眾所周知，人為N沉降會深刻改變森林生態(tài)系統(tǒng)中外生菌根(ECM)菌絲特征的動態(tài)變化。在受到N沉降的森林中，菌絲特征在土壤不同位點的差異使我們假設(shè)，在這些森林中，ECM菌絲的生長特征和功能特征受到土壤養(yǎng)分有效性的調(diào)控。以西南山地養(yǎng)分存在明顯差異的兩種人工針葉林—云杉林（Picea asperata Mast.）和華山松林（Pinus armandii Franch.）為試驗對象，采用N添加模擬大氣 N 沉降，研究了N 沉降對兩種人工林ECM外延菌絲生長特征(生物量、產(chǎn)量、菌絲密度和周轉(zhuǎn)率)和功能特征(菌絲探測類型和親/疏水性)的影響差異。我們通過測定連續(xù)收獲的生長網(wǎng)袋中的菌絲生物量和應(yīng)用數(shù)學(xué)模型來量化菌絲的周轉(zhuǎn)和產(chǎn)量。我們還通過對ECM真菌群落組成的表征，獲得菌絲的探測類型和疏水性變化。實驗結(jié)果表明：1）在土壤N素有效性較低的華山松林（18 mg N kg?1），N添加使ECM菌絲產(chǎn)量、菌絲生物量和菌絲長度密度分別增加了79%、39%和73%。相反地，在土壤N素有效性較高的云杉林(30 mg N kg?1)，N添加明顯抑制了ECM菌絲生長；2）N添加使華山松林ECM菌絲由中長距離疏水性菌絲向中短距離親水性菌絲轉(zhuǎn)變，而云杉林則表現(xiàn)出相反的響應(yīng)趨勢?？傮w而言，我們的實驗結(jié)果證明了N添加對ECM菌絲特征的影響在很大程度上取決于林分土壤養(yǎng)分有效性高低。

外生菌根(ECM)共生體在大多數(shù)北方和溫帶森林中普遍存在，其中ECM真菌可以有效的協(xié)助植物獲取限制性養(yǎng)分（如N），并換取寄主植物光合作用固定的碳（C）用于自身生長。從ECM根尖彌散出的致密外延菌絲體（extrametrical mycelia, ERM）可以有效地勘探周圍土壤，并從根系營養(yǎng)耗竭區(qū)以外的區(qū)域搜尋養(yǎng)分。ECM菌絲體的生產(chǎn)和周轉(zhuǎn)代表著土壤C輸入和儲存的重要過程，且ECM菌絲被認(rèn)為是森林土壤中C和養(yǎng)分動態(tài)的重要調(diào)節(jié)劑。因此，弄清影響ECM菌絲特征和動態(tài)的驅(qū)動因素對于更好地理解ECM真菌在未來全球變化背景下介導(dǎo)生物地球化學(xué)過程的作用至關(guān)重要。

全球范圍內(nèi)大氣N沉降的急劇增大，導(dǎo)致土壤N有效性逐漸增加。由于土壤養(yǎng)分有效性是決定寄主植物對共生伙伴光合C 投入的關(guān)鍵因素，N沉降引起的土壤N有效性的變化將在很大程度上調(diào)控ECM真菌與宿主植物間的相互作用，并影響 ECM 根尖和菌絲的生產(chǎn)。已有研究表明，ECM真菌可以根據(jù)土壤N有效性和植物C分配量來調(diào)節(jié)菌絲的生產(chǎn)，從而平衡N收益的C成本。因此，一方面，N 沉降的增加由于可能引起植物分配給ECM真菌的C比例降低，而通常被認(rèn)為會抑制ECM生物量和產(chǎn)量。另一方面，N 有效性的改變也會影響具有不同菌絲勘探類型的ECM真菌類群的優(yōu)勢度。據(jù)報道，在高的土壤N有效性下，“短距離”、“接觸”和“中距離光滑”型菌絲勘探類型（無菌索）的ECM屬會占主導(dǎo)地位，而在N受限的條件下，“長距離”型菌絲勘探類型（加厚的菌索結(jié)構(gòu)，C需求較高）ECM屬會占主導(dǎo)地位。

