叢枝菌根真菌對(duì)栗鈣土水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征的影響

吳 娜，李 朕，王 娟，楊 艷

(山西大同大學(xué) a 生命科學(xué)學(xué)院,b 應(yīng)用生物技術(shù)研究所,c 石墨烯林業(yè)應(yīng)用國(guó)家林業(yè)和草原局重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山西 大同 037009)

山西大同盆地是我國(guó)著名的能源基地，地勢(shì)較高、降水稀少和風(fēng)力強(qiáng)，環(huán)境條件惡劣，加之不合理的墾殖和利用，導(dǎo)致該地區(qū)的生態(tài)環(huán)境十分脆弱[1]。大量實(shí)踐證明，生態(tài)恢復(fù)的關(guān)鍵是生態(tài)系統(tǒng)功能的恢復(fù)和結(jié)構(gòu)的重建，即恢復(fù)系統(tǒng)中非生物成分(土壤等)的功能，進(jìn)而恢復(fù)微生物、植被和動(dòng)物群落[2-3]。然而，大同盆地土壤(栗鈣土)結(jié)構(gòu)不良、植被覆蓋率低，生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差，不利于植被的恢復(fù)。有效穩(wěn)定大同盆地土壤結(jié)構(gòu)，改善土壤營(yíng)養(yǎng)條件，是大同盆地生態(tài)重建的第一步。

土壤團(tuán)聚體是土壤成分在自然條件下形成的大小不一的多孔單元，具有維持水汽平衡、促進(jìn)養(yǎng)分循環(huán)和抵御土壤侵蝕等多種生態(tài)功能[4-5]。良好的團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)是優(yōu)質(zhì)土壤的基礎(chǔ)，對(duì)非農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的恢復(fù)十分關(guān)鍵[6]。團(tuán)聚體的形成及穩(wěn)定機(jī)制受多種因素的影響，微生物既是土壤的重要組成部分，又是土壤團(tuán)聚體形成過程中最活躍的生物因素[7]。叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)是一類重要的植物共生微生物，能與絕大多數(shù)的陸生植物根系形成共生結(jié)構(gòu)，增強(qiáng)宿主植物對(duì)逆境的耐受能力[8-9]。此外，AMF也是土壤團(tuán)聚體有機(jī)膠結(jié)的主要因子，對(duì)土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定有重要作用，有“土壤結(jié)構(gòu)工程師”之稱[10]。AMF定殖后，一方面根外菌絲能起到類似根系的作用，將微型團(tuán)聚體包裹纏繞形成大團(tuán)聚體，穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)[11]；另一方面AMF的菌絲分泌物——球囊霉素(glomalin)是土壤有機(jī)質(zhì)的重要來(lái)源，直接參與土壤團(tuán)聚體的形成[12-13]。

目前，國(guó)內(nèi)關(guān)于AMF對(duì)栗鈣土土壤結(jié)構(gòu)特征影響的報(bào)道很少。本研究采用盆栽試驗(yàn)分析了AMF對(duì)絲棉木(Euonymusmaackii)根際栗鈣土水穩(wěn)性團(tuán)聚體穩(wěn)定性的影響，并運(yùn)用相關(guān)性分析研究不同因子間的相互關(guān)系，以期為退耕還林工程的有效實(shí)施提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試菌劑 供試AMF分別為摩西球囊霉(Funneliformismosseae，F(xiàn)m)、幼套球囊霉(Claroideoglomusetunicatum，Ce)和根內(nèi)球囊霉(Rhizophagusintraradices，Ri)[14]。AMF菌種由北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所提供，經(jīng)三葉草(Trifoliumrepens)擴(kuò)繁，將含有孢子、菌絲片段以及定殖根段的根土混合物作為供試AMF菌劑。每10 g供試菌劑中含有約150個(gè)孢子。

