土壤水分和AM真菌對沙打旺根際土壤理化性質(zhì)的影響

賀學禮，郭輝娟，王銀銀

（河北大學 生命科學學院，河北 保定 071002）

在干旱和半干旱地區(qū)，干旱是限制植物生長和生態(tài)系統(tǒng)生產(chǎn)力的主要因素之一，加之人類活動范圍不斷擴大，導致植被退化，土地荒漠化，生態(tài)環(huán)境日趨惡化［1］.AM（arbuscular mycorrhizal）真菌廣泛分布于土壤生態(tài)系統(tǒng)中，能與絕大多數(shù)高等植物形成叢枝菌根.AM真菌能夠促進植物對土壤礦質(zhì)元素和水分的吸收，提高植物抗旱性，促進植物生長［2］；AM真菌在植物根際形成的龐大菌絲網(wǎng)絡和產(chǎn)生的球囊霉素，能夠穩(wěn)定土壤結構，在退化生態(tài)系統(tǒng)植被恢復和生態(tài)重建中具有重要作用［3］.目前，關于AM真菌促進植物生長，提高植物抗旱性的研究已有很多報道［2，4］，但有關土壤水分和AM真菌對植物根際土壤微環(huán)境的交互效應，特別是對土壤酶和球囊霉素的影響報道很少［5］.

沙打旺（AstragalusadsurgensPall.）是豆科黃芪屬多年生草本植物，是中國特有的牧草、綠肥和水土保持等兼用型草種.沙打旺以抗逆性強、適應性廣和產(chǎn)草量高而著稱，在植被恢復、防止水土流失方面有廣泛應用［6］.已有研究表明，接種AM真菌能夠促進沙打旺生長［7］，但對沙打旺根際土壤理化性質(zhì)的影響未見報道.本實驗以摩西球囊霉（Glomusmosseae）和沙打旺根際土著AM真菌（優(yōu)勢菌種為透光球囊霉G.diaphanum，摩西球囊霉和瑞氏無梗囊霉Acaulosporarehmii）作為接種劑，研究了土壤水分和AM真菌對沙打旺根際土壤養(yǎng)分、土壤酶活性和球囊霉素的交互效應，為闡明干旱條件下菌根－植物－土壤互作系統(tǒng)機理，利用AM真菌進行植被恢復提供依據(jù).

1 材料與方法

1.1 材料

把保定市東郊農(nóng)田土（褐土）和河沙按1∶2（質(zhì)量比）混勻，過2mm篩，經(jīng)高壓蒸氣間歇滅菌2次.土壤有效P 2.39μg／g，堿解 N 15.4μg／g，有機質(zhì)8.97mg／g，pH 8.01，土壤最大持水量23%.

沙打旺種子采自毛烏素沙地生長的沙打旺植株，播種前用體積分數(shù)為75%的乙醇消毒10min.供試菌種為摩西球囊霉（G.mosseae）和沙打旺根際土著AM真菌（優(yōu)勢菌種為透光球囊霉G.diaphanum，摩西球囊霉和瑞氏無梗囊霉Acaulosporarehmii），接種劑是經(jīng)黑麥草擴繁后獲得含有菌絲、侵染根段和孢子的根際土.

盆栽容器為23.0cm×18.0cm×14cm的塑料盆，用前在0.1g／L KMnO4溶液中浸泡，再用水沖洗后晾干.

1.2 實驗設計

實驗設30%，50%和70%3個土壤相對含水量.同一水分下設不接種（CK）、接種摩西球囊霉（GM）和接種沙打旺根際土著AM真菌（IAMF）3個處理，每個處理重復4次.每盆每kg土加0.438g磷酸二氫鈉、0.462g硫酸鉀和0.429g尿素作基肥.實驗盆隨機排列.實驗在河北大學植物玻璃溫室中進行，自然光照.

每盆裝土2.8kg，接種處理每盆層施菌劑35g，對照加入等量滅菌菌劑.2008年5月25日播種，在苗高5cm時選取長勢一致的植株，每盆定苗4株.幼苗生長期間，各處理澆水等管理一致.8月5日開始按照3個土壤相對含水量進行水分處理.用稱重法控制土壤含水量，每天稱重1次，補充失去水分，使各處理土壤含水量保持設定水平.

