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黄土高原紫花苜蓿地土壤AMF群落结构及其组装机制

高瑞 罗珠珠 何仁元 牛伊宁 刘家鹤 蔡立群 海龙

高瑞, 罗珠珠, 何仁元, 牛伊宁, 刘家鹤, 蔡立群, 海龙. 黄土高原紫花苜蓿地土壤AMF群落结构及其组装机制[J]. 中国生态农业学报 (中英文), 2023, 31(6): 835−844 doi: 10.12357/cjea.20220697
引用本文: 高瑞, 罗珠珠, 何仁元, 牛伊宁, 刘家鹤, 蔡立群, 海龙. 黄土高原紫花苜蓿地土壤AMF群落结构及其组装机制[J]. 中国生态农业学报 (中英文), 2023, 31(6): 835−844 doi: 10.12357/cjea.20220697
GAO R, LUO Z Z, HE R Y, NIU Y N, LIU J H, CAI L Q, HAI L. Soil AMF community structure and assembly mechanism of Medicago sativa field in Loess Plateau[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2023, 31(6): 835−844 doi: 10.12357/cjea.20220697
Citation: GAO R, LUO Z Z, HE R Y, NIU Y N, LIU J H, CAI L Q, HAI L. Soil AMF community structure and assembly mechanism of Medicago sativa field in Loess Plateau[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2023, 31(6): 835−844 doi: 10.12357/cjea.20220697

黄土高原紫花苜蓿地土壤AMF群落结构及其组装机制

doi: 10.12357/cjea.20220697
基金项目: 国家自然科学基金项目(31860364, 32160526)、甘肃省科技计划项目(21JR7RA830)和甘肃省中央财政引导地方科技发展专项(ZCYD-2021-16)资助
详细信息
    作者简介:

    高瑞, 主要研究方向为土壤生态。E-mail: 1449324079@qq.com

    通讯作者:

    罗珠珠, 主要研究方向为土壤生态。E-mail: luozz@gsau.edu.cn

  • 中图分类号: S154.3

Soil AMF community structure and assembly mechanism of Medicago sativa field in Loess Plateau

Funds: This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (31860364, 32160526), the Science and Technology Plan Program of Gansu Province (21JR7RA830), and the Special Program for Local Science and Technology Development Guided by Central Government of Gansu Province (ZCYD-2021-16).
More Information
  • 摘要: 为揭示多年种植紫花苜蓿对土壤丛枝菌根真菌(AMF)群落结构和多样性的影响, 本研究通过布设在黄土高原半干旱区的田间试验, 基于2019年(L2019)、2012年(L2012)和2003年(L2003)建植的紫花苜蓿田, 以农田玉米为对照, 采用高通量测序和PCR技术, 结合分子生态网络研究不同种植年限紫花苜蓿地土壤AMF群落组成和丰度, 并基于零模型揭示了土壤AMF群落的组装过程。结果表明: 黄绵土区AMF属于球囊菌门的1纲4目7科7属, 球囊霉属、类球囊霉属和多孢囊霉属为紫花苜蓿地和农田土壤共有类群, 且均以球囊霉属(65.15%~99.12%)为优势属, 其主要贡献了不同处理分组中土壤AMF群落结构的改变。长期种植紫花苜蓿使和平囊霉属和无梗囊霉属消亡, 但促生了双型囊霉属和盾巨孢囊霉属, 其中双型囊霉属相对丰度表现为L2019处理显著高于其他处理(P<0.05)。网络关联分析发现, 高丰度的球囊霉属和类球囊霉属之间呈现负相关, 而低丰度的和平囊霉属和无梗囊霉属之间呈现正相关。基于零模型的AMF群落组装结果表明, 农田与L2019处理由确定性过程主导(66.67%), L2012和L2003处理由随机性过程主导(100%), 这表明长期种植紫花苜蓿形成稳定的土壤环境使其随机性过程增加, 利于维持人工草地生态系统功能的可持续性和稳定性。
  • 图  1  不同处理土壤丛枝菌根真菌(AMF)群落多样性指数

    Farmland、L2019、L2012、L2003分别表示农田、2019年建植紫花苜蓿、2012 年建植紫花苜蓿和2003年建植紫花苜蓿。Farmland, L2019, L2012, and L2003 denote farmland and Medicago sativa fields planted in 2019, 2012, and 2003, respectively.

