不同AMF接種兩種濕地植物的生長效應(yīng)研究

莫惠芝,曾憲軍,何新杰,裴福云,許建新

(深圳市鐵漢生態(tài)環(huán)境股份有限公司,廣東 深圳 518040)

人工濕地被廣泛應(yīng)用于工業(yè)及生活廢水的處理,主要依靠濕地中基質(zhì)、微生物及植物的相互作用實(shí)現(xiàn)污水的凈化[1]。植物是濕地生態(tài)系統(tǒng)中重要的組成部分,具有美化濕地生態(tài)景觀,吸收氮磷、重金屬,改善水體微生物生境,抑藻等功能[2]。植物種類不同,其生態(tài)功能差異性較大,開展優(yōu)勢植物的篩選及提高植物抗性和生長效應(yīng)的技術(shù)研究,從而增強(qiáng)植物對污染物質(zhì)的吸收能力,對人工濕地生態(tài)功能的強(qiáng)化具有重要意義。

叢枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi)簡稱AMF,廣泛分布于土壤中,是一類專性活體營養(yǎng)共生菌[3],能夠與地球上絕大多數(shù)植物形成菌根。AMF在改變土壤酶及植物根際微生物活性,提高植物群落的穩(wěn)定性和生產(chǎn)力方面起著重要的生態(tài)作用,同時(shí)能促進(jìn)植物抗病、抗鹽、抗重金屬、抗寒,促進(jìn)植物生長發(fā)育,增強(qiáng)植物對氮、磷及重金屬的吸收[1]。AMF是濕地植物主要共生菌,在濕地生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的作用[4]。菌根技術(shù)與植物吸附相結(jié)合可以有效緩解人工濕地中植物生長周期過長、單一植物對富營養(yǎng)化水體氮磷吸收有限及多種植物搭配種植造成生態(tài)位競爭等問題,是污染水體生態(tài)修復(fù)新的研究方向[5]。

翠蘆莉(Ruelliabrittoniana)和藍(lán)花鳶尾(Iristectorum)觀賞特性佳，生長適應(yīng)性強(qiáng),常被用于人工濕地的景觀綠化。本研究對翠蘆莉、藍(lán)花鳶尾接種不同的AMF,比較了兩種濕地植物的生長效應(yīng),篩選出最優(yōu)的AMF-植物共生組合,為濕地植物的高效育苗及強(qiáng)化人工濕地的生態(tài)功能提供了一種生物學(xué)技術(shù)手段。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試植物為翠蘆莉、藍(lán)花鳶尾。先使用1% NaClO溶液浸泡供試植物的種子30 min,再用無菌水清洗種子，最后于滅菌基質(zhì)中催芽，所得大小一致的幼苗。

供試基質(zhì)為泥炭土、陶粒、珍珠巖按2∶1∶1比例混合的基質(zhì)。采用全自動滅菌鍋121 ℃滅菌2 h；滅菌結(jié)束后，于陰涼無菌環(huán)境處自然晾干至少4 d，備用。

供試菌種:摩西球囊霉(Glomusmosseae, A菌)、根內(nèi)球囊霉(Glomusintraradices, B菌)、幼套球囊霉(Glomusetunicatum, C菌)。這3種真菌均由北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營養(yǎng)與資源研究所叢枝菌根真菌種質(zhì)資源庫(BGC)提供,用盆栽沙培法擴(kuò)繁獲得菌種。

供試栽培花盆:邊長為12 cm的正方形花盆,用0.3% KMnO4溶液浸泡30 min,殺死表面真菌,再用清水沖洗干凈后使用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

將A、B、C三種AMF進(jìn)行排列組合,得到A、B、C、AB、AC、BC、ABC共7個(gè)菌種組合處理(多個(gè)菌種按重量比1∶1進(jìn)行混合)；另設(shè)空白對照CK。將滅菌基質(zhì)裝在滅菌花盆中,保證每盆基質(zhì)的重量一致。接菌處理每花盆加入30 g菌種,對照組加入30 g滅菌基質(zhì)；每個(gè)處理5次重復(fù)。在植物長出4片真葉后，選取長勢一致的幼苗移栽于試驗(yàn)花盆中。苗木常規(guī)管理3個(gè)月,觀察并記錄植物的生長狀況,測量植物的株高、葉片數(shù)量、地上及地下部分生物量、菌根侵染率、葉片葉綠素含量及光合參數(shù)。

