極旱荒漠灌叢AM真菌與土壤因子相關性

李燁東，左易靈，張開遜，趙麗莉，賀學禮，王亮

(1.河北大學 生命科學學院， 河北 保定 071002；2.甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區管理局，甘肅 瓜州 736100)

安西極旱荒漠自然保護區，地處溫帶和暖溫帶過渡區域，荒漠生態類型眾多，極旱荒漠、典型荒漠和草原化荒漠植被均有分布. 合頭草Sympegmaregelii、紅砂Reaumuriasongarica、泡泡刺Nitrariasphaerocarpa、膜果麻黃Ephedraprzewalskii和珍珠豬毛菜Salsolapasserina作為亞洲中部特有種，屬于不同科屬，在安西荒漠區域最具代表性. 這些特有的灌叢植被具有不同的根系特征，在荒漠生態系統中集群生長，對資源利用、改善荒漠生態環境和調節荒漠生態系統具有重要意義. 在一定景觀內，土壤性質存在明顯空間異質性，在灌叢周圍形成“肥島”效應[1]. 灌叢地上部分截獲土壤風蝕物、凋落物，富集養分[2]，地下部分主根粗壯且廣泛分布毛細根，發達的根系對土壤養分遷移產生影響，兩者相互作用下灌叢不同范圍內土壤性狀呈梯度分布[3].

叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza, AM)真菌作為專性活體營養共生真菌，是地球上分布最廣泛的菌根類型，可降低惡劣環境對植物的養分脅迫[4-5]，還可形成土壤團聚體[6]、保水持水、抵御風蝕、加速凋落物分解及實現有機物沉淀[7]. AM真菌群落組成受眾多因素影響，王姣姣[8]、Bever[9]等研究認為，同一生境條件下，不同植物種類AM真菌群落組成受根系特征和根系分泌物影響差異顯著. 不同生境下，隨水熱條件變化，植物AM真菌群落組成不同[10-11]. 土壤氮、磷元素的有效性影響植物和AM真菌群落[12]. 不同劑量的磷肥管理會改變牧草系統AM真菌群落組成[13]. AM真菌接種也會促進植物根系發展,減輕干旱脅迫[14]. 而在極旱荒漠環境下，植物種類和土壤因子對AM真菌群落相對作用研究較少.

本研究以安西極旱荒漠保護區作為研究樣地，采集5種極旱荒漠植物根圍0～10 cm和20～30 cm土壤樣品，研究不同荒漠植物AM真菌物種組成、土壤因子變化特征及其生態效應，旨在探明植物種類、土壤酶活和土壤理化性質對AM真菌群落的影響，為促進荒漠植物生長和植被恢復提供依據.

1 材料與方法

1.1 樣地概況

樣地位于甘肅安西極旱荒漠國家級自然保護區(94°45′～97°00′E，39°52′～41°5′N)，地處甘肅省瓜州縣境內. 該地區屬典型大陸性氣候，年均氣溫7.8 ℃，年均降雨量小于52.0 mm且季節分配不均，夏季降雨量占全年降雨量的70%左右，年蒸發量2 754.9～3 420.0 mm. 土壤類型多為灰棕漠土，植被覆蓋度低，主要有紅砂、合頭草、珍珠豬毛菜、泡泡刺和膜果麻黃等極旱荒漠植物.

1.2 樣品采集

2018年7月分別在安西極旱荒漠保護區堿泉子、四道溝、長山子和瞭望臺以合頭草Sympegmaregelii、紅砂Reaumuriasongarica、泡泡刺Nitrariasphaerocarpa、膜果麻黃Ephedraprzewalskii和珍珠豬毛菜Salsolapasserina為目標植物設置3個小樣地，每個小樣地選取5株生長良好的植株，去除表面枯枝落葉層，以植物主干向外輻射，距離主干0～10 cm、20～30 cm分別采集深度0～30 cm土層土壤樣品. 土壤樣品帶回實驗室，過2 mm篩，陰干后4 ℃冷藏，用于AM真菌分離鑒定和土壤因子測定(表1).

