不同海拔高度對(duì)藏北高寒草甸叢枝菌根真菌的影響

趙飛+蔡曉布

摘要：藏北高寒草甸地區(qū)不同海拔高度對(duì)叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）影響的研究結(jié)果表明，海拔高度不僅在一定范圍內(nèi)與 AMF孢子密度呈負(fù)相關(guān)，而且對(duì)菌絲密度、侵染率的影響均是在一定范圍內(nèi)先升高后降低，在中間海拔出現(xiàn)最高值;通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)，Shannon-Weiner 多樣性指數(shù)和物種豐度在一定范圍內(nèi)隨海拔增加表現(xiàn)為先升高再降低，有規(guī)律地在4 121～4 452 m之間出現(xiàn)較大值。綜合比較可知，AM真菌對(duì)莎草科植物嵩草根系具有良好的侵染效應(yīng)。

關(guān)鍵詞：海拔;叢枝菌根真菌;藏北;高寒草甸

中圖分類號(hào)： Q935 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)：1002-1302（2015）04-0344-03

收稿日期：2014-11-11

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金（編號(hào)：41161043）。

作者簡(jiǎn)介：趙 飛（1989—），女，河南平頂山人，碩士研究生，研究方向?yàn)橹参餇I(yíng)養(yǎng)。E-mail：zhaofei52502@163.com。

通信作者：蔡曉布，博士，教授，從事土壤與植物營(yíng)養(yǎng)教學(xué)與研究。E-mail：xbcai21@163.com。

叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）能與陸地上90%的維管植物形成專性共生體系，在植物群落演替方向、植物生態(tài)系統(tǒng)變化、植物種群競(jìng)爭(zhēng)力等生態(tài)過(guò)程中發(fā)揮著重要作用[1]，在全球各個(gè)大陸都有分布[2]。盡管AMF在生態(tài)環(huán)境和植物生產(chǎn)力方面有著重要的作用，有關(guān)它的生物地理分布模式目前仍知之甚少。相關(guān)研究涉及到AMF在高海拔地區(qū)的分布，例如北極[3]、阿爾卑斯山[4]等，卻發(fā)現(xiàn)沒(méi)有菌根結(jié)構(gòu)的形成。在相關(guān)研究中發(fā)現(xiàn)AMF不但在高海拔地區(qū)有分布[5]，在青藏高原這類被認(rèn)為是較少受到人類活動(dòng)影響的少數(shù)幾個(gè)地區(qū)之一也發(fā)現(xiàn)了AMF明顯的分布。西藏區(qū)域內(nèi)的代表性草原藏北高寒草甸，平均海拔 4 500 m 左右，因其獨(dú)特的地質(zhì)歷史和自然條件，以及豐富的生物組成和生物群落類型，為研究AMF的地理分布格局提供了理想的條件。

近10年來(lái)，針對(duì)西藏高原的 AMF多樣性研究在逐漸增多，研究區(qū)域范圍不斷擴(kuò)大，方法也在快速改進(jìn)。蔡曉布等于2010 年對(duì)西藏高原37種草地植物中 70 個(gè)帶根土樣的 AMF進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)海拔對(duì) AMF多樣性具有重要影響，4 000～4 600 m AM 真菌多樣性最豐富，顯著高于 3 700～4 000 m 及>4 600 m 地帶[6]。Gai 等研究西藏色季拉山 AMF多樣性沿海拔梯度變化規(guī)律時(shí)發(fā)現(xiàn)，孢子密度與海拔呈負(fù)相關(guān)，但是 Shannon-Weiner 多樣性與海拔關(guān)系不大[7]。但到目前為止，引起 AMF群落變化的驅(qū)動(dòng)因素還不能被最終確定下來(lái)。目前，海拔對(duì)西藏高原 AMF種群多樣性、侵染率及孢子密度的影響等問(wèn)題正日益受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視。為此筆者開(kāi)展了海拔對(duì)藏北高寒草甸AMF影響的研究，對(duì)豐富菌根生態(tài)學(xué)理論，以及開(kāi)展西藏高原 AMF資源利用等均具有重要的理論意義。

1 研究區(qū)域與研究方法

1.1 研究區(qū)域自然概況

研究區(qū)域位于 31°29′～31°55′N、92°28′～94°35′E之間，海拔在4 064～4 912 m。藏北地區(qū)地處青藏高原腹地，氣候干寒，是全球氣候變化的敏感地帶，其草地面積約34.2 萬(wàn)km2，是藏北地區(qū)面積最大、最重要的生態(tài)系統(tǒng)，其間廣泛分布的小嵩草或大嵩草為高寒草甸主要建群種，極具有區(qū)域典型的代表性。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 樣品于2013年9月采集（AMF孢子繁殖高峰期，此時(shí)孢子形態(tài)較為穩(wěn)定、便于形態(tài)學(xué)鑒定），按照植被主要建群種的不同，在研究區(qū)域選取高山嵩草為采集樣品，草層高度一般3～5 cm。分別于各采樣點(diǎn)按 2～30 cm 土層隨機(jī)采集建群種植物帶根土樣各 3份，同時(shí)采集寄主植物以鑒定種類。將每個(gè)采樣區(qū) 3 個(gè)采樣點(diǎn)的樣品充分混合均勻，各組成 1 個(gè)混合樣品（約 2.5 kg）。全部混合樣品數(shù)為 10 個(gè)。采樣同時(shí)進(jìn)行全球定位系統(tǒng)（GPS）定位，記錄采樣地點(diǎn)、海拔高度等以備再次取樣（表1）。

