蒙古沙冬青AM 真菌物種多樣性與土壤因子的相關性

劉春卯，賀學禮，陳嚴嚴，王曉乾，姜橋

（1.河北大學 生命科學學院，河北 保定 071002；2.河北省微生物研究所 酶工程實驗室，河北 保定 071051）

蒙古沙冬青（Ammopiptanthus mongolicus）屬豆科沙冬青屬，是我國荒漠地區特有的常綠闊葉灌木，國家珍稀瀕危保護植物［1］，主要分布于寧夏吳忠、中衛，內蒙古瞪口、烏海、賀蘭山、阿左旗、阿右旗和甘肅民勤等地，具有抗寒、抗凍、抗高溫、抗干旱等特性，在防風固沙和水土保持中發揮著重要作用［2］.

AM（arbuscular mycorrhizae）真菌是一類能與絕大多數高等植物根系形成共生關系的土壤真菌.AM 真菌可通過根外菌絲在相同或不同種植物根系間建立起物質和信息傳遞的橋梁，提高植物對土壤水分和礦質營養的吸收利用，促進植物生長［3］.研究表明，AM 真菌遍布不同生態系統［4－7］，在退化生態系統植被恢復和生態建設中發揮著重要作用［8－11］.目前，有關AM 真菌物種多樣性季節或月份間變化的研究時有報道［12－14］，但未見對不同年際AM 真菌的研究.

本實驗選取寧夏銀川、沙坡頭和甘肅民勤3個樣地，通過連續2年同一月份樣品采集和分析，對蒙古沙冬青根圍AM 真菌物種多樣性特征及其生態分布規律進行研究，初步揭示了蒙古沙冬青與AM 真菌共生關系，并篩選出其根圍AM 真菌優勢種，這為保護和促進蒙古沙冬青生長提供理論依據，為利用菌根生物技術促進荒漠植被恢復提供理論基礎.

1 材料和方法

1.1 樣地概述

3個樣地經緯度、海拔、降水量等基本情況見表1.

表1 樣地基本情況Tab.1 Basic situations of sampling sites

1.2 樣品采集

2012年7月和2013年7月，分別在寧夏銀川、沙坡頭和甘肅民勤3個樣地隨機選取生長良好的蒙古沙冬青植株，在貼近植株根頸部分5個土層：0～10，10～20，20～30，30～40，40～50cm 挖取土壤剖面，按順序進行土樣采集，裝入有編號的塑料袋密封帶回實驗室.土樣在自然風干后過2mm 篩，對AM 真菌和土壤理化性質進行鑒定和測定.

1.3 AM 真菌多樣性測定

孢子分離采用濕篩傾析－蔗糖離心法［15－16］.將篩取的AM 真菌孢子在體視顯微鏡下觀察，并通過記錄孢子數量、顏色、大小、連孢菌絲特征等，結合Schenck［17］“VA 菌根鑒定手冊”和INVAM（http：／／invam.caf.wvu.edu）提供的鑒定資料，對孢子種類進行鑒定，并篩選出優勢種.

相關計算公式如下：

物種豐度（Species Richness，SR）＝某種AM 真菌總種次數／土樣數.

分離頻度（Frequency，F）＝（AM 真菌某屬或種的孢子數／土樣數）×100%.

相對多度（Relative Abundanc，RA）＝（AM 真菌某屬或種的孢子數／AM 真菌總孢子數）×100%.

重要值（Important value，I）＝（F＋AR）／2.本文將AM 真菌重要值劃分為4個等級，即I＞60%為優勢屬（種），40% ＜I≤60%為亞優勢屬（種），20%＜I≤40%為伴生屬（種），I ≤20%為偶見屬（種）.

Sorensen相似性系數：Cs＝2j／（a＋b），j為AM 真菌在2個樣地共有的物種數量，a代表A 樣地總種數，b代表B樣地總種數.

多樣性采用Shannon－Wiener指數（H）和Simpson指數（D）來表示

式中：Pi為某樣地土壤內種i的孢子級數（Ni）與該地區土壤AM 真菌孢子總級數（N）之比，即Pi＝Ni／N，S 為某樣地AM 真菌種數.

1.4 土壤指標測定

脲酶用He等［18］方法測定；磷酸酶參照Tabatabai和Bremner法測定［19］；球囊霉素用Wright等［20］方法測定；有機質用灼燒法；速效氮用堿解擴散法；速效磷用碳酸氫鈉浸提－鉬銻抗比色法；速效鉀用四苯硼鈉比濁法測定.

1.5 數據處理

實驗數據通過SPSS19.0生物統計軟件進行方差分析、主成分分析，并利用Excel，Canaco作圖.

2 結果與分析

2.1 AM 真菌種質資源

本實驗共分離鑒定出AM 真菌5屬36種，其中球囊霉屬Glomus 16種，約占44.5%；無梗囊霉屬Acaulospora13種，約占36.1%；盾巨孢囊霉屬Scutellospora3種，約占8.3%；管柄囊霉屬Funneliformis 3種，約占8.3%；多孢囊霉屬Diversispora1種，約占2.8%.多孢囊霉屬僅在沙坡頭樣地分布，其他各屬在不同樣地均有分布.

