菌根接種與氮肥處理下木荷抗旱能力差異分析

吳有勤

摘要：為實現(xiàn)木荷科學營林，提升木荷抗旱性，采用菌根接種與施氮方法，探究了干旱脅迫下木荷幼苗生長生理方面的變化。結(jié)果表明：與正常75%土壤含水量相比，在40%土壤含水量條件下，苗木遭受明顯的干旱脅迫，苗木高度（H）、地徑（D）增量顯著下降，葉片葉綠素含量（CP）、凈光合速率（P_n）、水分利用效率（WUE）、胞間二氧化碳濃度（C_i）減小，蒸騰速率（T_r）、氣孔導度（G_s）增大，相對水分虧缺率（RWD）、丙二醛（MDA）增加，SOD活性及可溶性糖（SS）、游離脯氨酸（Pro）含量降低。與單一性菌根接種、施氮處理相比，菌根+施氮復合性處理下苗木高徑生長量最大，P_n、WUE最高。單一性菌根接種、施氮效果受到土壤含水率影響，其中正常水分條件下施氮處理苗木的高徑增量及CP、P_n大于菌根處理，而在干旱脅迫下菌根處理苗木的CP、Tr、Gs、RWD低于施氮處理，Ci、SOD活性及SS、Pro含量高于施氮處理。以本試驗檢測的13個生長生理指標為評價指數(shù)進行苗木生長生理表現(xiàn)綜合評價，得分表現(xiàn)為：任一土壤水分條件下復合性菌根+施氮處理〉單一性菌根或施氮處理，正常水分條件下施氮處理〉菌根處理，干旱條件下菌根處理〉施氮處理。研究認為，利用菌根接種與施氮交互處理能有效改善木荷幼苗的抗旱性。

關(guān)鍵詞：木荷；抗旱性；叢枝菌根；氮素；生長生理

Analysis of differences in drought resistance of Schima superba under mycorrhizal inoculation and nitrogen fertilizer treatment

Wu Youqin

Qingyuan Bijia Mountain Forest Farm Guangdong Qingyuan 511800

Abstract： To achieve scientific afforestation of Schima superba and improve its drought resistance. This experiment used mycorrhizal inoculation and nitrogen application methods to explore the physiological changes in the growth of Schima superba seedlings under drought stress. The results showed that compared with the normal 75% soil moisture content， under the condition of 40% soil moisture content， seedlings suffered from significant drought stress， with a significant decrease in seedling height （H） and ground diameter （D） increment， a decrease in leaf chlorophyll content （CP）， net photosynthetic rate （Pn）， water use efficiency （WUE）， intercellular carbon dioxide concentration （Ci）， an increase in transpiration rate （Tr） and stomatal conductance （Gs）， and a relative water deficit rate （RWD） Malondialdehyde （MDA） increases， SOD activity and soluble sugar （SS） and free proline （Pro） content decrease. Compared with single mycorrhizal inoculation and nitrogen application treatment， the composite treatment of mycorrhizal inoculation and nitrogen application resulted in the highest height and diameter growth of seedlings， as well as the highest Pn and WUE. The effect of single mycorrhizal inoculation and nitrogen application is affected by soil moisture content. Under normal water conditions， the height diameter increment， CP， and Pn of nitrogen treated seedlings are greater than those of mycorrhizal treatment. However， under drought stress， the CP， Tr， Gs， and RWD of mycorrhizal treated seedlings are lower than those of nitrogen treatment， and the activities of Ci， SOD， SS， and Pro are higher than those of nitrogen treatment. The 13 growth physiological indicators detected in this experiment were used as evaluation indices to comprehensively evaluate the physiological performance of seedling growth. The scores were as follows： composite mycorrhizal fungi+nitrogen application treatment under any soil moisture condition>single mycorrhizal fungi or nitrogen application treatment， nitrogen application treatment under normal water conditions>mycorrhizal fungi treatment， mycorrhizal fungi treatment under drought conditions>nitrogen application treatment. Research suggests that the interaction between mycorrhizal inoculation and nitrogen application can effectively improve the drought resistance of Schima superba seedlings.