然而盡管大多研究認(rèn)為，N沉降的增加會抑制ECM菌絲的生產(chǎn)，菌絲的功能特征也會向有限的勘探能力轉(zhuǎn)變，但一些研究也報道了增加的N有效性對ECM生物量和產(chǎn)量產(chǎn)生了積極的影響。例如，Hendrick等人（2016）研究發(fā)現(xiàn)：施N后ECM生物量增加。類似的還有Kalliokoski等人（2010）發(fā)現(xiàn)的：相比貧瘠的土壤，肥沃的土壤中ERM的產(chǎn)量更高。造成這些差異性結(jié)果的原因可能是由于土壤本底養(yǎng)分有效性和N添加量的差異決定了ECM真菌N受限和緩解的程度，從而影響了N沉降對菌絲動態(tài)響應(yīng)的方向和幅度。此外，大量研究發(fā)現(xiàn)，向N受限的生態(tài)系統(tǒng)輸入外源N可以增加宿主植物和共生真菌對磷(P)的需求，從而使這些生態(tài)系統(tǒng)的營養(yǎng)狀況逐漸由N限制向P限制轉(zhuǎn)變。這種營養(yǎng)限制狀態(tài)的改變又可能會刺激宿主植物分配更多的C給ECM菌絲，并有利于N活化能力較低而P活化能力較高的真菌生存。與勘探N類似，與“接觸”和“短距離”菌絲探測類型相比，“中等距離邊緣”型菌絲探測類型和“長距離”菌絲探測類型在P勘測方面更有效。然而，目前土壤養(yǎng)分有效性在N沉降對菌絲生長和功能性狀的直接影響中的作用程度尚不清楚，這可能在很大程度上阻礙了我們對N沉降下菌絲動態(tài)變化所介導(dǎo)的養(yǎng)分循環(huán)過程的理解。

因此，本研究以青藏高原東部兩個土壤N有效性存在明顯差異的典型人工針葉林—云杉林(Picea Asperata Mast.)和華山松林(Pinus armandii Franch.)為研究對象，采用野外模擬大氣N沉降實驗，研究了N沉降對菌絲生長特征和功能特征的影響。與云杉林分相比，華山松林土壤無機(jī)N含量相對較低，而土壤有效P含量相對較高。我們利用兩個人工林不同的土壤肥力，研究了土壤養(yǎng)分有效性對菌絲動態(tài)對N沉降響應(yīng)的影響。由于宿主植物和ECM真菌對N限制表現(xiàn)出不同的敏感性，我們假設(shè)N沉降對菌絲動態(tài)的影響可能受到土壤天然養(yǎng)分有效性的調(diào)節(jié)。具體為：1）在土壤N有效性較高的林分施加N（植物N受限，ECM真菌N不受限），菌絲生長會受到抑制，因為植物減弱的N限制會減少地下C向ECM真菌的分配，而在土壤N有效性相對較低的林分施加N（植物和ECM真菌可能均N受限），則會刺激菌絲生長，因為土壤N有效性的小幅增加會緩解N對ECM真菌的直接限制；2）如果N沉降增加了土壤N素有效性，那么菌絲探測類型的養(yǎng)分勘測距離將會變短，因為在增大的N供應(yīng)條件下支持低C需求的“接觸-短”和“接觸-中”探測類型真菌屬生長要比支持高C需求的“中-長”探測類型屬生長對于植物而言獲益更多。

1）?ECM菌絲生長特征對N沉降的響應(yīng)

在菌絲袋180d的生長季孵育下，我們發(fā)現(xiàn)：N沉降使云杉林的菌絲產(chǎn)量下降了35%（從1.61 kg ha-1 d-1下降到1.04 kg ha-1 d-1）（P < 0.001），而使華山松林增加了78%（從1.16 kg ha-1 d-1增加到2.07 kg ha-1 d-1）（圖2a）。對菌絲生物量而言， 相比對照樣地，施N樣地的菌絲生物量在云杉林下降了33% （P = 0.003），而華山松林增加了39%（P = 0.006）（圖2b）。菌絲密度對N添加的響應(yīng)與菌絲生物量和產(chǎn)量的變化趨勢相似（圖2d）, 而ERM的周轉(zhuǎn)率在兩林分中均未受到N添加的顯著改變（圖2c）。此外，通過相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)：菌絲生物量與菌絲產(chǎn)出、菌絲密度顯著相關(guān)。

圖2 環(huán)境樣地和N處理樣地下云杉林（無斜線）和華山松林（斜線）外延菌絲的（ERM）生物量產(chǎn)量（kg ha-1d-1）（a）、ERM生物量（b）、ERM生物量周轉(zhuǎn)（c）和ERM密度（d）。誤差棒為平均值±SE（n = 3），*表示特定林分的ERM生長性狀在環(huán)境和施N處理之間存在顯著差異（P < 0.05）。

2）?ECM菌絲功能特征對N沉降的響應(yīng)

研究發(fā)現(xiàn)，施N改變了兩個林分的ECM真菌群落在屬水平上的組成（圖S2）。其中華山松林表現(xiàn)為，施N顯著降低了養(yǎng)分勘探能力較強(qiáng)、勘探范圍較廣的ECM真菌類群的相對豐度（如Amphinema（M-F）和Rhizopogon（L）），而增加了養(yǎng)分勘探范圍較小的類群的相對豐度（如Russula（C/M-S）、Tuber（S）和Inocybe（S）（P<0.05; 圖3a），而云杉林則表現(xiàn)出相反的趨勢，具體為：施N顯著降低了Tomentella（S/M-S）、Trichophaea（C）和Inocybe（S）的相對豐度，增加了Amphinema（M-F）的相對豐度（P<0.05；圖3b）。

