AM真菌和磷對(duì)小馬安羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)的影響

宋成軍，曲來葉，馬克明 ,*，傅伯杰 ，陳 羚

(1. 農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125；2. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100041)

AM真菌和磷對(duì)小馬安羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)的影響

宋成軍1，曲來葉2，馬克明2 ,*，傅伯杰2，陳 羚1

(1. 農(nóng)業(yè)部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院農(nóng)村能源與環(huán)保研究所/農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)廢棄物能源化利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100125；2. 中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心城市與區(qū)域國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100041)

叢枝菌根(arbuscular mycorrhizal，AM)真菌在退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建實(shí)踐中具有重要作用。采用盆栽模擬方法，重點(diǎn)分析不同土壤磷條件下小馬鞍羊蹄甲(Bauhiniafaberi)幼苗接種AM真菌后，幼苗的形態(tài)、生物量積累、菌根侵染率和菌根效應(yīng)(mycorrhizal growth response, MGR)在一個(gè)生長(zhǎng)季內(nèi)的動(dòng)態(tài)變化。結(jié)果表明，Glomusmosseae和Glomuscoronatum能較好地侵染幼苗，兩種AM真菌顯著地增加幼苗根系、葉片數(shù)和生物量；接種AM真菌顯著影響幼苗的生物量分配，而土壤磷對(duì)幼苗的生物量分配影響不明顯，AM真菌和土壤磷對(duì)幼苗生長(zhǎng)的交互作用顯著；G.mosseae是小馬鞍羊蹄甲的優(yōu)勢(shì)AM菌，其接種的幼苗根長(zhǎng)、葉片數(shù)、生物量、侵染率和菌根效應(yīng)都顯著高于G.coronatum處理的幼苗；菌根效應(yīng)顯著，接種AM真菌能有緩解土壤磷素缺乏的限制作用，且隨著苗齡增大促生作用表現(xiàn)更為明顯。不同AM菌種對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)的促生作用表現(xiàn)出的差異，提示在多元資源限制的干旱貧瘠環(huán)境中進(jìn)行生物修復(fù)須為目標(biāo)恢復(fù)物種篩選出高效的優(yōu)勢(shì)AM真菌。

退化生態(tài)系統(tǒng)；叢枝菌根真菌；多元養(yǎng)分限制；生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)；植被恢復(fù)

叢枝菌根(arbuscular mycorrhizal, 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土壤微生物，它能夠與陸地上90%以上的植物根系形成AM[1- 3]。AM不僅能增強(qiáng)寄主植物對(duì)土壤中水分和養(yǎng)分的吸收，而且分泌的相關(guān)土壤蛋白參與土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定，從而促進(jìn)寄主植物的生長(zhǎng)和改善土壤結(jié)構(gòu)，所以在退化生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)與重建過程中具有重要功能[4- 6]，生態(tài)恢復(fù)中AM的作用備受關(guān)注。

橫斷山區(qū)干旱河谷是青藏高原特殊氣候與地理環(huán)境條件下形成的脆弱生境，是我國(guó)生態(tài)環(huán)境綜合治理的關(guān)鍵區(qū)域，有效促進(jìn)干旱河谷植被恢復(fù)和重建，遏制生態(tài)退化，已成為當(dāng)前一項(xiàng)迫切的任務(wù)[7]。小馬鞍羊蹄甲(Bauhiniafaberi)是該區(qū)域現(xiàn)存植被中多年生鄉(xiāng)土優(yōu)勢(shì)灌木之一，在橫斷山區(qū)干旱河谷區(qū)域廣為分布，具有較強(qiáng)的耐旱特性和優(yōu)良的水土保持性能，亦可作為飼料、薪材和藥用[8]，小馬鞍羊蹄甲植被的恢復(fù)會(huì)產(chǎn)生很好的生態(tài)、社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，具有巨大的植被恢復(fù)潛力。然而，植被調(diào)查中并未發(fā)現(xiàn)其幼苗的大量存在，嚴(yán)酷的干旱環(huán)境和貧瘠的土壤可能嚴(yán)重制約了幼苗的定居。我國(guó)退化生態(tài)系統(tǒng)中均存在AM真菌[9]，球曩霉屬(Glomus)是干旱生態(tài)系統(tǒng)中分布最廣泛AM真菌，Glomusmosseae則是干旱生態(tài)系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)AM菌種，豆科植物是其寄生的優(yōu)勢(shì)類群[10]。盡管干旱環(huán)境條件下小馬鞍羊蹄甲對(duì)水分和養(yǎng)分脅迫的適應(yīng)能力已有所研究和揭示[8,10- 11]，而AM真菌在干旱和缺磷條件下對(duì)本區(qū)域優(yōu)勢(shì)灌木促生作用一直缺乏必要的研究，缺磷條件下AM的形成能否改善小馬鞍羊蹄甲適應(yīng)干旱環(huán)境的能力并不清楚。因此，針對(duì)該區(qū)土壤水分和磷素多元層級(jí)的資源限制結(jié)構(gòu)[11- 12]，人為接種該區(qū)域植被的優(yōu)勢(shì)AM真菌，假設(shè)接種AM真菌后菌根效應(yīng)顯著，可以刺激小馬鞍羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)，且不同年齡幼苗對(duì)不同AM菌種的響應(yīng)程度不同，使得幼苗能夠更好的適應(yīng)干旱貧瘠環(huán)境。為此，本研究采用盆栽方法模擬干旱缺磷環(huán)境，重點(diǎn)分析不同磷條件下對(duì)兩種AM真菌對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗的促生作用，從而為岷江干旱河谷以鄉(xiāng)土灌木為恢復(fù)目標(biāo)的恢復(fù)理論與實(shí)踐提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

