接種叢枝菌根真菌對云南石漠化土壤呼吸的影響

趙 爽,王邵軍,2,*,楊 波,張昆鳳,張路路,樊宇翔

1 西南林業大學生態與環境學院,昆明 650224

2 南京林業大學南方現代林業協同創新中心,南京 210037

近幾十年來,人類活動導致大氣CO2等溫室氣體排放劇增,從而顯著影響全球氣候變暖的進程[1],其中土壤釋放的CO2增加量已達過去2個世紀來因人類活動釋放總量的1/2,因此,探明土壤呼吸動態及影響機制已成為全球氣候變化研究的熱點科學問題[2]。目前,關于土壤呼吸調控機制的研究主要集中于土壤非生物因素的影響,而關于土壤生物對土壤呼吸的影響卻缺乏相關研究。

叢枝菌根(Arbuscular mycorrhiza,AM)真菌能與80%—90%陸地植物種類形成共生體[3],是退化生態系統恢復與重建的重要生物調節者[4]。云南是我國巖溶石漠化面積的第二大省份,石漠化面積為8.15萬km2,占云南省國土總面積的20%[2]。石漠化導致地表植被嚴重破壞、土壤侵蝕嚴重、基巖大面積裸露、土壤生物缺乏、生產力嚴重下降[5]。將AM菌根技術運用于石漠化退化生態系統恢復,通過“菌絲-根系-土壤-植物”之間的耦合,不僅能夠影響植物水分吸收與利用、植物生理生化過程、種內與種間競爭,而且能夠影響土壤理化性質、球囊霉素相關蛋白分泌及C/N/P等養分循環,并直接或間接調控植物生長及與植被演替[6—8],從而引起石漠化土壤根系、土壤微生物及土壤動物等呼吸組分的變化,最終引起大氣CO2濃度及土壤碳庫動態的顯著變化。目前,關于叢枝菌根的研究主要集中于其對石漠化植被與土壤恢復的影響[4—6],而關于AM真菌引起植被與土壤環境變化對土壤呼吸過程的影響研究,卻十分缺乏,嚴重制約人們關于土壤呼吸過程及微生物調控機制的理解。因此,探明云南石漠化地區“AM真菌-植被與土壤變化-土壤呼吸動態”之間的相互關系,是西南石漠化生態恢復與重建及全球氣候變化研究的關鍵科學問題。

云南彌勒是輕中度石漠化類型的典型分布區域,是研究AM真菌共生對土壤呼吸影響機制的理想場所。以國家林業局石漠化治理彌勒推廣示范基地為實驗區,選擇圓柏(Sabinachinensis)群落為研究對象,設置摩西斗管囊霉(Funneliformismosseae,FM)、根內根孢囊霉(Rhizophagusintraradices,RI)及對照(不加菌種)3種野外試驗處理,采用LI- 6400-09便攜式土壤呼吸室對土壤呼吸時間動態進行連續定位觀測,揭示AM真菌共生處理下土壤呼吸變化與植物生長(樹高、胸徑、根系生物量)、土壤性質(微生物生物量、溫濕度、容重、pH、有機質、硝態氮、銨態氮、全磷、有效磷、速效鉀等)之間的相互關系,從而探明AM真菌與植物耦合對土壤呼吸速率動態的影響,研究結果有助于闡明云南石漠化恢復過程中土壤CO2釋放規律,為量化土壤微生物介導石漠化恢復對土壤呼吸的貢獻提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 樣地概況

研究區位于云南彌勒市西一鎮(103°17′E,24°17 ′N),地處北亞熱帶季風氣候區,屬典型的喀斯特地質地貌高寒山區[9]。年平均氣溫15℃,年降雨量900—1000 mm,年日照數2055小時,全年無霜期240 d,光照充足、有效溫期長,霜雪日短。多石山碎布,間有成林的喬灌木；土壤以紅壤和砂壤土為主,耕地多散布于谷地和平壩中。

