叢枝菌根真菌對(duì)羊草凋落物降解作用的研究

李歡，李曉林，向丹

1.中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京 100193；2.中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心，北京 100085

凋落物作為草原碳庫(kù)的重要組成部分，其分解的快慢直接影響到凋落物地表積累碳循環(huán)，也制約著氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素及其它物質(zhì)向土壤的歸還和土壤的養(yǎng)分有效性，是草原生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)循環(huán)的重要環(huán)節(jié)[1]。影響凋落物分解和養(yǎng)分釋放的因素主要包括植物凋落物質(zhì)量和數(shù)量、分解者群落結(jié)構(gòu)及特性、環(huán)境的物理和化學(xué)特性等。其中凋落物的質(zhì)量是影響凋落物分解和養(yǎng)分釋放的關(guān)鍵因素[2]。

叢枝菌根(AM)真菌是自然界中分布極其廣泛、農(nóng)業(yè)和生態(tài)意義十分重大的一類(lèi)土壤真菌[3]，它能與幾乎所有的草原草本植物形成穩(wěn)定的共生關(guān)系，是構(gòu)成草原生態(tài)系統(tǒng)中一個(gè)重要組成部分。AM真菌能促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分吸收，改變植物體內(nèi)養(yǎng)分的含量。如畢銀麗等[4]發(fā)現(xiàn)接種菌根顯著提高了白三葉草（Trifolium repensL）體內(nèi)氮、磷的含量。另外，植物侵染菌根后，將更多的光合產(chǎn)物運(yùn)往地下部，增加了碳向地下部的轉(zhuǎn)移[5]。菌根對(duì)植物養(yǎng)分和碳含量的可能會(huì)影響到凋落物的干物質(zhì)分解及養(yǎng)分釋放過(guò)程。Langley和Hungate[6]研究也表明宿主植物凋落物的分解過(guò)程與是否侵染菌根有關(guān)。目前對(duì)菌根化與非菌根化植物凋落物降解特征的研究少有報(bào)道。

羊草是內(nèi)蒙古草原優(yōu)勢(shì)植物，植物群落中優(yōu)勢(shì)種或多數(shù)種的凋落物分解對(duì)整個(gè)群落具有主導(dǎo)和支配作用[7]。接種菌根是否會(huì)影響草原植物凋落物的降解過(guò)程，對(duì)理解菌根在草原生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)能量循環(huán)中有重要意義。本試驗(yàn)以羊草(Leymus chinensis)為研究對(duì)象，采用根袋法研究接種對(duì)羊草地上部和根系凋落物的降解特征。

1 材料與方法

1.1 材料和處理

供試土壤：盆栽用土為內(nèi)蒙古草原土，取自中國(guó)科學(xué)院內(nèi)蒙古草原生態(tài)系統(tǒng)定位研究站，其地理坐 標(biāo) 為 43°32′45″－ 43°33′10″N ， 116°40′30″－116°40′50″E，海拔約1 224 m。土壤類(lèi)型為栗鈣土，養(yǎng)分含量低，土壤風(fēng)干后過(guò)2 mm篩。土壤pH值6.93（水土比，1:2.5，電位法），有機(jī)質(zhì)4.04 g·kg-1（鉻酸氧還滴定法），全氮0.398 g·kg-1（半微量開(kāi)氏法），速效磷3.94 mg·kg-1（0.5 mol·L-1NaHCO3浸提—鉬銻抗吸光光度法）。

供試材料：羊草(Leymus chinensis)，又名堿草，屬多年生根莖性禾草，具有發(fā)達(dá)的地下橫走根莖。在我國(guó)北方草原地區(qū)羊草多為群落的優(yōu)勢(shì)種或速生種，是我國(guó)溫帶草原地帶性植物的優(yōu)勢(shì)種，也是歐亞草原區(qū)東部草原的基本類(lèi)型。

