氮沉降对4个树种外生菌根群落结构和酶活性功能的影响.pdf

Vol.44 No.2Feb.2024第 44 卷 第 2 期2024 年 2 月中 南 林 业 科 技 大 学 学 报 Journal of Central South University of Forestry&Technologyhttp:/收稿日期：2023-04-30基金项目：国家自然科学基金面上项目（32271731）;国家自然科学基金青年基金（31901118）；湖南省教育厅科研重点项目（21A0164）；湖南省教育厅科学研究优秀青年项目（22B0241）；长沙市杰出创新青年培养计划（kq2209018）；长沙市自然科学基金（kq2208409）。第一作者：宁晨（），副教授，博士，硕士研究生导师。引文格式：宁晨,马伟,唐盼婷,等.氮沉降对 4 个树种外生菌根结构和酶活性功能的影响 J.中南林业科技大学学报,2024,44(2):73-82.NING C,MA W,TANG P T,et al.Effects of nitrogen deposition on ectomycorrhizal structure and enzyme activity of four tree speciesJ.Journal of Central South University of Forestry&Technology,2024,44(2):73-82.氮沉降对 4 个树种外生菌根群落结构和 酶活性功能的影响宁 晨1，马 伟1，唐盼婷1，杨小婕1，田雨洋1，毛奥平1，刘 婷1，雷志刚2（1.中南林业科技大学 a.生命科学与技术学院；b.南方林业生态应用技术国家工程实验室，湖南 长沙 410004；2.湖南省第三测绘院，湖南 长沙 410018）摘 要：【目的】氮沉降水平不断上升对森林生态系统产生了不同程度的影响。过量的有效氮输入导致植物根系对养分获取策略发生变化，从而改变了土壤重要微生物，如树木根系外生菌根 ECM 群落的结构和生态功能。了解和确定森林主要树种根系微生物群落活动受氮沉降影响的变化阈值，对于研究森林养分循环特征和可持续经营管理具有重要的指导意义。【方法】采用室内盆栽试验，选取马尾松、华山松、湿地松和火炬松 4 个树种进行 5 个梯度的氮施加（0、15、30、60、150 kghm-2a-1），通过检测树苗的养分含量、ECM 根尖酶活性，以及提取鉴定 DNA，分析不同松树在氮沉降水平下外生菌根群落结构和酶活性功能的动态变化。【结果】1）大 多数松科树苗的菌根胞外酶活性在氮浓度 30 kghm-2a-1时达到了阈值；以分解纤维素为主的 G 酶在华山松、湿地松和火炬松中随着 N 浓度增加而持续提高，即便施氮水平达到当地氮沉降水平的 10 倍（150 kghm-2a-1），酶活性仍未达到阈值；2）对菌根群落进行分析得出，棉革菌属 Tomentella 在 4 个树种中都为优势物种，而须腹菌属 Rhizopogon、深色内隔菌 Phialocephala 会因宿主不同呈现不同的侵染丰度；3）华山松和火炬松的 ECM 菌根群落酶活性在不同氮浓度间无明显差异，即呈现生态冗余。【结论】在长期氮输入水平升高的情况下，ECM 群落组成会因宿主植物和氮沉降水平的变化发生调整，而这一过程中会以变化阈值作为判断标准，该过程对于土壤养分循环中碳氮磷循环以及森林经营管理具有重要的指导意义。关键词：菌根；松科植物；氮沉降；胞外酶活性；生态冗余中图分类号：S718.55+4.2 文献标志码：A 文章编号：1673-923X(2024)02-0073-10Effects of nitrogen deposition on ectomycorrhizal structure and enzyme activity of four tree species NING Chen1,MA Wei1,TANG Panting1,YANG Xiaojie1,TIAN Yuyang1,MAO Aoping1,LIU Ting1,LEI Zhigang2(1.a.College of Life Science&Technology;b.National Engineering Laboratory for Applied Technology of Forestry&Ecology in South China,Central South University of Forestry&Technology,Changsha 