寄主植物 小馬鞍羊蹄甲(Bauhiniafaberivar. microphylla)。

供試AM菌種Glomusmosseae(G.mosseae)和Glomuscoronatum(G.coronatum)。菌種均由北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所微生物室提供，接種劑為高粱繁殖的土沙混合物，內(nèi)含供試菌種孢子、侵染根段和菌絲片段。G.mosseae從新疆昭蘇新疆韭(Alliumcoeruleum)根圍分離，為2857個(gè)孢子/20 mL菌劑，G.coronatum從蒙伊金霍洛旗沙蒿(Artemisiadesteroru)根際分離，為1390個(gè)孢子/20 mL菌劑。

供試基質(zhì) 沙土，將沙土過2 mm篩子充分混勻備用，基質(zhì)的pH值為8.8，電導(dǎo)率為289 μS/cm，速效磷含量為5.9 mg/kg，銨態(tài)氮為13.3 mg/kg，硝態(tài)氮含量為4.2 mg/kg，體積含水量為32%。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2007年在岷江干旱河谷核心區(qū)飛虹鄉(xiāng)(四川省茂縣，土壤類型為石灰性褐土)采集寄主植物種子，通過篩選、水選與肉眼選擇形態(tài)大小基本一致，表皮光滑，健康無蟲害的種子，曬干后備用。2008年7月5日播種，挑選飽滿種子，用20%濃硫酸浸泡4 h，蒸餾水沖洗干凈，并浸泡24 h。萌發(fā)前用2.5%NaOCl溶液將種子消毒10 min，然后在蒸餾水中浸泡20 min。再把種子鋪在墊有濾紙的托盤內(nèi)，放在培養(yǎng)箱中，黑暗下萌發(fā)7d(60%濕度和25 ℃)。接種前，沙土和珍珠巖間歇滅菌3次(1.1 kg/cm2，126 ℃，20 min)，一次性塑料杯(250 mL)則用75%酒精消毒。幼苗長(zhǎng)出2片真葉后，選擇發(fā)芽一致的幼苗移植(1株/杯)。植苗時(shí)，每杯先裝基質(zhì)150 g，然后放入接種劑5 g，再加入100 g基質(zhì)，最后覆蓋一薄層珍珠巖3.5 g，以防止基質(zhì)的水分蒸發(fā)。移苗后，隨即按照表2中磷的濃度和配比要求，均勻澆入磷溶液([NaH2PO4] = 4.9 mmol/L)和蒸餾水。

試驗(yàn)設(shè)置2個(gè)磷梯度(6.0 mg P/kg和24.0 mg P/kg)和2個(gè)菌處理(G.mosseae和G.coronatum)(表1)。兩個(gè)磷梯度可以模擬干旱河谷表層褐土(0—20 cm)磷含量的極低值和高值，32%的體積含水量則代表干旱河谷生長(zhǎng)季表層土壤含水量的平均值[12]。采用析因試驗(yàn)和對(duì)照，共6個(gè)處理，每一處理設(shè)置12個(gè)重復(fù)，共72株幼苗。試驗(yàn)在城市與區(qū)域國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，幼苗置于培養(yǎng)箱內(nèi)培植，箱內(nèi)環(huán)境參數(shù)為：夜間長(zhǎng)14 h，溫度為19 ℃，相對(duì)濕度88%；白天持續(xù)10 h，溫度25 ℃，相對(duì)濕度為70%。2008年7月27日，開始稱重法控制水分，試驗(yàn)至11月7日結(jié)束。移苗兩周后，每杯每周澆一次無磷Long Ashton 營(yíng)養(yǎng)液，以保證其它營(yíng)養(yǎng)元素的供應(yīng)。