供試菌種：選用摩西球囊霉Glomus mosseae，簡(jiǎn)稱(chēng)G.m，BEG167；近明球囊Glomus claroidum，簡(jiǎn)稱(chēng)G.cBEG194。各菌種由中國(guó)農(nóng)業(yè)大學(xué)資環(huán)學(xué)院菌根小組提供。原種以玉米和三葉草為宿主植物盆栽擴(kuò)繁3個(gè)月后，用含有宿主植物根段、菌根真菌孢子及含有根外菌絲體的根際土壤作為接種劑。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)：試驗(yàn)前土壤中各施入底肥NH4NO3100 mg·kg-1（以N計(jì)）、K2SO4100 mg·kg-1（以K計(jì)）、KH2PO420 mg·kg-1（以P計(jì)）。羊草每盆裝基質(zhì)1.2 kg，塑料盆規(guī)格是12 cm × 12 cm，接種處理每盆加入接種劑 100 g，不接種處理每盆加經(jīng)過(guò)滅菌處理的接種劑100 g和不滅菌接種劑的濾液20 mL，以保證土壤微生物區(qū)系的一致性。將羊草種子在φ=10% H2O2中浸泡10 min進(jìn)行表面消毒后，置于濕潤(rùn)的濾紙上催芽。發(fā)芽后，每盆播20粒，出苗3周后間苗留5株，生長(zhǎng)120 d后收獲。收獲后取不同處理的羊草凋落物為試驗(yàn)材料。取樣完畢后將地上和根系分別帶回實(shí)驗(yàn)室,將根系用清水充分漂洗干凈并同葉片一并在 60 ℃下鼓風(fēng)烘干至恒重。將烘干好的葉片和根系粉碎過(guò)篩，使其粒徑在 0.5～2 mm之間。分別裝入5 cm × 5 cm的凋落物袋（尼龍網(wǎng)材料，孔徑為100目）中，凋落物袋三邊封口一邊開(kāi)口，裝上凋落物后封口。埋入長(zhǎng)寬高為10 cm ×10 cm × 8 cm的塑料方盆里，地上部埋深3 cm，每袋1.50 g；根系埋深5 cm，每袋0.70 g。調(diào)節(jié)盆體中土壤質(zhì)量含水量約為10%左右，放入25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中，每隔3～5 d用天平調(diào)節(jié)水分恒定。試驗(yàn)處理包括接種Glomus mosseae和Glomus claroideum及不接種菌根的羊草凋落物，每個(gè)處理3次重復(fù)，在第4、7、14、21、28、35和56 d時(shí)取地上部樣，根系在第4、7、35 d時(shí)分3次取樣（根系樣品較少所以減少了取樣次數(shù)），測(cè)定凋落物分解速率及養(yǎng)分含量變化。

1.2 項(xiàng)目測(cè)定和方法

試驗(yàn)結(jié)束后將根袋剪開(kāi)，小心將剩余的凋落物轉(zhuǎn)移到稱(chēng)量紙上稱(chēng)重，使用千分之一天平測(cè)量，精確到小數(shù)點(diǎn)后3位。植物樣品磨碎過(guò)0.25 mm篩后用硫酸-雙氧水消煮，測(cè)定C、N、P成分。C濃度用重鉻酸鉀和硫酸(K2Cr2O7-H2SO4)氧化法測(cè)定；N濃度用半微量凱氏定氮法測(cè)定；P濃度用礬鉬黃比色法測(cè)定[8]。

1.3 數(shù)據(jù)分析

分解速率采用指數(shù)模型計(jì)算:

Xt/X0=Bexp(-kt).

其中，B為常數(shù)，Xt為凋落物在t時(shí)刻的質(zhì)量，X0為初始質(zhì)量，k為分解速率，t為分解時(shí)間[9]。采用SAS10.0中進(jìn)行方差分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 羊草凋落物質(zhì)量變化

在56 d的培養(yǎng)過(guò)程中，地上部和根系凋落物的重量逐漸降低(P＜0.01)。羊草凋落物的降解分為兩個(gè)階段，一個(gè)快速分解階段和一個(gè)較慢分解階段。凋落物地上部質(zhì)量的損失率在前4天里較高，達(dá)到25.6%～28.3%，隨后分解減慢；根系的質(zhì)量也呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，在前4 d的損失率達(dá)到15.1%～18.4%。接種對(duì)地上部凋落物質(zhì)量的影響未達(dá)顯著水平（P>0.05），但顯著影響根系凋落物的分解速率(P＜0.01)。在各個(gè)取樣時(shí)期，接種與不接種羊草地上部凋落物質(zhì)量變化差異不顯著。不接種和接種Glomus mosseae和Glomus claroideum凋落物降解率分別為36.3%，36.9%和37.1%。與地上部不同，各個(gè)取樣點(diǎn)不接種處理羊草根系質(zhì)量剩余量均低于接種處理，依次為CK>接種Glomus mosseae>接種Glomus claroideum。CK處理根系的剩余質(zhì)量為 56.7%，Glomus mosseae和Glomus claroideum則分別為64.1%和 60.1%（圖 1）。說(shuō)明接種降低了羊草根系的分解速度。