1.3 指標(biāo)測定與分析

生物量:洗凈植物根系,分開地上、地下部分，裝于牛皮信封袋中，在105 ℃下殺青30 min，然后在80 ℃下烘至恒重,稱量地上、地下生物量,計(jì)算總生物量。

菌根侵染率:選取細(xì)小根段(直徑小于2 mm)，將其裝入100 mL寬口塑料瓶中,用50%乙醇固定根系；帶回實(shí)驗(yàn)室后取出根樣,剪成1 cm左右長度的根段,在流水下洗凈泥沙顆粒,用10%KOH溶液于70 ℃下脫色，直至根樣為無色透明為止；將其再次洗凈，然后用2%HCl溶液酸化15 min,用派克墨水在溫室下染色1 h;用乳酸甘油作載浮劑,將根段整齊地?cái)[放在載玻片上,用蓋玻片封片,在顯微鏡下檢測菌根侵染情況。鏡檢及菌根侵染率的計(jì)算參考王幼珊等[3]的方法。

葉綠素含量:使用SPAD-502葉綠素儀測定從頂芽順數(shù)第3及第4片葉子的葉綠素含量,每片葉子均勻測量5個(gè)位置,計(jì)算并記錄每株植物的平均葉綠素含量,每處理測量5株植物。

馬鈴薯在赤峰農(nóng)牧科學(xué)研究院果園試驗(yàn)地于2017年5月16日播種，試驗(yàn)采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，一次性施入農(nóng)家肥30 000 kg/hm2做底肥進(jìn)行翻地，規(guī)格為深翻50 cm，旋耕后播種，隨播種施入史丹利復(fù)合肥1 200 kg/hm2（15-15-15）。種植方式為覆膜滴灌雙壟栽培，壟距1.1 m，行長10.0 m，小行距0.4 m，株距 0.3 m，每個(gè)小區(qū)種3壟，小區(qū)面積33 m2，3次重復(fù)，環(huán)田設(shè)保護(hù)行。采用機(jī)器開溝后，人工用噴霧器噴施50%莠去津4.5 L/hm2，對噴施莠去津除草劑的土壤噴施緩解劑，各不同緩解劑處理如表1所示。

光合參數(shù):選擇晴朗天氣,采用Li-6400便攜式光合作用測量儀測量不同處理的植物葉片在1000 PAR光照強(qiáng)度下的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度以及蒸騰速率。

菌根依賴性(MD):菌根依賴性=菌根植株干物質(zhì)/非菌根植株干質(zhì)量。MD≤100%表示植物對菌根的依賴性較弱或沒有依賴性；100%300%表示植物對菌根的依賴性較強(qiáng)[6]。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel軟件對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和制圖；采用SPSS 19.0軟件對不同處理的相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行差異顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 接種不同AMF對2種濕地植物菌根侵染率的影響

對2種濕地植物菌根侵染率的檢測發(fā)現(xiàn),受實(shí)驗(yàn)環(huán)境影響,未接菌處理的基質(zhì)受到少量外來AMF污染,部分根段中檢測到少量AMF侵染結(jié)構(gòu),但侵染率不高,翠蘆莉CK組菌根侵染率為0.56%,藍(lán)花鳶尾CK組菌根侵染率為2.33%。

AMF具有特異性,不同菌種對不同植物的侵染性不一樣,菌種與菌種之間也存在互利關(guān)系或競爭關(guān)系。比較2種植物各接菌處理的菌根侵染率,發(fā)現(xiàn)翠蘆莉的菌根侵染率較低,所有接菌處理的菌根侵染率均在30%以下，其中A菌處理的菌根侵染率最高,為28.44%;其次是AB菌處理,菌根侵染率為25.67%;AC菌處理第三,菌根侵染率為22.78%;ABC菌處理的菌根侵染率較低,僅為17.33%。藍(lán)花鳶尾各接菌處理的菌根侵染率高于翠蘆莉,為23.11%～42.33%，其中A菌處理的菌根侵染率最高,為42.33%;其次是ABC菌處理,為38.89%; BC菌處理第三,為34.67%; AB菌處理的菌根侵染率最低,為23.11%(圖1)。

