叢枝菌根真菌對植被混凝土植物早熟禾的影響

王 立，傅生杰，馬 放，李 哲，劉貴祥

(哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090 哈爾濱)

叢枝菌根真菌對植被混凝土植物早熟禾的影響

王 立，傅生杰，馬 放，李 哲，劉貴祥

(哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，150090 哈爾濱)

為改善植被混凝土中植物的生長狀況，提高植物成活率，選用摩西球囊霉(Glomus mosseae)和根內球囊霉(Glomus intraradices)兩種叢枝菌根真菌AMF(arbuscular mycorrhizal fungi)，分別研究單菌、混菌添加改良植被混凝土配方對早熟禾——巴林生長的影響.結果表明:在植被混凝土中，接種摩西球囊霉對植物的侵染率最高(達43.37%);早熟禾對摩西球囊霉和混菌的依賴性較強，二者相差不大，明顯優于根內球囊霉;混菌處理的早熟禾株高和地上生物量均高于其他處理(分別達15.8%和20%);接種摩西球囊霉對早熟禾地下生物量促進效果最好(達48%).接種摩西球囊霉的早熟禾脯氨酸和可溶性糖含量最高(比空白分別提高45.4%和27.7%)，丙二醛(MDA)含量最低(降低14.7%)，能有效增強植物抗逆性;接種摩西球囊霉能使植物達到最大的光合同化能力和水分利用效率，增強植物對光和水分的利用能力，促進植物更好地生長.摩西球囊霉是AMF強化植被混凝土的最佳菌劑.

叢枝菌根真菌;植被混凝土;早熟禾;菌根依賴性;抗逆生理

植被混凝土技術是采用特定的混凝土配方和種子配方，對巖石邊坡進行防護和綠化的新技術［1］，既能起到良好的護坡作用，又能重建生態景觀，已在湖北、四川、云南等18個省市推廣使用［2－3］.然而，植被混凝土技術在應用過程中仍面臨一些問題，包括植被生長受基質材料脅迫、養護過程中植被容易退化、生長狀況和生理活性不高等.這些問題導致護坡防護效果變差，甚至使植被混凝土達不到防護要求.

叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza，AM)是土壤中叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)與植物根系形成的互利共生體系.這一共生體系能有效促進植物對土壤中養分的吸收［4－5］，提高植物在脅迫環境中的抗逆性［6］和生理活性［7］，進而促進植物的生長.AMF普遍存在于自然環境中，并能侵染80%以上的陸生植物［8］.基于菌根的優良特性，本試驗將摩西球囊霉(Glomus mosseae)、根內球囊霉(Glomus intraradices)及二者的混合菌劑加入植被混凝土配比中，構建AMF－早熟禾共生體系，研究AMF菌劑對植被混凝土植被的改良作用，以期優化植被混凝土配方，改善植物生長狀況.

1 試 驗

1.1 試驗材料

試驗地點為哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室人工氣候室，一天設置兩個時間段，時段1持續時間為12 h，有光照，溫度為25℃，濕度為55%;時段2持續時間為12 h，無光照，溫度為20℃，濕度為65%.

供試植物為草地早熟禾(Poa pratensis)——巴林(Balin)，禾本科，多年生，須根系，具有根狀莖，發芽迅速，成坪快，適應性強，耐寒性較強，耐旱性較突出，耐粗放管理，耐踐踏，尤其適用于公路護坡、水土保持等項目.試驗種子購于黑龍江省農科院.選用 2個 AMF廣適菌種，即Glomus mosseae(BEG167)和Glomusintraradices(BEG141)，兩種菌劑的孢子密度約為 10 g－1.菌種以白三葉為宿主植物，盆栽擴繁2個月后，用含有宿主植物根段、菌根真菌孢子及含有根外菌絲體的根際土壤作為接種劑.

其他試驗主要材料有:水泥、綠化添加劑、土、有機質、保水劑和水.采用亞泰集團哈爾濱水泥有限公司生產的P.O.325普通硅酸鹽水泥、三峽大學綠野環保工程有限公司的專利產品LY－2型砼綠化添加劑.土壤為沙壤土，有機質26.53 g/kg，速效鉀17.43 mg/kg，水解性氮115.62 mg/kg，有效磷124.37 mg/kg，pH為7.84.有機質采用華潤雪花啤酒(黑龍江)有限公司釀酒后剩余的酒糟.采用廣州創唯公司生產的100目土壤保水劑，含水率5%，pH7.3，為丙烯酸鹽/丙烯酰胺交聯型共聚物.

