鹽漬化地區(qū)刺槐、新疆楊和檉柳林中AM真菌特性及其影響因子

張新璐，唐 明，陳雪冬，齊 梅，陶 晶，盛 敏

(1. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院，陜西楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，陜西楊凌 712100)

叢枝菌根(Arbuscular Mycorrhizal, AM)真菌是重要的土壤生物成員之一，其可通過擴(kuò)大植物根系吸收面積、活化土壤養(yǎng)分、增加植物對(duì)礦質(zhì)元素和水分的吸收以及激素調(diào)節(jié)等作用來提高植物的抗逆性[1-3]。許多研究者認(rèn)為生境異質(zhì)性是影響微生物活性與功能的重要因素[4]。對(duì)菌根真菌而言，原始生境決定了其菌株特性，菌株來源不同其共生特性和抗逆性也往往不同，從而確定生境異質(zhì)性對(duì)AM真菌特性的影響將為菌根技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供保障[5]。

土壤鹽漬化是全球普遍存在的資源和生態(tài)問題，嚴(yán)重制約著中國(guó)農(nóng)林業(yè)的發(fā)展和中國(guó)生態(tài)環(huán)境建設(shè)。中國(guó)鹽漬土總面積約0.991億hm2，主要分布在中國(guó)西北、東北、華北、黃淮海平原以及沿海地區(qū)[6]。已有研究表明，AM真菌在鹽漬土中分布廣泛，且其與植物共生能顯著提高植物的抗鹽性，然而其抗鹽性的高低與生境(植物種類、氣溫、降雨量、土壤理化及生物學(xué)性質(zhì))有關(guān)[7-9]。為充分發(fā)揮AM真菌在鹽漬土改良中的作用，確定鹽漬化地區(qū)AM真菌特性的關(guān)鍵影響因素已成為當(dāng)前首要解決的基本問題。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)西北地區(qū)鹽漬土約占全國(guó)鹽漬土總面積的60%左右，是中國(guó)受鹽漬化影響最嚴(yán)重的區(qū)域之一[10]。在該地區(qū)，經(jīng)過長(zhǎng)期的自然選擇和人工培育，一些樹木已能進(jìn)行生長(zhǎng)，如刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、新疆楊(PopulusalbaL. var.pyramidalisBge.)和檉柳(TamarixchinensisL.)等[11]。它們不僅可以保持水土、防風(fēng)固沙、造林綠化，也被廣泛用于鹽漬土改良，是鹽漬化地區(qū)難得的綠化造林樹種。目前研究發(fā)現(xiàn)，刺槐、新疆楊和檉柳均能與AM真菌形成共生結(jié)構(gòu)[12-14]，然而關(guān)于這些樹種的AM真菌在不同鹽漬化地區(qū)是否存在生境異質(zhì)性尚不明確。因此，本試驗(yàn)選擇位于中國(guó)西北部的3個(gè)鹽漬化地區(qū)(內(nèi)蒙古磴口、寧夏平羅和甘肅敦煌)中的刺槐、新疆楊和檉柳為研究對(duì)象，分析不同樹種根內(nèi)AM真菌侵染狀況及根際AM真菌的生長(zhǎng)和繁殖水平，探明AM真菌生長(zhǎng)及共生特性與樹種、氣候條件和土壤因子間的相互關(guān)系，為菌根技術(shù)在鹽漬土改良中的高效利用提供理論指導(dǎo)。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

分別于內(nèi)蒙古磴口、寧夏平羅和甘肅敦煌鹽漬化地區(qū)的刺槐、新疆楊和檉柳林中設(shè)5個(gè)20 m×20 m的小樣方，每個(gè)小樣方內(nèi)隨機(jī)選取5株植物，每株按東西南北4個(gè)方位，去除5 cm厚的表層土后，在5～20 cm土層范圍內(nèi)采集植物根系和根際土，然后分別將根系和根際土混合作為該樣方的代表性樣品。所選樣區(qū)的地理位置和氣候條件見表1。

表1 采樣點(diǎn)概況Table 1 Location, precipitation and average air temperature of sampling sites

