氮和生物炭添加對毛竹林AMF侵染率和孢子密度的影響

史雪榮　黃宏亮　季杭翔等

關鍵詞：毛竹；氮沉降；生物炭；叢枝菌根真菌；侵染率

中圖分類號：S718.81 文獻標識碼：A 文章編號：1001-1498（2023）04-0165-08

叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）能夠增強植物根系對養(yǎng)分的獲取能力，而植物為其提供生長所需的碳源，兩者形成互惠共生的叢枝菌根。研究表明，AMF能與90%的維管植物形成叢枝菌根，其中AMF侵染率和孢子密度被用作表征共生關系的緊密程度。AMF的定殖和產孢與營養(yǎng)元素和地下生物量存在密切的關系。此外，AMF侵染率和孢子密度也可以一定程度反映AMF對生存策略的選擇，對了解寄主植物的生長發(fā)育狀況具有重要意義。以往研究主要集中在農田生態(tài)系統(tǒng)中，如冬小麥（Triticum aestivum Linn.）、蠶豆（Vicia faba Linn.）等。由于森林根系較復雜，目前對森林生態(tài)系統(tǒng)的研究較少。

毛竹（Phyllostachys edulis （Carriere）J.Houz.）是我國亞熱帶地區(qū)分布最為廣泛的竹種，其面積為467.8萬hm²，占我國竹大面積的73.0%，且有不斷增加的趨勢。毛竹具有獨特復雜的根鞭系統(tǒng)，根冠比（0.37～0.50）遠高于其他森林生態(tài)系統(tǒng)，這可能導致毛竹林土壤AMF特征與其他森林存在差異。因此，亟需加強對毛竹林土壤AMF特征的研究。此外，毛竹林分布區(qū)是我國氮沉降最嚴重的地區(qū)之一（30.7 kg·hm^-2·yr^-1），大量的氮輸入會導致土壤pH、有機質含量和C：N降低，勢必會影響AMF的特征。然而，關于氮添加對AMF侵染率和孢子密度影響的研究存在爭議。例如，陳良華等發(fā)現(xiàn)施氮顯著降低了杉木（Cunninghamia lanceo/ata （Lamb.） Hook.）AMF侵染率，而汪鷂雄等發(fā)現(xiàn)氮添加會顯著提高杉木AMF侵染率，Wang等發(fā)現(xiàn)長期施氮顯著降低了玉米（Zea mays Linn.）和小麥的AMF侵染率和孢子密度。目前，氮添加對毛竹林AMF的影響知之甚少。

生物炭是由生物質在缺氧條件下熱裂解而成的芳香類化合物，具有多孔道、表面積巨大的特性。生物炭作為一種土壤添加劑，已被廣泛用于農業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中。研究表明，施用生物炭提高了土壤的孔隙度、pH和含水率，同時增加土壤中營養(yǎng)物質的含量，尤其是氮、磷含量。王策等研究發(fā)現(xiàn)添加生物炭可以有效提高土壤中有機質含量，改善土壤團粒結構和微生物群落結構。然而，在大氣氮沉降導致的土壤酸化和養(yǎng)分失衡背景下，添加生物炭對毛竹林土壤AMF的影響及其調控機制尚不清楚，相關研究亟待開展。本文以毛竹林為研究對象，探討了不同水平的氮和生物炭添加對毛竹林AMF侵染率和孢子密度以及土壤理化性質的影響，以期從AMF共生關系角度為全球變化背景下毛竹林的可持續(xù)經營提供科學參考。

1.3樣品采集和測定

2020年5月，采用土鉆法在每個樣地0～20cm土層隨機取10鉆土，采集毛竹根際土和根系樣品。用抖根法收集根系表面的土壤，將根系和根際土樣品分別置于無菌袋內用4℃便攜式恒溫箱帶回實驗室。剔除土壤樣品中的石塊、枯葉等雜物后，過2mm土篩，一部分鮮土放置在4℃冰箱內低溫保存，用于測定土壤微生物量碳（MBC）、可溶性有機氮（DON）和含水率（SWC），另一部分自然風干后測定AMF孢子密度和其他土壤理化性質。根系樣品用于測定AMF侵染率。