表1 磷肥和AM真菌的濃度及其施用配比

LPCK: 低磷處理；LPGc: 低磷+接種G.coronatum處理；LPGm: 低磷+接種G.mosseae處理; HPCK: 高磷處理; HPGc: 高磷+接種G.coronatum處理; HPGm: 高磷+接種G.mosseae處理

1.3 樣品分析

在苗齡第48天、86天和104天時(shí)分別收割幼苗，每個(gè)處理每次收割3株幼苗。試驗(yàn)結(jié)束時(shí)登記所有死苗。收割前，分別測(cè)定基徑、莖總長(zhǎng)、株高、葉片數(shù)等4個(gè)生長(zhǎng)指標(biāo)；收割后，清洗根系，取少量根系進(jìn)行其他測(cè)定。自然晾干后，按照葉、莖、細(xì)根和粗根將植株分開，測(cè)量各部分鮮重和細(xì)根總長(zhǎng)度，然后在68 ℃烘箱中烘至恒重，在萬分之一分析天平(Mettler-Toledo AL204)上稱量，即得各器官生物生產(chǎn)量。幼苗由于樣品量小，磨碎后全部用于元素分析。依據(jù)Phillips和Hayman[13]描述的方法染色，侵染率(IR)采用侵染頻度(IF%)表示，計(jì)算公式為：IF%=(侵染根段數(shù)/總根數(shù))×100[14]；菌根效應(yīng)(MGR)計(jì)算公式為：MGR(%)=(菌根植物干重-不接種植物干重)/菌根植物干重×100%[15]。根長(zhǎng)用卷尺測(cè)量，根面積用面積測(cè)定儀(Honggu，Akinori MYKA. Lab. 1.01 Ver)測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

基于多元方差分析(MANOVA)來分析和評(píng)價(jià)AM真菌和土壤磷對(duì)幼苗根系、葉片、生物量等多個(gè)指標(biāo)的綜合影響。第一步，采用MANOVA來評(píng)定AM真菌和磷處理的主效應(yīng)和交互作用；第二步：采用Tukey′s HSD 方法進(jìn)行多重比較，采用皮爾遜相關(guān)分析法對(duì)各處理下幼苗的生長(zhǎng)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)分析。方差分析前，所有實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行正態(tài)檢驗(yàn)，必要時(shí)用對(duì)數(shù)轉(zhuǎn)換，以保證數(shù)據(jù)服從正態(tài)分布和方差齊性。分析統(tǒng)計(jì)均在SPSS13.0軟件(Standard released version 13 for Windows，SPSS Inc.，IL. Chicago，USA)上完成。

2 結(jié)果

2.1 不同磷條件下AM真菌對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)的主效應(yīng)和交互作用

兩種土壤磷條件下，接種G.mosseae和G.coronatum后，AM真菌對(duì)小馬鞍羊蹄幼苗根系有較好地侵染，G.mosseae的侵染率顯著高于G.coronatum的侵染率，不同苗齡間菌根侵染率相差不大，低磷條件下G.mosseae和G.coronatum對(duì)根系的侵染率分別處在51%—71%和30%—31%之間，高磷條件下G.mosseae和G.coronatum對(duì)根系的侵染率分別處在60%—74%和35%—58%之間(圖1)。

表2表明：多元方差分析模型適用于該研究(Plt;0.001)，土壤磷對(duì)幼苗生長(zhǎng)的主效應(yīng)不顯著，AM真菌對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)的主效應(yīng)顯著，磷和AM對(duì)幼苗生長(zhǎng)交互作用影響不明顯。

2.2 不同磷條件下接種AM真菌對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)影響

不同土壤磷條件下，接種G.mosseae或G.coronatum對(duì)幼苗的根系生長(zhǎng)都有顯著促進(jìn)作用，菌根對(duì)86d和104d的幼苗的促進(jìn)作用明顯高于48d的幼苗。由圖2可見，48d的幼苗在HPGm處理下，根長(zhǎng)比LPCK處理增加了57%，在HPGc處理下，根長(zhǎng)比LPCK處理增加了8%；86d的幼苗，LPGm處理下根長(zhǎng)比LPGc處理增加了33%，且LPGm和LPGc處理的根長(zhǎng)分別比LPCK處理增加了104%和53%，HPGm處理的根長(zhǎng)比HPGc處理增加了43%，且HPGm和HPGc處理的根長(zhǎng)分別比HPCK處理增加了131%和62%；104d的幼苗，LPGm處理下根長(zhǎng)比LPGc處理增加了15%，且在LPGm和LPGc處理下，根長(zhǎng)分別比LPCK處理增加了77%和55%，HPGm處理的根長(zhǎng)比HPGc處理增加了10%，且在HPGm和HPGc處理下，根長(zhǎng)分別比HPCK處理增加了89%和72%。另外，在3個(gè)苗齡階段，幼苗在HPCK處理下，根長(zhǎng)分別比LPCK處理增加了15%、13%和16%，在HPGm處理下，根長(zhǎng)分別比LPGc處理增加了36%、29%和24%，在HPGc處理下，根長(zhǎng)分別比LPGc處理增加了12%、20%和29%。