表1 5種荒漠植物和樣地概況

1.3 AM真菌孢子分離與物種多樣性測定

稱取風干土樣20 g，用濕篩傾析-蔗糖離心法篩取AM真菌孢子，體視顯微鏡下觀察記錄孢子數量即孢子密度(spore density, SD)，挑取孢子于水中壓片處理，光學顯微鏡下觀察孢子大小、形態、顏色、表面紋飾、孢壁結構、連孢菌絲和內含物等孢子形態特征并拍照. 根據Schenck(1990)《VA菌根鑒定手冊》和國際AM真菌保藏中心(INVAM，http://invam.caf.wvu.edu)中更新的孢子圖片及分類描述并結合近年來發表的新種文獻進行AM真菌屬種鑒定. 參照Xue等[15]的方法計算AM真菌物種多樣性指數.

Shannon-Wiener指數：H′ = -∑PilnPi，

Simpson指數：DS= 1 -∑Pi2，

物種均勻度：J=H′/lnS，

其中，Pi為每種AM真菌孢子總數占樣地所有AM真菌孢子總數比例.S為AM真菌種類數.

1.4 土壤樣品測定

土壤溫度和濕度采用溫濕度儀實地測定；土壤有機碳(soil organic carbon, SOC)用馬弗爐烘干法[16]測定；土壤有效磷(available phosphorus, VP)用鉬銻抗比色法[16]測定；土壤總磷(total phosphorus, TP)、總氮(total nitrogen, TN)、銨態氮(ammonium nitrogen, AN)和硝態氮(nitrate nitrogen, NN)用Smartchem 200全自動連續分析儀(Alliance, Frépillon, France)測定；土壤脲酶(urease, U)用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法[17]測定；土壤酸性磷酸酶(acid phosphatase, ACP)和堿性磷酸酶(alkaline phosphatase, ALP)根據Tarafdar和Marschner[18]的方法測定；總提取球囊霉素(total extractable glomalin, TEG)和易提取球囊霉素(easily extractable glomalin, EEG)通過Wright等[19]的方法測定；pH值用雷磁PHS-3C pH計測定.

1.5 數據分析

所有實驗數據取3個重復的平均值，用EXCEL2003軟件整理，利用SPSS19.0統計軟件進行單因素方差分析(one-way ANOVA)、獨立樣本T檢驗(independent samples T test)，不同植物土壤因子采用單因素方差分析方法，0～10 cm、20～30 cm土壤因子采用獨立樣本T檢驗方法. 采用CANOCO4.5軟件對土壤因子進行主成分分析(principal component analysis，PCA). 采用R語言進行曼特爾檢驗和方差分解，曼特爾檢驗用于AM真菌群落、物種多樣性指數與土壤因子之間相關性檢測；方差分解用于量化各因素對AM真菌群落影響大小.

2 結果與分析

2.1 土壤因子分布特征

5種荒漠植物，除紅砂根圍0～10 cm土壤酸性磷酸酶和豬毛菜根圍0～10 cm土壤有機碳、有效磷、總磷、酸性磷酸酶和總提取球囊霉素含量低于根圍20～30 cm土壤，其余土壤理化性質均為0～10 cm高于20～30 cm. 其中，泡泡刺0～10 cm總提取球囊霉素顯著高于20～30 cm，膜果麻黃0～10 cm酸性磷酸酶和總氮含量極顯著高于20～30 cm.

不同植物根圍0～10 cm，有機碳、有效磷、酸性磷酸酶、堿性磷酸酶和總提取球囊霉素最大值分別為18.30 mg/g(紅砂)、7.89 μg/g(膜果麻黃)、35.68 μg/g/h(泡泡刺)、49.18 μg/g/h(合頭草)和8.54 mg/g(泡泡刺)；不同植物根圍20～30 cm，有機碳、銨態氮、有效磷、總氮、總磷、酸性磷酸酶和易提取球囊霉素最大值為16.71 mg/g(紅砂)、0.30 mg/g(珍珠豬毛菜)、5.52 μg/g(膜果麻黃)、0.81 mg/g(泡泡刺)、0.55mg/g(含頭草)、33.00 μg/g/h(泡泡刺)和5.01 mg/g(泡泡刺)，不同植物間差異顯著(圖1).