在國家林業局石漠化治理技術彌勒推廣示范基地實驗區內,選擇圓柏(S.chinensis)群落作為研究樣地。樣地基本情況如下：海拔1700 m,土壤類型為砂質紅壤,上覆蓋枯枝落葉0—0.5 cm。主要樹種有圓柏(S.chinensis)、白槍桿(Fraxinusmalacophylla)、車桑子(Dodonaeaviscosa)、紫莖澤蘭(EupatoriumadenophoraSpreng)、長波葉山螞蝗(DesmodiumsequaxWall)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、地果(FicustikouaBur)、艾納草(Blumeabalsamifera)等。

1.2 研究方法

本研究采用野外接種AM真菌菌種試驗,選擇圓柏(S.chinensis)作為供試植物,分別隨機設置3個重復樣地(40 m × 40 m,相距500 m),并對樣地中所有圓柏植株分別接種摩西斗管囊霉(F.mosseae,FM)、根內根孢囊霉(R.intraradices,RI),以不接種樣地作為對照。每種菌劑接種量為每株圓柏40 g菌種(孢子數約為144個/g),供試AM菌種均購置于北京市農林科學院的植物營養與資源研究所BGC菌種庫[10]。于2017年6月(濕季)及12月(干季)分別進行接種處理,實驗處理2年后的2020年6月開始測定分析,研究區干濕季變化明顯,故選擇濕季(6月、9月)及干季(12月及2021年3月)進行呼吸測定及土壤取樣(頻率為每3月一次)。

1.3 土壤呼吸測定

采用LI- 6400-09土壤呼吸葉室連接LI- 6400便攜式光合作用測量系統(LI-COR公司)連續性觀測土壤呼吸速率[11]。測定時,將PVC管提前24 h鑲嵌入土壤中,以盡量避免底座的嵌入對土壤造成擾動[12]。于2020年6月、9月、12月及2021年3月各月,選擇晴朗無風的穩定天氣條件下進行測定,隨機選擇2種菌種接種的圓柏各6株并于接種區附近進行呼吸測定,同時測定對照處理的土壤呼吸,各測定點重復測定3次,測定時段為9：00—12：00[13]。采用便捷式土壤水分溫度測量儀(SINTN8)同步測量0—5 cm及 ≥5—10 cm的土層溫度。測定土壤呼吸的同時,采集各土層的土壤樣品,做好標簽且用自封袋密封保存好,帶回實驗室內供土壤指標分析。

1.4 土壤指標測定

土壤樣品剔除根系、土壤動物及石塊等雜物及時帶回實驗室,同時盡量保持原有的濕度,分別進行風干和冷藏備用。根據《土壤學實驗指導教程》[14]微生物生物量(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4提取-碳自動分析法測定；有機質(SOM)K2Cr2O7外加熱法測定；硝態氮和銨態氮全自動流動分析儀測定；全氮和全磷連續流動注射分析法測定；速效鉀乙酸銨浸提-火焰光度法測定；有效磷碳酸氫鈉浸提一鉬銻抗比色法測定；土壤容重環刀法測定；土壤pH電位法(土水比1∶2.5)測定；圓柏根系生物量采用根鉆取樣-烘干稱重法測定[15]。

1.5 數據處理

將所采集的數據(圓柏樹高、胸徑、根系生物量；土壤微生物生物量碳、有機質、硝態氮、銨態氮、全磷、有效磷、速效鉀、容重、pH等)用Execl進行統計且用SPSS 23.0軟件進行分析,數據分析前進行正態性及方差齊性檢驗,采用單因素方差分析(one-way ANOVA)檢驗土壤呼吸速率季節動態的顯著性：采用指數(Rs=aeβTs)回歸模型分析土壤呼吸速率與土壤溫度之間的關系。其中,Rs為土壤呼吸速率(μmol m-2s-1),Ts為土壤溫度(℃),a代表土壤溫度為0℃時的土壤呼吸速率,β為土壤呼吸與溫度間指數模型中的溫度反應系數；Q10是指土壤呼吸對溫度的敏感程度[16],即溫度每升高10℃時土壤呼吸速率增加的倍數。Q10值采用指數模型進行計算(Q10=e10β),采用Linear(Rs=aW+b)、Quadratic(Rs=aW2+bW+c)和Exponential(Rs=aeb W)水分回歸模型分析土壤呼吸速率與土壤水分(W,%)之間關系(a, b, c為回歸系數)；采用Canoco 5.0多元統計分析土壤理化指標與土壤呼吸速率的關系。使用SigmaPlot 13.0作圖。