表2不同磷條件下AM真菌對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)影響的多元方差分析

Table2MultivariateanalysisofvarianceoneffectsofAMfungiongrowthcharacteristicofB.faberiseedlingsunderdifferentsoilphorsphorus

效應(yīng)EffectTWilks'lambdaTvalue假設(shè)檢驗(yàn)自由度HypothesisdfdfF顯著性Sig.截距Intercept0.0048.00011.000355.3000.000***磷肥Pfertilizer0.4428.00011.0001.7350.195菌種AMfungi0.01216.00022.00011.2820.000***磷肥×菌種P×AM0.22816.00022.0001.5060.184

***代表0.1%水平上的差異顯著性

圖1 生長(zhǎng)季內(nèi)不同磷和AM菌種侵染下的小馬鞍羊蹄甲幼苗根系的菌根侵染率Fig.1 Change in infection frequency of B. faberi seedlings differing in mycorrhizal status and soil AP concentration in growing seasonLPCK: 低磷處理；LPGc: 低磷+接種G. coronatum處理；LPGm: 低磷+接種G. mosseae處理; HPCK: 高磷處理; HPGc: 高磷+接種G. coronatum處理; HPGm: 高磷+接種G. mosseae處理; 不同小寫字母表示在0. 05 水平上差異顯著

圖2 生長(zhǎng)季內(nèi)不同磷條件下小馬鞍羊蹄甲幼苗根長(zhǎng)隨接種AM真菌的變化Fig.2 Change in total root length of B. faberi seedlings inoculated with two AM fungi differing in soil AP concentration during one growing seasonLPCK: 低磷處理；LPGc: 低磷+接種G. coronatum處理；LPGm: 低磷+接種G. mosseae處理; HPCK: 高磷處理; HPGc: 高磷+接種G. coronatum處理; HPGm: 高磷+接種G. mosseae處理

不同土壤磷條件下，接種G.mosseae或G.coronatum對(duì)幼苗的葉片數(shù)量都有顯著增加作用，菌根對(duì)86d和104d的幼苗的促進(jìn)作用明顯高于48d的幼苗。由圖3可見，48d的幼苗在HPGm處理下，葉片數(shù)比LPCK處理增加了281%，在HPGc處理下，葉片數(shù)比LPCK處理增加了17%；86d的幼苗，LPGm處理下葉片數(shù)比LPGc處理增加了15%，且LPGm和LPGc處理的葉片數(shù)分別比LPCK處理增加了533%和450%，HPGm處理的葉片數(shù)比HPGc處理增加了54%，且HPGm和HPGc處理的葉片數(shù)分別比HPCK處理增加了433%和247%；104d的幼苗，LPGm處理下葉片數(shù)比LPGc處理增加了29%，且在LPGm和LPGc處理下，葉片數(shù)分別比LPCK處理增加了471%和373%，HPGm處理的葉片數(shù)比HPGc處理增加了5%，且在HPGm和HPGc處理下，葉片數(shù)分別比HPCK處理增加了461%和433%。另外，在3個(gè)苗齡階段，幼苗在HPCK處理下，葉片數(shù)分別比LPCK處理增加了17%、25%和10%，在HPGm處理下，葉片數(shù)分別比LPGc處理增加了205%、5%和8%，在HPGc處理下，葉片數(shù)分別比LPGc處理增加了30%、-21%和24%。