11月2日收獲植株，將地上部和地下部分開，用水將根部洗干凈，取部分根樣測定菌根定殖率，其余根樣和地上部烘干測定干質(zhì)量.根際土的獲得是將植株從塑料盆中倒扣取出，其根系上帶有大量盆土，抖去部分土，直到可以看見大量根系時停止，之后將這些沾在根系上的土留下用于測定土壤酶、球囊霉素、有效P、堿解N、有機質(zhì)和pH值.

1.3 測定方法

植株地上部和地下部烘干后測定干質(zhì)量［8］，菌根定殖率按Phillips和Hayman方法測定［9］.總球囊霉素和易提取球囊霉素參照Wright等方法測定［3］.土壤pH值用電位法，有機質(zhì)用重鉻酸鉀硫酸外加熱法，土壤堿解N用堿解擴散法，有效P用Olsen法［10］，土壤脲酶用改進的Hoffmann與Teiche比色法測定，蛋白酶用茚三酮顯色法測定［11］，磷酸酶用改進的Tabatabai和Brimner方法測定［12］.

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS16.0軟件對實驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析，Duncan多重比較法檢驗各處理平均值間差異的顯著性，采用雙因素方差分析土壤水分和AM真菌二者之間的交互效應.

2 結果與分析

2.1 土壤水分和AM真菌對菌根定殖率、土壤球囊霉素和植株干質(zhì)量的影響

由表1可見，摩西球囊霉菌根定殖率都在90%以上，隨土壤含水量變化無顯著差異；土著AM真菌菌根定殖率隨土壤含水量降低而顯著增加，說明干旱條件更有利于土著AM真菌定殖.同一水分條件下，接種摩西球囊霉和接種土著AM真菌均顯著提高了菌根定殖率.不接種處理也有少量菌根定殖，可能是開放培養(yǎng)期間空氣或水中傳播的真菌孢子污染所致.

表1 土壤水分和AM真菌對菌根定殖率、土壤球囊霉素和植株干質(zhì)量的影響Tab.1 Effects of soil moisture and AM fungi on mycorrhizal colonization，soil glomalin and dry mass of Astragalusadsurgens

CK不接種，GM接種摩西球囊霉，IAMF接種沙打旺根際土著AM真菌；表中數(shù)據(jù)為平均值，同一列數(shù)據(jù)中字母不同者表示在5%水平上差異顯著；W 水分處理，AMF接菌處理，＊P＜0.05，＊＊P＜0.01，NS無顯著影響；下同.

隨土壤含水量增加，不接種、接種摩西球囊霉和接種土著AM真菌的根際土壤易提取球囊霉素呈升高趨勢；與不接種相比較，接種摩西球囊霉和接種土著AM真菌在3個水分下均顯著增加了根際土壤總球囊霉素和易提取球囊霉素含量；接種土著AM真菌的土壤總球囊霉素和易提取球囊霉素含量都高于同一水分接種摩西球囊霉的根際土.

接種摩西球囊霉和接種土著AM真菌在土壤相對含水量30%和50%條件下均顯著增加了植株干質(zhì)量；土壤相對含水量70%時，僅接種土著AM真菌顯著增加了植物干質(zhì)量.接種土著AM真菌的植株干質(zhì)量均高于同一水分條件下接種摩西球囊霉的植株，說明土著AM真菌的菌根效應優(yōu)于摩西球囊霉.

土壤水分變化對土壤球囊霉素和植株干質(zhì)量有極顯著影響.AM真菌對菌根定殖率、土壤球囊霉素和植株干質(zhì)量有極顯著影響.土壤水分和AM真菌交互作用對菌根定殖率和土壤易提取球囊霉素有極顯著影響，對植株干質(zhì)量有顯著影響.

