退化沙質草地菌根對細根分解過程中營養元素釋放的影響

丁杰萍 ，羅永清 ，劉偉春 ，溫飛 ，王立龍 ，王旭洋 ，段育龍 ，連杰

（1. 甘肅省生態環境科學設計研究院，甘肅 蘭州 730020；2. 中國科學院西北生態環境資源研究院奈曼沙漠化研究站，甘肅 蘭州 730000；3. 內蒙古自治區庫倫旗農業技術推廣中心，內蒙古 通遼 028200）

細根分解是植物-土壤系統物質循環的重要環節，尤其是在低覆蓋度植被區，其分解過程中的物質釋放是土壤養分的重要來源，為地表植被的生長發育提供了重要的物質基礎［1］。例如在退化沙質草地，由于風的活動，葉、莖等地上凋落物存在由低植被覆蓋區（流動沙丘和半流動沙丘）向高植被覆蓋區（固定沙丘和丘間低地等）運移的現象，這種凋落物的再分配過程嚴重干擾著地上凋落物向土壤的物質輸入［2］。根系存在于土壤之中，受風力搬運以及放牧、火燒等地表活動的干擾較小，同時，由于細根具有快速周轉的特性，其分解可向土壤提供持續性的物質輸入［3］。已有研究表明，在沙漠化地區，0～20 cm 土層土壤碳含量主要受地下凋落物和地下生物量影響［2-3］。因此，細根分解過程在退化沙質草地生態系統中的物質循環研究中具有重要意義。

目前，細根分解的研究主要集中在非生物因素，如溫度、降水［1，4］、放牧、氮磷添加等人類活動［5-8］對細根分解過程中的物質釋放規律、分解過程對土壤元素或微生物活性的影響機制等方面［9-11］，而對于根區生物要素方面的研究相對較少。菌根真菌（mycorrhizal fungi）作為根區的重要微生物，在植物根系生長發育和植物-土壤系統碳氮循環方面具有重要作用［12］。90% 以上的陸地植物可同菌根真菌形成共生關系，菌根真菌通過叢枝菌根（arbuscular mycorrhizal，AM）、外生菌根（ectotrophic mycorrhiza）、內外生菌根（ecto-endotrophic mycorrhiza）等形式，將植物與土壤環境進行連結，從而提高植物的養分吸收效率［13-15］。大量研究表明，菌根真菌對于植物獲取環境中的養分具有重要的作用，然而，其對凋落物分解的影響卻經常被忽視［16］。在菌根對細根分解影響的研究方面，已有的研究主要集中在氮素方面，外生菌根真菌并不能有效利用凋落物中的有機氮，而是通過腐生微生物從難分解的有機物中獲取氮［17］。而Hodge 等［18］的研究表明，一些叢枝菌根真菌可提高凋落物的分解速率，同時獲取分解釋放的無機氮，通過對分解產物的有效利用促進菌絲生長。Cheng 等［19］的研究表明，AM 真菌通過對土壤中銨態氮和硝態氮含量的改變加速了凋落物的降解速率。而作為植物生長的必需元素，磷和鉀的研究相對不足。另外，菌根對植物-土壤系統物質循環的研究多集中在森林生態系統［13-14］，在退化沙質草地的研究相對較少。基于此，本研究以科爾沁沙地植被恢復過程中的先鋒灌木差不嘎蒿（Artemisia halodendron）為研究對象，采用內生芯法，開展了菌根對根分解過程中營養元素釋放影響的研究，旨在明確細根分解過程中的營養元素釋放對菌根的響應機理，為半干旱退化沙質草地生態系統的物質循環研究提供思路。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于內蒙古自治區東部的通遼市奈曼旗境內（N 42°55′，E 120°42′）。該區位于科爾沁沙地中南部，平均海拔340～350 m，屬溫帶大陸性半干旱氣候，冬春季干旱，多大風天氣，大風日數20～60 d，夏季多雨，降水主要集中在6-8月，年降水量364.6 mm，為典型的雨熱同期型氣候。地貌以平緩的流動沙丘、半流動沙丘、固定沙丘、丘間低地和甸子地鑲嵌分布為主。優勢灌木為差不嘎蒿（A. halodendron）、黃柳（Salix gordejevii）和小葉錦雞兒（Caragana microphylla），草本優勢植物包括黃蒿（Artemisia scoparia）、狗尾草（Setaria viridis）、尖頭葉藜（Chenopodium acuminatum）、砂藍刺頭（Echinops gmelini）、冷蒿（Artemisia frigida）、糙隱子草（Cleistogenes squarrosa）、地錦（Euphorbia humifusa）、苦荬菜（Ixeris gracilias）、霧冰藜（Bassia dasyphylla）等。