1.2 試驗設計和方法

試驗設4個處理，即接種滅菌菌劑(CK)、接種Glomusmosseae(GM)、接 種Glomus intraradices(GI)和接種兩種菌的混菌(MI).所用植被混凝土配比(質量比，以干土質量為計算基數)如下:水泥質量為干土質量的8%;綠化添加劑質量和有機質質量均為干土質量的5%;保水劑質量為干土質量的0.1%;菌劑接種量為干土質量的4%(混菌處理中兩種菌各占 2%);水適量.

采用花盆試驗，花盆高 15 cm，頂部直徑10 cm，底部直徑6.5 cm，每盆裝土量280 g，每個處理6個重復.在投加菌劑之前，將土、水泥、綠化添加劑和酒糟的混合物置于高壓蒸汽滅菌鍋中121℃條件下滅菌2 h.然后投加不同菌劑，混合均勻.種子用干濕處理［9］催芽，播種前用體積分數為75%的酒精浸洗10 min，用蒸餾水沖洗干凈.花盆于紫外燈下滅菌30 min，每盆均勻播種60粒.在人工氣候室養護50 d后開始試驗.

1.3 測定指標及方法

AMF侵染率:隨機選取各處理根系進行染色，3個重復，每個重復用顯微鏡觀察100個根段，采用十字交叉法觀察計算菌根侵染率［10］.

菌根依賴性［11］(MD)=接菌后植物生物量/未接菌植物生物量×100%.

生長指標測定:測量不同處理的植株高度，每個處理5個重復;測量不同處理的地上生物量和地下生物量干質量，每個處理3個重復.

生理指標測定:丙二醛(MDA)采用硫代巴比妥酸顯色法測定，脯氨酸采用茚三酮比色法［12］測定，每個處理3個重復.

光響應曲線測定:利用CIRAS－2便攜式光合儀的LED紅藍光源控制系統模擬光強度.空氣使用開放氣路，流速為0.5 L/min，溫度25℃，CO2濃度360 μmol/mol，大氣相對濕度75%.供試植物首先在暗光下誘導30 min，測定時光強由弱到強，依次設定光合有效輻射強度(PAR)為0，50，100，150，200，400，600，800，1 000，1 200，1 400，1 600，1 800，2 000 μmol·m－2·s－1，每一光強下至少停留180 s.待植物各項生理指標的總變異系數小于1%時由儀器自動讀取并記錄數據.分別測量不同處理下早熟禾葉片的凈光合速率 (Pn，μmol·m－2·s－1)和蒸騰速率 (E，μmol·m－2·s－1)等生理指標.植物葉片選擇完全展開成熟、健康的潔凈葉片，每個處理3個重復.

以光合有效輻射強度PAR為橫軸，Pn為縱軸繪制光合作用光響應曲線，依據Bassman和Zwier的方法［13］擬合Pn-PAR 曲線方程，即

式中:Pmax為最大凈光合速率，即光合能力，α為弱光下光量子利用效率(apparent quantum yield，AQY)，C0為度量弱光下凈光合速率趨近于0的指標.通過適合性檢驗，若擬合效果良好，則用下式計算光補償點(light compensation point，LCP)和光飽和點(light saturation point，LSP):

瞬時水分利用效率(water use efficiency，Ewu)為

1.4 數據分析

應用SPSS18.0對數據進行統計分析，應用Origin8.0進行繪圖.

2 結果與討論

2.1 不同接菌處理下菌根侵染率比較

自然條件下，早熟禾——巴林根際AMF侵染能力較弱，通過人工強化技術，可以增強AMF侵染效果(圖1)，促進二者互利共生關系的形成，進而提高植物的生長能力.在植被混凝土中，AMF能夠有效侵染植物，但不同接菌處理下，AMF對早熟禾根系的侵染率不同.由于植被混凝土基質經過滅菌，在接種已滅菌菌劑的處理(CK)中，沒有檢測到AMF對早熟禾根系的侵染.接種摩西球囊霉(GM)對早熟禾的侵染效果最好，侵染率達43.27%，顯著高于接種根內球囊霉(GI)的侵染率(35.71%)(P＜0.05).接種混菌(MI)的侵染效果居中(42.18%)，與GM處理差異無統計學意義，但顯著高于GI處理(P＜0.05).結果表明:接種摩西球囊霉(GM)對早熟禾的侵染效果最佳，混菌處理(MI)次之，接種根內球囊霉(GI)侵染效果最差.