圖1 接種和不接種羊草地上部凋落物干質(zhì)量變化Fig.1 Temporal changes of dry weights of shoot litters of mycorrhizal and non-mycorrhizal Leymus chinensis

圖2 接種和不接種羊草根系凋落物干質(zhì)量變化Fig.2 Temporal changes of dry weights of root litters of mycorrhizal and non-mycorrhizal Leymus chinensis

接種未顯著影響地上部凋落物降解系數(shù)k值（P>0.05,），但顯著影響根系凋落物的降解系數(shù)(P＜0.05)。接種Glomus mosseae和Glomus claroideum羊草根系k值顯著低于CK，且Glomus mosseae羊草k值顯著低于接種Glomus claroideum羊草(表1)。

2.2 羊草凋落物N含量變化

在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，地上部和根系凋落物氮含量呈現(xiàn)相同的趨勢(shì)，均表現(xiàn)為先迅速降低后逐漸升高。分解時(shí)間顯著影響羊草地上部和根系 N含量（P<0.01）。接種和不接種處理羊草地上部N含量間的差異不顯著，但接種和不接種處理根系含N量差異達(dá)到顯著水平（P<0.01）（表 4）。在最初的 4 d中，各處理羊草地上部凋落物中N量急劇下降，這可能是由于土壤中有效N含量很低，微生物需要從凋落物中礦化 N素來(lái)滿足自身代謝的需要；在第4～35 d時(shí)，凋落物中的N逐漸富集，在第35天時(shí)超過(guò)了凋落物初始N含量（圖3A）。與地上部不同，在35 d培養(yǎng)過(guò)程中，接種根系N含量顯著低于對(duì)照。在最初的4 d中，羊草根系N含量降低到最低點(diǎn)，之后在第4～35 d時(shí)出現(xiàn)N的富集，在第7 d時(shí)羊草凋落物根系含N量與初始N含量接近，第35天時(shí)超過(guò)了凋落物初始N含量。說(shuō)明在本試驗(yàn)條件下，接種羊草根系凋落物N素供應(yīng)效率顯著低于不接種處理。

表1 接種和不接種處理羊草地上部和根系降解系數(shù)Table 1 The decay constant k of aboveground and belowground of Leymus chinensis litters

圖3 接種和不接種羊草地上部(A)及根系(B)凋落物氮含量變化Fig.3 Temporal changes of N concentrations in shoots and root litters of Leymus chinensis

2.3 羊草凋落物P含量變化

在整個(gè)培養(yǎng)過(guò)程中，地上部和根系凋落物磷含量表現(xiàn)出先降低后逐漸升高的趨勢(shì)。分解時(shí)間的長(zhǎng)短對(duì)羊草地上部和根系均產(chǎn)生顯著性影響（P<0.01）。接種和不接種處理羊草地上部P含量間的差異不顯著，但接種和不接種處理根系含P量差異達(dá)到顯著水平（P<0.01）（表4）。

圖4 接種和不接種羊草地上部(A)及根系(B)磷含量變化Fig.4 Changes of P concentrations in shoots and roots of Leymus chinensis litters over time

接種與不接種羊草地上部和根系含P量表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)。羊草地上部凋落物含P量在最初的4 d迅速降低，之后又開(kāi)始回升，在第21 d時(shí)達(dá)到最高值，并一直持續(xù)到第35 d，之后羊草地上部含P量出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。在第7天時(shí)，對(duì)照處理羊草地上部凋落物含磷量顯著高于接種處理，而在第21 d時(shí)接種Glomus mosseae羊草凋落物顯著高于接種Glomus claroideum處理和CK處理。在其它取樣時(shí)間對(duì)照和兩個(gè)接種羊草處理地上部P含量間的差異未達(dá)顯著水平?？傮w上，對(duì)照處理的含P量先急劇下降然后逐漸上升；而接種羊草凋落物含P量一直保持上升的趨勢(shì)。