1.2 試驗設計

1.2.1 物種選擇 以科爾沁沙地植被恢復過程中的先鋒灌木差不嘎蒿為研究對象，其是科爾沁沙地和呼倫貝爾沙地半固定沙丘的優勢物種之一，是沙化草地典型的叢枝菌根植物［20］。由于兼具種子繁殖和營養繁殖的特點，且耐沙埋、易分蘗、根系深，其極易在風沙活動強烈的流動和半固定沙丘存活［11，21］。且其還具有強大的分蘗能力，較強的阻沙能力，灌叢下可形成沙堆，有利于其他物種種子的附著［21］，因此被廣泛運用于區域植被重建［21-22］。在科爾沁沙地植被自然恢復過程中，差不嘎蒿最早出現在流動沙丘，并隨著植被的逐漸恢復，取代沙米（Agriophyllum squarrosum）成為優勢物種；當恢復到半固定沙丘階段，其重要值達到最大；此后隨植被的進一步恢復，逐漸被大果蟲實（Corispermum macrocarpum）、達烏里胡枝子（Lespedeza daurica）等物種替代，到固定沙丘階段，差不嘎蒿逐漸退出植物群落［23］。

1.2.2 樣地建設 本試驗樣地位于中國科學院奈曼沙漠化研究站植物園內，建設于2012年4月，該區域土壤性質與植被組成和半固定沙丘類似。2012年4月中旬，將樣地人為劃分為6 塊10 m×10 m 的小區，每個小區內按照1 m×1 m 的行間距移栽差不嘎蒿小苗。該小苗于當年4月中旬采集自附近的半固定沙丘，為保證長勢一致，挖掘時統一選擇株高13～15 cm、莖粗3～5 mm 且無分枝的新生苗，同時挖掘后進行修根處理，保證所有移栽苗根系深度和數量基本一致。移栽苗按照相同深度移栽后澆適量水，并清除苗木周邊雜草，同時，為保證成活，在苗木移栽后適時統一補充澆水（共計4 次），在苗木完全成活后停止所有人為干擾。差不嘎蒿自然生長4 a 以后，其長勢與野外自然狀況下基本一致時開始試驗。

1.2.3 處理設計 參照Phillips 等［12］和尹華軍等［24］的方法開展本研究。2016年4月，每個小區選取長勢一致的 10 株（共計 60 株）差不嘎蒿，在其 1/3 冠幅處沿 120°夾角選取 3個點，分別標記為 a、b、c，并安裝直徑 100 mm，高400 mm 的PVC 筒，筒上沿與地表一致（圖1）。其中a 筒和b 筒于兩側切割開窗，窗口面積為300 mm×90 mm，位于PVC 筒的中間位置，然后分別給窗口固定2 mm 和50 μm 孔徑的尼龍紗，c 筒不開窗。a 筒根系和菌根均可自由生長，b 筒僅菌絲體能自由生長，c 筒全封閉。各筒在安裝時原位收集挖掘出來的所有土壤，經手動篩檢雜質后，將一半土壤回填并均勻按壓至筒內200 mm 處，然后將提前準備的裝有5.0 g 的差不嘎蒿細根樣（于2015年10月下旬采集自附近的半固定沙丘，采集后手動挑選直徑＜2 mm 的細根，洗凈烘干后切割成2.5～3.0 cm 的長段，樣品初始元素含量見表1）的凋落物網袋（10 cm×10 cm，網孔直徑0.1 mm）水平置于已回填土壤表面，將剩余土壤全部回填，用手按壓緊實，保證緊實度與自然狀況一致。所有凋落物袋均于2016年5月3 日布設完畢，分解開始后定期觀察，及時清除雜草和凋落物。

表1 差不嘎蒿細根元素含量本底值Table 1 Initial value of element content in fine roots of A.halodendron（%，n=5）