圖1 AMF對早熟禾的侵染效果

2.2 不同菌劑處理對早熟禾生長的影響

菌根依賴性是反映植物對菌根依賴程度及AMF對植物促進效果的指標.根據Nemec的方法［11］計算并分析菌根依賴性，將CK處理植物的菌根依賴性設為100%，結果見表1.與CK相比，接種菌劑處理均可提高植物的菌根依賴性.其中，MI和GM兩種處理的菌根依賴性差異無統計學意義，分別為122.25%和121.66%.GI處理的效果較差，其菌根依賴性顯著低于其他兩種接菌處理(P＜0.05).結果表明:接種混菌和接種摩西球囊霉均能顯著提高植物菌根依賴性，而接種根內球囊霉的效果較差.

表1 不同菌劑處理對早熟禾生長的影響

植物的株高是反應植物生長情況的有效指標之一，也是草坪建植質量評價指標之一.接種活菌的3個處理都不同程度地提高了早熟禾的高度.自然條件下，早熟禾平均株高為(31.1±2.4)cm.接菌處理后，混菌(株高為(36.0±2.2)cm)和摩西球囊霉(株高為(35.7±2.46)cm)均顯著促進早熟禾地上分枝的生長(P＜0.05)，株高分別提高15.8%和14.8%.接種根內球囊霉的早熟禾株高居中(株高為(33.3±1.59)cm)，與CK對比差異無統計學意義.

生物量是衡量草坪生長發育狀態的重要指標，是研究草坪生長規律的重要參數.接種AMF可直接合成或誘導植物產生多種激素類物質［14－15］，進而可能會對植物生長產生促進作用.由表1可以看出，與CK相比，MI和GM處理均能顯著提高早熟禾地上生物量(P＜0.05)，分別提高了20%和18%，GI處理與CK差異無統計學意義;GM處理的地下生物量顯著高于CK(P＜0.05)，提高了 48%，MI和 GI處理分別提高了35%和17%，與CK差異無統計學意義.結果表明:MI處理對于提高早熟禾地上生物量效果最好，而GM處理對于提高早熟禾地上和地下生物量效果均十分顯著.

植物各部分生物量在總生物量中所占比例不同體現了不同的生態分配對策.通過根冠比的比較，可以揭示不同接菌處理下早熟禾生物量分配對策上的差異.由不同接菌處理下早熟禾的根冠比可知，3種接菌處理的根冠比由大到小依次為:GM＞MI＞GI＞CK.結合 GM 處理對早熟禾地下生物量的促進作用，與其他接菌處理相比，摩西球囊霉的添加能更有效地促進早熟禾根系的生長，有助于植物在脅迫環境中有效攫取資源和適應逆境，提高早熟禾根系在植被混凝土中的加筋作用，提高強度.

2.3 不同菌劑處理下早熟禾光合生理變化

植物的光合作用是植物生長發育的基礎，也是植物生產力高低的決定性因素.光合速率是描述植物光合作用的直接指標，其大小反映了植物合成有機物質和積累營養物質能力的強弱［16］.根據經驗公式對不同接菌處理的凈光合速率進行擬合，結果的相關程度均達P＜0.01(n=14)的極顯著水平(圖2)，擬合和計算結果見表2.

圖2 不同接菌處理下早熟禾的光響應曲線

表2 不同接菌處理下早熟禾光合特征指標

AQY能夠較直接地反映植物捕光以及對弱光利用的能力.光補償點是衡量植物需光特性的生理指標，代表了植物光合作用對光輻射強度所要求的下限，也反映了對弱光的利用能力［17］.因此，AQY越高，LCP越低，植物利用弱光的能力越強.從表2可以看出，不同處理的AQY由大到小依次為:GM＞MI＞GI＞CK;不同處理的 LCP 由小到大依次為:GM＜GI＜MI＜CK.結果表明:接種 AMF均可提高植物對弱光的利用能力，GM處理效果最好.對于密集叢生的早熟禾種群，接種摩西球囊霉能有效提高其對光資源的截取和利用效果，提高有機物質的積累.

LSP反映了植物對強光的利用能力.AMF接菌植物均較晚達到最大凈光合速率，而后保持較高的光合速率，未出現強光抑制現象，對強光的利用能力增強.由表2可以看出，AMF侵染植物LSP增大，LCP減小，表明對光資源利用區間增大.Pmax反映了植物的光合能力，添加AMF均能提高早熟禾的光合同化能力.其中GM處理的Pmax最大，光合同化能力最強.