2.2 土壤水分和AM真菌對沙打旺根際土壤養(yǎng)分和pH值的影響

由表2可知，不接種、接種摩西球囊霉和接種土著AM真菌的根際土壤有機質(zhì)和堿解N隨土壤含水量增加呈遞增趨勢，有效P隨土壤含水量增加而降低.土壤相對含水量30%和50%時，與不接種相比較，接種摩西球囊霉和接種土著AM真菌均顯著降低了根際土壤pH值和有效P含量，提高了土壤有機質(zhì)和堿解N含量.土壤相對含水量70%時，與不接種相比較，接種摩西球囊霉顯著降低了根際土壤有效P含量.接種土著AM真菌的根際土壤有機質(zhì)、堿解N、有效P都高于同一水分接種摩西球囊霉的根際土.

土壤水分、AM真菌以及兩者交互作用對土壤有機質(zhì)、堿解N、有效P和pH值均有極顯著影響.

表2 土壤水分和AM真菌對沙打旺根際土壤養(yǎng)分和pH值的影響Tab.2 Effects of soil moisture and AM fungi on soil nutrients and pH in the rhizosphere of Astragalusadsurgens

2.3土壤水分和AM真菌對沙打旺根際土壤酶活性的影響

隨土壤含水量增加，不接種、接種摩西球囊霉和接種土著AM真菌的土壤酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、脲酶和蛋白酶活性都呈升高趨勢（表3）.土壤相對含水量30%和50%時，與不接種相比較，接種摩西球囊霉和接種土著AM真菌均顯著提高了根際土壤酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、蛋白酶和脲酶活性.土壤相對含水量70%時，與不接種相比較，接種土著AM真菌顯著增加了土壤酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、蛋白酶和脲酶活性，接種摩西球囊霉顯著增加了蛋白酶和脲酶活性.接種土著AM真菌的根際土壤堿性磷酸酶和蛋白酶活性顯著高于同一水分接種摩西球囊霉的根際土.

土壤水分、AM真菌以及兩者交互作用對土壤酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、蛋白酶和脲酶均有極顯著影響.

表3 土壤水分和AM真菌對沙打旺根際土壤酶活性的影響Tab.3 Effects of soil moisture and AM fungi on soil enzymatic activities in the rhizosphere of Astragalusadsurgens

3 討論與結論

研究表明，AM真菌能夠促進沙打旺植株生長，這與AM真菌對其他植物的促生作用相似［13］.本實驗發(fā)現(xiàn)，土壤水分變化對摩西球囊霉的定殖影響不大，但干旱條件有利于土著AM真菌的定殖，這與張旭紅［14］和Davies［4］等人的研究結果一致.摩西球囊霉為廣譜生態(tài)型菌種，能夠耐受較大幅度的生境變化，如基質(zhì)水分變化.沙打旺根際土著AM真菌來自干旱的荒漠，在干旱條件下其定殖率更高.

土壤酶是土壤生物化學過程的積極參與者，土壤酶活性高低反映了土壤營養(yǎng)物質(zhì)轉化、能量代謝等過程能力的強弱.有關干旱對土壤酶活性影響的報道不一［5，15］.本實驗結果表明，干旱降低了土壤酸性磷酸酶、堿性磷酸酶、蛋白酶和脲酶活性，接種AM真菌顯著提高了根際土壤酶活性，這與文獻［16］的研究結果一致.土壤酶主要來源于微生物和植物根系，土壤酶活性增加可能是AM真菌促進植物或其他微生物分泌更多的土壤酶［15］，或通過根外菌絲分泌土壤酶的結果［12］.土壤磷酸酶是催化土壤磷酸單酯和磷酸二酯水解的酶，土壤有機磷在磷酸酶作用下才能轉化成可供植物吸收的無機磷［17］.土壤磷酸酶活性增加，能夠提高沙打旺對土壤有機磷的利用.土壤脲酶是土壤中氮素轉化的關鍵酶，它能促使土壤尿素分子水解，生成的氨是植物氮素來源之一.蛋白酶能促使土壤蛋白質(zhì)水解為肽，最終形成氨基酸，在土壤氨化過程中起重要作用，為進一步轉化為植物可吸收利用的氮素打下基礎［17］.接種AM真菌提高了土壤蛋白酶和脲酶活性，說明AM真菌在氮素轉化中有重要作用，可以促進沙打旺對有效N的吸收利用.