410004,Hunan,China;2.The Third Surveying&Mapping Institute of Hunan Province,Changsha 410018,Hunan,China)Abstract:【Objective】The increasing levels of nitrogen deposition have varying impacts on forest ecosystems.Excessive input of available nitrogen leads to changes in plant root strategies for nutrient acquisition,consequently altering the structure and ecological functions of important soil microorganisms such as ectomycorrhizal(ECM)communities associated with tree roots.Understanding and determining the threshold of changes in root-associated microbial community activity in response to nitrogen deposition are of crucial importance for studying nutrient cycling characteristics and sustainable management practices in forests.【Method】The present experiment employed an indoor pot experiment,selecting four tree species,namely Pinus massoniana,Pinus armandii,Pinus elliottii and Pinus taeda.Five gradients of nitrogen addition(0,15,30,60,150 kghm-2a-1)were applied to study the dynamic changes in the structure and enzymatic activity of ECM communities under different nitrogen deposition levels.The nutrient content of seedlings and ECM root tip enzyme activity were analyzed to investigate the variations in the ECM community structure and enzymatic activity among Doi:10.14067/ki.1673-923x.2024.02.008宁 晨，等：氮沉降对 4 个树种外生菌根群落结构和酶活性功能的影响74第 2 期氮（N）元素作为森林生态系统的养分限制因子1，对于森林生态系统生产力和生物多样性具有重要的影响2。自工业革命以来，由于人类活动向大气中排放的含氮物质浓度不断上升使大气N 沉降逐年提高。过剩的 N 输入对森林生态系统产生不同程度的影响，引起了科学家和公众的极大关注3。一方面，短期有效 N 的增加促进了生态系统生产力和生物量的积累4-5；另一方面，过量的 N 输入通过诱导土壤酸化和“富氮”威胁到森林生态系统的健康，影响着森林生态系统的生物多样性和生态功能。20002015 年，我国氮排放从 12.10.8 Tga-1增加到 15.60.9 Tga-16-7，成为全球三大氮沉降区域之一，仅次于欧洲和美国8。据统计，我国森林区域的氮沉降水平约为25 kghm-2a-1，这一水平已超过 NITREX（Nitrogen saturation experiment）项目所得出的森林 N 饱和临界负荷最小值（10 kghm-2a-1）9。过量氮沉降不仅会影响微生物对凋落物的分解，还会影响腐殖质的形成，从而会引起土壤的理化性质9、土壤微生物群落结构与功能10-11、土壤酶活性12等发生改变。然而，N 沉降水平的高低是否会对森林健康状况和生态功能造成影响，以及 N 沉降达到何种临界负荷才会影响森林生态系统的生态功能仍存在不确定性。