HTC. 合頭草；HS. 紅砂；PPC. 泡泡刺；MGMH. 膜果麻黃；ZMC. 珍珠豬毛菜； 下同. 不同大寫字母表示不同植物根圍0～10 cm土壤因子差異顯著，不同小寫字母表示不同植物根圍20～30 cm土壤因子差異顯著. * P<0.05和** P<0.01表示同一植物根圍0～10 cm和20～30 cm差異顯著.圖1 不同植物根圍0～10 cm和20～30 cm土壤因子Fig.1 Soil factors in the rhizosphere of 0～10 cm and 20～30 cm within different plants

2.2 AM真菌物種多樣性

本實驗共分離鑒定AM真菌10屬45種，其中球囊霉屬Glomus19種，無梗囊霉屬Acaulospora11種，盾巨孢囊霉屬Scutellospora5種，管柄囊霉屬Funneliformis、近明囊霉屬Claroideoglomus和根孢囊霉屬Rhizophagus各2種，巨孢囊霉屬Gigaspora、類囊霉屬Paraglomus、內養囊霉屬Entrophospora和多樣孢囊霉屬Diversispora各1種.

合頭草根圍29種，膜果麻黃根圍28種，豬毛菜根圍27種，紅砂根圍22種，泡泡刺根圍20種. 其中球囊霉屬、無梗囊霉屬、盾巨孢囊霉屬和管柄囊霉屬在所有植物根區均有分布，近明囊霉屬在合頭草、紅砂和泡泡刺根區分布，根孢囊霉屬和巨孢囊霉屬在紅砂和膜果麻黃根區分布，類囊霉屬在合頭草、紅砂、泡泡刺和豬毛菜根區分布，內養囊霉屬在紅砂、膜果麻黃和豬毛菜根區分布，多樣孢囊霉屬只在合頭草根區分布(圖2).

圖2 不同植物根圍0～10 cm和20～30 cm AM真菌群落組成比例Fig.2 Composition proportion of AM fungal communities in the rhizosphere of 0～10 cm and 20～30 cm within different plants

類囊霉屬僅在合頭草根圍0～10 cm分布，根孢囊霉屬僅在合頭草根圍20～30 cm分布，根孢囊霉屬和巨孢囊霉屬僅在紅砂根圍0～10 cm分布，近明囊霉屬僅在膜果麻黃根圍分布. 基于物種水平的非度量多維標度分析(NMDS)結果顯示，不同植物AM真菌群落組成差異顯著(圖3).

圖3 不同植物AM真菌群落NMDS Fig.3 NMDS of AM fungal species in the different plants

2.3 AM真菌孢子密度和多樣性指數

5種荒漠植物，除合頭草外，其他4種植物孢子密度0～10 cm均大于20～30 cm. 除豬毛菜外，其他4種植物0～10 cm AM真菌Shannon-Wiener指數和Simpson指數均大于20～30 cm，其中膜果麻黃0～10 cm AM真菌Shannon-Wiener指數和Simpson指數顯著高于20～30 cm. 泡泡刺和豬毛菜0～10 cm AM真菌物種均勻度小于20～30 cm，其他3種植物0～10 cm AM真菌物種均勻度大于20～30 cm，無顯著差異.

5種荒漠植物，合頭草根圍AM真菌孢子密度最多，其后依次為膜果麻黃、豬毛草、泡泡刺和紅砂，合頭草20～30 cm孢子密度顯著高于其他植物. 0～10 cm AM真菌Shannon-Wiener指數和Simpson指數表現為膜果麻黃最高，其次為合頭草，泡泡刺最低，泡泡刺顯著低于膜果麻黃；根圍0～10 cm AM真菌均勻度為紅砂 > 膜果麻黃 > 豬毛菜 > 合頭草 > 泡泡刺. 20～30 cm AM真菌Shannon-Wiener指數和Simpson指數表現為豬毛菜 > 合頭草 > 膜果麻黃 > 紅砂 > 泡泡刺，豬毛菜顯著高于泡泡刺，泡泡刺根圍AM真菌Shannon-Wiener指數和Simpson指數最低，根圍20～30 cm AM真菌均勻度為豬毛菜 > 泡泡刺 > 紅砂 > 膜果麻黃 > 合頭草，豬毛菜顯著高于膜果麻黃和合頭草(表2).