不同土壤磷條件下，接種G.mosseae或G.coronatum對(duì)植株生物量均有明顯的提高作用，菌根對(duì)86d和104d的幼苗的促進(jìn)作用明顯高于48d的幼苗。由圖4可知，48d的幼苗在HPGm處理下，生物量比LPCK處理增加了156%，在HPGc處理下，生物量比LPCK處理增加了22%；86d的幼苗在LPGm處理下，生物量比LPGc處理增加了12%，且在LPGm和LPGc處理下，生物量分別比LPCK處理增加了19%和6%，HPGm處理的生物量比HPGc處理增加了7%，且在HPGm和HPGc處理下，生物量分別比HPCK處理增加了36%和27%；104d的幼苗在LPGm處理下，生物量比LPGc處理增加了15%，且在LPGm和LPGc處理下，生物量分別比LPCK處理增加了45%和26%，HPGm處理的生物量比HPGc處理增加了23%，且在HPGm和HPGc處理下，生物量分別比HPCK處理增加了68%和37%。另外，在3個(gè)苗齡階段，幼苗在HPCK處理下，生物量分別比LPCK處理增加了22%、3%和15%，在HPGm處理下，生物量分別較LPGm處理增加了36%、29%和24%，在HPGc處理下，生物量分別較LPGc處理增加了12%、20%和29%。

圖3 生長(zhǎng)季內(nèi)不同磷條件下小馬鞍羊蹄甲幼苗葉片數(shù)隨接種AM真菌的變化Fig.3 Change in leaf number of B. faberi seedlings inoculated with two AM fungi differing in soil AP concentration during one growing seasonLPCK: 低磷處理；LPGc: 低磷+接種G. coronatum處理；LPGm: 低磷+接種G. mosseae處理; HPCK: 高磷處理; HPGc: 高磷+接種G. coronatum處理; HPGm: 高磷+接種G. mosseae處理

圖4 生長(zhǎng)季內(nèi)不同磷條件下小馬鞍羊蹄甲幼苗總生物量隨接種AM真菌的變化Fig.4 Change in total biomass of B. faberi seedlings inoculated with two AM fungi differing in soil AP concentration during one growing seasonLPCK: 低磷處理；LPGc: 低磷+接種G. coronatum處理；LPGm: 低磷+接種G. mosseae處理; HPCK: 高磷處理; HPGc: 高磷+接種G. coronatum處理; HPGm: 高磷+接種G. mosseae處理

2.3 不同磷條件下接種AM真菌對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗生物量積累與分配的影響

由表3可知，接種AM真菌對(duì)幼苗的生物量積累及分配有顯著影響(Plt;0.05)，但土壤磷素對(duì)幼苗生物量積累及分配的影響不顯著(Pgt;0.05)，且磷和AM真菌處理交互作用顯著(Plt;0.05)。在LPGm處理下，幼苗的總生物量、葉生物量、莖生物量和細(xì)根生物量分別比LPGc處理增加了15%、131%、98%和21%，且地上生物量增加了111%而下地生物量下降了28%，LPGm處理下葉片質(zhì)量分?jǐn)?shù)從12%增加到24%，比LPCK處理增加了149%；在HPGm處理下，幼苗的總生物量、葉生物量、莖生物量和細(xì)根生物量分別比HPGc處理增加了23%、33%、17%和27%，且地上部生物量增加了25%而地下部生物量下降了21%，HPGm處理下葉片質(zhì)量分?jǐn)?shù)從26%增加到29%，比HPCK處理增加了87%。

表3 不同處理小馬鞍羊蹄甲幼苗生物量在各器官中的積累與分配

LPCK: 低磷處理；LPGc: 低磷+接種G.coronatum處理；LPGm: 低磷+接種G.mosseae處理; HPCK: 高磷處理; HPGc: 高磷+接種G.coronatum處理; HPGm: 高磷+接種G.mosseae處理; *代表5%水平上的差異顯著性

2.4 相關(guān)性分析

AM真菌侵染率與小馬鞍羊蹄甲生長(zhǎng)參數(shù)的相關(guān)性十分明顯(表4)。侵染率與基莖、莖總長(zhǎng)、株高、葉片數(shù)、總生物量等參數(shù)呈顯著正相關(guān)，而與根莖比顯著負(fù)相關(guān)，與細(xì)根長(zhǎng)負(fù)相關(guān)但不顯著；小馬鞍羊蹄甲幼苗的根莖比和基莖、莖總廠、株高、葉片數(shù)顯著負(fù)相關(guān)；小馬鞍羊蹄甲幼苗的總生物量與基莖、莖總廠、株高、葉片數(shù)顯著正相關(guān)，與葉片數(shù)正相關(guān)。

表4 不同處理小馬鞍羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)參數(shù)和侵染率的相關(guān)關(guān)系