圖1 內生芯布設示意圖Fig.1 Schematic diagram of installation of the in-growth core

1.2.4 取樣與室內分析 分別于2016年6月3 日、8月 3 日、10月 3 日、2017年 5月 3 日以及 2018年 10月3 日，即分解的 1、3、5、12 和 29個月后進行取樣。每次每個小區隨機選擇1～2 株差不嘎蒿植株進行取樣。樣品取出后帶回實驗室，用自來水仔細沖洗干凈后置于65 ℃的烘箱中烘干48 h，測定完生物量后粉碎，經濃硫酸-過氧化氫溶液消煮后，分別采用凱氏定氮法、鉬銻抗比色法和火焰光度法［25］進行凋落物氮、磷、鉀的測定。本研究中的降水量和氣溫數據來源于奈曼站綜合氣象觀測場自動觀測數據，該觀測場距離本研究樣地約200 m，土壤溫度（地下20 cm 處）和土壤含水率（地下20 cm 處）數據來源于樣地附近（直線距離＜50 m）的水碳通量觀測場自動觀測數據。

1.3 數據處理

本研究中的營養元素殘留率計算公式如下：

式中：RR為殘留率（%），表示不同分解期后營養元素殘留量占分解前總量的比例；IM為分解前的差不嘎蒿細根初始質量（g）；IC為各營養元素分解前的初始含量（%）；DM為各分解期后的細根質量（g）；DC為各分解期后的細根營養元素含量（%）。

本研究中不同處理對營養元素殘留率的效應值采用如下公式計算［26］：

式中：ES為不同處理的效應值，Ta/b為a 筒或b 筒中的營養元素殘留率，Tc為c 筒中的營養元素殘留率。

采用SPSS 20.0 分析數據，采用二因素方差分析法（Two-Way ANOVA）分析不同處理和時間下差不嘎蒿細根氮磷鉀含量的差異性；采用單因素方差分析法（One-Way ANOVA）分析相同處理不同分解期根氮磷鉀含量以及相同分解期不同處理間細根氮磷鉀殘留率的差異性；采用SigmaPlot 12.5 軟件作圖。

2 結果與分析

2.1 研究期間氣候要素

本研究期間的水熱狀況具有較好的同期性（圖2），累計降水154 次，累積降水量1009.4 mm，其中日降水量大于2 mm 的有效降水70 次，累計降水量954.4 mm；日降水量大于25 mm 的強降水事件13 次，最大降水發生于2017年8月3 日，該日降水量為104.2 mm。研究期間平均土壤含水率為3.93%，其中非生長季的較低，約為2%，生長季由于頻繁的降水事件，土壤含水率含量較高且波動較大。另外，生長季內的降水、氣溫、土壤溫度以及土壤含水率均維持在較高的水平。

圖2 研究期間的氣候要素動態Fig.2 Dynamics of climatic factors during the study period

2.2 營養元素含量變化

差不嘎蒿細根分解過程中的氮含量受處理方式、分解時間以及二者的交互效應共同影響（表2）。從分解時間來看，各處理下的氮含量均隨分解時間的增加逐漸升高，尤其是在菌根和對照處理下，這種趨勢更明顯，分解1 a 以后，與初始含量相比較，二者的氮含量分別增加了53.8%和71.0%，而活細根+菌根處理1 a 以后的氮含量僅增加了46.1%（圖3a）。另外，不同處理間的差異性分析表明，在分解的前期（分解時間＜1 a），各處理間的差異不顯著，而當分解時間≥1 a 以后，對照處理的氮含量顯著高于其他處理（圖3a）。由此表明，在分解后期，菌根的存在顯著降低了細根氮含量，這種效應不受活細根的影響。

表2 不同處理和分解時間對差不嘎蒿細根凋落物氮、磷、鉀含量的差異性二因素方差分析Table 2 Two-Way ANOVA analysis of the effect of different treatments and decomposition time on A. halodendron fine root litter contents of N，P and K

與氮含量類似，差不嘎蒿細根分解過程中的磷含量也受處理方式、分解時間以及二者的交互效應共同影響（表2）。但與之不同的是，隨分解時間的增加，磷含量呈先增后減的趨勢，在分解前期，活細根+菌根處理下的磷含量增加幅度較大，在分解的后期（分解時間≥1 a），菌根處理下的磷含量下降幅度較大，顯著低于對照，而活細根+菌根處理下的磷含量與對照差異不顯著（圖3b）。由此表明，菌根的存在顯著降低了差不嘎蒿細根磷含量，但這種效應受活細根影響。