2 結果與分析

2.1 AM真菌接種處理下土壤呼吸及其時間動態

研究表明,相較于對照(CK),接種摩西斗管囊霉(FM)和根內根孢囊霉(RI)均顯著促進了土壤呼吸(P<0.01,圖1)。不同實驗處理下土壤呼吸速率大小順序為：RI(1.55—9.10 μmol m-2s-1)>FM(1.62—8.29 μmol m-2s-1)>CK(1.23—4.46 μmol m-2s-1)。不同處理土壤呼吸速率均呈明顯的季節波動,其中最大值均出現在9月,最小值在12月。除2021年3月外,其余月份2種菌種處理下土壤呼吸速率均高于空白對照。經方差分析,2種菌種接種處理下土壤呼吸速率濕季(6月、9月)差異顯著(P<0.05),干季(12月、3月)差異不顯著。

圖1 不同實驗處理下土壤呼吸速率的季節動態

2種菌種接種處理下土壤呼吸與土壤溫度均呈濕季相反、干季相同的季節變化趨勢,兩者最小值均出現在12月份；而對照樣地土壤呼吸與土壤溫度呈相類似的季節變化(圖2)。其中平均土壤溫度大小順序為：CK(22.52℃)>RI(20.43℃)>FM(20.01℃),經方差分析,不同處理下土壤溫度差異性顯著(P<0.01或0.05)。

不同處理下土壤呼吸與土壤水分季節動態在濕季呈現相類似的變化,但干季卻相反(圖2),兩者最大值均出現在9月份,平均土壤含水量大小順序為：RI(7.30%)>FM(5.35%)>CK(5.01%)。經方差分析,2種AM菌劑處理增加了土壤含水量(P<0.05),從而顯著促進土壤呼吸速率(P<0.01)。

圖2 不同實驗處理下土壤溫度與水分的季節動態

2.2 AM真菌接種處理下土壤呼吸速率與溫度、水分的關系

2.2.1 與土壤溫度的關系

采用擬合程度最好的指數模型Rs=aeβTs,分別對不同菌種接種處理下(0—5 cm及≥5—10 cm)土層溫度與土壤呼吸速率進行回歸分析,結果表明2種菌種接種處理下土壤呼吸速率均隨各土層溫度增加呈顯著非線性上升趨勢(P<0.05或0.01),而空白對照樣地呈不顯著非線性上升趨勢(圖3,P>0.05)。0—5 cm、≥5—10 cm土層溫度對土壤呼吸的解釋量大小順序為：RI(44.35%—45.32%)>FM(12.78%—21.57%)>CK(2.36%—2.96%)。土壤呼吸對土壤溫度的敏感性(Q10值)表現為根內根孢囊霉接種處理(2.18、2.38)顯著高于摩西斗管囊霉處理(1.50、1.79)。

圖3 不同實驗處理下土壤呼吸速率與不同土層溫度的相互關系

2.2.2 與土壤水分的關系

采用Linear、Quadratic和Exponential回歸模型,分別對不同處理下0—5 cm及≥5—10 cm土層水分與土壤呼吸速率進行回歸分析(表1)。結果顯示,2種菌種接種處理下土壤呼吸速率均隨各土層土壤水分增加呈顯著非線性上升趨勢(P<0.01或0.05),其中,采用Linear模型擬合,摩西斗管囊(FM)接種處理在≥5—10 cm土層水分二者擬合度最高,土壤水分可解釋50.70%的土壤呼吸變化(P<0.01)；采用Quadratic模型擬合,根內根孢囊霉(RI)接種處理在≥5—10 cm土層水分擬合度最高,土壤水分可解釋71.10%的土壤呼吸變化(P<0.01)；采用Exponential模型擬合,根內根孢囊霉(RI)接種處理在≥5—10 cm土層水分擬合度最高,土壤水分可解釋50.10%的土壤呼吸變化(P<0.01)。但采用3種模型擬合,對照處理中各土層水分對土壤呼吸的解釋量均較小。