采用改良的酸性品紅染色法染色后用網格交叉法測定AMF侵染率；采用濕篩傾析-蔗糖離心法測定孢子密度。采用氯仿熏蒸-K₂SO₄浸提法測定MBC含量；采用TOC分析儀測定DON含量；采用烘干法測定SWC；土壤pH測定采用1：2.5土水質量比，使用pH計（FE20；MettlerToledo，Switzerland）測定；土壤有效氮（AN）含量經過堿性溶液水解后用擴散法測定；采用鹽酸氟化胺浸提，鉬銻抗比色法測定土壤有效磷（AP）含量。

1.4統(tǒng)計分析

利用SPSS 25軟件進行統(tǒng)計分析。利用單因素方差分析（One-way ANOVA）和最小顯著差法（LSD）分析不同處理下土壤理化性質、AMF侵染率和孢子密度的差異顯著性。可重復雙因素方差分析氮和生物炭添加及其交互作用對土壤理化性質、AMF侵染率和孢子密度的影響。利用Pearson相關系數分析土壤理化性質與AMF侵染率和孢子密度的相關性。圖由Origin 2019軟件制作。圖表中數據為平均值±標準差。

2結果與分析

2.1土壤理化性質

與對照相比，氮添加顯著提高了土壤微生物量碳（38.5%～1 10.3%）、有效磷（75.2%～144.5%）和有效氮（27.9%～66.7%）含量，顯著降低了土壤含水率（5.6%～15.2%）和pH（7.6%～11.0%）（P<0.05，表1）。生物炭添加（BC20和BC40）顯著提高了土壤pH和有效磷含量，顯著降低了可溶性有機氮、微生物量碳和有效氮含量（P<0.05）。在氮添加處理下，生物炭添加顯著提高了土壤含水率（2.6%～18.5%）和pH（2.6%～11.0%），顯著降低了土壤有效氮（2.4%～22.5%）含量（P<0.05）。可重復雙因素方差分析表明氮和生物炭添加及其交互作用均顯著影響土壤含水率、pH、可溶性有機氮、微生物量碳、有效磷和有效氮（表2，P<0.05）。

2.2 AMF侵染率

與對照相比，氮和高生物炭添加均顯著降低了AMF侵染率（P<0.05，圖2）。在N30處理下，BC40處理顯著提高了AMF侵染率（108.2%，P<0.05）。在N60和N90處理下，BC20和BC40處理對AMF侵染率沒有顯著影響（P>0.05）。可重復雙因素方差分析表明氮和生物炭添加及其交互作用均顯著影響毛竹林土壤AMF侵染率（表2，P<0.05）。

2.3 AMF孢子密度

與對照相比，氮和生物炭添加提高了AMF孢子密度，尤其是N30和BC40處理，達到了統(tǒng)計意義上的顯著性水平（P<0.05，圖3）。在N30處理下，BC20處理顯著提高了孢子密度（23.7%，P<0.05）。在N60和N90處理下，BC20和BC40處理對孢子密度沒有顯著影響（P>0.05）。可重復雙因素方差分析表明氮和生物炭添加及其交互作用均極顯著影響毛竹林土壤AMF孢子密度（表2，P<0.01）。

2.4 AMF侵染率和孢子密度與土壤理化性質的相關性

Pearson相關性分析表明，AMF侵染率與土壤pH呈極顯著正相關關系（P<0.01），與AP和AN呈顯著負相關關系（P<0.05）；孢子密度與pH和AP呈極顯著正相關關系（P<0.01），與可溶性有機氮（DON）呈顯著負相關關系（P<0.05）（表3）。

3討論

3.1氮添加對AMF的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，自然狀態(tài)下毛竹林土壤AMF侵染率為29.0%，孢子密度為2.0個·g^-1。在夏季，牛利敏調查發(fā)現(xiàn)毛竹AMF侵染率為46.8%，孢子密度為3.3個·g^-1。這表明毛竹AMF侵染率和孢子密度存在季節(jié)變化。研究表明，與其他季節(jié)相比，夏季的AMF的侵染率和孢子密度最高。這可能是因為夏季是植物的生長季，植物需要從土壤中獲取大量的營養(yǎng)物質，從而導致根系與AMF的共生關系更加緊密。此外，研究發(fā)現(xiàn)檸條（Caragana korshinskii kom）、杉木和水杉（Metasequoia glyptostroboides Hu&W.C.Cheng）的AMF侵染率分別為92.4%、78.9%和70.0%。上述結果說明毛竹AMF侵染率低于其他森林類型，這可能是與毛竹林有獨特發(fā)達的根鞭系統(tǒng)從而對AMF的依賴較小有關。