與氮含量不同，差不嘎蒿細根分解過程中的鉀含量僅受分解時間和處理方式兩個單因素影響（表2）。同時，與氮含量的變化趨勢相反，隨分解時間的增加，細根鉀含量呈顯著降低的趨勢，尤其是在分解初期，鉀含量下降更劇烈，與初始含量相比，分解3個月后，3個處理的鉀含量分別下降了79.3%、86.1%和86.3%（圖3c）。另外，與磷含量類似，在分解的后期（分解時間≥1 a），菌根處理下的鉀含量顯著低于對照，而活細根+菌根處理下的鉀含量與對照差異不顯著（圖3c）。

圖3 不同處理和分解時間下差不嘎蒿細根氮（a）、磷（b）和鉀（c）含量Fig.3 Contents of N，P and K in fine roots litter of A. halodendron under different treatments and decomposition time

2.3 營養元素釋放特征

差不嘎蒿細根分解過程中的氮釋放受處理方式和分解時間兩個因素影響，但這兩個因素的交互效應對其影響不顯著（表3）。在分解的初期，氮的殘留率有一定的波動性，即在分解第5個月的氮殘留率略高于分解3個月后的樣品，說明在該時段差不嘎蒿細根分解過程中有一定程度的氮富集現象。此后，隨著分解時間的增加，氮殘留量逐漸降低。從各處理間的差異來看，菌根的存在促進了差不嘎蒿細根氮的釋放，但在不同時期，這種促進效應存在差異性，在分解3個月和1 a 時，菌根顯著促進了氮釋放，而在其他取樣時期，該效果不顯著（圖4a）。

表3 不同處理和分解時間對差不嘎蒿細根氮、磷、鉀殘留率的差異性二因素方差分析Table 3 Two-Way ANOVA analysis of the effect of different treatments and decomposition time on A. halodendron fine root litter mass remaining rate of N，P and K

圖4 不同處理下差不嘎蒿細根氮、磷、鉀殘留率動態Fig.4 Dynamics of A. halodendron fine root litter N，P and K remaining rate under different treatments

與氮殘留率相同，差不嘎蒿細根分解過程中磷的殘留率受處理方式和分解時間兩個因素影響，但這兩個因素的交互效應對其影響不顯著（表3）。從時間尺度分析，磷殘留率在分解的初期與氮類似，也有一定程度的富集現象（圖4b），5個月后磷殘留率分別較3個月后增加了17.67%（活細根+菌根處理）、10.33%（菌根處理）和3.88%（對照）。從不同處理的效應來看，在分解后期，即分解時間≥1 a 時，菌根的效應值分別為-31.21%和-30.15%，且多重比較結果顯示菌根處理下的磷殘留率顯著低于對照，說明在該階段，菌根顯著促進了磷的釋放。而活細根+菌根處理下的磷殘留率在分解的各個時期與對照均無顯著差異，說明活細根+菌根處理在差不嘎蒿細根分解過程中對磷殘留率無影響，由此表明，菌根可顯著促進磷的釋放，而活細根的存在可消除這種促進效應。

鉀殘留率與氮磷相同，受處理方式和分解時間兩個因素影響，但這兩個因素的交互效應對其影響不顯著（表3）。但與上述元素不同的是，鉀在差不嘎蒿細根分解的整個階段不僅不存在富集現象，且釋放迅速，在分解1個月后，3個處理下的鉀殘留率分別為38.77%（活細根+菌根）、36.22%（菌根）和34.73%（對照），3個月后，均低于10%（圖4c）。另外，與磷類似，在分解時間≥1 a 時，菌根顯著促進了鉀的釋放（分解1 a 和29個月時的效應值分別為-38.37%和-37.87%），同時活細根+菌根處理下的鉀殘留率與對照差異不顯著，由此表明，在分解時間≥1 a 時，菌根可顯著促進鉀的釋放，但這一促進效應受活細根干擾。