*，**分別代表5%、1%水平的差異顯著性

3 討論

土壤水分和有效磷是干旱生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)的關(guān)鍵限制性資源[16- 17]，并在空間和時(shí)間分布上具有強(qiáng)烈的異質(zhì)性[11,18]。小馬鞍羊蹄甲作為岷江干旱河谷一種優(yōu)勢(shì)鄉(xiāng)土豆科灌木，其植被生長(zhǎng)和空間格局必然受到土壤干旱脅迫和磷分缺乏的共同限制,。同時(shí)，AM真菌作為直接聯(lián)系土壤和植物根系的一類微生物，AM真菌與植物共生可以改善植物的磷營(yíng)養(yǎng)，增強(qiáng)植物抵御干旱的危害，提高植物在逆境中的生存能力[19]。因此，需要深入認(rèn)識(shí)干旱缺磷條件下接種AM真菌對(duì)優(yōu)勢(shì)灌木幼苗更新和生長(zhǎng)的影響過程。本文應(yīng)用盆栽試驗(yàn)研究了目標(biāo)恢復(fù)物種(target species)——小馬鞍羊蹄甲幼苗在干旱和缺磷條件下接種兩種干旱區(qū)豆科灌木優(yōu)勢(shì)AM真菌(G.mosseae和G.coronatum)對(duì)其幼苗生長(zhǎng)動(dòng)態(tài)的影響。試驗(yàn)中，當(dāng)年生幼苗株高在6—25 cm之間，單株生物量為0.1—0.5 mg，幼苗表現(xiàn)出一定的死亡率，多元方差分析結(jié)果表明，土壤有效磷和AM真菌對(duì)幼苗生長(zhǎng)的交互作用明顯，即不同土壤磷條件下幼苗接種AM真菌對(duì)生物量積累及分配有顯著影響(表3)。以上結(jié)果證明了干旱河谷惡劣的水分和養(yǎng)分脅迫嚴(yán)重限制了幼苗的定植和生長(zhǎng)，也證實(shí)小馬鞍羊蹄甲具有較強(qiáng)的適應(yīng)本地嚴(yán)酷環(huán)境的適應(yīng)能力，具備了選作干旱河谷植被恢復(fù)物種的潛力。因此，在岷江干旱河谷缺水少磷的自然環(huán)境中，研究小馬鞍羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)在不同土壤磷素條件下對(duì)接種不同AM真菌的響應(yīng)，可以加深理解小馬鞍羊蹄甲種群的自然恢復(fù)機(jī)制，同時(shí)為人工恢復(fù)提供技術(shù)支撐。

本研究表明G.mosseae和G.coronatum能較好地侵染小馬鞍羊蹄甲幼苗根系。試驗(yàn)中，G.mosseae和G.coronatum在不同苗齡時(shí)均可有效侵染小馬鞍羊蹄甲幼苗，即便在土壤磷素極低條件下，G.mosseae對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗根系的侵染率區(qū)間亦達(dá)到51%—71%，G.coronatum對(duì)幼苗的侵染率為30%—310%，而在高磷條件下，G.mosseae對(duì)小馬鞍羊蹄甲幼苗根系的侵染率為60%—74%，G.coronatum的侵染率為35%—58%，可見土壤極低磷和高磷條件下，AM真菌對(duì)小馬鞍羊蹄甲根系的侵染差別不大。這一結(jié)果表明兩種AM真菌都能有效地侵染小馬鞍羊蹄甲幼苗根系，侵染率差異不明顯則表明土壤磷素對(duì)AM真菌侵染小馬鞍羊蹄甲幼苗的影響較弱(圖1)。這與附近區(qū)域的野外調(diào)查分析結(jié)果一致，蔡曉布等[20]調(diào)查分析了環(huán)境因子對(duì)西藏高原草地植物AM真菌的影響，發(fā)現(xiàn)土壤有效磷在≤24 mg/kg范圍內(nèi)，AM真菌侵染率和土壤有效磷幾乎沒有相關(guān)性。但在土壤磷極低條件下，接種AM真菌的小馬鞍羊蹄甲幼苗表現(xiàn)出的菌根效應(yīng)較高磷條件下的幼苗所表現(xiàn)出的菌根效應(yīng)明顯增大，這可能是由于侵染率的提高可以顯著增加植物根系從土壤中獲取水分和磷素的能力[21- 23]，因?yàn)榇罅垦芯勘砻鳎珊禇l件下接種AM真菌能提高幼苗和植被吸收利用難移動(dòng)的和易移動(dòng)土壤養(yǎng)分元素[24- 25]。所以，在土壤磷素缺乏的岷江干旱環(huán)境中，為幼苗接種AM真菌是一種緩解多元資源限制的有效措施。

圖5 生長(zhǎng)季內(nèi)不同磷和AM真菌侵染條件下的小馬鞍羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)的菌根效應(yīng)Fig.5 Change in mycorrhizal growth response of B. faberi seedlings differing in mycorrhizal status and soil AP concentration during one growing seasonLPCK: 低磷處理；LPGc: 低磷+接種G. coronatum處理；LPGm: 低磷+接種G. mosseae處理; HPCK: 高磷處理; HPGc: 高磷+接種G. coronatum處理; HPGm: 高磷+接種G. mosseae處理; 不同小寫字母表示在0. 05 水平上差異顯著