表2 接種和培養(yǎng)時(shí)間對(duì)羊草凋落物地上部和根系重量和NP含量變化的雙因素分析Table 2 Significance level of effects of inoculation and time and interaction on variables based on Two-way ANOVA analyses

表3 接種和不接種羊草地上部和根系初始養(yǎng)分含量Table 3 Initial nutrient concentrations in shoots and roots of mycorrhizal and non-mycorrhizal Leymus chinensis litters

3 討論

Whittaker等[10]對(duì)熱帶雨林、溫帶草地等 6類(lèi)主要生態(tài)系統(tǒng)的分解過(guò)程進(jìn)行了比較,報(bào)道了世界溫帶草地的年分解指數(shù)為 1.5。本研究在室內(nèi)恒溫恒濕度條件下進(jìn)行，接種與不接種羊草地上部凋落物的分解指數(shù)為6.5左右,根系凋落物的分解指數(shù)為4.6～5.9之間，均高于世界溫帶草地分解速率的平均值。羊草凋落物地上部和根系N、P含量都表現(xiàn)出先急劇下降再逐漸上升的規(guī)律。Wedin[11]提出凋落物N有效性理論。植物C/N為30是一個(gè)臨界值，凋落物高于這個(gè)值就會(huì)發(fā)生N的固定，低于它就會(huì)發(fā)生N的活化。3種處理的羊草凋落物初始養(yǎng)分含量（見(jiàn)表3），地下部的C/N高于30，因此出現(xiàn)N的固定和富集，且比值越大富集的程度越大。

養(yǎng)分含量的高低決定著凋落物的分解速率[12]。羊草地上部和根系干物質(zhì)分解與養(yǎng)分釋放與植物的初始養(yǎng)分含量和 C/N呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。Vivanco等[13]通過(guò)對(duì)美國(guó)北部和南部14種草原草的研究發(fā)現(xiàn)：植物內(nèi)在的屬性決定了凋落物的質(zhì)量與降解速率，植物的養(yǎng)分含量與分解速率成正比。接種 AM 真菌未顯著影響羊草地上部的初始養(yǎng)分含量，C/N差異不顯著(表3)，因此未影響地上部的降解與養(yǎng)分釋放；相反，接種AM真菌顯著降低了羊草根系的初始養(yǎng)分含量，C/N也發(fā)生了改變：接種Glomus mosseae>接種Glomus claroideum>不接種的碳/氮，因此降低了根系的降解與養(yǎng)分釋放。

理論上認(rèn)為，菌根真菌能夠通過(guò)菌絲從基質(zhì)中吸取 N素并轉(zhuǎn)移給宿主植物[14]并且能從土壤中吸收磷，積累成多聚磷酸鹽顆粒，并以該形式轉(zhuǎn)移到叢枝和泡囊里[15]，從而提高根系養(yǎng)分含量，進(jìn)而促進(jìn)根系凋落物的降解。本結(jié)果表明：接種菌根根系的降解速率顯著低于不接種處理。一方面是由于：接種對(duì)羊草的冠根比產(chǎn)生變化，對(duì)照處理羊草的根冠比為2.88，接種Glomus claroideum為2.19，接種Glomus mosseae為2.50。表明AM真菌對(duì)羊草地上部和根系分配比例產(chǎn)生影響。接種后根系養(yǎng)分更多地運(yùn)往地上部，使根系養(yǎng)分含量表現(xiàn)為接種處理低于對(duì)照。申鴻等[16]發(fā)現(xiàn)當(dāng)土壤缺鋅時(shí)，無(wú)論是鋅濃度還是鋅吸收量，根系中均表現(xiàn)為接種處理低于對(duì)照。另一方面，AM真菌促進(jìn)養(yǎng)分吸收的同時(shí)也提高了根系的生物量，產(chǎn)生“生物稀釋效應(yīng)”[17]從而使根系養(yǎng)分含量表現(xiàn)為接種處理低于對(duì)照。

[1]李雪峰, 韓士杰, 張巖.降水量變化對(duì)蒙古櫟落葉分解過(guò)程的間接影響[J].應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 18 (2): 261-266.LI Xuefeng, HAN Shijie, ZHANG Yan.Indirect effects of precipitation on litter decomposition ofQuercus mongolica[J].Chinese Journal of Applied Ecoligy, 2007, 18 (2): 261-266.