    Figure  1.  Diversity indexes of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) community under different treatments

    图  2  不同处理土壤丛枝菌根真菌(AMF)群落主坐标分析

    Farmland、L2019、L2012、L2003分别表示农田、2019年建植紫花苜蓿、2012 年建植紫花苜蓿和2003年建植紫花苜蓿。Farmland, L2019, L2012, and L2003 denote farmland and Medicago sativa fields planted in 2019, 2012, and 2003, respectively.

    Figure  2.  Principal co-ordinates analysis (PcoA) of abundance of soil arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) communities under different treatments

    图  3  不同处理土壤丛枝菌根真菌(AMF)属水平群落结构(A)和双型囊霉属相对丰度(B)

    Farmland、L2019、L2012、L2003分别表示农田、2019年建植紫花苜蓿、2012 年建植紫花苜蓿和2003年建植紫花苜蓿。*表示处理间差异显著(P<0.05)。Farmland, L2019, L2012, and L2003 denote farmland and Medicago sativa fields planted in 2019, 2012, and 2003, respectively. * indicates significant differences among treatments at P<0.05.

    Figure  3.  Relative abundance of soil arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) community at the genus level (A) and relative abundance of Ambispora (B) under different treatments

    图  4  农田和紫花苜蓿地丛枝菌根真菌(AMF)属的关联网络图

    红线表明正相关, 绿线表明负相关。Red line represents positive correlation. Green line represents negative correlation.

    Figure  4.  Associated network of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) genus in farmland and Medicago sativa fields

    图  5  不同处理方式下土壤丛枝菌根真菌(AMF)群落与土壤理化因子冗余分析

    Farmland、L2019、L2012、L2003分别表示农田、2019年建植紫花苜蓿、2012 年建植紫花苜蓿和2003年建植紫花苜蓿。SW、BD、OC、TN、TP、AP、AK分别表示土壤水分、容重、有机碳、全氮、全磷、速效磷、速效钾, GlomusParaglomus、Diversispora、Scutellospora、Ambispora Acaulosporapacispora分别表示球囊霉属、类球囊霉属、多孢囊霉属、盾巨孢囊霉属、双型囊霉属、无梗囊霉属及和平囊霉属。Farmland, L2019, L2012, and L2003 denote farmland and Medicago sativa fields planted in 2019, 2012, and 2003, respectively. SW, BD, OC, TN, TP, AP, AK are soil water, bulk density, organic carbon, total nitrogen, total phosphorus, available phosphorus, available potassium, respectively.

    Figure  5.  Redundancy analysis (RDA) of abundance of soil arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) communities and soil physicochemical properties under different treatments

    图  6  不同处理土壤丛枝菌根真菌(AMF)群落组装生态过程

    Farmland、L2019、L2012、L2003分别表示农田、2019年建植紫花苜蓿、2012 年建植紫花苜蓿和2003年建植紫花苜蓿。Stochasticity: 随机性过程;Und: 非主导过程; Dil: 扩散限制; Determinism: 确定性过程; Hod: 同质性扩散; Hos: 同质性选择; Hes: 异质性选择。Farmland, L2019, L2012, and L2003 denote farmland and Medicago sativa fields planted in 2019, 2012, and 2003, respectively. Und: undominated processes; Dil: dispersal limitation; Hod: homogenizing dispersal; Hos: homogeneous selection; Hes: heterogeneous selection.