實驗中，接種AM真菌顯著降低了土壤有效P含量，表明AM真菌能夠促進宿主植物對土壤磷營養(yǎng)的吸收，這與前期實驗結果相一致［7］.接種AM真菌不但增加了沙打旺根際土堿解N含量，也顯著提高了植株地上部和地下部全氮含量［7］，推測這與AM真菌促進了根瘤菌固氮作用密切相關［18］.接種AM真菌降低了根際土pH值，這與宋福強等人［19］的研究結果相一致.這可能與接種AM真菌促進了宿主根系呼吸作用有關.根系pH值變化從多方面影響著根際環(huán)境，例如影響根際土壤中各種養(yǎng)分有效性、根系形態(tài)建成和生長速率、根系分泌物種類和數(shù)量以及土壤酶活［20］.

球囊霉素是一類產(chǎn)生于AM真菌孢子壁和菌絲體的糖蛋白，可以隨孢子和菌絲降解進入土壤，球囊霉素具有“超級膠水”作用，能提高土壤團粒結構穩(wěn)定性和抗侵蝕能力［3］.實驗中，接種AM真菌能顯著增加沙打旺根際土壤總球囊霉素和易提取球囊霉素含量，這與Wu等在枳實［13］和Kohler等在萵苣［5］的實驗結果一致.干旱條件下，有球囊霉素粘著的AM真菌根外菌絲可在土壤水氣界面更好地生存，把水分和礦質(zhì)元素輸送給宿主植物，促進植物生長；球囊霉素能夠改善土壤團聚體結構，使土壤具備良好的通透性和持水性，提高了植物抗旱能力［13］.

研究表明：摩西球囊霉和土著AM真菌均能促進沙打旺生長，提高根際土壤有機質(zhì)、堿解N、球囊霉素和土壤酶活性，土著AM真菌菌根效應優(yōu)于摩西球囊霉.沙打旺與土著AM真菌已經(jīng)形成了長期適應的共生關系，并且多種AM真菌的協(xié)同作用效應優(yōu)于單一菌種.因此，根據(jù)研究目標篩選高效菌種，對于菌根生物技術的應用至關重要.

［1］KLICH M G.Leaf variation inElaeagnusangustifoliarelated to environmental heterogeneity［J］.Environmental and Experimental Botany，2000，44：171－183.

［2］賀學禮，李君，孟靜靜，等.摩西球囊霉和施P量對丹參生長和養(yǎng)分含量的影響［J］.河北大學學報：自然科學版，2011，31（4）：418－423.

HE Xueli，LI Jun，MENG Jingjing，et al.Effects ofGlomusmosseaeon the growth and nutritional contents ofSalvia miltiorrhizaBge.under different P levels［J］.Journal of Hebei University：Natural Science Edition，2011，31（4）：418－423.

［3］WRIGHT S F，UPADHYAYA A.A survey of soils for aggregate stability and glomalin，aglycoprotein produced by hyphae of arbuscular mycorrhizal fungi［J］.Plant Soil，1998，198：97－107.

［4］DAVIES Jr F T，OLALDE－PORTUGAL V，AGUILERA－GOMEZ L，et al.Alleviation of drought stress of Chile ancho pepper（CapsicumannuumL.cv.San Luis）with arbuscular mycorrhiza indigenous to Mexico［J］.Scientia Horticulturae，2002，92：347－359.

［5］KOHLER J，CARAVACA F，ROLDáN A.Effect of drought on the stability of rhizosphere soil aggregates ofLactuca sativagrown in a degraded soil inoculated with PGPR and AM fungi［J］.Applied Soil Ecology，2009，42：160－165.

［6］李蕾蕾，李聰，王永辰，等.灌溉與密度對沙打旺種子產(chǎn)量及其構成因素的影響［J］.草地學報，2008，16（1）：65－69.

LI Leilei，LI Cong，WANG Yongchen，et al.Effects of irrigation and planting density on seed yield and its components ofAstragalusadsurgens［J］.Acta Agrestia Sinica，2008，16（1）：65－69.