菌根（Mycorrhiza）是植物根和真菌共同形成的具有特定功能与形态的互利共生体，世界上有 90%以上的维管植物根系中都具有菌根13。大多数树种，如松科 Pinaceae、壳斗科 Fagaceae和 杨 柳 科 Salicaceae 等，都 能 够 和 外 生 菌 根（Ectomycorrhiza，ECM）形成共生，从而促进植物对水和养分的吸收14。ECM 可为共生体提供生长所需的不溶性矿物质和养分，还可通过释放胞外酶在土壤有机质分解中起重要作用15-16。ECM 物种胞外酶功能因物种不同而产生差异，而这种差异性与菌根物种的形态学特征和生活史对策有关。外生菌根真菌作为生态系统中的一部分，其中一个判断标准即是根据根尖鞘套菌丝形态结构划分的“菌丝勘探类型”17。研究发现，在 N 沉降加剧的情况下，分解复杂有机氮的“长探索（Long-exploration）”类型菌根，如乳牛肝菌属 Suillus、丝膜菌属 Cortinarius 相对丰度会大幅减少，而逐渐由分解利用简单氮化合物的“短探索（Short-exploration）”类型真菌，如红菇属Russula、革菌属 Tomentella 物种所替代18。同时，ECM 群落的胞外酶功能就会更偏向于对易分解凋落物进行养分获取，而减少相关功能酶对几丁质等含 N 复杂有机物的分解19。更有研究发现，N沉降会激发磷酸酶的活性从而弥补菌根-细根吸收无机 N 过程中 NP 的化学计量平衡20。因此，ECM 物种组成及其酶活性的变化是森林生态系统对 N 沉降响应的一个重要指示因子，了解其对不同 N 沉降梯度的响应机制将有助于深入了解森林生态系统功能结构的变化趋势。ECM 真菌对氮沉降的敏感性强烈意味着某些关键 ECM 种或属的消失，从而导致整个 ECM群落营养策略功能受损，如降低有机 N 和/或 P的获取能力。为了更全面地厘清氮沉降对菌根群落多样性产生的影响，需要进一步结合生理学和群落生态学的方法对其进行深入研究。为此，本研究采用室内盆栽试验，选取马尾松 Pinus massoniana、华山松 Pinus armandii、湿地松 Pinus elliotii 和火炬松 Pinus taeda 4 种 ECM 菌根共生树种。通过设置不同梯度氮施加（0、15、30、60、150 kghm-2a-1），检测树苗整株养分特征，并提取菌根根尖DNA进行Sanger Sequencing测序识别，以此分析不同松树在氮沉降水平外生菌根结构和胞外酶功能的变化，以期为不同区域森林生态系统的管理和可持续经营提供更深入的理论依据。the different pine species in response to nitrogen deposition levels.【Result】1)The extracellular enzyme activity of most pine seedlings reached a threshold at 30 kghm-2a-1.-D-Glucosidase,mainly involved in cellulose decomposition,continues to increase with increasing N concentration in slash pine,loblolly pine,and China Armand pine.Even when N application reached 10 times the local N deposition level(150 kghm-2a-1),the enzyme activity still did not reach the threshold;2)The analysis of the ECM community revealed that the genus Tomentella was a dominant species in all four tree species,while the abundance of the genera Rhizopogon and Phialocephala varies depending on the host species;3)There was no significant difference in the enzyme activities of ECM mycorrhizal communities of P.armandii and P.taeda at different N concentrations,indicating the ecological redundancy.