VA菌根對喀斯特草本群落植物根際養分影響研究

王圳，張金池，崔曉曉，王如巖，王定勝，黃建庭

1.南京林業大學森林資源與環境學院，江蘇 南京 210037；2.連云港市林業技術指導站，江蘇 連云港 222001

菌根是真菌和植物根系間建立起來的一種互利共生關系。叢枝菌根真菌是自然界中最常見而且可侵染的寄主范圍最廣的一種土壤微生物(簡稱AMF)，陸地 90%以上的有花植物都能夠與它形成菌根共生體，簡稱為 VA菌根[1]。研究表明，菌根依靠菌絲在土壤中的擴展和延伸，擴大植物根系的接觸面積，能夠分泌各種酶類和生長調節物質，促進根系生長和根際微生態的改變，可增強植物對N、P、K等元素和水分的吸收利用，促進植物的生長[1,2]。菌根能夠增加植物營養特別是磷素的吸收，提高植物的抗逆性，是促進生態系統可持續發展的生物肥料[3,4]。

土壤立地條件是喀斯特植被恢復過程中重要的限制性因素[5]。根際微生態環境的養分狀況直接制約著植物的生長。在喀斯特地區，石灰性土壤對磷有強烈的吸附和固定作用，使土壤中磷素往往以難溶態存在，有效性較低[6]，進而制約植物生長。土壤生物學特性是目前喀斯特地區植被演替過程中研究的重點，該地區關于菌根的研究主要集中在菌根真菌資源調查，菌根種類鑒別等[7]，對于VA菌根對群落根際土壤的影響研究相對較少。如何正確的認識和評價VA菌根的生物學效應，認識其對宿主植物產生影響的結果和機理，是喀斯特地區植被恢復過程中的重要問題。基于此，本研究擬圍繞草本群落幾種主要的植物 VA菌根侵染對根際土壤特性影響的結果和機理進行評述，以期為揭示VA菌根、宿主植物和根際土壤之間的關系提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

研究區位于黔西南州，關嶺縣和貞豐縣交接處的北盤江花江段花江峽谷腹地的關嶺縣板貴鄉和貞豐縣興北鎮。地理坐標是北緯25°39′03.1″，東經105°38′23.3″，海拔925 m。區內地表起伏較大、相對高差懸殊，最高海拔1473 m，最低海拔370 m，地面支裂破碎，石漠化嚴重，屬典型的巖溶山區。氣候類型主要為亞熱帶季風濕潤氣候，光熱資源豐富，年均溫18.4 ℃，年日照時數2500 h以上，全年降雨量1205 mm，季節分配極為不均，冬春旱及伏旱嚴重，地處溫熱河谷。草本群落的巖石裸露率40%以上。存在較大面積的土面，石溝等。有放牧干擾。

分布的主要植物有禾本科白茅（Imperata cylindrica(Linn.) Beauv.）、桑科地瓜藤（Caulis FiciTikouae）、菊科白苞蒿（Artemisia lactifloraWall.）、菊科紫莖澤蘭（Eupatorium adenophorumSpreng.）、蝶形花科馬棘（Indigofera pseudotinctoriaMats）、藎草（Arthraxon hispidus）、芒萁（Dicranopteris dichotoma）、豬毛蒿（Artemisia scoparia）、灰苞蒿（Artemisia.roxburghiana）等；木本植物主要有野桐（Mallotus tenuifolius）、青檀（Pteroceltis tatarinowii）、火棘（Pyracantha fortuneana）、構樹（Broussonetia papyrifera）等。

1.2 土壤樣品采集

1.2.1 土壤采集

在2009年5月植被生長旺盛多雨季節，在試驗區草本群落階段選擇分布數量較多且占據生長優勢的植物種：白茅、地瓜藤、白苞蒿、紫莖澤蘭、馬棘。每種植物選擇5株進行土壤采樣。先去除落葉層，然后用土壤刀從植株基部開始逐段、逐層挖去上層覆土，追蹤根系的伸展方向，然后沿側根找到須根部分，剪下分枝，輕輕抖動后落下的土壤為非根際土壤（標記為S），仍粘在根上的為根際土壤（標記為R），并將5株植物的土壤混合，用毛刷收集到土壤袋保存，供分析用。