Keywords： Schima superba; Drought resistance; Arbuscular mycorrhizal fungi; Nitrogen; Growth Physiology

水是一切生命活動的基礎。然而受到人類活動的影響，水資源日益減少。加之溫室效應，全球氣候變暖，干旱問題已成為當前最為嚴重的自然災害問題^[1-3]。根據(jù)植物遭受脅迫時間與脅迫程度，干旱造成的傷害可分為彈性脅變和塑性脅變，前者屬可逆?zhèn)?，后者則為不可逆的。但在一定脅迫范圍內(nèi)，植物通過不斷進行生態(tài)適應性機制調(diào)整是能忍受這種傷害的。通常植物遭受干旱脅迫時，主要表現(xiàn)為生長發(fā)育受到抑制，生長量下降，減產(chǎn)明顯^[4]。氮素作為三大主要礦質(zhì)元素之一，直接影響著植物生長發(fā)育^[5-6]。水是植物體內(nèi)一切代謝活動的重要載體，水分匱乏將導致植物養(yǎng)分吸收、運輸養(yǎng)分能力減弱^[7]。研究表明，施氮能顯著改善植物在干旱脅迫下的生長情況，但樹種不同，遭受的脅迫程度不同，施氮量也不同^[8-9]。近年來，菌根技術(shù)在提升植物對養(yǎng)分吸收能力方面較為廣泛。但在逆境脅迫下，探究菌根與施氮在提升植物抗逆能力方面的差異性與協(xié)同性的研究仍鮮少見^[10-11]。

木荷（Schima superba）作為我國南亞熱帶地區(qū)的重要造林樹種，其干形優(yōu)美、木材質(zhì)地堅硬、鞣質(zhì)含量高，具有較高利用價值和廣闊應用前景^[12]。從木荷生長習性來看，屬強陽性樹種，對環(huán)境適應性較強，但調(diào)查發(fā)現(xiàn)，相較貧瘠、干旱地區(qū)，在土層深厚、肥沃、濕潤的生境條件下生長表現(xiàn)最佳^[13-14]。與農(nóng)業(yè)用地相比，林地立地質(zhì)量普遍較差，極易受到環(huán)境脅迫方面的影響。為此，為提升木荷林分質(zhì)量，推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展，本試驗以木荷幼苗為試驗材料，通過菌根接種與施氮處理探究干旱脅迫下苗木生長生理方面的變化，旨在揭示菌根與施氮在提升木荷抗旱能力方面的應用潛力，為木荷人工林高效培育提供參考。

1.材料與方法

1.1 試驗材料

通過采種育苗的方式，在木荷人工林中選擇形質(zhì)優(yōu)良的單株進行采種。按常規(guī)方法在自然條件下苗圃中進行育苗，待苗木長至25 cm左右高時，將長勢一致、生長健壯無病蟲害的苗木移至裝有按等體積比混勻的高溫消毒過的珍珠巖、河沙、蛭石塑料盆（直徑：18 cm，高28 cm）中備用。

1.2 試驗方法

1.2.1 菌根苗培育

采用混合叢枝菌根化真菌地表球囊霉和摩西球囊霉為混合菌劑，將50 g菌劑（約含1000個摩西球囊霉孢子和300個地表球囊霉孢子）混入1.1育苗基質(zhì)中。接種菌劑1個月后，利用醋酸墨水染色進行菌根浸染情況分析^[11]。

1.2.2 試驗處理

以未接種菌根苗木為參照（C），接種菌根成功的苗木（M）為研究對象，采用稱重法設置75%（C）和40%（W）兩種土壤含水量，以分析純硝酸銨試劑為氮源，采用根外追肥的方法，按每盆每株一次性施放8 g施用量進行施氮處理（N）。共8個處理，即：CC（75%含水量+未接種菌根）、CM（75%含水量+接種菌根）、CN（75%含水量+施氮）、CMN（75%含水量+接種菌根+施氮）、WC（40%含水量+未接種菌根）、WM（40%含水量+接種菌根）、WN（40%含水量+施氮）、WMN（40%含水量+接種菌根+施氮）。每處理4重復，每重復30盆苗。試驗在透光性好、避雨的塑料大棚中進行，試驗處理周期1個月。