表2 不同植物根圍AM真菌孢子密度和多樣性指數

不同大寫字母表示根圍0～10 cm植物間差異顯著，不同小寫字母表示根圍20～30 cm植物間差異顯著； *表示在0.05水平上同一植物根圍0～10 cm和20～30 cm差異顯著.

2.4 土壤因子主成分分析

根圍0～10 cm土壤因子選取2個主成分，方差累計貢獻率82.26%，第1主成分(PC1)可解釋變量方差的55.54%，其中濕度、溫度和有機碳對第1主成分貢獻率較高，第2主成分(PC2)可解釋變量方差的26.72%，堿性磷酸酶和有效磷對PC2起主要作用. 20～30 cm土壤因子選取2個主成分，方差累計貢獻率87.36%，第1主成分(PC1)可解釋變量方差的66.05%，其中濕度、溫度和有機碳對第1主成分貢獻率較高，第2主成分(PC2)中可解釋變量方差的21.31%，堿性磷酸酶和總提取球囊霉素對PC2起主要作用. 因此，濕度、溫度、有機碳、堿性磷酸酶、有效磷和總提取球囊霉素反映5種植物根圍土壤狀況(表3).

表3 土壤因子主成分分析

2.5 AM真菌群落、孢子密度和多樣性指數與土壤因子曼特爾分析

AM真菌群落組成、孢子密度和多樣性指數與0～10 cm土壤因子曼特爾分析表明，AM真菌群落組成與有機碳、硝態氮和濕度極顯著正相關，孢子密度與有機碳、硝態氮、濕度和溫度顯著正相關；Simpson指數與易提取球囊霉素顯著正相關；物種均勻度與硝態氮和總磷顯著正相關，與濕度極顯著正相關. AM真菌群落組成、孢子密度和物種多樣性與20～30 cm土壤因子曼特爾分析表明，AM真菌群落組成與有機碳、硝態氮和總提取球囊霉素顯著正相關；孢子密度與有機碳、硝態氮和總提取球囊霉素顯著正相關，Shannon-Wiener指數和Simpson指數與硝態氮顯著正相關，Shannon-Wiener指數與有機碳顯著正相關(表4、5). AM真菌群落組成、孢子密度和多樣性指數與0～10 cm和20～30 cm土壤因子曼特爾分析表明：AM真菌群落組成、孢子密度和多樣性指數與土壤因子有顯著相關性.

表4 AM真菌群落及物種多樣性指數與根圍0～10 cm土壤因子曼特爾分析

表5 AM真菌群落及多樣性指數與根圍20～30 cm土壤因子曼特爾分析

2.6 變差分解分析

變差分解量化3組解釋變量植物種類、土壤礦質營養(有機碳、銨態氮、硝態氮、有效磷、總氮和總磷)和酶活(酸性磷酸酶、堿性磷酸酶和脲酶)對AM真菌群落總變差的貢獻率. 植物種類、土壤礦質營養和酶活交互影響，根圍0～10 cm和20～30 cm植物種類、土壤礦質營養和酶活共同解釋AM真菌群落總變差的35.4%和60.7%. 根圍0～10 cm AM真菌群落與植物種類、土壤礦質營養和酶活的變差分解分析表明，植物種類、土壤礦質營養和酶活可以解釋AM真菌群落總變差的54.7%，植物種類、土壤酶活和礦質營養分別單獨解釋AM真菌群落總變差的45%、43.9%和36.3%；根圍20～30 cm AM真菌群落與植物種類、土壤礦質營養和酶活的變差分解分析表明，植物種類、土壤礦質營養和酶活可解釋AM真菌群落總變差的67.1%，植物種類、土壤酶活和礦質營養分別單獨解釋AM真菌群落總變差的44.9%、25.6%和53.2%(圖4). 基于根圍0～10 cm和20～30 cm AM真菌群落的變差分解表明，植物種類、土壤礦質營養和酶活共同影響AM真菌的群落組成.