2.2 接種不同AMF對2種濕地植物生長量及生物量的影響

對接種不同AMF的植物常規(guī)管理3個(gè)月后,2種濕地植物的生長量及生物量均出現(xiàn)了不同程度的差異。

不同處理翠蘆莉的株高差異在0.05水平下不顯著。與CK對比,接種AMF的翠蘆莉的葉片數(shù)量均有所增加，除接種BC菌的處理外,其他接菌處理的葉片數(shù)量與CK的差異均達(dá)到了顯著水平(P<0.05)；其中以接種A菌處理的葉片數(shù)量最多,平均每株植物的葉片數(shù)比CK多17片;其次是接種AC菌處理,平均每株植物的葉片數(shù)比CK多14片。與CK組對比,接種不同AMF均能提高藍(lán)花鳶尾的株高和葉片數(shù)量，其中接種A菌處理和C菌處理藍(lán)花鳶尾的株高顯著(P<0.05)高于CK的,這兩個(gè)處理植株的平均株高均為30.30 cm；除接種B菌處理外,其他接菌處理藍(lán)花鳶尾的葉片數(shù)量與CK的差異均達(dá)到了顯著水平，以接種C菌處理的葉片數(shù)量最多,平均每株植物有9片葉片;其次是A菌和BC菌處理,平均每株植物有8.25片葉片(表1)。

注：同列數(shù)據(jù)后附不同小寫字母表示在不同處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

生物量是能直觀地反映接種AMF對植物生長影響的重要指標(biāo)。AM真菌與植物根系的結(jié)合能促進(jìn)植物營養(yǎng)代謝,增加植物的生物量[7]。由表2可見,接種不同AMF均能不同程度地增加翠蘆莉的生物量，其中單獨(dú)接種A菌、B菌及C菌翠蘆莉地上部分的生物量及總生物量均顯著高于CK的；單獨(dú)接種A菌植株的地下部分生物量顯著高于CK的；單獨(dú)接種B菌及C菌植株的地下部分生物量也高于CK的,但差異不顯著。比較不同接菌處理的翠蘆莉的生物量,以單獨(dú)接種A菌處理的地上部分生物量、地下部分生物量及總生物量最高。

由表3可見,接種不同AMF同樣能不同程度地增加藍(lán)花鳶尾的生物量。具體來說：接種A菌、C菌及AC混合菌的藍(lán)花鳶尾地上部分生物量顯著高于CK的;接種C菌植株的地下部分生物量顯著高于CK的;接種A菌、C菌植株的總生物量顯著高于CK的。比較不同接菌處理的藍(lán)花鳶尾的生物量,以單獨(dú)接種C菌植株的地上部分生物量、地下部分生物量及總生物量最高。除A菌及AC菌處理外,接種C菌藍(lán)花鳶尾植株的地上部分生物量顯著高于其他接菌處理的；除A菌處理外,接種C菌藍(lán)花鳶尾植株的總生物量顯著高于其他接菌處理的。由此表明接種C菌對增加藍(lán)花鳶尾生物量的效果最好。

2.3 接種不同AMF對2種濕地植物葉片葉綠素含量的影響

對2種濕地植物葉片中葉綠素含量測定的結(jié)果(圖2)表明:翠蘆莉葉片葉綠素含量高于藍(lán)花鳶尾的,接種AMF對翠蘆莉葉片葉綠素含量的影響不大，接菌處理的葉綠素含量與CK的差異不顯著,而各接菌處理相互間的差異也不顯著。所有接菌處理的藍(lán)花鳶尾葉片的葉綠素含量均不同程度地高于CK的,其中A菌處理及C菌處理的葉片葉綠素含量顯著高于CK的,以C菌處理的葉片葉綠素含量最高。

表2翠蘆莉不同處理間生物量比較g

處理地上部分生物量地下部分生物量總生物量A11.54±2.42 a5.39±0.69 a16.93±3.09 aB11.19±1.48 a5.29±1.02 ab16.48±2.29 aC11.24±1.48 a5.12±1.02 ab16.36±2.16 aAB10.96±0.66 ab5.21±0.39 ab16.17±0.51 abAC10.76±1.79 ab4.78±0.66 ab15.54±2.35 abBC10.89±1.20 ab4.93±0.45 ab15.83±1.52 abABC11.09±0.57 ab4.91±0.39 ab16.01±0.66 abCK9.28±0.81 b4.46±0.66 b13.74±1.27 b