【Conclusion】In the scenario of a long-term increase in N input levels,the composition of the ECM community undergoes adjustments in response to changes in both host plants and N deposition levels.Determining the threshold for these changes serves as a criterion for assessing this process.This process holds crucial academic significance in terms of guiding the understanding of carbon,nitrogen,and phosphorus cycles within soil nutrient dynamics and forest management practices.Keywords:mycorrhiza;Pinaceae;N deposition;exoenzyme activities;ecological redundancy75中 南 林 业 科 技 大 学 学 报第 44 卷1 材料与方法1.1 试验设计和松树样培养试验地选在湖南省长沙市中南林业科技大学南方林业生态应用技术国家工程实验室（2808N，11259E）。该地区气候温和，属于亚热带季风性湿润气候，年平均气温为 17.2。盆栽规格为直径 10.5 cm，高 13.5 cm，容积约为 750 mL，经 1%次氯酸钠溶液清洗灭菌。用于盆栽的土壤为粗泥炭（10 30 cm，Pindstrup，Denmark）和珍珠岩的混合土，混合比例为 11，经 80 恒温灭菌 8 h 后分装入盆钵中。马尾松、华山松、湿地松、火炬松经过 1%次氯酸钠溶液消毒和 3 周 4 低温春化后浸泡 12 h，按正六边形均匀播种在土壤中，待种苗长出第一片真叶后每盆接种 50 g 天然菌根土。菌根土采集自贵州省龙里林场（2622N，10645E），为 30 年生马尾松天然林表层土壤（0 15 cm）。待菌根土接种 4 周以后进行施氮试验。试验分 5 个处理组进行施氮处理：N0（0 kghm-2a-1）、N1（15 kghm-2a-1）、N2（30 kghm-2a-1）、N3（60 kghm-2a-1）、N4（150 kghm-2a-1）。每 个氮沉降梯度有 5 个重复，并且每个梯度做一个对照处理（接种 80下灭菌后的菌根土），共 120盆。施氮浓度依据 Du 等21估计我国南方地区森林氮沉降平均水平为 25 kghm-2a-1左右作为参照，且无机 N 沉降中 NH4+-N 与 NO3-N 比例为 2.51。施氮时按各处理的年氮沉降量（如N1为1.5 gm-2 0.018 m-2 花盆上表面积 0.03 g N）平均分为 12等分，用 NH4NO3与(NH4)2SO4按 81 的比例混合溶于 100 mL 水中，每周对幼苗进行喷洒，同时对照处理喷洒等量的蒸馏水。盆栽利用补光灯（13 000 lx）每天进行 13 h 光照处理，土壤湿度维持在 30%50%。除施氮处理外，苗木生长条件均保持一致。1.2 松树苗的采收和外生菌根胞外酶活性在第一次施氮的 12 周后（相当于受模拟氮沉降 1 年的量），在每盆中随机采集 3 株树苗，使用自来水冲洗根系，随后每盆随机选取 10 个根尖用于酶活性测定。外生菌根根尖形态由分枝模式、菌丝套颜色、质地和是否出现根状菌索（rhizomorph）等形态特征来区分。所选取的 10 个根尖中有 8 个为外生菌根根尖，2 个非外生菌根根尖作为对照，放入事先准备好的测定容器中。测定容器使用整排 2 mL 离心管，用 3 号昆虫针在底部及距离底部大约 1 mm 位置扎 2 个小孔，能够让底座的液体浸入。