圖4 根圍0～10 cm(a)和20～30 cm(b) AM真菌群落與植物種類、土壤礦質營養和酶活的變差分解 Fig.4 Variation partitioning of AM fungal community by plant species, soil mineral nutrition and enzyme activities in the rhizosphere of 0～10 cm(a) and 20～30 cm(b)

3 討論

球囊霉屬、無梗囊霉屬、盾巨孢囊霉屬和管柄囊霉屬在5種植物根圍均有分布，其中球囊霉屬在5種植物根圍含量最高，其次是無梗囊霉屬. 球囊霉屬在各種類型環境中均有分布，在偏堿環境下，球囊霉屬相對多度升高，表明球囊霉屬較其他屬更適合偏堿環境，對環境適應性更強[20]；與王姣姣等[8]5種植物優勢屬研究結果不一致，這可能與年際和植物生長變化有關. 年際和空間變化會引起AM真菌群落組成變化，與土壤養分和酶活有關[21]. 5種植物根圍AM真菌群落組成差異明顯，且AM真菌優勢種不同. 不同植物根系對礦質元素吸收不同，次級代謝產物不同，形成不同植物根區土壤營養成分占比，影響AM真菌群落組成變化[22-23].

AM真菌群落組成和孢子密度與土壤碳含量顯著正相關，與前人研究一致. AM真菌增強營養缺乏環境下植物的抗逆性，提高宿主植物的光合作用[24]，同樣植物生長對土壤養分的需求和光合產物的供應影響AM真菌群落組成，同時增加土壤碳積累[25]. AM真菌群落組成和孢子密度與有機碳、硝態氮顯著正相關，0～10 cm根圍AM真菌物種均勻度、20～30 cm AM真菌Shannon-Wiener指數和Simpson指數與硝態氮顯著正相關，與田學謙等[26]、劉春卯等[27]研究一致. 在營養缺乏的環境中，氮磷元素是最主要的養分限制因子，一定條件下，隨氮和磷含量增加AM真菌孢子密度和多樣性指數增大[28-29]. 植物根圍0～10 cm和20～30 cm AM真菌群落組成沒有差異，但植物根圍0～10 cm土壤因子、AM真菌孢子密度和物種多樣性指數高于根圍20～30 cm，可能是0～10 cm根圍微環境更有利于AM真菌完成生命活動，構建土壤微生態. 本文結果表明，AM真菌群落組成與有機碳、總提取球囊霉素等主要土壤因子顯著相關，與賀學禮等[30]和劉海躍等[11]研究一致. 變差分解也表明，在根圍0～10 cm和20～30 cm土壤酶活單獨解釋AM真菌群落總變差的43.9%和25.6%；礦質營養單獨解釋AM真菌群落變化總變差的36.3%和53.2%，荒漠環境中土壤因子顯著影響AM真菌群落和物種多樣性.

不同宿主和環境顯著影響AM真菌群落組成和物種多樣性[31-32]. 變差分解圖表明，根圍0～10 cm和20～30 cm植物種類、土壤礦質營養和酶活對AM真菌群落組成影響雖有差異，但共同解釋AM真菌群落總變差的35.4%和60.7%，形成這種現象的可能原因是“肥島”效應改變灌叢根系不同范圍內土壤資源配置，形成土壤異質性和微環境異質性. 植物根圍0～10 cm AM真菌與植物共生效應顯著，隨植物根系和AM真菌菌絲延伸，植物、土壤酶活和礦質營養互作對AM真菌群落的影響增大，與張新璐[33]和Kennedy等[34]研究一致，AM真菌群落組成受宿主植物和土壤理化性質綜合影響，隨年際變化和宿主生長也會發生變化. 同時，土壤0～10 cm和20～30 cm AM真菌群落與植物種類、土壤礦質營養和酶活的變差分解分別有45.3%和32.9%總方差未被解釋，說明還存在其他因子從不同途徑影響著AM真菌群落.