瞬時水分利用效率Ewu是衡量植物對水資源的有效利用和節約程度的重要生理指標.Ewu越高，植物的節水能力越大.由圖3可看出，GI處理的E最高，遠大于CK，強光下旺盛的蒸騰導致其Ewu最低.GM處理雖然有著較高的蒸騰速率，但由于光合作用強，其Ewu仍然保持高效，在4種處理中最高.MI處理的E和Ewu均高于CK.結果表明:接種摩西球囊霉能提高植被混凝土中植物的水分利用效率，加強坡面水分的截留與涵養，提高植被混凝土的抗旱能力.

2.4 不同菌劑處理對早熟禾抗逆性的影響

與普通土壤相比，植被混凝土由于其pH較高，鹽堿性較強，會對植物的生理狀態產生一定影響.脯氨酸、可溶性糖和MDA含量等是衡量植物生理狀態的常用生理指標.植物體內脯氨酸和可溶性糖含量在一定程度上反映了植物的抗逆性;MDA含量則反映了植物受害程度的大小，MDA含量越高，植物受害程度越大.

圖3 不同接菌處理下早熟禾蒸騰速率和水分利用效率的光相應曲線

由表3可知，與CK相比，GM、GI和MI處理下的脯氨酸和可溶性糖含量均顯著提高，MDA含量均顯著降低.GM、GI和MI處理的脯氨酸含量分別比CK處理提高了45.4%、17.4%和38.1%;GM、GI和MI處理的可溶性糖含量分別比CK處理提高了27.7%、10.9%、22.9%.GM處理的MDA含量顯著低于其他處理(P＜0.05)，GI和CK處理的MDA含量顯著高于MI處理(P＜0.05)，兩者差異無統計學意義.表明在植被混凝土中，接種摩西球囊霉能最有效地增加植物內脯氨酸和可溶性糖含量，提高植株的滲透調節能力，降低MDA含量，增強植株的抗逆性.

表3 不同接菌處理處理下早熟禾的生理指標

3 結 論

1)在植被混凝土中添加菌根菌劑，能有效提高早熟禾根部的AMF侵染率，進而對早熟禾的生長、抗逆性能和生理活性產生明顯促進作用.接種摩西球囊霉和混菌的侵染效果顯著優于接種根內球囊霉，兩者的侵染率分別達 43.27%和42.18%，菌根依賴性分別達 121.66%和122.25%.

2)與對照相比，外接菌根菌劑能明顯提高早熟禾的株高、地上和地下生物量.MI處理對早熟禾株高和地上生物量促進效果最好，分別提高了15.8%和20%.GM處理對早熟禾地下生物量的促進效果最好，提高達48%，顯著高于其他處理(P＜0.05).植物地下根系是保證植物旺盛生長、物質同化和資源利用的基礎，發達的根系能起到良好的加筋作用.因此，添加摩西球囊霉對于提高植被混凝土性能和護坡效果具有重要意義.

3)在植被混凝土條件下，不同菌劑處理均能顯著增加植物體內脯氨酸和可溶性糖含量(P＜0.05)，減少MDA含量.AMF的添加還能促進植物對弱光的利用能力，提高植物的光合同化能力和水分利用效率.因此，添加AMF菌劑可以在一定程度上解決植被混凝土植被生長受脅迫和易退化等問題，提高植被抗逆性和生長活性.不同菌劑處理中，GM處理的效果最好，能顯著降低MDA含量，提高植物對光和水分的利用率.

4)在不同處理中，GM處理的效果最優.摩西球囊霉的添加能促進植物根系的生長，提高植物的株高和生物量，增強植物抗逆性、光合同化能力和水分利用效率，對于植被混凝土構建、工程養護與維護有重要意義，是AMF強化的首選菌劑.

［1］許文年，王鐵橋，葉建軍.巖石邊坡護坡綠化技術應用研究［J］.水利水電技術，2002，33(7):35－36，40.

［2］王鐵橋，許文年，葉建軍，等.挖方巖石邊坡綠化技術與方法探討［J］.三峽大學學報:自然科學版，2003，25(2):101－104.

［3］許文年，王鐵橋，李建林，等.清江隔河巖電廠高陡混凝土邊坡綠化技術研究［J］.水利水電技術，2003，34(6):43－46.

［4］CARAVACA F，HERNANDEZ T，GARCIA C，et al.Improvementofrhizosphere aggregate stability of afforested semiarid plant species subjected to mycorrhizal inoculation and compostaddition［J］.Geoderma，2002，108(1/2):133－144.

