热量和灰烬对土壤真菌群落的瞬时作用和遗留效应

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目的:通过野外火干扰设计实验,探究火的主要作用因子—热量和灰烬对土壤真菌的瞬时作用和遗留效应,揭示火干扰下土壤真菌群落结构的演替规律和驱动机制,为系统了解火的作用机制以及土壤真菌在火干扰后的变化节律提供参考,以完善微生物生态学的现有理论体系,为火后生态系统恢复实践提供理论支持。方法:1)样地设置:挖取云南松植被下0-20 cm土壤,混匀后铺设于大理大学野外教学基地预先准备好的样方坑(长×宽×高:2 m×1.5 m×0.5 m)中。用隔热砖将样方平均分隔为7个处理组,每个处理组含9个等面积小样方(10 cm×10 cm)。2)火干扰处理方法:干灰烬组(GH),于单个小样方添加260 g松针完全燃烧后的干灰烬;湿灰烬组(SH),于单个小样方添加260 g松针完全燃烧后的湿灰烬;燃烧组(RS),于单个小样方燃烧260 g松针;低强度组(DQ),喷火枪持续喷射单个小样方20 min;高强度组(GQ),喷火枪持续喷射单个小样方1h;炭火组(TH),于单个小样方铺设的锡箔上燃烧200 g木炭至炭火熄灭;空白组(CK),不做任何处理。用预先在2、5、10、15、20 cm深度埋入的双通道热电偶仪测量不同土层温度。3)土壤样品采集:分别在火干扰前、火干扰土壤冷却后(0 d)及火后90 d内以10d为间隔进行分层(0-10 cm和10-20 cm)土壤样品的原位采集。以间隔一个小样方的方式在每个处理组内抽取5个小样方,分别采集5个小样方上、下层土壤样品后再将上、下层各5个土壤样品分别合并、混匀成1份土壤样品。上层土壤样品分别标记为上层干灰烬组(UGH)、上层湿灰烬组(USH)、上层燃烧组(URS)、上层低强度组(UDQ)、上层高强度组(UGQ)、上层炭火组(UTH)、上层空白组(UCK);下层土壤样品分别标记为下层干灰烬组(DGH)、下层湿灰烬组(DSH)、下层燃烧组(DRS)、下层低强度组(DDQ)、下层高强度组(DGQ)、下层炭火组(DTH)、下层空白组(DCK)。4)土壤理化性质及真菌生物量测定:分别参照林业标准对土壤总磷(TP)、总氮(TN)、p H、有机质(OM)、含水量(MOT)进行测定;采用稀释平板涂布法测定真菌生物量。5)土壤真菌群落分析:采用Illumina平台,以ITS为测序目标进行高通量测序并开展土壤真菌群落的时空动态变化分析。结果:1)土壤温度峰值:燃烧组(RS)、低强度组(DQ)、高强度组(GQ)、炭火组(TH)在2 cm处的温度峰值分别为:194℃、385℃、639℃、285℃;在5 cm处的温度峰值分别为:82.8℃、46.7℃、149.3℃、112.3℃;10 cm以下温度没有变化。2)土壤理化性质:各组上层土壤的总磷(TP)、总氮(TN)、有机质(OM)、p H存在显著差异(P<0.05)。与上层空白组(UCK)相比,上层湿灰烬组(USH)的总磷(TP)显著增加(P<0.01),上层高强度(UGQ)的总氮(TN)显著降低(P<0.05),上层干灰烬组(UGH)、上层湿灰烬组(USH)、上层燃烧组(URS)、上层低强度组(UDQ)的p H显著增加(P<0.01),上层燃烧组(URS)的有机质(OM)显著增加(P<0.05),上层低强度组(UDQ)、上层高强度组(UGQ)、上层炭火组(UTH)则显著降低(P<0.05)。下层燃烧组(DRS)、下层炭火组(DTH)与下层空白组(DCK)相比存在显著差异(P<0.05)。3)可培养真菌生物量:与上层空白组(UCK)相比,上层低强度组(UDQ)、上层高强度组(UGQ)、上层炭火组(UTH)的生物量在火后即刻下降,温度越高,影响越大;上层干灰烬组(UGH)、上层湿灰烬组(USH)和上层燃烧组(URS)组与上层空白组(UCK)近似;下层各处理组火后0 d均高于下层空白组(DCK);各处理组上下层的生物量在第20 d都能超过空白组(CK),下层土壤真菌生物量在整个监测期有大幅度波动。线性模型分析结果显示,真菌生物量与总氮(TN)、总磷(TP)和含水量(MOT)呈现显著线性关系。4)土壤真菌群落结构:群落多样性方面,上层高强度组(UGQ)、上层炭火组(UTH)分别与上层干灰烬组(UGH)、上层湿灰烬组(USH)、上层燃烧组(URS)土壤真菌群落有极显著差异(P<0.001),上层低强度组(UDQ)与上层高强度组(UGQ)有显著差异(P<0.05)。群落结构方面,上层干灰烬组(UGH)和上层湿灰烬组(USH)与上层空白组(UCK)群落结构相似,上层低强度组(UDQ)、上层高强度组(UGQ)和上层炭火组(UTH)三个处理组群落结构相似,而URS组群落介于前两者之间;下层土壤真菌群落结构的组间差异较小。物种组成方面,上下层土壤中共鉴定出4个真菌门:Ascomycota(子囊菌门)、Basidiomycota(担子菌门)、Rozellomycota(罗泽菌门)、Mortierellomycota(被孢菌门),前两个门为优势真菌门;上、下层土壤分别鉴定出32和36个属。燃烧组(RS)、低强度组(DQ)、高强度组(GQ)、炭火组(TH)与空白组(CK)相比都存在差异显著物种。燃烧组(RS)、低强度组(DQ)、高强度组(GQ)、炭火组(TH)的上层土壤真菌群落结构与含水量(MOT)显著相关。结论:热量对土壤真菌的生物量、群落结构和多样性均有影响,即时影响显著且主要在土壤上层,其遗留效应主要通过改变土壤理化性质而间接产生作用。灰烬的即时影响较弱,在灰烬渗入土壤后会改变土壤理化因子并对土壤真菌发挥缓慢而微弱的作用。火后土壤真菌生物量在20 d即可恢复至对照水平以上,单热量输入下真菌生物量和群落结构在20 d后相对稳定。下层土壤真菌对土壤真菌群落的恢复非常重要。
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