1.2.2 土壤 pH 值測(cè)定 pH值的測(cè)定采用電位法;有機(jī)質(zhì)、有效磷（P2O5） 測(cè)定分別采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法、NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法（表1）。

表1 藏北高寒草甸不同海拔高度的土壤理化特征

海拔

（m） 緯度

（N） 經(jīng)度

（E） pH值 速效磷

（mg/kg） 有機(jī)質(zhì)

（g/kg）

4 064 31°40.442′ 94°35.695′ 7.65 9.66 9.58

4 121 31°55.645′ 93°57.403′ 7.17 7.95 6.75

4 272 31°49.120′ 92°51.165′ 7.54 9.23 5.90

4 318 31°53.853′ 93°01.717′ 7.93 8.76 7.78

4 452 31°45.049′ 92°39.623′ 8.15 7.09 6.55

4 562 31°55.799′ 93°12.963′ 7.40 7.19 6.88

4 605 31°52.822′ 93°28.863′ 7.47 9.64 7.19

4 783 31°55.240′ 93°19.938′ 7.88 9.29 9.64

4 821 31°29.619′ 92°07.815′ 7.16 7.88 6.34endprint

4 912 31°44.141′ 92°28.496′ 7.92 5.54 5.73

1.2.3 侵染率、孢子密度、菌絲密度測(cè)定 （1）在實(shí)驗(yàn)室將土壤中的根系洗出，均勻剪成1 cm長(zhǎng)的根段，采用KOH-曲利苯藍(lán)染色法測(cè)定AM真菌侵染率和侵染強(qiáng)度，在 200倍顯微鏡下觀測(cè)侵染點(diǎn)、叢枝、泡囊。 （2）分別從各根土樣中取 20 g 根圍土壤，采用濕篩傾析-蔗糖離心法分離孢子，用少量去離子水將篩內(nèi)孢子小心轉(zhuǎn)移至培養(yǎng)皿中，在解剖鏡下計(jì)數(shù)。 （3）采用Jakobsen的真空泵微孔濾膜抽濾泵法，將載玻片置于200倍顯微鏡下觀察25個(gè)樣點(diǎn)。

1.3 數(shù)據(jù)處理

1.3.1 孢子密度（SD） 指每20 g 風(fēng)干根層土樣中所有 AM 真菌種的孢子數(shù)/土壤樣品質(zhì)量。

1.3.2 多樣性指數(shù) （1）Shannon-Weiner指數(shù)（H=∑Pi×lnPi;Pi=Ni/N×100%。式中：Pi為某樣點(diǎn)AM真菌種i的孢子密度Ni占該樣點(diǎn)總孢子密度N的百分比）。 （2）物種均勻度指數(shù)（采用Pielou指數(shù)計(jì)算，即J=H/lnS。式中：H為Shannon-Weiner指數(shù);S為某采樣區(qū) AM 真菌的種類數(shù)）。 （3）物種豐度（采用Margalef指數(shù)Ma表示。Ma=（S-1）/lnN。式中：S為某采樣區(qū) AM 真菌的種類數(shù);N為采樣區(qū)所有AM 真菌數(shù)）。 （4）Simpson多樣性指數(shù)（D=1-∑P2i。式中：Pi為某樣點(diǎn)AM真菌種i的孢子密度占該樣點(diǎn)總孢子密度的百分比）。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同海拔高度對(duì)侵染效果的影響

眾多研究表明，沿著海拔梯度變化，不同的菌根類型會(huì)形成不同的侵染模式，如外生菌根侵染率在不同海拔基本不變，而AMF侵染則沿海拔降低[8];同時(shí)海拔跨度的大小也會(huì)影響菌根的侵染模式，在較小的海拔梯度上Vre等發(fā)現(xiàn)一些似歐石南屬菌根和AMF的侵染率隨海拔升高呈現(xiàn)不變甚至增加的趨勢(shì)[8]。由圖 1 可知，嵩草植物根系的侵染率在各海拔均比較高;總體上呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，但海拔間侵染率仍存在差異，在4 121 m 時(shí)較低，隨后逐漸升高，在 4 452 m 時(shí)達(dá)到最高值后逐漸降低，在最高海拔時(shí)嵩草根系侵染率顯著下降。