表3藍(lán)花鳶尾不同處理間生物量比較g

處理地上部分生物量地下部分生物量總生物量A2.10±0.71 ab0.68±0.31 ab2.79±1.01 abB1.12±0.92 bc0.53±0.54 ab1.65±1.40 bcC2.42±0.33 a0.90±0.13 a3.31±0.38 aAB1.46±0.55 bc0.33±0.17 ab1.80±0.68 bcAC1.63±0.45 ab0.47±0.32 ab2.09±0.64 bcBC1.46±0.70 bc0.64±0.40 ab2.10±0.42 bcABC1.50±0.60 bc0.60±0.29 ab2.10±0.86 bcCK0.68±0.17 c0.25±0.11 b0.93±0.26 c

圖2 2種濕地植物不同處理的葉片葉綠素含量比較

2.4 接種不同AMF對2種濕地植物葉片光合參數(shù)的影響

光合作用是影響植物生長的最主要因素,而光合參數(shù)能反映植物生長的活躍程度。分別對不同處理的2種濕地植物開展光合參數(shù)(凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度、蒸騰速率)的測定,結(jié)果表明:接種不同AMF對2種濕地植物的光合參數(shù)產(chǎn)生了不同程度的影響。

由表4可見：除ABC菌處理外,經(jīng)其他接菌處理的翠蘆莉的凈光合速率均高于CK的,其中A菌處理植株的凈光合速率最高,顯著高于CK的；其次是B菌處理。A、B、C及AC菌處理植株的氣孔導(dǎo)度均高于CK的,其中A菌處理的氣孔導(dǎo)度最大,AB、BC及ABC處理植株的氣孔導(dǎo)度與CK相同。B菌及ABC菌處理的胞間CO2濃度高于CK的,其余接菌處理的胞間CO2濃度均低于CK的,以A菌處理的胞間CO2濃度最低。接種AMF處理能夠提高翠蘆莉的蒸騰速率,以A菌處理的蒸騰速率最大,其次是C菌處理。綜合比較各光合參數(shù),接種A菌能夠顯著提高翠蘆莉的凈光合速率和蒸騰速率,增大氣孔導(dǎo)度,并在一定程度上降低胞間CO2濃度,表明經(jīng)A菌處理后，翠蘆莉植株的生長最活躍,植株最健壯。

從表5可以看出，接種AMF對藍(lán)花鳶尾的光合參數(shù)也產(chǎn)生了顯著影響,提高了其凈光合速率，增大了氣孔導(dǎo)度,并降低了胞間CO2濃度。除ABC菌處理外,不同接菌處理藍(lán)花鳶尾的蒸騰速率均高于CK的。在所有接菌處理中,以C菌處理的藍(lán)花鳶尾的凈光合效率、氣孔導(dǎo)度及蒸騰速率最大,表明經(jīng)C菌處理后藍(lán)花鳶尾的生長最活躍,植物最健壯。AC菌處理的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度僅次于C菌處理的,蒸騰速率居第3位,表明接種AC菌也能較好地促進(jìn)藍(lán)花鳶尾的生長。

2.5 2種濕地植物對不同AMF的菌根依賴性

對2種植物菌根依賴性的計(jì)算結(jié)果(圖3)表明,2種試驗(yàn)植物對AMF均具有不同程度的菌根依賴性,其中藍(lán)花鳶尾對AMF的菌根依賴性顯著高于翠蘆莉的。不同接菌處理翠蘆莉的菌根依賴性差異不顯著,在100%～150%之間,屬中等強(qiáng)度的依賴性。不同接菌處理藍(lán)花鳶尾的菌根依賴性差異較大,在177%～356%之間。藍(lán)花鳶尾對C菌的菌根依賴性為356%(MD>300%),屬較強(qiáng)菌根依賴性；藍(lán)花鳶尾對A菌的菌根依賴性為300%(100%

3 結(jié)論與討論

3.1 不同AMF接種翠蘆莉的生長效應(yīng)

翠蘆莉具有較強(qiáng)耐旱、耐濕、耐貧瘠、耐鹽堿的特性,既可用于生態(tài)修復(fù),也可用于景觀美化[8],是優(yōu)良的濕地植物。翠蘆莉自身具有較強(qiáng)的抗性,能耐受多種惡劣生境,對AMF的依賴性不高,介于100%～150%之間,屬中等強(qiáng)度依賴性。但是接種AMF仍能有效地促進(jìn)翠蘆莉的生長,無論是生長量、生物量還是凈光合速率均顯著高于未接菌翠蘆莉的。單獨(dú)接種摩西球囊霉、根內(nèi)球囊霉和幼套球囊霉促進(jìn)翠蘆莉生長的效果均優(yōu)于混合接種此3種菌種的任意組合的,這可能是因?yàn)椴煌N的混合使用會使菌種間產(chǎn)生競爭,從而削弱了AMF的促生能力。單獨(dú)接種摩西球囊霉對翠蘆莉的促生效果好于單獨(dú)接種根內(nèi)球囊霉和幼套球囊霉的,因此,對于翠蘆莉的菌根化育苗,使用摩西球囊霉是最佳的選擇。