1.1.2 供試植物 挑選飽滿的絲棉木種子，用5 g/L KMnO4溶液浸泡20 min進(jìn)行表面消毒，蒸餾水沖洗3次，再用無(wú)菌水浸泡24 h后，置于鋪有紗布的托盤中，在25 ℃光照培養(yǎng)箱中催芽，每天光照12 h，換水1次。當(dāng)種子胚根伸出約0.1 cm時(shí)，將種子播種在裝有蛭石的育苗缽(47 cm×33 cm,66孔)中，每孔播種3 粒，將育苗缽置于25 ℃光照培養(yǎng)箱中繼續(xù)培養(yǎng)，每天早上澆水(20 mL/孔)，1個(gè)月后挑取長(zhǎng)勢(shì)一致的幼苗進(jìn)行移栽。

1.1.3 供試基質(zhì) 供試土壤為栗鈣土，采自山西大同大學(xué)苗圃。土壤基本理化性質(zhì)為有機(jī)碳18.21 g/kg，速效鉀42.08 g/kg，速效氮23.17 mg/kg，速效磷10.33 mg/kg；pH(土壤(g)∶水(mL)為1∶5)7.9。用γ射線對(duì)風(fēng)干土壤進(jìn)行滅菌[15]。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì) 采用單因素試驗(yàn)，共設(shè)置不接種AMF(CK)以及接種Fm、Ce和Ri等4個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)30盆，共計(jì)120盆，完全隨機(jī)區(qū)組排列。將供試基質(zhì)裝在長(zhǎng)、寬、高分別為17.5，12.5，16 cm的塑料盆中(1.7 kg/盆)，于基質(zhì)表層下2 cm處接種20 g供試菌劑(菌劑量為11.76 g/kg)，每盆移栽1棵絲棉木幼苗，置于25 ℃溫室中進(jìn)行培養(yǎng)，每天光照12 h，正常水分供應(yīng)，常規(guī)育苗管理，每周澆1次Hoagland營(yíng)養(yǎng)液(50 mL/盆)，以確保營(yíng)養(yǎng)元素供應(yīng)。盆栽3個(gè)月后，每個(gè)處理隨機(jī)選定6株植株，采集其根際土壤及植株樣品。采集根際土壤時(shí)，需注意沿其自然結(jié)構(gòu)小心掰成小土塊，風(fēng)干備用。采集植株樣品時(shí)，將地上和地下部分分開。

1.2.2 絲棉木生物量的測(cè)定 將植株地上部分和地下部分樣品于105 ℃殺青0.5 h，70 ℃烘干至質(zhì)量恒定，稱質(zhì)量，即為生物量。

1.2.3 AMF定殖率和菌絲密度的測(cè)定 絲棉木根系中AMF定殖率采用放大交叉法[16]測(cè)定。土壤菌絲密度按照Abbott等[17]的方法測(cè)定。

1.2.4 根際土壤球囊霉素及有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定 總球囊霉素(total glomalin,TG)和易提取球囊霉素(easily extractable glomalin,EEG)含量按照Wright等[18]的方法測(cè)定。稱取過2 mm孔徑篩的風(fēng)干土樣2份，每份1 g，分別加入pH 7.0、20 mmol/L和pH 8.0、50 mmol/L的檸檬酸鈉溶液8 mL作為TG和EEG的浸提劑，充分混勻后于121 ℃分別高壓滅菌30和60 min，滅菌后的混合溶液于5 000 r/min離心15 min，取上清液。在TG的提取過程中需重復(fù)以上操作至上清液無(wú)色，最終合并上清液用于測(cè)定。使用Bradford蛋白質(zhì)分析試劑盒(Tiangen Biotech CO.,LTD,Beijing,China)測(cè)定上清液中的TG和EEG含量。土壤有機(jī)質(zhì)含量采用重鉻酸鉀外加熱法(K2Cr2O7-H2SO4法)[19]測(cè)定。

1.2.5 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量及其特征參數(shù)的測(cè)定 不同粒徑(>5，5～>2，2～>1，1～>0.5，0.5～>0.25，≤0.25 mm)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體(water stable aggregates,WSA)含量按照Wu等[20]的方法測(cè)定。根據(jù)Wang等[21]的方法測(cè)定任一粒徑團(tuán)聚體的平均重量直徑(xi)及其質(zhì)量占土壤樣品干質(zhì)量的百分比(wi)，計(jì)算平均重量直徑(mean weight diameter,MWD)和幾何平均直徑(geometric mean diameter,GMD)：