表1 不同菌種處理下土壤呼吸與各土層含水量間關系的模型參數

2.3 土壤呼吸速率與土壤性質與植物生長的關系

研究表明,2種菌種接種對土壤微生物量及理化性質產生了顯著影響。其中,接種根內根孢囊處理下土壤微生物生物量、水分、銨態氮、有機質等理化性質顯著高于摩西斗管囊霉接種處理和空白對照樣地(表2)。不同實驗處理下土壤呼吸速率和土壤理化性質的相關性分析表明(表3),根內根孢囊接種處理下土壤呼吸速率與土壤有機質、硝態氮、銨態氮、全氮、速效鉀、容重、溫度、水分、樹高、胸徑及根系生物量達到顯著或極顯著正相關(P<0.01或0.05),與pH呈極顯著負相關關系(P<0.01),與微生物生物量、易氧化有機碳、全磷及有效磷未達到顯著性水平(P>0.05)；摩西斗管囊霉接種處理下土壤呼吸速率與土壤有機質、易氧化有機碳、硝態氮、全氮、速效鉀、溫度、水分、樹高、胸徑及根系生物量達到顯著或極顯著正相關水平(P<0.01或0.05),與pH達到顯著或極顯著負相關關系(P<0.01或0.05),與全磷、容重未達到顯著性水平(P>0.05),與微生物生物量、銨態氮及有效磷呈現負相關關系；不加菌種處理土壤呼吸速率pH達到顯著負相關水平(P<0.05),與其它土壤理化指標未達到顯著性水平。

表2 不同試驗處理土壤理化性質及植物生長生理指標大小

表3 不同菌種處理下土壤呼吸速率與植物生長及土壤性質的相關性

主成分分析結果表明,植物生長及土壤理化性質變化對土壤呼吸產生了重要影響(圖4)。其中,第一坐標軸對土壤呼吸速率速率貢獻率最大(85.33%),第二坐標軸的貢獻率(23.99%)較小。同時按箭頭夾角大小來看,土壤溫度和水分、硝態氮、銨態氮、有機質、易氧化有機碳、速效鉀、全氮及對土壤呼吸速率的貢獻最大,而全磷、速效磷、樹高、胸徑、微生物生物量、根系生物量及pH次之。

圖4 不同處理下植物及土壤性質變化對土壤呼吸速率影響的主成分分析

3 討論

3.1 AM真菌接種處理下土壤呼吸及其時間變化特征

AM真菌與植物耦合能夠導致土壤溫濕度、養分及微生物等非生物與生物因素的顯著改變,從而調控土壤呼吸速率及其時間動態[17]。本研究中,2種叢枝真菌處理的土壤呼吸速率月均值顯著高于對照,表明AM真菌接種顯著促進了土壤呼吸。這可能與AM真菌接種處理具有較高的土壤水分、銨態氮、微生物生物量、有機質、易氧化有機碳及根系生物量等含量密切相關。一些研究表明,AM真菌接種能夠提高土壤水分與碳氮等養分的可利用性、促進土壤水穩定團聚體的形成[18],刺激根系及土壤微生物的活性與呼吸。因此,AM真菌能夠通過調節土壤理化狀況而調控土壤呼吸動態。

不同實驗處理土壤呼吸速率具有顯著的季節變化,其中濕季(6月、9月)顯著高于干季(12月、3月),這與濕季具有較高的土壤水分含量密切相關[19]。同時,2種AM真菌處理具有較高的土壤呼吸變幅(對照的1.41—1.62倍),這可能是由AM真菌與根系耦合對土壤溫度與水分的調節作用所致。炎熱季節時,AM真菌接種能夠通過降低土壤高溫而促進土壤呼吸各組分的排放,本研究中接種AM真菌可能降低高溫脅迫對圓柏植株根系及根際微生物的傷害[20]。干季時,AM真菌接種通過刺激土壤水分的可利用性及根系活力,進而刺激土壤呼吸速率[21]。