表4 翠蘆莉不同處理間光合參數(shù)比較

表5 藍(lán)花鳶尾不同處理間光合參數(shù)比較

圖3 2種濕地植物對不同AMF的菌根依賴性

3.2 不同AMF接種藍(lán)花鳶尾的生長效應(yīng)

接種AMF對藍(lán)花鳶尾的促生作用非常顯著。藍(lán)花鳶尾對AMF具有較強(qiáng)的菌根依賴性,根系中菌根侵染率也高。陳媛等[5]的研究結(jié)果表明AMF對水生植物鳶尾具有較好的促進(jìn)生長作用,主要體現(xiàn)在地上及地下部分,其中地下部分通過利用龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)吸收土壤中的營養(yǎng)物質(zhì),進(jìn)而促進(jìn)鳶尾的生長,地上部分通過加強(qiáng)葉片氣孔導(dǎo)度的開啟來調(diào)控植物凈光合速率與蒸騰速率之間的平衡,進(jìn)而提高鳶尾對水資源的利用率,加快植物的新陳代謝,最終促進(jìn)植物的生長發(fā)育；但其僅比較了摩西球囊霉與根內(nèi)球囊霉的接種效果,并證明摩西球囊霉的促進(jìn)生長作用強(qiáng)于根內(nèi)球囊霉的。本研究結(jié)果表明，單獨(dú)接種幼套球囊霉對藍(lán)花鳶尾的促生效果最佳,優(yōu)于單獨(dú)接種摩西球囊霉和根內(nèi)球囊霉的。

3.3 AMF-植物共生體技術(shù)應(yīng)用于人工濕地污水凈化的前景

AMF對寄主植物沒有表現(xiàn)出嚴(yán)格的專一性,但對寄主植物有一定的選擇性。不同寄主植物的根系形態(tài)、生理代謝等不同,會影響AMF的生長、發(fā)育、繁殖、定殖與擴(kuò)展[9]。AMF生長狀態(tài)的不同會影響植物的生長,AMF與宿主植物間存在特異性,特定的AMF與特定的植物結(jié)合才會發(fā)揮出最大的互利共生作用。Bever等[10]的研究結(jié)果表明，由多種AMF構(gòu)成的群落(混合菌株)往往能協(xié)同發(fā)揮作用,具有較高的侵染優(yōu)勢,常表現(xiàn)出比單一菌種更好的效果。郭紹霞等[11]和何躍軍等[12]的研究也表明混合接種AMF的植物侵染率更高,生物量更大,抗寒性更高。然而本研究結(jié)果顯示,接種單一菌種與混合菌種在侵染率上的差異并不顯著,但單一菌種對翠蘆莉和藍(lán)花鳶尾的促生效果優(yōu)于混合菌種,這與前人的研究結(jié)果不一致。本研究發(fā)現(xiàn),摩西球囊霉-翠蘆莉組合最佳,幼套球囊霉-藍(lán)花鳶尾組合最佳。

植物是人工濕地重要的組成部分,植物具有吸收氮磷及重金屬等能力。氮磷的積累會導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化。有研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)植物生長迅速時(shí),其生物量增加,對磷的吸收加快,污水中磷含量明顯減少[13]。人工濕地中植物單位面積的氮吸收量與地上氮吸收量/地下氮吸收量、植物體內(nèi)氮含量并不相關(guān),而是受到生物量的影響,若生物量大,則植物單位面積的氮吸收量就大[14]。因此利用植物提高人工濕地的去污能力,最有效的辦法就是增加植物的生物量。接種AMF 能夠顯著促進(jìn)植物的生長,增加植物的生物量,并且較多研究已證明,AMF能夠提高植物的抗鹽能力和抗污染能力[4,15-16],因此,AMF-植物共生體技術(shù)在人工濕地去污方面具有良好的應(yīng)用前景。