    Figure  6.  Ecological processes governing abundance of soil arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) community assembly under different treatments

    表  1  不同处理土壤基本理化性状及丛枝菌根真菌(AMF)基因丰度

    Table  1.   Soil physicochemical properties and abundance of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) gene under different treatments

    指标 IndexFarmlandL2019L2012L2003
    土壤水分 Soil water (%)15.65±0.76a8.76±0.46b8.72±0.34b9.62±0.13b
    容重 Bulk density (g∙cm−3)1.18±0.01a1.21±0.01a1.23±0.02a1.24±0.03a
    有机碳 Organic carbon (g∙kg−1)10.50±0.20b9.83±0.21b9.89±0.05b11.49±0.32a
    全氮 Total nitrogen (g∙kg−1)0.92±0.03b0.77±0.02c0.85±0.05bc1.11±0.05a
    硝态氮 Nitrate nitrogen (mg∙kg−1)23.14±0.33a13.93±0.07c12.35±0.07d14.85±0.08b
    全磷 Total phosphorus (g∙kg−1)0.99±0.01a0.93±0.01b0.86±0.03c0.82±0.01c
    速效磷 Available phosphorus (mg∙kg−1)6.21±0.05a5.02±0.15b3.92±0.13c3.54±0.09d
    速效钾 Available potassium (mg∙kg−1)223.00±11.14a222.00±2.89a228.67±7.06a229.33±0.88a
    pH8.38±0.03a8.49±0.01a8.47±0.04a8.45±0.03a
    AMF基因丰度
    Abundance of AMF gene [×104 copy∙g−1(dry soil)]
    1.15±0.01bc1.02±0.00c1.26±0.04b1.50±0.08a
      数据为平均值±标准误(n=3), 同行不同小写字母表示不同处理间差异显著(P<0.05), Farmland、L2019、L2012和L2003分别表示农田、2019年建植紫花苜蓿、2012年建植紫花苜蓿和2003年建植紫花苜蓿。Data in table are mean ± standard error (n=3). Different lowercase letters in the same line indicate significant differences among different treatments (P<0.05). Farmland, L2019, L2012, and L2003 denote farmland and Medicago sativa fields planted in 2019, 2012, and 2003, respectively.
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    表  2  丛枝菌根真菌(AMF)基因丰度与土壤理化因子相关分析

    Table  2.   Correlation analysis of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) gene abundance and environmental factors

    AMFSWBDOCTNNO3-NTPAPAKpH
    AMF 1.000
    SW 0.105 1.000
    BD 0.298 −0.495 1.000
    OC 0.522 0.522 0.165 1.000
    TN 0.789** 0.474 0.023 0.786** 1.000
    NO3-N 0.007 0.888** −0.488 0.648* 0.523 1.000
    TP −0.711** 0.438 −0.627* −0.202 −0.304 0.529 1.000
    AP −0.774** 0.326 −0.560 −0.263 −0.397 0.396 0.961** 1.000
    AK 0.462 −0.042 0.229 0.109 0.305 −0.112 −0.385 −0.392 1.000
    pH −0.102 −0.615* 0.456 −0.252 −0.515 −0.566 −0.327 −0.322 0.162 1.000
      **: P<0.01; *: P<0.05。AMF、SW、BD、OC、TN、TP、AP、AK分别表示AMF基因丰度、土壤水分、容重、有机碳、全氮、全磷、速效磷、速效钾。In the table, AMF, SW, BD, OC, TN, TP, AP, AK are abundance of AMF gene, soil water, bulk density, organic carbon, total nitrogen, total phosphorus, available phosphorus, available potassium.
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    表  3  不同处理方式间丛枝菌根真菌(AMF)群落组成差异的优势属贡献率

    Table  3.   Contribution rates of dominant genus to abundance of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) community compositions under different treatments

    % 
    分组
    Group
    球囊霉属
    Glomus
    类球囊霉属
    Paraglomus
    多孢囊霉属
    Diversispora
    盾巨孢囊霉属
    Scutellospora
    双型囊霉属
    Ambispora
    无梗囊霉属
    Acaulospora
    和平囊霉属
    Pacispora
    Farmland vs L201948.085.271.230.000.930.180.18
    Farmland vs L201249.001.910.561.390.350.270.27
    Farmland vs L2003