氮添加抑制了AMF侵染率，且隨著氮添加水平增加這種抑制作用變強，這與陳良華的研究結果相似。黃園園等對高寒草甸植物的研究，表明隨著土壤有效氮含量的增加，植物吸收氮素的成本降低，對AMF的依賴性減弱，從而導致AMF侵染率降低。有研究也發(fā)現(xiàn)施氮導致土壤有效氮含量升高，土壤中的NO₃^-被還原為NO₂^-并在根系附近積累后對宿主植物造成傷害，進而降低AMF侵染率。在本研究中，土壤AN的含量與AMF侵染率呈顯著負相關關系（表3），且氮添加顯著增加了土壤AN的含量（表1），支持了上述觀點。此外，我們發(fā)現(xiàn)土壤pH與AMF侵染率呈顯著正相關關系。氮添加通過降低土壤pH，從而抑制了AMF侵染率，原因可能是低的pH抑制了AMF和根系的活性。研究表明，長期氮添加會改變微生物群落結構，減少土壤真菌生物量，這也可能是AMF侵染率下降的原因。

本研究中，N30處理顯著增加了孢子密度。這與馬俊卿等對多種C3、C4植物的研究結論不一致。這可能是因為宿主不同，其根系的AMF種類和群落結構也不完全一致。不同的AMF種類對外界環(huán)境的響應不同，在孢子萌發(fā)和侵染根系等方面所需的環(huán)境因素條件也有所差異。本試驗中N30處理下土壤AP顯著增加，削弱了植物對AMF的依賴性，植物因而減少對AMF的碳供應，侵染率下降。而孢子是AMF的一種繁殖和幸存體，同時也是重要的磷庫，此時產生更多的孢子可能是AMF對生存策略的選擇。在本研究中，土壤AP的含量與AMF侵染率呈顯著負相關關系，與孢子密度呈顯著正相關關系（表3），且氮添加顯著增加了土壤AP的含量（表1），支持了上述觀點。然而在N60和N90梯度下，孢子密度的降低可以抑制真菌的無性繁殖，降低能量消耗，有助于AMF在逆境中生存。

3.2氮和生物炭添加對AMF的影響

生物炭（40t·hm^-2）添加顯著降低了AMF侵染率，但提高了孢子密度，這與高粱（Sorghumbicolor （L.） Moench）和辣椒（Capsicum annuum Linn.）對生物炭添加的響應相似。原因是生物炭添加增加了土壤AP（表1），毛竹吸收磷元素的成本降低，從而使其對AMF的依賴性減弱，導致AMF侵染率降低。研究發(fā)現(xiàn)生物炭較大的孔隙度和表面積增加了土壤孔隙度，改善了土壤酸度和微生物群落結構，促進了AMF的繁殖。然而，Zhang等對冬小麥施用生物炭的研究結果表明添加生物炭可以增加AMF的生長繁殖，提高侵染率和孢子密度，并且隨著用量增加，效果更明顯。AMF侵染率和孢子密度對生物炭添加的響應不一致的原因可能是生物炭施加量、植物類型、季節(jié)等不同。

在氮添加處理下，生物炭添加提高了AMF侵染率和孢子密度，主要歸因于氮和生物炭的復合作用顯著降低了土壤AN含量（表1），從而導致了AMF侵染率增加。此外，氮和生物炭添加的復合作用促進了毛竹的光合速率，提高了生物量，導致了大量的光合產物轉移到根系，進而為AMF提供了更多的碳水化合物，促進AMF的繁殖，產生了更多的孢子。

4結論

氮和生物炭添加提高了土壤養(yǎng)分含量，降低了毛竹AMF侵染率，增加了孢子密度，削弱了毛竹與AMF的共生關系。在氮沉降背景下，生物炭添加提高了AMF侵染率，增強了毛竹與AMF的共生關系緊密程度，表明添加生物炭可以緩解氮沉降對AMF定殖和產孢造成的負面影響，為應對氮沉降背景下亞熱帶毛竹林可持續(xù)經營提供參考和科學依據。在將來的研究中我們可以探討AMF定殖和產孢特性以及群落結構的年際變化，以便于更好地理解氮和生物炭添加背景下毛竹與AMF的共生關系及其調控機制。