1.2.2 根系樣品采集

在采集土壤的同時每種植物選擇5株作根系采樣：選取不同部位一定量的細根，混合后作為該植物的根系樣本。置于事先配置好的100 ml瓶裝FAA固定液中（95%乙醇50 ml、40%甲醛5 ml、冰醋酸5 ml、蒸餾水35 ml），瓶上做好標記，然后將根系樣品放置在冷藏箱內，此根系樣品用于菌根侵染率測定。

1.3 樣品處理

1.3.1 土壤樣品分析

試驗所取土壤屬于黃棕壤。土壤指標測定[8]：pH測定：用pH計測定；有機質測定：重鉻酸鉀—硫酸(K2CrO4-H2SO4)氧化法；全氮測定：重鉻酸鉀容量法－釋熱法；速效氮測定：擴散法；速效鉀測定：火焰光度計法；全磷測定：酸溶－鉬銻抗比色法；有效磷測定：0.5 mol·L-1碳酸氫鈉溶液浸提法；脲酶：以尿素為基質，比色測定釋放的 NH3-N量（以NH3-N表示，單位mg·g-1，37 ℃，24 h）；堿性磷酸酶：以磷酸苯二鈉為基質，比色測定釋放的酚質量分數（以酚質量分數表示，單位mg·g-1，37 ℃，24 h）；過氧化氫酶：以H2O2為基質，用0.1 mol·L-1KMnO4滴定法；蔗糖酶：以蔗糖為基質，比色測定釋放的葡萄糖質量分數（以葡萄糖質量分數表示，單位 mg·g-1，37 ℃，24 h）；

VA菌根指標測定：VA菌根染色：采用曲利苯藍染色法[9]；真菌孢子收集與篩析：蔗糖濕篩傾析法，收集的過篩殘留物置于培養皿中，于 XTS 30雙目體視顯微鏡下計數；菌根真菌孢子（AMF）密度定義為1 kg干土所含孢子的多少[10]。

1.3.2 根系樣品分析

從固定液中取出根系，選擇粗細均勻的顏色較淺的幼根，剪成5 mm長的根段，對根樣進行染色處理，每株植物選取200段，進行顯微鏡觀測并統計侵染率。

侵染率(%)=VA菌根侵染的長度(mm)(或視野數)/檢查根段的總長度(mm) (或總視野數)×100%。

1.4 數據處理

采用EXCEL及SPSS16.0對獲得的數據進行分析處理。

2 結果與分析

2.1 植物根際土壤樣品養分指標與菌根侵染的關系

AMF侵染宿主植物后會對植物根際微生態進行調節，影響根際土壤的性質。VA菌根侵染率和土壤AMF孢子密度是衡量植物VA菌根活力的常用指標[1]。對試驗區內草本群落階段的主要植物根際土壤的常見養分指標及 VA菌根侵染率與 AMF孢子密度進行測定，結果見表 1。結果表明：各項指標均表現出較強根際效應；草本群落的根際土壤呈弱堿性，根際土壤（R）pH值均低于草本非根際土壤（S）；不同植物根際土壤的有效磷質量分數不同，但均高于非根際土，以白苞蒿值最高，R/S值達1.56；有機質、水解性氮質量分數亦表現出根際效應；不同植物的VA菌根侵染率與孢子密度不同。

表1 土壤常見養分指標、菌根侵染率及孢子密度Table 1 Soil nutrients /mycorrhizal infection rate and the number of spores

