天然草原球囊霉素相關土壤蛋白及其影響因素研究進展

魯國慶，丁 莉，白皓天，張建軍，楊 鑫,2*

(1.寧夏大學農學院，寧夏銀川 750021；2.寧夏草牧業工程技術研究中心，寧夏銀川 750021)

球囊霉素相關土壤蛋白(glomalin-related soil protein,GRSP)是叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)產生的一種含有熱穩定、黏性和疏水性的糖蛋白[1-2]，它主要由AMF的根外菌絲產生，當根外菌絲死亡后GRSP從菌絲表面脫落進入土壤[3]。 GRSP的主要功能體現：①在AMF根外菌絲形成保護層，以防止菌絲內養分損失和抵抗土壤原生動物的侵襲[4]；②起到“土壤膠水”的作用，黏結土壤顆粒，利于土壤團聚體形成[1,5]，改善土壤結構；③GRSP自身碳(carbon,C)較高，利于土壤碳固持[4]；④絡合土壤中鎘(cadmium,Cd)、鉛(plumbum,Pb)等元素，緩解土壤重金屬離子富集[1,6-7]。

近年來，GRSP在草原、森林生態系統土壤碳固持[8-9]、脆弱生態系統水土保持[10-11]、耕地質量提升[12-14]方面發揮著重要作用，已逐漸成為當前草原生態學、土壤學與水土保持和荒漠化防治研究的熱點[14-15]。現有研究發現，土壤GRSP含量受到降雨、土壤肥力、土壤pH等非生物因子，以及放牧、刈割、AMF種類與植物種類等生物因子的影響[4]。目前對于天然草原球囊霉素相關土壤蛋白及其影響因素缺乏清晰理解。因此，該研究系統梳理生物因子、非生物因子及其二者交互作用對天然草原GRSP含量及分布格局的影響，以期明晰天然草原生態系統GRSP含量的變化與調控過程。

1 影響球囊霉素相關土壤蛋白的生物因子

1.1 AMF種類土壤GRSP(圖1)的積累和組成受多種生態環境因子的影響，如氣候條件、植被類型、土壤特性、AM真菌組成等[17]。研究證明，不同AMF種類能影響總球囊霉素(total glomalin-related soil protein,TG)與易提取球囊霉素(easily extracted glomalin-related soil protein,EEG)的含量[3]。Wright等[18]發現,在極大巨孢囊霉(Gigasporagigantea)、根內根孢囊霉(Glomusintraradices)和幼套近明球囊霉(Glomusetunicatum)分泌的GRSP含量存在顯著差異；極大巨孢囊霉(G.gigantea)中GRSP含量顯著高于其他AMF物種。Lovelock等[19]通過比較AMF種類對GRSP含量的影響，發現GRSP的分泌量：毛氏無梗囊霉(Acaulosporamorrowiae) > 玫瑰紅巨孢囊霉(Gigasporarosea) > 幼套近明球囊霉(Glomusetunicatum) > 根內根孢囊霉(Glomusintraradices)，不同AMF種類根外菌絲產量的差異是影響GRSP含量的主要因素。Saidi等[20]分析9種AMF種類的GRSP分泌量時發現，疣突斗管囊霉(Glomusverruculosum)和變形球囊霉(Glomusversiforme)GRSP分泌量分別為1.29和1.17 mg/g，而細凹無梗囊霉(AcaulosporaScrobiculata)分泌量僅為0.17 mg/g，GRSP分泌量的顯著差異可能來自AMF自身活性及對環境脅迫的響應。不同AMF種類共同構成天然草原土壤AMF群落，原位條件下AMF種類及多度變化可能是影響GRSP含量的潛在驅動因子。

圖1 叢枝菌根真菌根外菌絲表面球囊霉素相關土壤蛋白特征[16]Fig.1 Glomalin-related soil protein in extraradical hypha of arbuscular mycorrhizal fungi[16]

1.2 植物種類不同植物種類因其自身光合特征(C3途徑與C4途徑)和根系構型(直根系與須根系)對AMF存在分異響應。Meta分析的研究結果發現，非固氮闊葉類草(non-N-fixing forbs)、C4禾草(C4grasses)與木本植物(woody plants)的菌根生長響應高于C3禾草(C3grasses)與固氮植物(N-fixing plants)[21]。高菌根依賴性植物通常為AMF供給更多的C源，為GRSP形成提供潛在物質基礎。已有研究發現，植物種類能夠有效調控GRSP分泌量[22]，不同植物根際GRSP含量呈現顯著差異(表1)。此外，Violi等[31]研究發現，宿主植物的生長發育速率及營養情況與GRSP分泌量呈正相關關系。許偉等[29,32]研究我國西北地區荒漠植物GRSP含量時發現，草本植物種類與土層深度是影響易提取球囊霉素(EE-GRSP)與總球囊霉素(T-GRSP)含量的主要因素。徐道龍[27]研究6種珍稀瀕危植物時發現，木本植物種類是影響植物根際EE-GRSP與T-GRSP的主要原因。