AM真菌侵染小馬鞍羊蹄甲幼苗根系后，AM真菌的菌根效應(yīng)明顯，G.mosseae產(chǎn)生的菌根效應(yīng)顯著高于G.coronatum，這暗示前者是小馬鞍羊蹄甲的優(yōu)勢(shì)共生AM菌種。實(shí)際上，G.mosseae適應(yīng)范圍較廣[26]，共生植物較副冠球囊霉屬多，本研究結(jié)果也與秦曉峰[27]的野外調(diào)查結(jié)果一致。另外，小馬鞍羊蹄甲幼苗在不同苗齡時(shí)對(duì)AM真菌的響應(yīng)有明顯差異。在48d和86d苗齡時(shí)，無論土壤磷條件如何，兩種AM真菌的菌根效應(yīng)相差不明顯，比如，在土壤極低磷條件下，G.mosseae侵染后，48d的幼苗菌根效應(yīng)變動(dòng)范圍為26%—30%，86d的幼苗菌根效應(yīng)約為6%，在土壤高磷條件下，G.mosseae侵染后，48d的幼苗菌根效應(yīng)變動(dòng)范圍為16%—17%，G.coronatum侵染后菌根效應(yīng)在2%—4%內(nèi)波動(dòng)，但生長(zhǎng)季末(即苗齡104d)G.mosseae和G.coronatum侵染后表現(xiàn)出的菌根效應(yīng)顯著高于前2兩個(gè)階段的幼苗(圖5)。

干旱環(huán)境中，在不同土壤磷條件下，接種AM真菌能緩解磷限制和顯著促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)，增加其環(huán)境適應(yīng)性。LPCK處理下，幼苗根長(zhǎng)、葉片數(shù)量和總生物量分別為HPCK處理的87%、91%和85%(圖2—圖4)，這一結(jié)果表明小馬鞍羊蹄甲幼苗在生長(zhǎng)季內(nèi)明顯受到土壤磷素的強(qiáng)烈限制，但是LPCK和HPCK處理下的幼苗根長(zhǎng)、葉片數(shù)、葉生物量、莖生物量、細(xì)根生物量和總生物量明顯小于接種AM真菌幼苗，這又說明接種AM真菌能有緩解土壤磷素缺乏的限制作用，并且隨著苗齡增大促生作用表現(xiàn)更為明顯，蔡曉布等[20]和張燕等[28]也得到了類似研究結(jié)果。接種G.mosseae和G.coronatum顯著提高小馬鞍羊蹄甲幼苗的總生物量積累(分別增加了地上生物量和地下生物量)的同時(shí)，明顯增加了地上生物量在總生物量中的分配比例，降低了幼苗的根莖比，這表明AM真菌對(duì)小馬鞍羊蹄甲地上部生長(zhǎng)的促進(jìn)作用較根系更為強(qiáng)烈，幼苗葉片數(shù)與AM真菌侵染率呈顯著正相關(guān)而與根莖比呈顯著負(fù)相關(guān)也表明了這一結(jié)果(表4)?？梢?，接種AM真菌既能滿足幼苗生長(zhǎng)對(duì)磷素的需要，又可提高幼苗的光合作用面積和光合效率，從而在一定程度上緩解養(yǎng)分脅迫，反過來又促進(jìn)幼苗生長(zhǎng)。因此，生物修復(fù)是干旱生態(tài)系統(tǒng)植被恢復(fù)與重建的最為有效手段之一[29- 30]。研究表明在干旱河谷調(diào)查土壤AM真菌時(shí)發(fā)現(xiàn)該區(qū)域植被被球囊霉屬AM真菌普遍侵染，AM侵染率高達(dá)92%，球囊霉屬占所有AM真菌種類的74%[31]，實(shí)際上，自然恢復(fù)過程中橫斷山區(qū)干旱河谷植被本身具有很高的AM真菌生物多樣性和AM真菌侵染率[32- 34]，盆栽試驗(yàn)結(jié)果和野外調(diào)查表明應(yīng)用AM真菌進(jìn)行植被恢復(fù)具有現(xiàn)實(shí)意義。