對根際土壤各項因子和侵染率及孢子密度進行相關性分析，令pH為x1，有效磷為x2，有機質為x3，水解性氮為x4，侵染率為x5，孢子密度為x6，得到相關系數矩陣，結果見表 2。研究結果表明，pH值與其它各項因素均存在負相關，與AMF孢子密度存在極顯著負相關，說明過高的pH對菌根真菌的孢子的形成有抑制作用，與菌根侵染率存在顯著負相關，一方面說明較高的pH能夠降低VA菌根的侵染率，另一方面，菌根真菌的感染能夠降低土壤 pH，有利于微生物、土壤動物生長繁殖及酶活性，促進根際微生態植物的生長，這與眾多研究一致[11-15]；有效磷的質量分數與菌根侵染率存在極顯著正相關，說明VA菌根能夠活化土壤中難溶態的的磷，增加有效磷的質量分數，促進植物對磷素的吸收；VA菌根侵染率與有機質和水解性氮的質量分數也存在較高的相關系數。

表2 各因子相關系數矩陣Table 2 The factor correlation matrix

2.2 植物根際土壤酶活性與VA菌根侵染的關系

研究表明根際土壤是植物與土壤直接進行物質交換的最為活躍的場所，而根際土壤酶在物質交換過程中扮演著重要的角色[16-19]。土壤酶活性是土壤肥力高低的重要指標之一。磷酸酶的酶促作用是能加速有機磷循環速度，從而提高磷素有效性，是評價土壤中磷素生物轉化方向和強度的指標；過氧化氫酶能促進過氧化氫的分解，有利于減少或者阻止過氧化氫對生物體的毒害作用，增加土壤的代謝能力，促進有機物的分解；脲酶能催化尿素水解成氨，可用來表征土壤中有機態氮的轉化狀況；蔗糖酶常用于評價土壤熟化程度和肥力水平，對增加土壤中易溶性營養物質起著重要的作用[16]。

對試驗區內草本群落階段的主要植物根際土壤的四種常見土壤酶活性進行分析(表 3)。結果表明：各種酶活性均表現出極強根際效應，不同植物各種酶活性存在差異；堿性磷酸酶的R/S值以白苞蒿最高，為1.77；各植物根際過氧化氫酶酶和脲酶活性差異不大，地瓜藤兩酶活性均稍高；蔗糖酶活性以白苞蒿最高，R/S值為1.63，白茅最低，為1.31。

表3 土壤酶活性Table 3 The soil enzyme activity

對VA菌根侵染率和根際各土壤酶活性進行相關性分析，令堿性磷酸酶活性為x1，過氧化氫酶活性為x2，脲酶活性為x3，蔗糖酶活性為x4，侵染率為x5，孢子密度x6得到相關系數矩陣，結果見表 4。結果表明，堿性磷酸酶與菌根侵染率之間存在顯著相關性，相關系數為0.90，說明AMF侵染宿主植物后，能夠促進根際堿性磷酸酶活性的增加，這與多數研究結論一致[20,21]；菌根侵染率與其它酶活性之間存在不顯著相關。

3 討論與結論

根際是植物與土壤物質和能量交換的場所，關系著植物的營養狀況進而影響植物的生長。根際生境包括根系生長狀況、根際土壤理化性質以及土壤生物學特性，如土壤酶活性、微生物的種類與數量等。植物不僅能夠借助根系從土壤中吸收水分和礦物質營養，而且還會通過根系向外界環境釋放分泌物。菌根共生對植物具有顯著的促進作用，包括影響根際土壤微生物、動物、根系形態和生物酶的分泌等。目前的研究表明：一方面，AMF通過菌絲作用，將根際土壤圍成空間網狀，物質和能量流動加快，有利于根際土壤性狀的改良[1,10]；另一方面，菌根能夠直接分泌生物酶等多種生物活性物質，促進根際養分元素的循環，對根際環境進行調節，同時根際有機質等質量分數的增加又能夠促進根際微生物的生長繁殖，AMF的生長繁殖又能促進土壤酶的釋放，進而改良根際土壤[21]。

表4 土壤酶活性與菌根侵染相關性Table 4 The correlation between the soil enzyme activity and the mycorrhizal infection