按照 Pritsch 等22的方法，对同一根尖按照下列顺序进行酶活性的测定：亮氨酸氨基肽酶（EC 3.4.11.1,Leu）、木糖苷酶（EC 3.2.1.37,X）、纤维二糖水解酶（EC 3.2.1.91,Cel）、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（EC 3.2.1.14,NAG）、-葡萄糖苷酶（EC 3.2.1.21,G）、磷酸单酯酶（EC 3.2.3.2,AP）共 6 个荧光基团底物酶，磷酸二酯酶（EC 3.1.4.1,bnpp）和漆酶（EC 1.10.3.2,ABT）2 个吸收光酶。酶活性分析完后使用根系分析 系 统 WinRhizo 2013（Regent Ins Inc,Canada）测量根尖表面积用于计算酶活性，之后根间冷冻于-80 用于 DNA 分析。树苗置于 105 烘箱中杀青 5 min 后 80 烘干至恒质量，称取整株质量后用球磨仪磨碎，用于植物C（重铬酸钾法）、N（半微量凯氏法）和 P（比色法）含量测定23-25。1.3 外生菌根群落的分子鉴定使 用 Mobio Power Soil 试 剂 盒（Hercules,CA,USA）对每盆中选取的菌根根尖进行 DNA 提取，并通过 ITS1F(5-CTTGGTCATTTAGAGGAAG TAA-3)-ITS4（5-TCCTCCGCTTATTGATATGC-3）引物组进行 PCR 扩增真菌 rDNA 亚基的 ITS1 区域和 Sanger Sequencing 测序识别。序列经 Chromas软件（V2.6.5）分析序列后，由 BLAST 功能在NCBIGeneBank(https:/www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank)和 UNITE(https:/unite.ut.ee)数据库进行序列比对识别。1.4 统计分析在数据统计分析之前，检查数据的正态分布和方差同质性，根据需要进行对数转换，以满足正态性假设，当=0.05 时考虑每个假设的显著水平。使用 R 4.2.3 软件采用单因素方差分析（One-way ANOVA）检验了氮添加对不同树种酶活性的差异。采用 Excel 2016 软件处理不同树种中不同氮添加下酶活性的平均值和标准误差。基于 Bray-Curtis 异质性矩阵利用置换多元方差分析（PERMANOVA）对比不同树种（马尾松、华山松、湿地松、火炬松）、氮添加（N0、N1、N2、N3、N4）和有无外生菌根以及相互作用对酶活性的影响。将酶活性和不同氮添加作为混合模型中的随机因素，并利用 R 软件 vegan 包中的非度量多维尺度分析（NMDS）对群落结构进行可视化分析。宁 晨，等：氮沉降对 4 个树种外生菌根群落结构和酶活性功能的影响76第 2 期2 结果与分析2.1 不同松树幼苗养分变化N 添加对树种 C、N、P 含量影响均有显著性（表 1、图 1）。在最大梯度 N4（150 kghm-2a-1）时，4 个树种 C 含量均呈现最低水平，而 N 元素含量随着 N 添加浓度升高，4 个树种均呈现含量升高的趋势。P 素含量变化在 4 个树种均呈现不同变化趋势，但各 N 处理浓度下变化无显著差异。表 1 N 添加对树种中碳、氮、磷含量的差异显著性Table 1 N addition significance of differences in carbon,nitrogen and phosphorus content in tree species处理Treatment碳 Carbon氮 Nitrogen磷 Phosphorus方差检验 F显著性 P方差检验 F显著性 P方差检验 F显著性 P树种 Species10.130 0.001*53.520 0.001*8.287 0.001*N 添加 N addition4.397 0.001*26.740 0.001*2.254 0.005*表中双因素方差分析的显著性水平表示为：*，P 0.01；*，P 0.001。The significance levels of two-way ANOVA test are indicated as:*,P 0.01;*,P 0.001.不同小写字母表示差异显著（P 0.05）。Different lowercase letters indicate significant differences(P 0.05).图 1 4 个树种间的全株养分差异Fig.1 Nutrient difference among four whole tree seedlings2.2 不同松树幼苗菌根根尖结构组成通过 DNA 序列分析得出，4 个树种中明显更丰富的一个属是革菌属 Tomentella，尤其是在马尾松中含量最大，达到了 80%以上（图 2）。