不同年份，AM 真菌在各樣地分布略有差異（表2）.2013年與2012年相比，銀川樣地分離出蜜色無梗囊霉和淺窩無梗囊霉，沙坡頭樣地分離出孔窩無梗囊霉，民勤樣地分離出細凹無梗囊霉和沙荒球囊霉，而異配盾巨孢囊霉在沙坡頭樣地未出現.

表2 AM 真菌分布及年際間變化Tab.2 Distribution and inter－annual variation of AM fungi

續表2Continue tab.2

2.2 AM 真菌屬分離頻度、相對多度和重要值

由表3可知，2012年和2013年，球囊霉屬是3樣地共有優勢屬；無梗囊霉屬、管柄囊霉屬和盾巨孢囊霉屬是3樣地共有亞優勢屬；多孢囊霉屬是沙坡頭樣地偶見屬.

表3 不同樣地AM 真菌各屬分離頻度（F）、相對多度（RA）和重要值（I）Tab.3 Frequency（F），relative abundance（RA）and importance value（I）of AM fungal genera in different sampling sites

2.3 AM 真菌土層分布

由表4可知，2012年和2013年2年間的AM 真菌孢子密度和種豐度均受土層影響.3樣地孢子密度和種豐度均為0～20cm 土層顯著高于20～50cm 土層.

表4 不同年份不同土層孢子密度和種豐度Tab.4 Spore density and species richness in different soil layers and different years

2.4 AM 真菌物種多樣性年際變化

2012年和2013年AM 真菌多樣性相關指標見表5.由表5可見，3樣地孢子密度在2013年均有所升高，寧夏銀川和甘肅民勤孢子密度變化明顯，2013年孢子密度高于2012年.3樣地種豐度和多樣性指數在年際間無明顯變化.甘肅民勤樣地孢子密度顯著高于寧夏銀川和寧夏沙坡頭.

表5 不同年份3樣地AM 真菌孢子密度、種豐度、香濃－維納指數和辛普森指數Tab.5 Spore density，species richness，Shannon－Wiener index and Simpson index of AM fungi from three plots in different years

續表5Continue tab.5

2.5 AM 真菌組成的相似性系數

由表6可見，寧夏銀川和沙坡頭樣地2012年和2013年均表現出較高相似性，說明2樣地在AM 真菌種類組成上差異不顯著；而甘肅民勤樣地與其他樣地相似性系數較低，表明民勤樣地AM 真菌組成與其他樣地差異顯著.

表6 2012年和2013年不同樣地AM 真菌組成的Sorensen相似性系數Tab.6 Sorensen index of AM fungi in different sampling sites and different years

2.6 土壤因子年際變化

由表7可知，3樣地土壤理化性質在2年間均表現出淺表土層含量顯著高于深層土.不同年份相比，相同土層在年際間含量存在差異.

表7 不同樣地土壤因子年際變化Tab.7 Soil factors of different sampling sites and different years

續表7Continue tab.7

不同年份民勤樣地：僅0～20cm 和30～40cm 土層脲酶2013年高于2012年；40～50cm 土層有機質2013年高于2012年，2012年30～40cm 土層含量高于2013年；40～50cm 土層總球囊霉素2012年高于2013年；不同土層易提取球囊霉素2013年均高于2012年；20～30cm 土層堿解氮2012年高于2013年；0～20cm 土層速效磷2013年高于2012年；40～50cm 土層速效鉀2013年低于2012年；10～50cm 土層堿性磷酸酶2012年高于2013年，酸性磷酸酶無明顯變化.

不同年份沙坡頭樣地：僅0～30cm 土層脲酶2013年高于2012年；40～50cm 土層有機質2013年高于2012年；總球囊霉素2013年高于2012年；0～40cm 土層易提取球囊霉素2013年高于2012年；0～30cm土層堿解氮2013年高于2012年，30～40cm 土層2012年高于2013年；30～50cm 土層速效磷2012年高于2013年；0～10cm 和30～50cm 土層速效鉀2012年高于2013年；2012年堿性磷酸酶和酸性磷酸酶均高于2013年.

不同年份銀川樣地：僅0～20cm 土層脲酶2012年高于2013年，40～50cm 土層2013年高于2012年；40～50cm 土層有機質2013年高于2012年；總球囊霉素2013年均高于2012年；0～40cm 土層易提取球囊霉2013年高于2012年；10～20cm 和30～40cm 土層堿解氮2013年高于2012年；0～20cm 土層速效磷2013年高于2012年；40～50cm 土層速效鉀2012年高于2013年；0～30cm 土層堿性磷酸酶2013年高于2012年；0～10cm 和20～40cm 土層酸性磷酸酶2013年高于2012年，10～20cm 和40～50cm 土層酸性磷酸酶2012年高于2013年.