(1)

(2)

分形維數(shù)(D)按照以下公式進(jìn)行計(jì)算[22]：

D=3-lg[W(δ

(3)

式中：di為某級(jí)水穩(wěn)性團(tuán)聚體的平均直徑，W(δ

1.2.6 數(shù)據(jù)處理 結(jié)果用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”表示。數(shù)據(jù)經(jīng)Excel(V2016)處理后，采用SPSS(V17.0)生物統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差(One-Way ANOVA)分析和Pearson相關(guān)性分析，使用Duncan’s法進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 AMF對(duì)絲棉木生物量的影響

如圖1所示，與未接種AMF處理(CK)相比，F(xiàn)m、Ce、Ri處理絲棉木地上部分的生物量分別增加了4.08%，8.63%和13.06%，其中Ri處理差異達(dá)顯著水平；地下部分的生物量分別顯著增加了32.81%，34.38%和43.75%，差異均達(dá)顯著水平；總生物量分別增加了10.03%，14.89%和19.42%，其中Ce和Ri處理差異達(dá)顯著水平。

同一指標(biāo)不同處理相比，圖柱上標(biāo)不同小寫字母表示差異顯著(P≤0.05)。圖2,5同Different lowercase letters indicate significant difference among treatments (P≤0.05). The same in Fig.2 and Fig.5.圖1 不同AMF對(duì)絲棉木生物量的影響(n=6)Fig.1 Effect of AMF on biomass of E. maackii(n=6)

2.2 絲棉木根系中AMF的定殖率和根際土壤中的菌絲密度

圖2顯示，在整個(gè)生長(zhǎng)季中，F(xiàn)m、Ce和Ri處理絲棉木根系中的AMF定殖率分別為72.79%，76.15%和78.80%，根際土壤菌絲密度分別為23.78，25.91和29.77 cm/g，Ri處理顯著高于Fm處理?？梢姡珹MF和絲棉木能夠形成良好的互惠共生關(guān)系，絲棉木接種AMF后，土壤中彌漫著大量的根外菌絲。

2.3 AMF對(duì)土壤球囊霉素及有機(jī)質(zhì)含量的影響

如圖3所示，與CK相比，F(xiàn)m、Ce和Ri處理的TG含量分別顯著增加了19.53%，18.59%和24.90%，EEG含量分別顯著增加了31.92%，57.31%和94.62%，其中Ri處理的增加效應(yīng)最為明顯。結(jié)果表明，接種AMF可大幅增加絲棉木根際土壤中的EEG和TG含量，其中EEG含量增幅更大。

與CK相比，F(xiàn)m、Ce和Ri處理的絲棉木根際土壤中有機(jī)質(zhì)含量均顯著提高，其中Ri處理有機(jī)質(zhì)含量提高幅度最大，為12.88 %(圖4)。

圖2 絲棉木根系中AMF的定殖率和根際土壤中的菌絲密度(n=6)Fig.2 AMF colonization rate in roots and soil hyphal density in rhizosphere of E. maackii (n=6)

圖柱上標(biāo)不同小寫字母表示不同處理間差異顯著(P≤0.05)。圖4同 Different lowercase letters indicate significant difference (P≤0.05) among treatments. The same in Fig.4

圖4 不同AMF對(duì)絲棉木根際土壤中有機(jī)質(zhì)含量的影響(n=6)Fig.4 Effect of AMF inoculation on soil organic matter content in rhizosphere soil (n=6)

