科研 | 褚海燕组New Phytologist：寒温带森林不同土层中真菌群落的演替轨迹对野火的响应
编译：思敏如月，编辑：小菌菌、江舜尧。
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火烧是对全球自然森林最严重的干扰之一。持续多变的气候条件加剧了森林火烧发生的范围、频率和程度。火烧的发生导致土壤C流失，进而引起土壤生态功能及植被演替过程的变化。土壤真菌是土壤中主要的有机质降解者，对土壤生态系统的功能、稳定和发展具有显著影响。腐生真菌和菌根真菌可维持森林土壤C循环，并促进植物对矿质元素的吸收。其中，外生菌根（EcM）真菌是高纬度高海拔森林中的优势类群，在北方森林的火后恢复与重建过程中发挥重要作用。一些EcM真菌具有较强的有机质降解的能力，与腐生真菌竞争土壤有机质中的N素，对土壤中C、N元素平衡具有重要意义。真菌的演替是指在自然或人为干扰后各类群的顺序更替，目前已成为真菌生态学和扰动生态学中的研究热点。真菌的演替受多重因素影响，如植物种类、土壤类型、土层深度等。因此，深入理解干扰后真菌及其功能类群的演替规律对于深入认识其在森林生态系统中的作用具有重大意义，同时对在全球气候变化下开展森林真菌资源的管理工作具有指导价值。然而，极少研究关注火烧以后不同土壤层中真菌及其功能类群的群落演替轨迹及其驱动机制。
为此，本研究以中国北方大兴安岭寒温带森林为研究靶区，分析了火烧1、2、8、14、30、49和260年后，有机层和矿质层土壤中真菌及其主要功能类群（腐生真菌和EcM 真菌）的演替轨迹及其驱动机制。结果表明在不同火烧历史、不同深度的土壤中，真菌群落组成差异显著。火后恢复时间和土壤化学计量学参数是影响大兴安岭土壤真菌群落演替的关键因素。本研究为更好的认识在全球气候变化下土壤真菌在森林系统中的生态功能奠定了基础，并且为火后森林的管理提供了科学指导。
论文ID
原名：Distinct fungal successional trajectories following wildfire between soil horizons in acold-temperate forest
译名：寒温带森林不同土层中真菌群落的演替轨迹对野火的响应
期刊：New Phytologist
IF：7.299
发表时间：2020.03.02
通信作者：褚海燕
通信作者单位：中国科学院土壤研究所土壤与可持续农业国家重点实验室
实验设计
本研究以中国北方大兴安岭寒温带林区为研究靶区（图1），以火烧1、2、8、14、30、49和260年后的恢复区域为研究样地，分别采集有机层土壤（Oe：3-6 cm）和矿质层土壤（A1：0-10 cm；A2：10-20 cm），分析了土壤理化性质（土壤含水量、pH、TC、TN、C：N、DON、DOC、NO3--N、NH4+-N、AK、AP、ACa、AMg、AAl、AFe、AMo、AMn、TK、TP、TCa、TMg、TAl、TFe、TMo和TMn）、胞外酶活性（β-葡萄糖苷酶、漆酶、锰过氧化物酶、脲酶和酸性磷酸酶）和真菌生物量（以麦角固醇为标记）；通过IlluminaMiSeq PE300平台对真菌ITS2区进行高通量扩增子测序，以揭示不同火烧历史和不同土壤层真菌群落组成的差异，进一步利用线性混合模型和广义差异性模型分析阐释不同土壤层中真菌多样性及群落的演替轨迹对野火的响应。
图1 中国大兴安岭样点分布图。图中PF表示原始林，UC表示未发生火灾的对照区，BF表示发生火灾的森林区。BF和UC后的数字表示发生火灾的时间（年）。
结果
1 真菌生物量、丰富度和胞外酶活性
在A1层土壤中，火烧显著降低土壤真菌的生物量。在所有土壤中，总的真菌丰富度在火烧和对照中无显著差异（Padj>0.050），但是在Oe层土壤中，火烧样地的EcM真菌丰富度显著低于对照组（Padj<0.001）；在不同土壤层中，EcM真菌的丰富度无显著差异。在Oe层土壤中，火烧显著降低了β-葡萄糖苷酶的活性（Padj=0.011）。在所有土壤层中，火后恢复时间对总的真菌丰富度和腐生真菌丰富度无显著影响；在Oe层土壤中，EcM真菌的丰富度随火后恢复时间增加显著增加，而总的真菌丰富度在A2层火后1-49年间逐渐降低，在火后49-260年间增加（图2）。此外，在不同的土壤层中，锰过氧化物酶和脲酶也随火后恢复时间的增加，规律性变化（图2）。
图2 真菌生物量、丰富度和胞外酶活性随火后恢复时间的变化。
2 真菌群落组成