1.2.3 指標分析

苗高、地徑增量：在試驗處理前與處理30 d時，分別用卷尺、游標卡尺進行苗高、地徑測定，再計算出苗高增量和地徑增量。

葉綠素含量：試驗處理結(jié)束時，采用便攜式葉綠素速測儀進行各處理植株中上部功能葉片葉綠素含量測定，每處理重復測定4次。

光合作用參數(shù)：試驗處理30 d時，在晴好天氣采用Li-6400光合作用儀進行活體植株葉片凈光合速率（P_n，μmol·m²·s^-1）、蒸騰速率（T_r，mol/m²s）、水分利用效率（WUE，μmol ·mmol^-1）氣孔導度（G_s，mmol·m²·s^-1）及胞間二氧化碳濃度（C_i，μmol·mol）測定，每處理進行4次重復測定。

相對水分虧缺（RWD）：試驗處理結(jié)束時，將各處理新鮮葉稱質(zhì)量（F₁）后用去離水浸泡8 h，稱量后獲得飽和鮮質(zhì)量（F₂），殺青后于80℃下烘至恒干質(zhì)量（F₃）。RWD計算公式為：RWD（%）=（F₂-F₁）/（F₂-F₃）×100。

丙二醛（MDA）含量采用硫代巴比妥酸法進行測定，超氧化物歧化酶（SOD）活性采用氮藍四唑比色法行測定，可溶性糖含量采用蒽酮比色法測定，游離脯氨酸含量采用酸性茚三酮比色法測定。

1.3 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS19.0進行單因素差異性分析和主成分分析。處理間多重比較采用LSD法，兩個處理間差異分析采用t-test法進行比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 幼苗生長變化

由圖1可知，與正常75%土壤含水率對照相比，在土壤含水率為40%時，木荷苗高、地徑增量均顯著下降，這說明在該土壤水分條件下，供試幼苗遭受了明顯的干旱脅迫。從菌根、施氮處理效果來看，在單一性的菌根接種、施氮或菌根+施氮復合處理下，任一土壤含水率條件下的苗木高度、地徑均以菌根+施氮復合處理下的生長量最大。從干旱脅迫下，菌根、施氮的作用來看，無論單一性或復合性菌根、施氮處理，苗木高徑增量均低于正常土壤含水量處理，但與40%土壤含水量時未接菌根和施氮的對照相比，苗高增量、地徑增量均明顯增大。這反映了，菌根接種、施氮處理均能有效改善幼苗遭受的干旱脅迫傷害，且整體上以二者復合性使用效果最佳。

圖中不同小寫、大寫字母分別表示同一土壤含水量不同處理及同一處理兩個土壤含水量間差異顯著（P<0.05）。

2.2 幼苗生理指標變化

表型生長表現(xiàn)受到生理指標變化的影響^[2]。為進一步分析菌根、施氮作用機制，對木荷幼苗葉片在光合特性、水分含量、膜脂過氧化及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)方面進行了研究。表1試驗結(jié)果表明，在40%土壤含水量條件下，葉片葉綠素含量下降，凈光合速率（P_n）、水分利用效率（WUE）、胞間二氧化碳濃度（C_i）減小，蒸騰速率（T_r）、氣孔導度（G_s）增大，相對水分虧缺率（RWD）、丙二醛（MDA）增加，SOD活性及可溶性糖、游離脯氨酸含量降低。從菌根、施氮作用效果來看，在土壤含水量正常時，菌根與施氮交互作用導致葉片葉綠素含量、Pn、WUE、Ci 顯著增加，而在土壤含水量降至40%時，菌根與施氮交互作用引起葉綠素含量、Pn、WUE增大，Tr、Gs、RWD、MDA含量減小，SOD活性與可溶性糖、游離脯氨酸含量增大。從同一菌根、施氮處理下兩種土壤含水量間幼苗葉片生理指標差異來看，除施氮處理下兩種土壤含水量間葉片可溶性糖與游離脯氨酸含量無顯著性差異外，其余指標在兩種土壤含水量間均差異顯著。這說明，干旱脅迫導致木荷幼苗光合能力下降，葉片水分虧缺，膜脂過氧化明顯，抗氧化及滲透調(diào)節(jié)能力下降，而菌根與施氮交互處理減輕了幼苗受到的生理脅迫傷害，但整體上仍受到干旱脅迫的影響。