2.7 AM 真菌物種多樣性和土壤因子的關系

表8和圖1對AM 真菌和土壤因子進行了相關性分析，結果表明，孢子密度與總球囊霉素、速效鉀和酸性磷酸酶顯著正相關；種豐度與脲酶、有機質、球囊霉素、堿解氮、速效磷和速效鉀顯著正相關.

表8 AM 真菌物種多樣性與土壤因子相關性Tab.8 Correlation analysis between AM fungal species diversity and soil factors

圖1 AM 真菌孢子密度和種豐度與土壤因子的RDA分析Fig.1 RDA analysis of AM fungal spore density，species richness and soil factors

2.8 土壤因子主成分分析

如表9所示，對土壤因子進行主成分篩選.根據相關矩陣特征值大于1，方差累計貢獻率大于80%的原則，入選2個主成分.這2個主成分方差累積貢獻率為85.423%.第1主成分中脲酶、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、堿性磷酸酶有較高載荷（權重在0.826～0.918），第2主成分中總提取球囊霉和酸性磷酸酶有較高載荷（權重在0.689～0.430），因第1主成分信息量大，故篩選出脲酶、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、堿性磷酸酶是主要影響因子.

表9 主成分載荷矩陣、特征值和貢獻率Tab.9 Principle component loading matrix，eigenvalue and contribution rate

3 討論

本研究分離鑒定的5屬36種AM 真菌，高于錢偉華等［21］在毛烏素沙地分離出的28種，陳烝等［22］在檸條錦雞兒根圍分離的24種.結果表明，3個樣地均表現出表層土AM 真菌孢子密度和種豐度相對較高，這與AM 真菌是好氣性真菌有關，另外，淺表土層有較多枯枝落葉，有機質含量相對較高，這為AM 真菌生長提供了豐富的營養物質.AM 真菌物種多樣性差異與宿主植物種類密切相關［23］，宿主植物及其根系特性是影響AM 真菌物種多樣性的重要因素.蒙古沙冬青為多年生灌木，根系生長旺盛，常生長在沙質松軟、土壤透氣性好的沙丘中，這利于AM 真菌生長.本實驗中，蒙古沙冬青AM 真菌物種多樣性分布存在時空異質性，樣地和土層間孢子密度和種豐度均存在差異，2年間，各樣地AM 真菌種類略有變化，這可能是宿主植物及其根圍土壤環境共同作用的結果.

氮、磷、鉀是植物生長所需的主要營養元素，三大營養元素會以不同形式存在于土壤中，AM 真菌可將不利于直接吸收的部分轉化為易于宿主植物吸收的形式［24］，這種轉化在荒漠貧瘠土壤中尤為重要.本實驗對影響AM 真菌多樣性的土壤因子進行主成分分析，篩選出脲酶、有機質、堿解氮、速效磷、速效鉀、堿性磷酸酶是主要影響因子.其中，脲酶可催化土壤中的尿素，增加植物根際氮源含量［25］，有利于AM 真菌和宿主植物利用和生長.磷酸酶可將土壤有機磷分解轉化成易于植物根系吸收的無機磷，增加其生物有效性［26］.AM真菌能夠分泌酸性磷酸酶活化有機磷，使得根圍土壤P含量升高，從而為宿主植物根系提供更多易于吸收的P元素，AM 真菌與植物長期共生會有效改變土壤磷活性.通過AM 真菌多樣性與土壤因子相關性分析表明，AM 真菌孢子密度與酸性磷酸酶顯著正相關，種豐度與脲酶顯著正相關.這一方面表明土壤酶會影響AM 真菌物種多樣性，另一方面也表明AM 真菌通過土壤酶作用可有效改善土壤微環境.AM 真菌萌發的菌絲可將土壤營養物質轉運給宿主植物利用，同樣也可利用宿主植物合成的有機物質促進自身生長，使得AM 真菌與宿主植物處于良性循環過程中.

研究表明，年份不同會伴隨宿主植物及其根圍土壤因子的變化.本實驗中，由于宿主植物生長以及當年的自然條件不同，導致2年相同月份3個樣地土壤因子在不同土層均有變化，在土壤因子影響下，3個樣地在2年間AM 真菌孢子密度、種豐度和真菌種類也出現了相應變化，這種對應關系與土壤因子會影響AM真菌種類和分布［27］研究結論相一致.有研究發現，蒙古沙冬青生長也會影響AM 真菌物種多樣性變化［28］，植物生長年齡不同，所積累的營養物質以及根際生長狀況不同，這可能也是導致AM 真菌出現差異的原因之一.

4 結論

本實驗結果表明，宿主植物根圍土壤理化性質直接影響著AM 真菌物種多樣性.土壤深度會影響孢子密度，一般表層土孢子密度較高.該結論揭示了蒙古沙冬青與AM 真菌的共生關系，這為闡明蒙古沙冬青適應極端荒漠環境生長提供了依據，為利用菌根生物技術促進蒙古沙冬青生長奠定了基礎.

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