根際微生態的作用是一個復雜的整體。在退化喀斯特地區草本群落階段，不同植物自身的遺傳多樣性可能會對AMF種類和數量產生選擇進而影響VA菌根的侵染。通過研究得到以下結論：

1）不同植物的菌根侵染率與孢子密度不同，侵染率與AMF孢子密度存在顯著相關；

2）不同植物的根際常見化學指標和土壤酶活性均存在較強的根際效應，不同植物的R/S值不同；

3）pH值與菌根侵染間存在顯著負相關，較高的pH對菌根侵染有抑制作用；菌根侵染率與有效磷質量分數存在極顯著正相關，VA菌根能夠有效促進磷素的活化；菌根侵染能夠顯著的增強堿性磷酸酶的活性，兩者存在顯著相關關系；菌根侵染能夠改善多項根際土壤特征指標。

[1]弓明欽, 陳應龍, 仲崇祿.菌根研究及其應用[M].北京: 中國林業出版社, 1997: 1-10.GONG Mingqin, CHEN Yinglong, ZHONG Chonglu.Applying research of mycorrhiza[M].Beijing: China Foresrty Press, 1997: 1-10.

[2]趙方貴, 賀學禮.VA 菌根與磷素營養[J].西北農業學報, 1999, 8(5):106-108.ZHAO Fanggui, HE Xueli.Vesciualr-arbuscualr mycorrhzias and Palnt nutrition[J].Northwest China Journal of Agrciutlural Sceinces,1999, 8(5): 106-108.

[3]金樑, 趙洪, 李博.我國菌根研究進展及展望[J].應用與環境生物學報, 2004, 10(4): 515-520.JIN Liang, ZHAO Hong, LI Bo.Mycorrhizal studies in China[J].Chin J Appl Environ Biol, 2004, 10(4): 515-520.

[4]王素英, 陶光燦, 謝光輝, 等.我國微生物肥料的應用研究進展[J].中國農業大學學報, 2003, 8(1): 14-18.WANG Suying, TAO Guangcan, XIE Guanghui et al.A review of effects of biofertilizers on crop yield and quality[J].Journal of China Agricultural University, 2003, 8(1): 14-18.

[5]李明琴, 黃辛果, 來楷迪, 等.貴州喀斯特微地貌的成因及其對水土保持影響的研究[J].貴州大學學報: 自然科學版, 2008, 25(4):434-437.LI Mingqin, HUANG Xinguo, LAI Kaidi, et al.Geneses of Karst microland and maintain of water and soil in response to Karst microland[J].Journal of Guizhou University: NaturalSciences, 2008, 25(4):434-437.

[6]黃承玲, 陳訓, 范成五.玉米根分泌物對喀斯特地區土壤吸附磷的影響[J].安徽農業科學, 2008, 36(26): 11453-11455.HUANG Chengling, CHEN Xun, FAN Chengwu.Effects of root exudates of maize on the adsorption of phosphorus in soil of Karst area[J].Journal of Anhui Agri Sci, 2008, 36(26): 11453-11455.

[7]王建鋒, 謝世友, 許建平.叢枝菌根在石漠化生態恢復中的應用及前景分析[J].信陽師范學院學報: 自然科學版, 2009, 22(1):157-160.WANG Jianfeng, XIE Shiyou, XU Jianping.Application of arbuscular mycorrhizas in ecological restoration of rocky desertification and analysis of its foreground[J].Journal of Xinyang Normal University:Natural Science Edition, 2009, 22(1): 157-160.

[8]魯如坤.土壤農業化學分析方法[M].北京: 中國農業科技出版社,2000: 212-255.LU Rukun.Chemical analysis of agricultural soil[M].Beijing: China Agricultural Science and Technology Publishing House, 2000:252-255.

[9]陳崢宏.微生物學實驗教程[M].上海: 第二軍醫大學出版社, 2008:56-62.CHEN Zhenghong.Microbiological test tutorial[M].Shanghai: Second Military Medical University Press, 2008: 56-62.

