鍵因素［58］。

有研究表明，土壤理化特征能夠影響AMF 群落結構及多樣性［59?60］。其中，土壤pH 是影響AMF 群落多樣性和結構的重要因子［44，61］。本研究中，土壤pH 顯著影響菌絲密度、侵染率以及AMF 群落多樣性。土壤酸堿度可以直接影響AMF 真菌孢子的產生和菌絲的生長，破壞其網絡結構，從而改變AMF 群落結構和多樣性［60?62］。此外水分也顯著影響菌絲密度、侵染率以及AMF 群落多樣性。Martínez-García 等［63］發現水分脅迫顯著降低AMF 群落泡囊和叢枝侵染率，因為AMF 群落對水分變化有強烈的依賴性，較低的土壤水分會減緩胞外菌絲和土壤菌絲生長，進而影響AMF 的群落結構和多樣性［64?65］。本研究中，不同密度布氏田鼠處理下菌絲密度與土壤硝態氮顯著負相關。AMF 通過菌絲吸收土壤中的硝態氮，高的硝態氮含量可以促進AMF 菌絲生長［66］，而本研究發現高的硝態氮含量抑制AMF 菌絲生長，可能是由于高密度布氏田鼠活動導致的礦化速率增加，土壤硝態氮的可獲得性提升，植物更傾向于通過自身根系對其進行吸收而非通過菌絲，從而降低了對AMF 的資源投入，使土壤中AMF的菌絲生長受到抑制［67］。因此，不同密度布氏田鼠處理可能通過改變土壤養分、水分和pH 間接影響土壤AMF群落結構和多樣性。

4 結論

在典型草原區，中、低數量的布氏田鼠分布對植物群落和土壤的影響相對較弱，但過高的布氏田鼠數量會導致植物群落生物量、多樣性降低，土壤含水量和肥力下降，進而間接導致菌絲侵染率、菌絲密度以及AMF 群落多樣性下降，表明大量的布氏田鼠活動可能會降低AMF 對植物生長的正反饋作用，進一步加劇草原退化程度。因此，在草地退化防治和管理過程中應增強對嚙齒類動物分布數量的監控，對其種群數量進行一定的人為干預，從而維持草原植物群落的生產力和多樣性，降低草地退化風險。