圖 3 ?環(huán)境和N添加處理下華山松（a）和云杉（b）豐度前15的ECM真菌在屬水平的豐度差異。圓的位置代表了兩種處理下豐度的差異性大小。紅圈表示N添加處理的豐度比例高于環(huán)境處理；藍(lán)色圓圈表示與N添加處理的真菌豐度比例低于環(huán)境處理。*表示兩處理間在P = 0.05上差異顯著。探測類型：C（接觸式探測）、S（短距離探測）、M-S（中距離平滑探測）、M-F（中距離邊緣探測）、L（長距離探測）、ND（未識別）。

將ECM真菌ASVs劃分到不同的勘探類型水平后，結(jié)果顯示，施N顯著降低了華山松林分“中-長”類群的相對豐度，而增加了“短-接觸”類群和“中-接觸”類群的相對豐度，而云杉則表現(xiàn)出相反的趨勢（圖4a）；將ECM真菌ASVs按菌絲的疏水特性劃分歸類后，我們發(fā)現(xiàn)N添加顯著增加了華山松林中“親水型”菌絲的相對豐度，降低了“疏水型”菌絲的相對豐度，而云杉林中也表現(xiàn)出相反的趨勢。

圖 4 ?云杉和華山松林地在環(huán)境和N處理下ECM真菌在探測類型（a）和疏水性水平[親水性（Hi），疏水性（Ho）]中的平均相對豐度（%）。誤差棒為平均值±SE（n = 3），*表示特定林分的探測類型和疏水性在環(huán)境處理和N處理之間存在顯著差異（P < 0.05）。

3）?菌絲生長特性與功能特性的偶聯(lián)關(guān)系

我們研究發(fā)現(xiàn), ECM真菌群落組成與菌絲生物量、菌絲產(chǎn)量和菌絲密度顯著相關(guān)（RDA; P = 0.005, 圖5a）。在菌絲勘探類型水平上，菌絲生物量與“接觸-短”和“接觸-中”菌絲類型屬的豐度呈顯著正相關(guān)，而與“中-長”菌絲類型屬的豐度呈負(fù)相關(guān)（圖5b）。從疏水性水平看，菌絲生物量與屬于親水性菌絲的屬的相對豐度呈顯著正相關(guān)，而與屬于疏水性菌絲的屬的相對豐度呈顯著負(fù)相關(guān)（圖5b）。在屬水平上，兩種林分添加N后Russula、Amphinema、Tomentella、Rhizopogon、Sebacina、Tyichophaea和Inocybe屬均發(fā)生了顯著變化(圖5a)。其中屬于“接觸-短”和“接觸-中”距離探測類型屬的相對豐度（如Russula、Tomentella、Inocybe）明顯和菌絲生物量和密度呈正相關(guān), 而屬于“中-長”探測類型的屬（如Amphinema 和Rhizopogon）的相對豐度與菌絲生物量和密度呈顯著負(fù)相關(guān)（圖5a）。

圖 5 ?ERM探測類型冗余分析（RDA）顯示了兩種林分土壤外生菌根（ECM）真菌群落組成對N處理的響應(yīng)（a）。帶箭頭的紅色直線表示ERM生長特性；不同顏色的點代表ECM真菌所屬的不同ERM探測類型；點的大小代表它們的相對豐度。軸1和軸2分別解釋了41.16%和21.37% 的群落變異。（b） 圖展示了ECM真菌生物量與ECM真菌類群的相對豐度（%）之間的線性關(guān)系。藍(lán)色（華山松）和紅色（云杉）代表不同的林分類型?？招狞c（環(huán)境）和實心點（N處理）表示不同的處理方式。

本研究結(jié)果表明：N添加對ECM菌絲特征的影響在很大程度上取決于林分土壤養(yǎng)分有效性高低（圖6）。此外，結(jié)合前人相關(guān)研究，本研究提出了一個關(guān)于N沉降對ECM菌絲特征影響的預(yù)測概念框架（圖S3），即林分土壤N受限程度、N飽和階段、以及其它養(yǎng)分限制（如P）等因素共同調(diào)控ECM菌絲特征對N沉降的響應(yīng)規(guī)律。上述結(jié)果為闡釋N沉降下森林ECM菌絲呈現(xiàn)多樣化變化特征提供了新的視角。

圖6 兩種針葉林菌絲生長特性和功能特性對模擬N沉降的響應(yīng)差異

圖S3?ECM菌絲生物量和菌絲探測類型對長期N添加響應(yīng)的概念框架圖