1.2 測(cè)定項(xiàng)目及方法

采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定過氧化氫酶活性[17]；采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定堿性磷酸酶活性[17]；采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定脲酶活性[17]；采用3,5-二硝基水楊酸(DNS)比色法測(cè)定蔗糖酶活性[17]；采用三苯基四氮唑氯化物(TTC)比色法測(cè)定脫氫酶活性[18]。

1.2.2 土壤中總球囊酶素和易提取球囊酶素質(zhì)量分?jǐn)?shù) 采用Wright等[19]的方法測(cè)定土壤中易提取球囊霉素和總球囊霉素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.2.3 AM真菌侵染率 根系樣品采用透明壓片法制片，鏡檢叢枝、泡囊和菌絲等結(jié)構(gòu)特征，采用十字交叉法測(cè)定叢枝、泡囊、菌絲及AM真菌總的侵染率[20]。

1.2.4 AM真菌孢子密度和菌絲密度 孢子密度測(cè)定方法：分別從各土壤樣品中取100 g鮮土2份，一份在105 ℃下烘干至恒質(zhì)量，測(cè)定土壤含水量，另一份用濕篩傾析法分離孢子，在解剖鏡下分格計(jì)數(shù)，計(jì)算AM真菌的孢子密度[21]。

土壤含水量=(土壤濕質(zhì)量-土壤干質(zhì)量)/土壤濕質(zhì)量×100%

孢子密度= 孢子總數(shù)/[土壤濕質(zhì)量×(1-土壤含水量)]

菌絲密度測(cè)定方法：采用抽濾法測(cè)定土壤中AM真菌的菌絲密度[22]。

菌絲密度=11/14×總交叉點(diǎn)數(shù)×網(wǎng)格單元格長(zhǎng)度×濾膜上樣塊面積/[網(wǎng)格面積×土樣濕質(zhì)量×(1-土壤含水量)]

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

采用R語言的Vegan程序包對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析[23]。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同鹽漬化地區(qū)刺槐、新疆楊及檉柳林的土壤理化性質(zhì)

此外，研究還發(fā)現(xiàn)鹽漬化地區(qū)林地土壤理化性質(zhì)與其所處地理位置有關(guān)(Pseudo-F= 8.07,P<0.01)。利用vegdist()函數(shù)計(jì)算各鹽漬化地區(qū)土壤理化性質(zhì)間的相異性，并將其相異性與各鹽漬化地區(qū)間的間隔距離進(jìn)行相關(guān)分析。分析結(jié)果表明，不同鹽漬化地區(qū)林地土壤理化性質(zhì)的相異性與其間隔距離呈顯著正相關(guān)(r=0.21,P<0.001)，即林地間隔越遠(yuǎn)，其土壤理化性質(zhì)差異越大(圖2)。

2.2 不同鹽漬化地區(qū)刺槐、新疆楊和檉柳林中土壤酶的活性

方差分析結(jié)果表明，土壤酶活性在不同樹種間無顯著差異，但同一樹種在不同鹽漬化地區(qū)間具有一定的差異(表3)。其中，刺槐、新疆楊和檉柳林中土壤過氧化氫酶活性以及檉柳林中土壤堿性磷酸酶和脫氫酶活性為磴口最低；檉柳林中土壤脲酶活性為平羅最低；新疆楊林中土壤蔗糖酶活性為平羅最高，磴口最低。

2.3 不同鹽漬化地區(qū)刺槐、新疆楊和檉柳林中AM真菌的特性

研究發(fā)現(xiàn)，同一樹種的AM真菌特性在不同鹽漬化地區(qū)間表現(xiàn)出一定的差異(表4)。具體而言，刺槐和新疆楊根際土中AM真菌的孢子密度為磴口最高；刺槐根際土中AM真菌的菌絲密度為敦煌最高，而檉柳根際土中AM真菌的菌絲密度則為平羅最高；新疆楊根系的菌絲侵染率為平羅最高，而其叢枝侵染率則為敦煌最高。

“*”表示在0.05水平下差異顯著 “*” represents significant difference at 0.05 level

圖2 不同鹽漬化地區(qū)土壤理化性質(zhì)的相異性與其間隔距離間的相互關(guān)系Fig.2 Correlation between dissimilarities of soil physico-chemical properties and geographic distances among different saline areas