表1 不同植物種類根際土球囊霉素相關蛋白含量統計Table 1 The content of glomalin-related soil protein (GRSP) in rhizosphere in different kinds of plant species

1.3 草原類型與土層深度草原類型因其優勢種的菌根依賴性與植物物種多樣性的差異，能夠強烈改變AMF群落組成與多度[33]。目前，針對不同草原類型研究對象為EE-GRSP與T-GRSP(表2)，發現草原類型之間存在明顯差異。氣候濕潤且凈初級生產力較高的溫性草甸草原土壤表層(0～10 cm)EE-GRSP與T-GRSP含量分別為2.06、2.43 g/kg[34]，然而荒漠生態系統土壤表層EE-GRSP與T-GRSP含量分別為0.25、0.34 g/kg[27]。此外，由表2可知，EE-GRSP與T-GRSP含量及其占 SOC的比例隨土層加深下降明顯[39]。陳穎等[40]在荒漠油蒿根圍土壤發現，T-GRSP含量在0～20 cm土層含量最高，隨土層深度增加而劇烈遞減，且EE-GRSP含量隨土層深度增加波動較大。曹麗霞等[9]、闕弘等[41]、Liang[42]均證實EE-GRSP與T-GRSP含量隨土層深度遞減的規律。賀學禮等[32]研究發現，除SOC與EE-GRSP和T-GRSP含量顯著相關外，pH、電導率、堿解氮、磷、速效磷、鉀、速效鉀可能是影響EE-GRSP和T-GRSP含量的非生物因素。

表2 不同草原類型土層深度土壤球囊霉素相關土壤蛋白含量Table 2 The content of Glomalin-related soil protein (GRSP) in soil depth in different grassland types

1.4 放牧放牧是天然草原主要的管理措施之一，放牧強度、放牧時間及其與降雨、氮沉降等非生物因子互作能夠強烈影響植物與AMF的共生關系[43]，是影響草原土壤EE-GRSP與T-GRSP含量的重要生物因子[44]。已有研究發現，與禁牧處理相比，過度放牧顯著降低植物根系侵染率、孢子密度和菌絲長度[44]。溫性典型草原調查研究指出，放牧強度能夠顯著影響該類型草原土壤中GRSP含量；坡地系統中T-GRSP含量隨放牧強度的增加而降低；平地系統中T-GRSP含量對放牧強度的響應存在閾值(放牧強度4.5只羊/hm2)，即T-GRSP含量隨放牧強度的增加呈“先升后降”趨勢[45]。賀海升[46]研究發現，適度放牧(放牧強度為1.5只羊/hm2)有利于土壤EE-GRSP產生和T-GRSP、土壤有機碳、有機氮的積累，保證草原土壤養分的持續供應，這樣不僅可以提高T-GRSP含量，又能充分發揮球囊霉素生態功能。若放牧強度過大，放牧采食造成植物向地下C分配降低，進而可能削弱AMF分泌GRSP的能力[47]。賀海升[46]進一步發現，放牧強度與土層深度對GRSP含量具有顯著交互作用；不同放牧強度樣地的表層土壤GRSP含量顯著高于深層，且表層土壤GRSP含量對放牧強度更敏感。

2 影響球囊霉素相關土壤蛋白的非生物因子

2.1 土壤含水量天然草原土壤含水量是EE-GRSP與T-GRSP產生和分解的重要參數[48]。王啟[49]對溫性典型草原的研究發現，EE-GRSP與T-GRSP含量與土壤含水量呈顯著正相關。然而，其他研究結果發現，一定程度干旱脅迫有助于AMF分泌GRSP[50]。其潛在過程是，一定程度干旱脅迫有助于增加植物向AMF的C分配，進而刺激GRSP的產生[51]。張嬌陽等[11]通過比較不同坡向土壤GRSP含量時發現，土壤含水量呈現陽坡 > 半陽坡 > 陰坡，不同坡向土壤GRSP含量與土壤含水量變化規律基本一致[52]，Lutgen等[53]進一步指出，EE-GRSP與T-GRSP含量對土壤含水量的響應存在分異性：T-GRSP含量和土壤含水量呈負相關關系，而EE-GRSP含量與土壤含水量呈正相關關系。可見，土壤含水量變化對草原GRSP含量的影響尚無清晰規律，有待于進一步探究。