2.2 不同海拔高度對(duì)孢子密度的影響

針對(duì)AMF孢子密度的海拔分布格局不確定，藏南和藏北的AMF孢子密度隨海拔的增加而增加[9]，蔡曉布在西藏不同類型草地的研究中也發(fā)現(xiàn)了類似的結(jié)果[10]。由圖2可知，土壤中的孢子密度隨海拔的升高總體上呈現(xiàn)先升高后降低的趨勢(shì)，在4 064～4 562 m時(shí)，不同海拔的孢子密度差異顯著;隨著海拔升高，孢子密度在波動(dòng)中逐漸升高，在4 452 m時(shí)達(dá)最高值，>4 562 m時(shí)孢子密度急劇下降，降幅達(dá)60%左右，與以上研究結(jié)果一致。

2.3 不同海拔高度對(duì)菌絲密度的影響

由圖3可知，總體上來(lái)說(shuō)，嵩草根際土壤中的菌絲密度隨著海拔的升高呈現(xiàn)先逐漸升高后降低的趨勢(shì)，不同海拔間差異顯著。嵩草根際土壤菌絲密度在 4 272 m 時(shí)達(dá)到較高值，隨后逐漸降低。在 4 562 m 時(shí)出現(xiàn)異常，比 4 783 m 略高，但差異不顯著;在 4 605 m 時(shí)達(dá)到最低值，與 4 272 m 時(shí)相比有差異。

2.4 不同海拔高度對(duì)AMF種群多樣性的影響

生物多樣性沿環(huán)境梯度的變化規(guī)律是生物多樣性研究的一個(gè)重要議題[11]，描述不同海拔高度對(duì)AMF種群多樣性影響的數(shù)據(jù)至關(guān)重要。由圖4可知，在一定范圍內(nèi)物種豐度隨海拔上升先升高后降低，在 4 121～4 452 m物種豐度最高;Shannon-Weiner多樣性指數(shù)在一定范圍內(nèi)隨海拔升高先升高后降低，在4 121～4 452 m達(dá)到最大;Simpson指數(shù)隨海拔升高顯著降低，在4 121～4 452 m 達(dá)到較大值;均勻度指數(shù)在一定范圍內(nèi)隨海拔上升先升高后降低，海拔影響明顯，在 4 121～4 452 m 之間均勻度最大。

3 結(jié)論與討論

不同海拔高度的測(cè)定結(jié)果表明，嵩草的孢子密度、菌絲密度、侵染率均是先升高后降低，在中間海拔出現(xiàn)最高值，也表現(xiàn)為AMF孢子密度與菌根侵染率、菌根侵染強(qiáng)度無(wú)相關(guān)性;AMF Shannon-Weiner 多樣性指數(shù)和物種豐度在一定范圍內(nèi)隨海拔先升高再降低，有規(guī)律地在4 121～4 452 m出現(xiàn)最大值。

研究發(fā)現(xiàn)，地理與氣候環(huán)境對(duì)AMF及其多樣性具有極其重要的影響。一般而言，溫度（包括土壤溫度） 是自然生態(tài)系統(tǒng)中決定AM 真菌種群組成、發(fā)育與侵染的主要生態(tài)因子[12]。除受海拔梯度上的溫度變化影響外，土壤因子也是重要的影響因素。土壤中的孢子密度呈現(xiàn)先升高后顯著降低的趨勢(shì)（圖2），而侵染率沒(méi)有明顯的變化，表明孢子密度和侵染率沒(méi)有相關(guān)性，與相關(guān)研究結(jié)果[13]一致。具體分析 AM 真菌的侵染、產(chǎn)孢與土壤 pH值、有效磷、有機(jī)質(zhì)的關(guān)系后發(fā)現(xiàn)，影響孢子密度的土壤因子主要受 pH值和速效磷的影響。本研究中AM 真菌孢子密度與 pH值呈正相關(guān)，與蔡曉布等在西藏高原草地研究 AM 真菌出現(xiàn)的結(jié)果相同;有效磷與侵染率呈負(fù)相關(guān)，與蔡曉布等的研究結(jié)果[13]一致，但是發(fā)現(xiàn)孢子密度與有效磷含量呈顯著正相關(guān)，與相關(guān)研究結(jié)果[7]不一致，可能是因?yàn)楦吆莸橥寥烙行Я缀科毡檩^低，未達(dá)到可以抑制產(chǎn)孢的程度。通過(guò)計(jì)算 Shannon-Weiner 多樣性指數(shù)、物種豐度與海拔梯度進(jìn)行回歸分析，發(fā)現(xiàn) AMF并非隨機(jī)分布，而呈現(xiàn)特定模式即隨海拔升高，AMF孢子的群落多樣性降低。同樣現(xiàn)象也出現(xiàn)在蔡曉布等對(duì)西藏高山草原 AMF生態(tài)分布的研究中[6]，表明在一定范圍內(nèi)，較高海拔環(huán)境有利于物種多樣性的提高。一般而言，莎草科植物不能或不易形成菌根[12]，但AMF對(duì)嵩草根系的侵染明顯，未體現(xiàn)海拔過(guò)高對(duì)植物菌根發(fā)育所具有的抑制作用，這是否與生存于高寒草甸中的AMF特定種群對(duì)寄主植物根系具有很強(qiáng)的侵染能力有相互關(guān)系，仍須進(jìn)一步研究闡明。endprint

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