2.4 AMF對(duì)栗鈣土水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征的影響

人們通常將水穩(wěn)性團(tuán)聚體分為粒徑>0.25 mm的大團(tuán)聚體和粒徑≤0.25 mm的微團(tuán)聚體，大團(tuán)聚體的含量與土壤肥力狀況呈正相關(guān)效應(yīng)[15,23-24]。由表1可知，與CK相比，Ri處理顯著增加了粒徑>5，5～>2，1～>0.5和≤0.25 mm的WSA含量，顯著降低了粒徑為0.5～>0.25 mm的WSA含量；Ce和Fm處理顯著增加了粒徑>5 mm，1～>0.5 mm和≤0.25 mm的WSA含量，顯著降低了粒徑為0.5～>0.25 mm的WSA含量。此外，Ri、Ce和Fm處理均增加了粒徑>0.25 mm的WSA含量，增幅分別為13.63%，17.52%和23.13%。由此可見，3種AMF均有利于水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，且3種AMF的效應(yīng)由大到小表現(xiàn)為Ri>Ce>Fm。

表1 AMF對(duì)絲棉木根際土壤不同粒徑水穩(wěn)性團(tuán)聚體(WSA)含量的影響(n=6)

MWD和GMD是反映土壤團(tuán)聚體大小分布及其穩(wěn)定性的常用指標(biāo)。MWD是不同粒級(jí)團(tuán)聚體的綜合指標(biāo)，其值越大，說明大粒級(jí)團(tuán)聚體含量越高，團(tuán)聚體的水穩(wěn)性越好。GMD可以描述不同粒徑團(tuán)聚體的分布情況，其值越大，說明大粒級(jí)團(tuán)聚體分布越多，孔隙度越好[15]。如圖5所示，與CK相比，接種3個(gè)AMF處理均顯著增加了絲棉木根際土壤的MWD，接種Ri和Ce均顯著增加了土壤團(tuán)聚體的GMD。3種處理中，Ri處理對(duì)團(tuán)聚體MWD和GMD的增加效果最為顯著，與CK相比增幅分別為30.17%和21.47%，說明Ri處理的團(tuán)聚體水穩(wěn)性最優(yōu)。

分形維數(shù)D可以反映土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性狀況，D越小土壤的結(jié)構(gòu)與穩(wěn)定性越好。由圖5可知，與CK相比，Ri處理土壤的D顯著降低了6.92%。由此可見，Ri能顯著增加絲棉木根際栗鈣土的穩(wěn)定性，提高其抗侵蝕能力。以上結(jié)果表明，不同AMF處理對(duì)絲棉木根際栗鈣土團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的改善作用存在菌種差異，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD和GMD均表現(xiàn)為Ri>Ce>Fm。

圖5 不同AMF對(duì)土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體平均重量直徑(MWD)、幾何平均直徑(GMD)和分形維數(shù)(D)的影響(n=6)Fig.5 Effect of AMF inoculation on MWD,GMD and D of water stable aggregates(n=6)

2.5 AMF定殖狀況、球囊霉素含量與水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征的相關(guān)性分析

如表2所示，AMF定殖率、菌絲密度、TG含量、EEG含量均與MWD、GMD和粒徑>0.25 mm土壤WSA含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)關(guān)系，與D均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系。結(jié)果表明，AMF能夠通過增加根外菌絲和分泌球囊霉素的方式增加土壤MWD、GMD和粒徑>0.25 mm土壤WSA含量，降低D，改善土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性。

表2 AMF定殖狀況、球囊霉素含量與水穩(wěn)性團(tuán)聚體特征的相關(guān)性分析Table 2 Correlation analysis between AMF status,glomalin content and water stable aggregates characteristics

3 討 論

AMF能夠改善宿主植物的水分狀況，促進(jìn)其對(duì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)和生物量積累，并提高多種耐性[25-27]。本研究中，供試的3種AMF均能夠與絲棉木建立良好的共生關(guān)系，顯著提高絲棉木的生物量。