［5］陳丹明，郭娜，郭紹霞.叢枝菌根真菌對牡丹生長及相關生理指標的影響［J］.西北植物學報，2010，30(1):131－135.

［6］BOROWICZ V A.Do arbuscular mycorrhizal fungi alter plant-pathogen relations［J］.Ecology，2001，82(11):3057－3068.

［7］賀忠群，賀超興，任志雨，等.不同叢枝菌根真菌對番茄酶活性及光合作用的影響［J］.北方園藝，2008，(6):21－24.

［8］王立，賈文奇，馬放，等.菌根技術在環境修復領域中的應用及展望［J］.生態環境學報，2010，19(2):487－493.

［9］李青豐，常海山.幾種預處理對促進草地早熟禾種子萌發的效果［J］.中國草地，1997(3):28－30，48.

［10］PHILLIPS J，HAYMAN D.Improved procedures for clearing roots and staining parasitic and vesiculararbuscular mycorrhizal fungi for rapid assessment of infection［J］.Transactions of the British Mycological Society，1970，55(1):158－161.

［11］NEMEC S.Response of six citrus root-stocks to three species of Glomus，a mycorrhizal fungus［C］//Proc Fla State Hort Soc.［S.l.］:［s.n.］，1978:10－14.

［12］劉家堯，劉新.植物生理學實驗教程［M］.北京:高等教育出版社，2010:72－75.

［13］BASSMAN JH， ZWIER JC.Gasexchange characteristics of Populus trichocarpa，Populus deltoides and Populus trichocarpa×P.deltoides clones［J］.Tree Physiology，1991，8(2):145－159.

［14］于建新，李敏，劉潤進.菌根真菌與植物激素相互作用研究進展［J］.青島農業大學學報:自然科學版，2009，26(1):4－7.

［15］CRUZ A F，ISHII T，KADOYA K.Effects of arbuscular mycorrhizal fungi on tree growth，leaf water potential，and levels of 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid and ethylene in the roots of papaya under water-stress conditions［J］.Mycorrhiza，2000，10(3):121－123.

［16］李小磊，張光燦，周澤福，等.黃土丘陵區不同土壤水分下核桃葉片水分利用效率的光響應［J］.中國水土保持科學，2005，3(1):43－47，65.

［17］蘆站根，趙昌瓊，韓英，等.不同光照條件下生長的曼地亞紅豆杉光合特性的比較研究［J］.西南師范大學學報:自然科學版，2003，28(1):117－121.

Effect of arbuscular mycorrhizal fungi on Poa pratensis in vegetation-growing concrete

WANG Li，FU Shengjie，MA Fang，LI Zhe，LIU Guixiang
(State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China)

To improve the growth and survival rate of plants in vegetation-growing concrete，we chose two kinds of arbuscular mycorrhizal fungi，Glomus mosseaeandGlomus intraradices，to study the effect of pure fungi，mixed bacteria onPoa pratensisl.cv.BALIN in vegetation-growing concrete.The results show that:The single application ofGlomus mosseae(GM)can obviously improve the infection rate to 43.27%.Poa pratensishas stronger dependence onGlomus mosseaeand mixed fungicides(MI)with little difference thanGlomus intraradices(GI).The plant height and aboveground biomass with MI treatment can be increased by 15.8%and 20%respectively.Mtreatment can increase the underground biomass by 48%higher than any other treatment.M treatment can significantly improve the proline and soluble sugar contents by 45.4%and 27.7%and reduce the malondialdehyde content(MDA)by 14.7%which can enhance the plant stress-resistance.M treatment can make the plants get the highest CO2assimilation and water use efficiency(WUE)，enhancingPoa pratensis’ability of using the light and water and improving better growth of plants.Glomus mosseaeis the best choice to improve vegetation-growing concrete.

AMF;vegetation-growing concrete;Poa pratensis;mycorrhizal dependency;resistant physiology

X171.4;TU528

A

0367－6234(2014)02－0044－05

2013－01－06.

國家自然科學基金資助項目(51179041);水體污染控制與治理科技重大專項(2012ZX07201003);黑龍江省自然科學基金資助項目(E201206);哈爾濱市科技創新人才研究專項基金資助項目(2012RFLXS026);城市水資源與水環境國家重點實驗室自主課題(2014TS05).

王 立(1978—)，女，博士，副教授;

馬 放(1963—)，男，博士，教授，博士生導師.

王 立，wli@hit.edu.cn.

(編輯 劉 彤)