[2]郭彥軍, 龍瑞軍, 張德罡, 等.利用體外產(chǎn)氣法測(cè)定高山牧草和灌木的干物質(zhì)降解率[J].草業(yè)學(xué)報(bào), 2003, 12(3): 54-60.GUO Yanjun, LONG Ruijun, ZHANG Dezhi, et al.Determination of dry matter degradation of feeding shrubs and forages by gas production method[J].Acta Prataculturae Sinica, 2003, 12 (3): 54-60.

[3]王曙光, 林先貴, 施亞琴.叢枝菌根(AM)與植物的抗逆性[J].生態(tài)學(xué)雜志, 2001, 20 (3): 27-30.WANG Shuguang, LIN Xiangui, SHI Yaqin.Effects of arbuscular mycorrhiza on resistance of plants to environmental stress[J].Chinese Journal of Ecology, 20 (3): 27-30.

[4]畢銀麗, 丁保健, 全文智, 等.VA菌根對(duì)白三葉吸收水分和養(yǎng)分的影響[J].草地學(xué)報(bào), 2001, 9 (2): 154-158.BI Yinli, DING Baojian, QUAN Wenzhi, et al.Influence of VA mycorrhize on nutrient and water absorption inwhite clover[J].Acta Agrestia Sinica, 2001, 9 (2): 154-158.

[5]MILLER R M, MILLER S P, JASTROW J D.et al.External hyphal production of vesicular arbuscular mycorrhizal fungi in pasture and tall grass prairie communities[J].Oecologia, 1995, 103: 17-23.

[6]LANGLEY J A, HUNGATE B A.Mycorrhizal controls on belowground litter quality[J].Ecology 2003, 84, 2302-2312.

[7]CHEN J, STARK J M.Plant species effects and carbon nitrogen cycling in a sagebrush crusted wheatgrass soil[J].Soil Biology and Biochemistry, 2000, 32: 47-57.

[8]鮑士旦.土壤農(nóng)化分析 [M].3版.北京:中國(guó)農(nóng)業(yè)出版,2000:76-79.BAO Shidan.Soil Agriculturalization Analysis[M].3th edition.Beijing:China Agriculture Press, 2000: 76-79.

[9]OLSON J A.Energy storage and the balance of producers and decomposers in ecological systems[J].Ecology, 1963, 44(2): 322-332.

[10]WHITTAKER R H.Communities and ecosystems[M].New York :MacMillan, 1975.

[11]WEDIN D A.Nitrogen availability, plant–soil feedbacks and grassland stability[C]// ELDRIDGE D, FREUDENBERGER D, eds.Proceedings of the VI International Rangeland Congress on People and Rangelands Building the Future.Townsville, Australia, 1999: 193-197.

[12]SWIFT M J, HEAL O W, ANDERSON J M.Decomposition in terrestrial ecosystems[N].University of California Press, Berkeley, CA 1979.

[13]VIVANCO L, AUSTIN A T.Intrinsic effects of species on leaf litter and root decomposition: a comparison of temperate grasses from North and South America[J].Oecologia , 2006, 150: 97-107.

[14]ALLEN M F.The Ecology of Mycorrhizae[M].New York: Cam-bridge University Press, 1991: 1-8, 113-118.

[15]劉潤(rùn)進(jìn), 陳應(yīng)龍.菌根學(xué)[M].北京: 科學(xué)出版社, 2007: 128-169.LIU Runjin, CHEN Yinglong.Mycorrhiza[M].Beijing: Science Press,2007: 128-169.

[16]申鴻, 陳保東, 馮固, 等.鋅污染土壤接種叢枝菌根真菌對(duì)玉米苗期生長(zhǎng)的影響[J].農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù), 2002, 21(5): 399-402.SHEN Hong, CHEN Baodong, FENG Gu, et al.Influence of arbuscular mycorrhizal fungi on maize growth in a zinc polluted soil[J].Agro-environmental protection, 2002, 21 (5):399-402.

[17]LEYVAI C.Effect of heavy metal pollution on mycorrhizal colonization and function: physiological, ecological and applied aspects[J].Mycorrhiza, 1997, 7: 139-153.