NMDS结果表明，在所有土壤层中，真菌群落组成在火烧和对照组间差异显著（图3）。特别是在Oe层土壤中，Eurotiomycetes的相对丰度随火烧显著增加，而Mucoromycetes、Saccharomycetes和Tremellomycetes的相对丰度则随火烧显著降低；而在矿物质层土壤中（A2），Penicilliumspinulosum、Geminibasidium sp.、Phialocephalafortinii、Solicoccozymafuscescens、Oidiodendronsp.的相对丰度随火烧显著提高。在Oe层土壤中，火烧和对照组中的总的真菌和腐生真菌群落均具有显著的距离衰减关系，但它们的距离衰减关系在火烧后显著地减弱；在A1和A2层土壤中，总的真菌和腐生真菌群落在火烧组中无显著的距离衰减关系（图4）。
图3 总的真菌（a-c）、EcM真菌（d-f）、腐生真菌（g-i）的群落组成在火烧和对照组森林中的差异。
图4 总的真菌（a-c）、EcM真菌（d-f）、腐生真菌（g-i）的群落相似性在火烧和对照组森林中的距离衰退关系。
在所有土壤层中，总的真菌、EcM真菌和腐生真菌的群落组成随火后恢复时间显著改变（图5）。随着火后恢复时间的增加，Oe层土壤中的Agaricomycetes、Geminibasidiomycetes和腐生真菌的相对丰度显著提高，Eurotiomycetes的相对丰度显著降低；Umbelopsidomycetes的相对丰度随火后恢复时间呈“U”型变化，而杜鹃花类菌根真菌的相对丰度随火后恢复时间呈三阶多项式变化。在A1层土壤中，地衣型真菌和兰科菌根真菌的相对丰度呈二阶多项式变化，在火烧后期的快速上升。在A2层土壤中，Lecanoromycete的相对丰度随火后恢复时间增加线性增加，Mortierellomycetes的相对丰度在火烧14年后才逐步增加，地衣型真菌和腐生真菌的相对丰度则呈“U”型变化。广义差异性模型揭示出不同土壤层中影响真菌群落演替的主要因素。在Oe层土壤中，火后恢复时间是影响真菌群落演替的主要因素；在A1和A2型土壤中，土壤C:N是影响真菌群落演替的主要因素。此外，火后恢复时间主要驱动了EcM真菌群落在土壤Oe 层中的变化，而可利用的镁和硝态氮的含量分别是EcM真菌群落在A1和A2层变化的主要驱动因子。土壤C:N主要驱动了腐生真菌群落在土壤A1和A2层的变化。
根据最佳的广义差异性模型，不同土壤层的总的真菌、腐生真菌和EcM真菌随土壤C:N和火后恢复时间的变化曲线被绘制（图6）。可以发现，总的真菌不论在哪种土壤层中，其群落随C:N的变化在低C:N区间变化显著，当C:N>25后基本不再变化。对于EcM真菌，其群落组成在Oe 层随火后恢复时间剧烈变化，而对于腐生真菌，其群落组成的火后变化随土壤深度加深呈现滞后效应，即在Oe层火后1.2年开始变化，在A1 和A2层则在火后3.1年和18.8年后开始改变（图6）。
图5 总真菌（a-c）、EcM（d-f）、腐生真菌（g-i）群落结构在不同火灾时程的变化。
图6 真菌及其功能群落随土壤C:N和火后恢复时间的变化曲线图I-splines。
讨论
1 火烧对土壤真菌的影响
我们的研究表明，林火只在Oe层土壤中对EcM真菌的丰富度产生影响，这与之前的很多研究结论相一致。在Oe层土壤中，林火导致外生菌根真菌的丰富度降低了40%，这可能与火烧后EcM真菌宿主植物的死亡有关（尤其是在林火发生后的前几年）。Glassman等人（2016）的研究表明，在加利福尼亚的黄松林中，林火发生一个月内，EcM真菌的丰富度下降。在密西西比的橡树林中，林火同样降低了EcM真菌的丰富度（Ramsmussen el al.,2018）；同时，漆酶、过氧化物酶和N-乙酰基-β-D-氨基葡萄糖苷酶的活性在林火后降低。在本研究中，林火显著降低Oe层土壤中β-葡萄糖苷酶的活性，这可能是由于植物凋落物质量和数量的改变以及EcM真菌丰富度的降低导致的。此外，林火是影响土壤有机质组成的重要因素，其产生的新的含C化合物可以抵抗氧化作用和生物降解。该过程与火灾发生早期阶段土壤有机质的降低、C的流失密切相关。
林火对土壤真菌群落组成也具有较大的影响。本研究结果显示，林火对土壤真菌群落组成的影响主要发生在土壤上层。Oe层土壤中，林火显著提高了Eurotiomycetes的相对丰度，降低了Mucoromycetes、Saccharomycetes和Tremellomycetes的相对丰度。特别是Penicillium（归属于Eurotiomycetes）的相对丰度随着森林火烧显著增加。近期的研究也验证了这一结论（Day.,2019）。研究发现Penicillium属真菌可形成菌核，帮助其抵抗恶劣环境，且能够在实验室高温环境中生存（McGee.,2006）。本研究结果还表明，在Oe层土壤中，林火提高了部分病原真菌的相对丰度，降低了共生真菌（如暗隔内生真菌和EcM真菌）的相对丰度。综上，林火可能通过在短期内改变特异的植物相关微生物的类群从而对森林健康和生长造成负面影响。