3 討論

菌根顯著影響著凋落物的分解以及凋落物-土壤系統的物質循環過程［12-14，26］。已有的研究表明，菌根一方面可通過自身的腐生加速凋落物的分解［27］，另一方面，在菌根發育過程中快速生長的菌絲可釋放大量的酶或者有機酸，從而促進了凋落物的分解［28］。也有研究表明，菌根對凋落物的分解存在抑制效應，但目前相關機理尚不明確，相關研究主要集中在森林生態系統，且分解材料多為莖、葉等地上器官［13］。有關根系分解以及該過程中根系凋落物營養元素釋放對菌根響應過程的研究相對較少。本研究結果顯示，菌根的存在可在一定程度促進細根凋落物氮的釋放，這與Tan 等［29］的研究結果相似，該研究采用雙室試驗裝置控制叢枝菌根真菌存在與否對凋落物分解的影響，發現叢枝菌根真菌的存在顯著加快了凋落物分解速率以及碳氮釋放。相關研究發現，菌絲對凋落物氮釋放的促進機理有兩方面，一是菌絲發育過程中釋放的有機酸或酶可促進凋落物氮釋放［14，28］；另一方面，菌絲體可直接從凋落物中吸收氮素，從而導致凋落物氮含量下降，如N15標記研究結果發現，叢枝菌根真菌的菌絲可直接從凋落物中吸收氮素，從而為菌絲自身以及宿主植物提供氮素，這是菌根促進凋落物氮釋放的重要因素［30］。AM真菌從凋落物中吸收營養元素，然后供應自身和宿主生長發育，從而導致凋落物營養元素釋放加快，這一結論在很多研究中得到了驗證［29-32］。在半干旱沙質草地，氮素是植物生長發育的限制性要素之一，因此，菌根對差不嘎蒿細根分解過程中的氮吸收可能是菌根促進氮釋放的重要原因。另外，本研究結果表明，在分解試驗的后期（分解時間≥1 a），無論菌根還是菌根+活細根的存在，均顯著降低了差不嘎蒿細根凋落物的氮含量（圖3a）。由此表明，一方面，對細根凋落物氮含量釋放起促進效應的根區要素僅為菌根，另一方面，根系活動，如根際微生物或根系分泌物等過程對菌根的氮釋放促進效應沒有影響。而氮殘留率的結果顯示，在分解開始的3個月，菌根的存在也顯著促進了差不嘎蒿細根凋落物氮的釋放，而該時期菌根對細根凋落物氮含量無顯著影響，同時，在分解的第29個月，無論菌根還是菌根+活細根的存在均對差不嘎蒿細根凋落物的氮殘留率無顯著影響，這可能與分解過程中的生物量變化有關［26］。

本研究結果表明，與氮不同，差不嘎蒿細根分解過程中磷和鉀的變化僅在分解1 a 以后產生效應。當分解時間≥1 a 時，菌根的存在顯著降低了細根凋落物磷和鉀的含量（圖3b 和c），同時也降低了二者的殘留率（圖4b 和c）。據此推斷，菌根在生長過程中的物質釋放（酶或有機酸）不僅可促進生物量降低或氮釋放［14，28］，也促進了磷和鉀的釋放。此外，與氮不同，分解時間≥1 a，當差不嘎蒿活細根與菌根共同存在時，細根凋落物的磷和鉀含量（圖3b 和c）及殘留率（圖4b 和c）均與對照無顯著差異。由此表明，活細根的存在抵消了菌根對磷、鉀釋放的促進效應。活細根對細根凋落物分解的影響主要通過土壤含水量、根系分泌物以及根際微生物等過程產生效應［33］。本研究中，無論是活細根+菌根還是單獨的菌根存在，土壤含水量均與對照無顯著差異［26］。由此推斷，可能是根系分泌物的產生或根際微生物活動影響著菌根對磷和鉀釋放的促進效應，最終導致活細根+菌根處理下氮磷的殘留低于菌根處理。該推論僅為野外控制試驗對氮磷鉀含量變化及殘留率動態的觀測結果，尚需根系分泌物或根際微生物等相關研究的進一步驗證。

4 結論

本研究發現，對于退化沙質草地植被恢復的先鋒灌木差不嘎蒿，其菌根的存在顯著促進了細根分解過程中的營養元素釋放，這種促進效應主要發生在分解的后期（≥1 a）。另外，差不嘎蒿菌根對其細根分解過程中氮釋放的促進效應不受活細根影響，而對于磷和鉀，活細根的存在抵消了菌根對其釋放的促進效應。本研究表明，菌根是影響根系分解過程中營養元素釋放的關鍵要素，在植物根系分解及其與土壤物質周轉關系的研究中，尤其是土壤養分貧瘠的退化沙質草地或低植被蓋度區應當重點關注。