［7］郭輝娟，賀學禮.水分脅迫下AM真菌對沙打旺（AstragalusadsurgensPall.）生長和抗旱性的影響［J］.生態(tài)學報，2010，30（21）：5933－5940.

GUO Huijuan，HE Xueli.Effects of AM fungi on the growth and drought resistance ofAstragalusadsurgensPall.under water stress［J］.Acta Ecologica Sinica，2010，30（21）：5933－5940.

［8］王學奎.植物生理生化實驗原理和技術［M］.北京：高等教育出版社，2006：4－5.

［9］PHILLIPS J M，HAYMAN D S.Improved procedures for clearing roots and staining parasitic and vesicular－arbuscular mycorrhizal fungi for rapid assessment of infection［J］.Transactions of the British Mycological Society，1970，55：158－161.

［10］中國土壤學會農(nóng)業(yè)化學專業(yè)委員會.土壤農(nóng)業(yè)化學常規(guī)分析方法［M］.北京：科學出版社，1983：67－101.

［11］周禮愷.土壤酶學［M］.北京：科學出版社，1987.

［12］蘇友波，林春，王三根.AM菌根磷酸酶對玉米菌根際土壤磷的影響及其細胞化學定位［J］.西南農(nóng)業(yè)大學學報，2003，25（2）：115－130.

SU Youbo，LIN Chun，WANG Sangen.Effects of arbuscular mycorrhiza fungi（AMF）on phosphates in utilizing soil P in the rhizosphere of corn［J］.Journal of Southwest Agricultural University，2003，25（2）：115－130.

［13］WU Qiangsheng，XIA Renxue，ZOU Yingning，et al.Improved soil structure and citrus growth after inoculation with three arbuscular mycorrhizal fungi under drought stress［J］.European Journal of Soil Biology，2008，44：122－128.

［14］張旭紅，王幼珊，王殿武，等.叢枝菌根真菌對大豆不同水分條件的適應性研究［J］.河北農(nóng)業(yè)大學學報，2003，26（3）：40－45.

ZHANG Xuhong，WANG Youshan，WANG Dianwu，et al.The study on adaptability of arbuscular mycorrhizal fungi to different water treatment［J］.Journal of Agricultural University of Hebei，2003，26（3）：40－45.

［15］SARDANS J，PENUELAS J.Drought decreases soil enzyme activity in a MediterraneanQuercusilexL.forest［J］.Soil Biology ＆Biochemistry，2005，37：455－461.

［16］HUANG Honglin，ZHANG Shuzhen，WU Naiying，et al.Influence ofGlomusetunicatum／Zeamaysmycorrhiza on atrazine degradation，soil phosphatase and dehydrogenase activities，and soil microbial community structure［J］.Soil Biology ＆Biochemistry，2009，41：726－734.

［17］WANG Fayuan，LIN Xiangui，YIN Rui，et al.Effects of arbuscular mycorrhizal inoculation on the growth ofElsholtzia splendensandZeamaysand the activities of phosphatase and urease in a multi－metal－contaminated soil under sterilized conditions［J］.Applied Soil Ecology，2006，31：110－119.

［18］MORTIMER P E，PEREZ－FEMANDEZ M A，VALENTINE A J.Arbuscular mycorrhizae affect the N and C economy of nodulatedPhaseolusvulgarisL.during NH4＋nutrition［J］.Soil Biology ＆Biochemistry，2009，41：2115－2121.

［19］宋福強，楊國亭，孟繁榮，等.叢枝茵根化大青楊苗木根際微域環(huán)境的研究［J］.生態(tài)環(huán)境，2004，13（2）：211－216.

SONG Fuqiang，YANG Guoting，MENG Fanrong，et al.The rhizospheric niche of seedlings ofPopulusussruiensiscolonized by arbuscular mycorrhizal（AM）fungi［J］.Ecology and Environment，2004，13（2）：211－216.

［20］張福鎖.植物根際引起的根際pH 值改變的原因及效應［J］.土壤通報，1993，24（1）：29－36.

ZHANG Fusuo.The cause and effect of plant root on rhizosphere pH value change［J］.Chinese Journal of Science，1993，24（1）：29－36.