在干旱脅迫和磷限制環(huán)境中，兩種AM菌種對(duì)生長(zhǎng)效應(yīng)表現(xiàn)出差異性是在沙土盆栽試驗(yàn)條件下獲得的，鄉(xiāng)土目標(biāo)恢復(fù)物種僅為小馬鞍羊蹄甲一種，觀察時(shí)間僅為一個(gè)生長(zhǎng)季，因此，在將AM真菌用于研究區(qū)域植被恢復(fù)時(shí)，有必要進(jìn)一步在原土栽培條件下，尤其是野外環(huán)境中開展較長(zhǎng)時(shí)間的生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)，定量研究植物生長(zhǎng)、土壤養(yǎng)分和AM真菌之間的相互作用，深入揭示AM真菌對(duì)土壤—植被系統(tǒng)恢復(fù)的作用方式，從而提高多元資源限制環(huán)境中植被恢復(fù)效率。

致謝：感謝李芳蘭、田宜水、陳羚等對(duì)論文寫作和修改的幫助。

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ImpactsofarbuscularmycorrhizalfungiandphosphorusongrowthdynamicsofBauhiniafaberiseedlings

SONG Chengjun1, QU Laiye2, MA Keming2,*, FU Bojie2,CHEN Ling1

1KeyLaboratoryOfEnergyResourceUtilizationFromAgriculturalResidues(MOA),InstituteofEnergyandEnvironmentalProtection,ChineseAcademyofAgricultureEngineering,Beijing100125,China2ResearchCentreofEco-environmental,ChineseAcademyofSciences,Beijing100041,China

Arbuscular mycorrhizal (AM) fungi play key roles in ecological restoration and ecological reconstruction of degraded ecosystems in arid and semi-arid lands. Based on the previous results of limiting soil moisture and soil available phosphorus (AP) deficit in the arid valley of Mingjiang River, which is one of the main branches of Yangtze River and located in the north of the Hengduan Mountain Systems, a full factorial and completely random pot experiment in a greenhouse was designed and conducted to understand the influence of two AM fungi (GlomusmosseaeandGlomuscoronatum) on dynamics ofBauhiniafaberiseedling growth. We calculated biomass production and its partitioning, inoculation rate, and mycorrhizal growth response (MGR) across one growth season with two soil AP concentration (P1:6.0 and P2: 24.0 mg P/kg soil). The following results were obtained: (1) Irrespective of both low and high soil AP concentration (6.0 mg/kg and 24.0 mg P /kg soil ), both AM fungi could well colonized root ofB.faberiseedlings. Under two soil AP conditions, growth promotion effects on seedling root, leaf number and biomass production were significantly increased marked when inoculatingB. faberi seedling roots with both AM fungi (G.mosseaeorG.coronatum); (2) inoculation withG.mosseaeorG.coronatumon seedling root significantly impacted on root biomass accumulation and its partitioning (Plt;0.05). However, soil AP did a little effect on biomass accumulation and its partitioning (Pgt; 0.05), the coupling interaction between inoculated with AM fungi and soil AP was obvious (Plt;0.05) by multivariate analysis of variance (MANOVA); (3) The inoculation rate ofG.mosseaeranged from 51% to 71% under low soil AP condition and ranged from 60% to 74% under high soil AP condition, the inoculation rate ofG.coronatumdid from 30% to 31% under low soil AP condition and from 35% to 58% under high soil AP condition. Therefore, seedling inoculated withG.mosseaehad absolutely higher the root length, leaf number, total biomass, inoculation rate, and MGR than those of seedlings inoculated withG.coronatum. The result suggested thatG.mosseaeis the more appropriate host forB.faberiin poor arid environment; (4) MGR ofG.mosseaeandG.coronatumwas marked increasing, Inoculation with AM fungi can decrease the limiting strengthen of soil AP. Moreover, the extent with age of seedlings (both 48 and 86 day) was apparently more stronger than those seedlings of 104 day. However, no significant higher of inoculation rates for both AM fungi under 6.0 and 24.0 mg P/kg soil condition demonstrated that the impacts of soil AP on inoculation rate of AM fungi was weakly. The different abilities of both AM fungi (G.mosseaeorG.coronatum) could improve growth onB.faberiseedling, which indicated that it is important and necessary to select beneficial AM fungi for vegetation restoration practice in multi-resource limiting regions.

degraded ecosystem; arbuscular mycorrhizal fungi; multi-resource limitation; growth dynamics; vegetation restoration

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41101270，31170581)

2013- 06- 06;

2013- 07- 23

*通訊作者Corresponding author.E-mail: mkm@rcees.ac.cn

10.5846/stxb201306061367

宋成軍，曲來葉，馬克明，傅伯杰，陳羚.AM真菌和磷對(duì)小馬安羊蹄甲幼苗生長(zhǎng)的影響.生態(tài)學(xué)報(bào),2013,33(19):6121- 6128.

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