2.2 土壤肥力土壤肥力，特別是土壤有效P水平，影響著天然草原土壤AMF的多度和多樣性[54]。原位控制試驗的證據表明，P肥田間有效降低草原植物根系AMF侵染率[55]與土壤中EE-GRSP含量[21]。王啟[34]在草甸草原的研究中也發現土壤有效磷與GRSP含量顯著相關。除土壤速效磷外，土壤有機碳、全氮也是影響GRSP含量的重要因素。王誠煜等[56]通過系統調查內蒙古3種草原類型(溫性草甸草原、溫性典型草原與荒漠草原)EE-GRSP與T-GRSP含量及分布特征后，發現GRSP含量與土壤有機碳、全氮含量和土壤C/N呈顯著正相關。此外，荒漠生態系統中，優勢植物沙打旺(Astragalusadsurgens)根際GRSP含量與土壤SOC含量呈顯著正相關關系[30]。天然草原生態系統通常存在N限制，AMF具有比植物更低的C∶N，因而AMF對N的需求比植物更高[57]。青藏高原高寒草甸的控制試驗結果發現，添加10 g/m2N后土壤GRSP含量顯著升高[38]。

2.3 土壤pH過量施肥誘導的天然草原土壤酸化現象，已成為當前草地生態學研究的熱點之一[58-59]。已有證據表明，除土壤有效P外，土壤pH是影響土壤AMF多度及群落組成的重要非生物因子[60]。來自我國松嫩草地的樣帶調查發現，EE-GRSP與T-GRSP含量與土壤pH呈顯著負相關；土壤pH越低，EE-GRSP與T-GRSP含量越高[61]。產生上述結果的原因為：土壤酸化誘導鐵(Fe)、鋁(Al)氧化物增加，進而使GRSP分解速率降低，更利于土壤中GRSP累積[4]。

2.4 土壤質地與結構Rillig等[62]證明，土壤質地能夠影響AMF分泌GRSP的能力。T-GRSP和EE-GRSP含量隨土壤體積密度的增加而降低[63]。團聚良好的土壤通常具有較低的容重，能夠利于AMF生長及根外菌絲延長，GRSP含量通常較高[64]。畢銀麗[65]研究發現，GRSP含量與土壤容重呈負相關關系，土壤緊實度增加能夠抑制植物的菌根侵染率和菌絲密度，進而造成土壤中GRSP含量降低。此外，張叢[66]通過研究溫性典型草原不同退化梯度草地(未退化、輕度退化、中度退化、重度退化)時發現，草地退化顯著降低土壤T-GRSP含量；退化對粒徑> 2 mm和0.250～0.053 mm土壤團聚體中EE-GRSP含量影響較大，對粒徑2.00～0.25 mm和< 0.053 mm土壤團聚體中T-GRSP含量影響較大。

4 展望

近年來， GRSP結構與功能的研究已取得長足的進步，對人們進一步認識AMF的“非營養”功能提供大量證據。然而，深入理解和認識天然草原GRSP含量、分布特征及變化過程，還存在較大困難，未來需要草學、生態學、水土保持與荒漠化防治學者的關注和探究。

4.1 全球變化(增溫、降雨、氮沉降、CO2等)多因子互作對GRSP含量的影響工業革命以來，全球氣候變化與人類不合理土地利用已強烈影響草原生態系統結構與功能[67-68]。全球變暖會使土壤有機碳分解加劇，進而不利于草原土壤碳固持；GRSP作為土壤碳庫的重要組成部分，其形成與分解過程對增溫的響應依然鮮見報道。放牧、施肥和圍封等草原管理措施均會影響GRSP含量與分布特征，以往研究結果多集中于單因子控制試驗。然而，全球變化因子與草原管理措施是否對GRSP含量具有互作效應，還缺乏清晰認識。因此，開展多因子交互試驗，有助于進一步認識和理解天然草原生態系統GRSP含量的動態變化過程。

4.2 生物和非生物因子在不同土層深度對GRSP含量影響過程尚不明確已有大量報道發現，GRSP隨土壤深度而逐漸降低[30，56]。然而，關于T-GRSP含量、T-GRSP/SOC以及其對生物與非生物因子的響應多集中在天然草原生態系統表層土壤，深層土壤的GRSP含量及其與植物根系、AMF特征、土壤養分的內在聯系缺乏深入和系統的研究。未來的GRSP相關研究，需要充分考慮其垂直分布格局以及與土壤性質和氣候變化有關的潛在調節機制。

4.3 GRSP與土壤團聚體的關系GRSP能夠起到“土壤膠水”的作用，能夠將土壤顆粒緊密連接，形成土壤團聚體[8]。迄今，關于天然草原生態系統土壤團聚體組成與GRSP協同變化的研究還相對較少。草原進展植被演替過程中，GRSP在各級團聚體的積累和分配過程，尚不清楚[69]。未來應著手探究土壤團聚體與GRSP含量的關系，進一步理解GRSP在形成土壤團聚體過程中的作用，為我國退化草原修復與功能提升，受損生態系統水土保持與荒漠化防治提供理論指導與試驗依據。