此外，镰刀菌属 Fusarium、深色内隔菌 Phialocephala fortinii 在 4 个树种中都有出现，且 P.fortinii 在湿地松和华山松中含量较高。一些菌属只出现在2 3 个树种中，例如：柔膜菌属 Helotiales 出现77中 南 林 业 科 技 大 学 学 报第 44 卷在湿地松和火炬松中，须腹菌属 Rhizopogon 出现在湿地松、马尾松和华山松中。然而，有些菌属只在特定树种中出现，例如：乳牛肝菌属 Suillus、阿太菌科 Atheliaceae 只出现在湿地松，树粉孢属Oidiodenron、硬皮马勃属 Scleroderma 出现在火炬松中。图 2 4 个树种中真菌物种的相对丰度Fig.2 The relative abundance of fungal species in four tree species2.3 不同树种菌根根尖胞外酶活性变化通过 ANOVA 分析亮氨酸氨基肽酶（Leu）、木糖苷酶（X）、纤维二糖水解酶(Cel)、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、-葡萄糖苷酶（G）、磷酸单酯酶（AP)、漆酶（ABT）以及双磷酸酯酶（bnpp）8种酶活性在各处理中的差异性可以得出，树种和 N 添加均对菌根真菌 8 种胞外酶活性具有显著性影响（P 0.05）（表 2）。而是否接种菌根只对树种根系的木糖苷酶（X）、纤维二糖水解酶（Cel）、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶（NAG）、-葡萄糖苷酶（G）有显著影响（P 0.05）。胞外酶活性在不同树种中随着 N 添加浓度呈现不同的阈值变化（图 3）。大多数菌根酶活性在 N2 梯度（30 kghm-2a-1）呈现较明显的阈值，如 火 炬 松 的 AP、NAG、Cel、X 酶，马 尾 松 的ABT、NAG、Cel 酶，以及湿地松中除 G 和 bnpp的所有酶活性。此外，在华山松、湿地松以及火炬松中，Cel 酶活性随着 N 添加浓度升高后呈先降低后增加的趋势；以分解纤维素为主的 G 酶在华山松、湿地松和火炬松中随着 N 浓度增加而持续升 高，即便在 N 含量达到 N4 梯度（150 kghm-2a-1）时 也 未 达 到 阈 值，反 观 马 尾 松 在 N3 梯 度（60 kghm-2a-1）就达到了阈值。以分解多酚物质为主的 ABT 酶对于各宿主植物表现均不同：在马尾松和湿地松中相对于其他2种宿主中活性较高，并且在 N2 梯度时达到了阈值。由 NMDS 分析结果可以看出，4 种松树菌根群落的酶活性在对照（N0）与施 N（N1 N4）处理间差别较大（图 4）。马尾松菌根群落的酶活性在 N3 梯度时与其他施氮梯度呈现明显功能差异，而湿地松中菌根群落在 N4 梯度间呈现出较明显的酶功能差异。其余 2 种松树的菌根群落酶活性则在任意施N梯度中呈现功能冗余。由此可见，不同树种形成的菌根群落对于 N 沉降呈现的适应性和功能阈值有所不同。宁 晨，等：氮沉降对 4 个树种外生菌根群落结构和酶活性功能的影响78第 2 期3 讨 论在本研究中，4 种不同松树苗的 C 含量有所增加，但是在 N4 梯度时 C 含量有所下降，这与 N添加对植物C含量造成“低促高抑”现象相一致26，且说明 C 含量对 N 添加存在饱和点，并非是线性。表 2 有无菌根、树种和 N 添加对 8 种酶活性显著性的影响Table 2 Effects of mycorrhizae,tree species and N addition on the activities of eight enzymes处理Treatment差异显著性Significance of differences物种SpeciesN 添加N addition物种N 添加SpeciesN addition亮氨酸氨基肽酶 Leu方差检验 F518.75231.8651.727显著性 P 2e-16*2e-16*0.029 4*木糖苷酶 X方差检验 F39.43514.2881.644显著性 P 2e-16*2e-16*0.043 1*纤维二糖水解酶 Cel方差检验 F21.6757.3271.107显著性 P 1.02E-13*2e-16*0.338 