AMF在與宿主植物根系形成共生體系后，能夠在根際土壤中形成龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)，其菌絲體和分泌的球囊霉素是土壤碳庫(kù)的重要來(lái)源，直接參與土壤團(tuán)聚體的形成[28-30]。本研究結(jié)果顯示，與CK相比，接種AMF處理植物的根際土壤有機(jī)質(zhì)、TG和EEG含量顯著增加。有研究表明，AMF與宿主植物之間存在一定的偏好性，從而顯著影響植物群落內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，導(dǎo)致植物群落組成改變，間接對(duì)土壤環(huán)境產(chǎn)生影響[3,27]。在本研究中，相較于其他2種供試AMF，Ri處理土壤有機(jī)質(zhì)含量增加最多，這與其根系定殖率、根際土壤中菌絲密度、TG和EEG含量較高的結(jié)果一致。

AMF是土壤團(tuán)聚體主要的有機(jī)膠結(jié)因子，在土壤團(tuán)聚體形成和穩(wěn)定中作用巨大[31]。AMF與植物根系的共生體系建立后，在根際土壤中形成了大量的根外菌絲，起到類似根系的作用，將土壤原生顆粒、有機(jī)物和微型團(tuán)聚體包裹和纏繞，進(jìn)而形成大團(tuán)聚體，消除微團(tuán)聚體形成的空間限制[6]。同時(shí)，AMF根外菌絲分泌大量球囊霉素，直接或間接影響土壤團(tuán)聚體狀況[3]。球囊霉素粘結(jié)土壤顆粒的能力較強(qiáng)，能將微團(tuán)聚體結(jié)合形成大團(tuán)聚體，改變粒徑> 0.25 mm的水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布模式，是水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成過程中重要的膠結(jié)劑，促進(jìn)土壤水穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)的形成[32]。而根外菌絲和球囊霉素對(duì)土壤團(tuán)聚體形成的作用受到宿主植物種類、AMF種類和培養(yǎng)基質(zhì)等因素的影響[33]。Zhang等[23]研究表明，接種根內(nèi)球囊霉和地表球囊霉(G.versiforme)可顯著提高刺槐(Robiniapseudoacacia)根際土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD和GMD。本研究結(jié)果顯示，與CK相比，接種AMF處理的絲棉木根際土壤MWD和GMD均顯著增高，土壤D顯著降低，大粒級(jí)團(tuán)聚體和水穩(wěn)性團(tuán)聚體數(shù)量顯著增加，土壤結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性得到改善。這與接種AMF處理對(duì)根際土壤菌絲密度及TG、EEG含量的影響結(jié)果一致，說明AMF可通過根外菌絲和分泌球囊霉素的方式直接或間接改善土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)[12,23，34]。

相關(guān)性分析結(jié)果表明，在絲棉木根際土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成過程中，AMF根外菌絲和球囊霉素起到了關(guān)鍵性的作用。本研究中，絲棉木根系A(chǔ)MF定殖率、根際土壤菌絲密度、TG含量、EEG含量與土壤MWD、GMD、粒徑>0.25 mm土壤WSA含量均呈顯著或極顯著正相關(guān)，與D均呈顯著或極顯著負(fù)相關(guān)，說明AMF能夠通過增加根外菌絲和分泌球囊霉素的方式改善土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[12]。此外，本研究還發(fā)現(xiàn)，3種AMF接種處理的植物根際土壤有機(jī)質(zhì)含量、TG含量、EEG含量、MWD、GMD、粒徑>0.25 mm WSA含量之間存在差異，與AMF定殖率、根際土壤菌絲密度間的差異基本一致，說明土壤狀況的差異是由于菌種類別的不同造成的，而這種差異可能與菌種與宿主植物間的偏好性有關(guān)[3,27]。

本研究中，不同AMF處理對(duì)絲棉木根際栗鈣土團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的改善作用存在菌種差異，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的MWD和GMD均表現(xiàn)為Ri>Ce>Fm，說明接種Ri更能提高絲棉木幼苗根際栗鈣土水穩(wěn)性團(tuán)聚體的穩(wěn)定性，使土壤微環(huán)境朝著適合植物生長(zhǎng)的方向變化。因此，在利用菌根技術(shù)修復(fù)生態(tài)系統(tǒng)時(shí)，需要針對(duì)不同植株、不同土壤類型以及不同微生態(tài)環(huán)境篩選合適的菌種，以獲得最佳的修復(fù)效果。