2.3 生長生理表現(xiàn)綜合評價

從本試驗生長生理指標變化結(jié)果可知，處理不同，指標不同，變化趨勢也不同。為科學、直觀地對菌根、施氮作用效果進行分析，以苗高（H）、地徑（D）增量及葉綠素含量（CP）、Pn、Tr、WUE、Gs、Ci、RWD、MDA含量（MDA）、SOD活性（SOD）、可溶性糖含量（SS）、游離脯氨酸含量（Pro）等13個指標為評價指數(shù)，利用主成分分析法對各處理幼苗的生長生理表現(xiàn)進行綜合評價。

根據(jù)表2分析結(jié)果，成分1和成分2的初始特征值大于1，且其累積貢獻率大于85%，達90.78%。結(jié)合圖2A中碎石圖可以看出，成分1和2特征值較大，從成分3開始特征值明顯減小，變化趨于平緩，因此分別以成分1和成分2作為因子1（F1）和因子2（F2）進行主成分分析。

從圖2B中可以看出，生長生理指標間存在明顯的關(guān)聯(lián)性。其中，Gs、Tr、RWD、MDA在X軸負半軸，代表這幾個指標與幼苗抗旱能力負相關(guān)，即Gs、Tr、RWD、MDA值越大，幼苗受到的干旱脅迫傷害越大，抗旱能力越差；H、D、CP、WUE、Ci、Pro在X軸正半軸，則表明這幾個指標值越大，幼苗受到脅迫傷害程度越低，抗旱能力越強；SOD、SS、Pro在Y軸正半軸上，則說明這幾個指標變化存在雙重性，反映在干旱脅迫下幼苗的自我調(diào)節(jié)能力。這表明，指標不同，其變化趨勢不同，反映的結(jié)果也不同，進行指標綜合評價是很有必要的。

A：碎石圖；B：空間組件圖

經(jīng)SPSS19.0統(tǒng)計分析軟件可計算出各處理幼苗綜合得分。由表3綜合評分結(jié)果得知，在同一土壤含水量條件下，均以菌根與施氮交互處理下幼苗綜合生長生理表現(xiàn)最佳。其中，在40%土壤含水量條件下，通過菌根與施氮復合處理（WMN），幼苗綜合得分（0.52）甚至

高于正常土壤含水量條件下僅接種菌根處理（CM，0.31）和對照處理（CC，0.14）。這說明，通過菌根接種+施氮處理能顯著提升木荷幼苗的抗旱能力。

3. 結(jié)論與討論

本試驗研究表明，木荷屬干旱敏感型樹種。在40%土壤含水量處理1個月，幼苗的高徑生長量顯著減少。與單一性的施氮、接種菌根相比，菌根+施氮的復合處理能更有效地改善苗木生長，這反映了菌根與施氮間存在加效性。微生物作為自然界廣泛存在的一種生物，與植物間的協(xié)同性、共生性是被普遍認可的。叢枝菌根作為一種內(nèi)生性真菌，在提高植物環(huán)境適應性方面已有大量報道^[15-16]。本試驗首次發(fā)現(xiàn)，在干旱脅迫條件下，通過與施氮措施聯(lián)合處理，大幅提升了木荷的抗旱能力，說明以后在木荷營林過程中，可通過培育菌根化苗木與補充氮肥方法改善缺水生境條件下的林木生長情況。此外筆者發(fā)現(xiàn)，單一性菌根接種或施氮效果依賴于土壤含水量。其中，在正常土壤含水量條件下，施氮處理下的苗木生長量大于菌根處理，菌根處理下苗木生長量與對照處理無顯著差異，而在40%土壤含水量下，菌根化苗木生長量〉施氮處理〉對照。這表明，菌根在干旱脅迫條件下的處理效果優(yōu)于正常生長條件，暗示了今后在立地質(zhì)量較差的林地可加強菌根苗的推廣應用，而在立地指數(shù)較高的林地可通過加強氮肥施用即可。