3.2 AM真菌接種處理下植物生長變化對土壤呼吸的影響

AM真菌能夠與高等植物形成共生關系,通過促進植物生長及光合產物向土壤的輸入[4,22—23],從而刺激土壤生物的呼吸作用。本研究中,2種菌種接種處理顯著促進了植物的地上生長(平均樹高、胸徑)及地下生長(根系生物量),并顯著促進土壤呼吸。可能由于接種AM真菌通過提高植株的水分滲透調節、抗氧化能力及養分代謝效率,并調節植物內源激素平衡而促進寄主植株的營養生長[24],從而刺激植物根系活及根際微生物的活動。一些研究表明,AM真菌與圓柏根系共生可能形成發達的菌絲網絡體系,增大了植物與土壤的接觸面積,通過提高植物根系對營養和水分的吸收[25],進而促進根系的呼吸。同時,AM真菌從圓柏植物體中獲取碳水化合物,相應地促進了根系微生物對礦質營養的吸收[26—29],從而刺激了微生物的呼吸。研究還發現,AM真菌接種處理下土壤N、P、K含量顯著增多[30],提高其有效性和利用率,從而促進植物根系及微生物的活動,進而刺激了土壤呼吸。因此,AM真菌與植物耦合能夠通過刺激植物地上與地下生長而直接或間接地調控土壤呼吸動態。

3.3 AM真菌接種處理下土壤理化性質變化對土壤呼吸的影響

AM真菌與植物耦合能夠通過影響土壤理化性質而對土壤呼吸產生重要調控作用[31—33]。本研究中,AM真菌接種處理通過影響植物根系及微生物棲息的土壤理化環境而對土壤呼吸產生重要影響[34]。2種AM真菌通過降低土壤pH而對土壤呼吸產生促進作用,這與郭晗鈴等[35]的研究結果相類似,AM真菌與植物耦合形成強大的菌絲網絡系統,分泌有機酸,降低土壤pH,刺激土壤微生物活性,從而促進土壤微生物的呼吸。

土壤碳庫(如總有機碳、易氧化有機碳)、氮庫(如硝態氮、銨態氮)組分含量及磷與鉀養分狀況變化是影響土壤呼吸的另一個重要因素。本研究中,AM真菌與植物耦合顯著提高土壤有機質含量,增加了土壤呼吸底物的供應,進而刺激土壤呼吸[36]；AM真菌與植物耦合顯著提高土壤易氧化有機碳的含量,通過刺激根系與微生物活動而促進土壤呼吸[10, 37]；AM真菌與植物耦合增加土壤無機氮(硝氮、銨氮)供應,刺激了植物根系生長,進而促進土壤呼吸[38]。特別是銨氮能夠被植物直接吸收[39],刺激植物生長、土壤酶活性及微生物活動,從而提高土壤呼吸各組分的強度。菌種處理下顯著增加土壤速效鉀的供應,刺激球囊霉相關蛋白的分泌,可能促進根系和根際微生物的活動,進而提高土壤呼吸速率[40]。另外,AM真菌通過改善土壤通氣性、酸堿性促進土壤養分可利用性,從而調控土壤呼吸及動態變化。

綜上,AM真菌通過與圓柏植株根系耦合改善土壤溫濕度條件,提高土壤通氣性,調控土壤酸堿性,增加土壤碳庫(如易氧化有機碳)與氮庫(如銨態氮)組分含量的積累,提高氮、磷與鉀養分的可利用性,并刺激植物地上與地下生長,從而顯著刺激了土壤呼吸過程中的CO2排放。研究結果有助于理解AM真菌與植物耦合對石漠化土壤呼吸的影響,為準確評估石漠化土壤生物學修復對全球變化的影響提供基礎數據。