0N-乙酰氨基葡萄糖苷NAG方差检验 F127.91930.1351.862显著性 P 2e-16*2e-16*0.015 3*-葡萄糖苷酶 G方差检验 F36.96418.4380.857显著性 P 2e-16*2e-16*0.633 0磷酸单酯酶 AP方差检验 F45.39114.7303.905显著性 P 2e-16*2e-16*6.81E-08*双磷酸酯酶 bnpp方差检验 F47.62610.5231.242显著性 P 2e-16*2e-16*0.219漆酶 ABT方差检验 F46.16022.3154.605显著性 P 2e-16*2e-16*5.82E-10*表中双因素方差分析的显著性水平表示为：*，P 0.05；*，P 0.001。The significance levels of two-way ANOVA test are indicated as:*,P 0.05;*,P 0.001.ABT:漆酶，bnpp：磷酸二酯酶，AP:磷酸单酯酶，Leu：亮氨酸氨基酶，NAG：N-乙酰氨基葡萄糖苷酶，G:-葡萄糖苷酶,Cel：纤维二糖水解酶，X：木糖苷酶。其中，AP、ABT 和 G 含量为主纵坐标，而 Leu、X、Cel、NAG 和 bnpp 含量看次纵坐标。ABT:Laccase,bnpp:phosphatase,AP:phosphomonoesterase,Leu:eucine aminopeptidase,NAG:N-Acetylglucosaminidase,G:Glucuronidase,Cel:Cellobiohydrolase,X:Xylosidase.Among them,the AP,ABT and G contents are the main ordinate,while the Leu,X,Cel,NAG and bnpp contents are regarded as the secondary ordinate.图 3 4 个树种菌根 8 种酶活性Fig.3 Eight enzyme activities of mycorrhizae of four tree species79中 南 林 业 科 技 大 学 学 报第 44 卷这可能是持续高 N 添加导致土壤酸化严重从而会导致 C 的溶解和释放，植物通过增加地上生物量，更高效率地进行光合作用27。同时，随着 N 输入的提高，松树苗的 N 含量也随之升高，这是由于N 沉降物质主要为可被植物吸收利用的速效 N，并且对其他养分含量产生不同影响28。同时，N沉降导致根系 ECM 群落中物种多样性减少，削减了共生生物对宿主植物 N 的需求投入，从而使更多的 N 留存在植物体内29。图 4 4 个树种中 8 种酶活性做非多维尺度分析Fig.4 Non-multidimensional scale analysis of enzyme activities in eight of four tree species本研究发现，即便提供同一种培养介质和接种的菌根土，但不同松树在不同 N 梯度条件下形成的 ECM 菌根的群落结构及胞外酶活性均有所不同，这种变化与菌丝本身菌丝探索类型和生理特性相关。几种主要真菌类群中，棉革菌属Tomentella 和深色内隔菌 P.fortinii 在 4 个树种中普遍存在，且占优势主导地位。这一研究与Ning等20在对幼龄湿地松人工林、Yang 等30对杨树施 N后 ECM 群落的多样性研究结果相一致。ECM 真菌及其酶活性对N的敏感性于勘探类型密切相关。根据 Lilleskov 等31根据菌根物种对 N 素偏好程度划分，大部分接触型（红菇属 Russula、革菌属Tomentella）、短距离类型（柔膜菌目 Helotiales）属于嗜氮物种（nitrophilic），而中等距离类型（阿太菌科 Atheliaceae）和长距离类型（乳牛肝菌属Suillus）属于厌氮型物种（nitrophobic）。高 N 浓度会导致厌氮型物种，即长探索类型物种厌氮物种（Suillus 和 Atheliaceae）相对丰度减少，而最宁 晨，等：氮沉降对 4 个树种外生菌根群落结构和酶活性功能的影响80第 2 期终由嗜氮型物种（如 Tomentella）所取代。这些不同的结果反应了 ECM 真菌的“菌丝勘探类型”的改变。与上述结论相一致，本研究中革菌属Tomentella 属于“短探索类型”物种且划分为嗜氮物种，其在 ECM 群落中变化较少受到土壤 N 素水平的影响。