亚热带主要用材树种外生菌根群落对氮沉降的响应曲线簇和关键氮负荷区研究

Ectomyocorrhizal (ECM) fungi, as symbionts associating with terrestrial plants, play an important role in host plant mineral nutrients up-taking, pathogen resistance, and soil amelioration etc. Modernization-induced changes of climate, soil environment, vegetation, and land use pattern can directly or indirectly influence the diversity and ecological function of ECM fungal community. Most of recent studies only focus on one single factor (biotic or abiotic) affecting ECM fungal community, whereas the processes of combination of multiple factors are rarely reported. In this project, we will apply a greenhouse experiment by planting common native Pinus massoniana, Pinus armandii and exotic Pinus elliottii, Pinus taeda seedlings. We will use a combined method of high throughput sequencing, ECM root tip extracellular enzyme assay, and plant tissue nutrient content measurement to explain the complex processes that how different nitrogen (N) deposition levels (abiotic factors) influence the ECM fungal community structure and function under associations with various hosts (biotic factor). Additionally, we try to explore the critical N loading zone and ecological functional redundancy of different ECM fungal communities under the extent of N deposition levels. These results will improve quantitative understanding of afforestation process in subtropical areas of southern China, and provide scientific basis for management scenarios and ecological function improvement.

外生菌根是土壤真菌与陆生植物根系形成的一种互惠共生体，具有改善宿主植物矿物营养、增强抗逆性、改良土壤结构等重要生态功能。气候、土壤、植被、土地利用等因素的改变，对外生菌根多样性和生态功能都产生了直接或间接的影响。目前对外生菌根的研究主要集中在单一因子（生物或非生物因子）方面，而缺乏对多个因子综合影响的探讨。本项目拟以我国南方亚热带常见用材树种—乡土树种马尾松、华山松及外来物种湿地松、火炬松为研究对象，利用温室盆栽实验，通过高通量测序、菌根根尖胞外酶活性以及宿主植物养分含量测定等实验手段，研究不同N沉降梯度（非生物因子）和宿主种源差异（生物因子）综合作用对外生菌根群落多样性、结构和生态功能影响的复杂过程；同时探讨N沉降梯度下，不同树种共生菌根群落所能承受的关键N负荷区以及存在生态功能冗余的可能性，为南方亚热带森林的恢复、经营管理和提升生态系统功能提供重要的科学依据。

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，如外生菌根（ectomycorrhiza，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受氮沉降影响的变化阈值，筛选氮沉降背景下具有稳定生态功能的共生ECM群落，对于森林经营管理方面及可持续发展具有重要的指导意义。本项目采用了室内盆栽实验，选取马尾松、华山松、湿地松和火炬松4种树种，作为本地树种和外来树种的比较，通过五个梯度的施氮（0,15,30,60,150 kg N hm-2 a-1），检测树苗的根面积、侵染率、菌根酶活性（亮氨酸氨基肽酶、木糖苷酶、葡萄糖醛酸酶、纤维二糖水解酶、N-乙酰氨基葡萄糖苷酶、β-葡萄糖苷酶、磷酸单酯酶、漆酶）、提取菌根DNA进行Sanger Sequencing测序识别，最后测植物的碳、氮、磷含量，分析不同树种在氮沉降水平外生菌根结构及酶活性曲线簇动态变化。研究结果表明：（1）氮添加会影响菌根的酶活性，大多数树种的菌根群落酶活性在30 kg N hm-2 a-1时达到了阈值；马尾松菌根群落的木糖苷酶在60 kg N hm-2 a-1达到了阈值，纤维二糖水解酶和β-葡萄糖苷酶在15 kg N hm-2 a-1达到了阈值；而华山松酶活性在各施氮水平中没有显著差异，且施氮水平达到当地氮沉降水平的10倍（150 kg N hm-2 a-1）时，菌根酶活性仍未达到阈值；（2）在对菌根群落分析得出，棉革菌属（Tomentella）占比较大，同时还有须腹菌属（Rhizopogon）、内生菌（Phialocephala）、以及镰刀菌（Fussarium）；（3）不同树种汇集菌根的结构组成和酶活性功能都受到了宿主和氮添加的影响，且在30 kg N hm-2 a-1的氮沉降水平梯度时，不同树种受氮沉降胁迫而形成的不同外生菌根群落的酶功能具有相似性，即生态冗余。