葉片的凈光合速率（P_n）是影響植物生長量的重要生理指標^[17]。菌根、施氮處理顯著影響了木荷幼苗葉片的P_n，整體上均以菌根+施氮處理下的P_n最大。植物P_n與葉片葉綠素含量與氣孔導度（G_s）密切相關(guān)，一般葉綠素含量越高、葉綠體活性越強，氣孔導度越大，二氧化碳流通速率越高，P_n越大^[17-18]。從施氮、菌根對與P_n關(guān)聯(lián)性較強的葉綠素含量與G_s的影響來看，任一土壤含水量條件下，施氮處理下的葉綠素含量均顯著高于菌根處理，Gs在正常含水量時不受菌根或施氮處理的影響，但在土壤含水量為40%時，G_s大小表現(xiàn)為：菌根處理〈施氮處理〈對照。研究表明，G_s不僅與進出細胞二氧化碳量有關(guān)，也與蒸騰速率（T_r）密切相關(guān)^[19]。筆者注意到，在干旱條件下，與施氮處理相比，菌根處理下的T_r減小，水分利用效率（WUE）雖未顯著變化，但葉片相對水分虧率（RWD）顯著下降，同時SOD活性、可溶性糖與游離脯氨酸含量顯著升高。這反映了，施氮通過增加葉綠素含量來提升植物的光合能力，從而改善植物生長，而菌根主要是通過增強干旱脅迫下植株抗氧化與滲透調(diào)節(jié)能力來降低水分虧缺，減輕干旱誘導的生理脅變，從而實現(xiàn)對植株抗旱能力提升，這揭示了施氮與菌根處理下木荷幼苗的干旱適應機制是完全不同的。

抗氧化酶活性與滲調(diào)物質(zhì)是干旱脅迫下評價植物生理響應的重要指標^[20-21]。在本試驗研究中，SOD活性與可溶性糖、游離脯氨酸含量的變化受到土壤含水量和干旱緩解措施的影響，即是說土壤含水量不同，施氮、菌根處理下3個指標的變化趨勢也不同。其中，在75%土壤含水量條件下，施氮、菌根處理對SOD活性與可溶性糖、游離脯氨酸含量均無顯著影響，而在40%土壤含水量下，各處理間三個指標大小均表現(xiàn)為：菌根+施氮〉菌根〉施氮〉對照處理，這與上述干旱脅迫下各處理生長表現(xiàn)趨勢是一致的，結(jié)合受施氮、菌根處理的影響，兩種土壤含水量間3個指標的不同變化趨勢，說明SOD活性、可溶性糖含量、游離脯氨酸含量對干旱脅迫下菌根、施氮處理響應極為靈敏，可作為判斷木荷幼苗抗旱性的可靠指標。

植物抗性評價是篩選抗性種質(zhì)，提升林分質(zhì)量的重要前提與保障^[22]。筆者利用主成分分析的數(shù)學手段，進行了不同土壤水分條件下菌根接種、施氮處理后木荷幼苗生長生理表現(xiàn)綜合評價。從得分結(jié)果來看，菌根+施氮復合處理得分高于單一性處理，而就單一性處理而言，正常生長條件下施氮處理高于菌根處理，干旱條件下菌根處理則高于施氮處理，這與各處理條件下的生長表現(xiàn)是一致的，說明該評價結(jié)果是可靠的。但值得注意的是，干旱脅迫條件下菌根+施氮處理綜合評分高于正常生長條件下的對照及菌根處理，這與實際是略有不符的。這可能與本試驗處理周期較短（1個月）有關(guān)，表明在短期內(nèi)干旱脅迫下，利用菌根與施氮措施能有效增強木荷干旱適應性，但干旱時間延長，或在土壤含水量低于40%的高強度干旱條件下，是否仍能獲得理想的干旱緩解效果需要進一步通過完善試驗方案來進行驗證。

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