相反，N 沉降降低了厌氮 ECM 物种，如须腹菌 Rhizopogon 在低氮时相对丰度较高，且在 N3、N4 时消失。此外，外来树种能够迅速与当地的真菌群落形成新的机制，然而有些树种只能从原生地引入些许菌根物种的共生关系从而适应新的外界环境，松树-乳牛肝菌属 Suillus 的特异性共生关系在许多研究中都已得到证实32，在对 4 个树种的菌根研究中发现，在湿地松中发现乳牛肝菌，这一现象证明外来引进宿主植物与本地乡土菌根物种有较好的适配性。N 添加直接影响土壤性质、土壤微生物组成和丰度，进而间接影响酶活性，并通过改变土壤酶活性影响土壤有机质的分解33-35。根据微生物资源分配理论，当一种养分较为丰富时，微生物可能会投资更多的资源到获取限制养分的胞外酶上27。土壤中的 N 含量增加会为植物提供更多的N 营养，使植物能够分配更多的碳源给根系 ECM真菌。根系 ECM 真菌可以利用这些额外的碳源来合成磷酸酶，提高土壤磷酸酶活性。因此，土壤中的有机 P 就能够更快地被矿化为可供植物利用的无机P，促进植物的P营养吸收36-37。而另一方面，氮肥施用还导致 ECM 群落中的有机 C 相关的水解酶活性增加。在 N1 和 N2 施氮处理中，ECM 群落显示出与土壤有机质水解相关的葡萄糖苷酶（G）、纤维二糖水解酶（Cel）、木糖苷酶（X）以及氧化酶漆酶（ABT）的净上调，这与 ECM 真菌广泛氧化土壤有机质的能力38-39和土壤氮对 ECM 真菌对凋落物降解的普遍正面效应19-20基本一致。这些水解酶活性的增加可能是由于 ECM 真菌在寄主碳分配低的情况下获取土壤中易分解碳水化合 物40，或是 ECM 真菌由于养分限制而激发其降解多酚化合物来补足养分缺失41。然而，这些机制并不是相互排斥的，可能因氮富集程度和矿物养分缺乏程度的不同而有所差异。因此，仍需要进一步研究确定每种机制在该系统中的确切作用。在本研究中，除漆酶外其余 7 种酶活性随施 N 浓度的增加，菌根酶活性几乎都呈先增加后降低的趋势，且响应具有一定阈值。对于 4 种松科植物而言，N 的添加缓解了土壤中的 N 限制，因而可能导致了纤维素分解活性增加，延迟木质 化35,42。当 N 添加低于临界值时对酶活性有积极作用，而当N添加水平超过临界阈值（N饱和）时，N沉降对土壤酶活性产生负面影响43。本研究发现，大多数菌根群落的酶活性在 N2（30 kghm-2a-1）时达到了阈值，这与 van der Linde 等44对欧洲地区菌根物种进行 meta 分析的结果相一致。但另一方面，马尾松菌根群落的磷酸酶即使在 N4（150 kghm-2a-1）时也仍未达到阈值，这说明不同地区和生态系统中的 ECM 真菌对氮沉降的响应程度和临界负荷值可能存在差异。这一结果表明：除宿主植物自身养分循环特征之外，自然富集的微区（Microsites）（例如动物粪便、尸体和干扰）和宏区（Macrosites）（例如含有固氮植物的生境）可能已经使某些真菌预适应于高后工业化水平的含 N 条件。这些地点可以成为养分可用性的局部热点，并创造了特定真菌物种独特的生境条件45。因此，确定 ECM 真菌的关键氮沉降负荷值仍需要进一步研究和收集数据，并结合具体的地理和生态环境条件深入分析。4 结 论目前，中国区域的 N 沉降仍然在持续增加，将会改变树种的养分含量以及与树种共生的菌根群落结构、酶活性，从而影响森林生产力以及持续长久的健康发展。通过室内盆栽模拟 N 沉降试验可以得出，大部分松科植物（针叶）树种 ECM 菌根群落酶活性阈值为 30 kghm-2a-1，而部分树种（如华山松）菌根的胞外酶的阈值甚至更高（150 kghm-2a-1），说明适度的 N 沉降水平可以促进森林养分循环和凋落物分解的能力。而当 N 沉降水平达到阈值时，需要考虑物种多样性的丧失（尤其是厌氮菌）以及对菌根群落生态功能如胞外酶活性的影响，这一发现对于估计森林生态系统生态功能具有重要意义，为不同区域森林生态系统管理提供了重要依据。参考文献：1 肖辉林.大气氮沉降与森林生态系统的氮动态 J.生态学报,1996,16(1):90-99.XIAO H L.Atmospheric nitrogen deposition and nitrogen dynamics of forest ecosystemJ.Acta Ecologica Sinica,1996,16(1):90-99.2 鲁显楷,莫江明,董少峰.氮沉降对森林生物多样性的影响J