[10]劉潤進, 陳應龍.菌根學[M].北京: 科學出版社, 2007: 381-425.LIU RunJin, CHEN Yinglong.Mycorrhizal Science[M].Beijing: Science Press, 2007: 381-425.

[11]DIAMANTIDIS G, EFFOSSE A, POTIER P, et al, Purification and characterization of the first bacterial laccase in the rhizospheric bacterium Azospirillum lipoferum[J].Soil Biology & Biochemistry, 2000,32: 919-927.

[12]ZAK J C., WILLING M R, MOORHEAD D L, et al, Function diversity of microbial communities: A quantitative approach[J].Soil Biology &Biochemistry, 1994, 26: 1101-1108.

[13]王樹和, 王曉娟, 王茜等.叢枝菌根及其宿主植物對根際微生物作用的響應[J].草業學報, 2007, 16(3): 108-113.WANG Shuhe, WANG Xiaojuan, WANG Qian, et al.Responses of rhizosphere microorganisms to Arbuscular mycorrhizal fungi and their effects on host plants[J].Acta Prataculturae Sinica, 2007, 16(3):108-113.

[14]梁軍, 王媛, 焦一杰, 等.根際微生態調節對楊樹根系活力及土壤有效P轉化的效應[J].林業科學, 2009, 45(1): 102-106.LIANG Jun, WANG Yuan, JIAO Yijie, et al.Effects of rhizosphere microenvironment on the root vigor of poplars and trans formation of soil available P[J].Scientia Silvae Sinicae, 2009, 45(1): 102-106.

[15]TARAFDAR J C.Vsiual demonsrtaiton of in vivo acid phospha-tase activity of VA mycorrhizal fungi[J].Current Science, 1995, 69(6):541-543.

[16]周禮愷.土壤酶學[M].北京: 科學出版社, 1987, 116-267.ZHOU Likai.Soil enzymology[M].Beijing: Science Press, 1987,116-267.

[17]劉艷, 馬風云, 宋玉民等.黃河三角洲沖積平原濕地土壤酶活性與養分相關性研究[J].水土保持研究, 2008, 15(1): 59-61.LIU Yan, MA Fengyun, SONG Yumin, et al.Correlative research on the activity of enzymeand soil nutrient of different wetlands in Yellow River Delta[J].Research of Soil and Water Conservation, 2008, 15(1):59-61.

[18]王燦, 王德建, 孫瑞娟等.長期不同施肥方式下土壤酶活性與肥力因素的相關性[J].生態環境, 2008, 17(2): 688-692.WANG Can, WANG Dejian, SUN Ruijuan, et al.The relationship between soil enzyme activities and soil nutrients by long-term fertilizer experiments[J].Ecology and Environment, 2008, 17(2): 688-692.

[19]周瑋, 周運超, 田春.花江喀斯特地區花椒人工林的土壤酶演變[J].中國巖溶, 2008, 27(3): 240-245.ZHOU Wei, ZHOU Yunchao, TIAN Chun.Evolution of soil enzyme of Zanthoxylum Bungeanum woods in Huajiang Karst area [J].Carsologica Sinica, 2008, 27(3): 240-245.

[20]冀永生, 高輝, 顧泳潔, 等.不同生境條件下苦櫧叢枝菌根對根際土壤磷酸酶活性的影響[J], 生態環境, 2008, 17(4): 1586-1589.JI Yongsheng, GAO Hui, GU Yongjie, et al.The impaction of the arbuscular mycorrhizae ofCastanopsis sclerophyllaon the phosphatase activity of Rhizosphere in different Habitats[J].Ecology and Environmental Sciences, 2008, 17(4): 1586-1589.

[21]田慧, 劉曉蕾, 蓋京蘋, 等.球囊霉素及其作用研究進展[J].土壤通報, 2009, 40(5): 1215-1220.TIAN Hui, LIU Xiaolei, GAI Jingping, et al.Review of glomalin-related soil protein and its function[J].Chinese Journal of Soil Science, 2009, 40(5): 1215-1220.