2 土壤真菌随火后恢复时间的变化
在Oe层土壤中，EcM真菌的丰富度随火后恢复时间的增加剧烈变化，即从第一年的每个样地的37个OTUs增加为260年后的每个样地81个OTUs。Visser（1995）等人发现菌根真菌的丰富度从火后第6年到第122年呈显著增加趋势。在欧洲的松树林中，野火对菌根真菌的影响比对腐生真菌的影响更为强烈（Franco-Manchonet al., 2019）。EcM真菌丰富度的线性增加与植物地上部分的恢复有关。此外，在A2层土壤中，总的真菌丰富度随着火后恢复时间的增加呈二阶多项式变化，即在在火后第1年至第49年区间内降低，在火后第49年后显著增加。在这之前这样的变化趋势从未被报道，大多数研究暗示在深层土壤中，真菌丰富度的复杂的动态变化依赖于长期过程。在Oe层土壤中，不同于EcM真菌丰富度随火后恢复时间的线性变化、β-葡萄糖苷酶和锰过氧化物酶随火后恢复时间的变化为非线性，这表明土壤胞外酶活性和功能真菌丰富度在森林恢复过程中具有一定的非同步性特点。
在Oe层土壤中，真菌组成及其相对丰度随火后恢复时间也显著变化。如，Agaricomycetes和Geminibasidiomycetes的相对丰度随火后恢复时间增加而增加，而Eurotiomycetes的相对丰度则降低。大量研究表明，火烧以后真菌群落组成随时间发生显著改变，随着火后恢复时间增加，Ascomycota会被Basidiomycota代替。有研究也表明，随火后恢复时间增加，真菌演替后期的类群往往生长速率较慢并具有大量菌丝体和较高的寿命，尤其以腐生真菌和EcM真菌中的Basidiomycota为代表。
3 驱动土壤真菌群落演替的关键因素
与我们的假设相一致，土壤理化性质和真菌群落演替存在相关性。在A1和A2土壤层中，土壤C:N是影响总的真菌和腐生真菌群落组成的关键环境因子。大量研究表明，在火烧发生以后，土壤pH对真菌群落组成具有较强的影响（Hewitt.,2013; Day et al., 2019），然而也有部分研究揭示了土壤C:N在火后土壤真菌群落演替中的显著作用（Clemmensenet al., 2015）。C:N反映了土壤中可利用养分的状态以及N的缺乏程度。不同的真菌类群对C和N的需求不同，这反映了其最适的养分计量需求的变化（Cleveland& Liptzin et al., 2007）。
本研究中空间因素对土壤真菌群落组成的重要性与先前的绝大部分研究结果一致（Bahramet al., 2013; Talbot et al., 2014）。然而，本研究还发现相比于对照组，火烧减弱甚至打破了土壤真菌在空间上的距离衰减关系。进一步的分析发现随着样点间地理距离的增加，火烧历史的差异性显著下降，伴随着土壤属性差异性的下降，造成了反向的距离衰减关系，即地理距离越远，真菌群落相似性越大。该结果表明火烧事件可打破大兴安岭土壤真菌的空间分布模式。
最后，我们也发现火烧历史是驱动土壤真菌群落分布的关键因素。在Oe层土壤中，火后恢复时间是影响总的真菌和EcM真菌群落的主要驱动力，总解释度分别为5.0 %和12.3 %，而对腐生真菌的解释度仅为1.3 %。这表明EcM真菌比腐生真菌对野火的扰动更敏感，这可能与EcM真菌参与火后植被恢复过程有关。此外，我们发现在A2层中，火后恢复时间解释了高达8.6%的腐生真菌群落的变化，然而这种作用在变化曲线图中呈滞后效应，即火后18年后，土壤腐生真菌群落才开始恢复。该发现为地下生物群落的长期演替研究提供了新视角，深层土壤的微生物在干扰后的恢复或表现出截然不同的轨迹（Chang& Turner, 2019）。
然而，本研究仍存在不足，如缺乏对样地内不同火烧程度的考虑。之前研究表明，在大兴安岭寒温带森林火灾具有较强的空间异质性，不同的地点由于物料差异在火烧时呈现不同的火烧强度（Cai etal., 2013）。尽管如此，本研究重点关注了火烧对真菌群落演替的长期效应。另外的一个不足是我们没有考虑火灾后草本植物和灌木的群落及生物量的动态变化。特别是我们已经观察到的EcM真菌、杜鹃花类菌根真菌和兰科菌根真菌随时间的变化很可能与地上不同菌根类型植被的动态变化相关联。
结论
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