此外，方差分析結(jié)果表明，樹種不同其根內(nèi)AM真菌的總侵染率、菌絲侵染率、叢枝侵染率及其根際土中AM真菌的孢子密度、菌絲密度和總球囊霉素質(zhì)量分?jǐn)?shù)顯著不同，而根際土中易提取球囊霉素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及根內(nèi)泡囊侵染率在不同樹種間無顯著性差異(表4)。其中，刺槐根際土中AM真菌的孢子密度和總球囊霉素質(zhì)量分?jǐn)?shù)及根內(nèi)AM真菌的總侵染率和叢枝侵染率最高，新疆楊根際土中AM真菌的菌絲密度及根內(nèi)菌絲侵染率最高，而檉柳林中AM真菌的各項(xiàng)指標(biāo)均相對(duì)較低。

2.4 土壤性質(zhì)、樹種和氣候條件對(duì)AM真菌特性的影響

選擇生境指標(biāo)(土壤因子、樹種及氣候條件)為解釋變量，利用varpart()變差分析函數(shù)比較土壤因子、樹種及氣候條件對(duì)AM真菌特性的貢獻(xiàn)程度。變差分析結(jié)果表明土壤因子、樹種及氣候條件共解釋了61.8%的變差，其中土壤因子單獨(dú)解釋或與樹種或與氣候條件一起共解釋了53.9%的變差，說明土壤因子對(duì)AM真菌特性的影響最大，且其影響與樹種和氣候條件密切相關(guān)(圖3)。

2.5 刺槐、新疆楊和檉柳林中AM真菌特性與土壤因子和氣候條件的關(guān)系

圖3 土壤因子、樹種和氣候條件對(duì)AM真菌特性影響的變差分析Fig.3 Variation partitioning of arbuscular mycorrhizal fungal attributes by soil factors, tree species and climate conditions

(1)節(jié)點(diǎn)表示各AM真菌、土壤因子及氣候指標(biāo)；連線表示連線兩端的節(jié)點(diǎn)具有顯著相關(guān)性(P<0.05)；連線上的數(shù)值為Pearson相關(guān)系數(shù) The nodes represent soil, climate and AM fungal parameters, the edge represent a significant (P<0.05) relationship between the nodes, and the number on each edge is the Pearson’s correlation coefficient；(2)SD.AM真菌的孢子密度 AM fungal spore density；HD.菌絲密度 Hyphal density；HC.菌絲侵染率 Hyphal colonization rate；AC.叢枝侵染率 Arbuscular colonization rate；Pspring、Psummer、Pautum和Pwinter.分別表示春、夏、秋、冬季降雨量 Precipitation in spring, summer, autumn and winter；Tspring、Tsummer、Tautum和Twinter.分別表示春、夏、秋、冬季平均氣溫 Average air temperature in spring, summer, autumn and winter

圖4刺槐(A)、新疆楊(B)和檉柳(C)林中AM真菌特性與土壤因子和氣候條件的關(guān)系網(wǎng)絡(luò)圖
Fig.4NetworksofcorrelationsamongAMfungi,soilfactorsandclimateconditionsofRobiniapseudoacacia(A),Populusabla(B)andTamarixchinensis(C)

3 討 論

微生物趨于生境選擇，其生物活性、功能及其差異是反映生境異質(zhì)性的重要指標(biāo)[24]。從整體看，中國(guó)西北地區(qū)鹽漬土中刺槐、新疆楊和檉柳根內(nèi)AM真菌的侵染力及根際土中AM真菌的生長(zhǎng)與繁殖能力均具有一定的生境異質(zhì)性。選擇與生境有關(guān)的土壤因子、樹種及氣候條件進(jìn)行變差分析發(fā)現(xiàn)，AM真菌特性的大部分變差由土壤因子單獨(dú)解釋或與樹種或與氣候條件一起共同解釋，說明土壤因子對(duì)AM真菌特性的影響最大，且其影響與樹種和氣候條件密切相關(guān)。該結(jié)論與一些研究者在其他一些自然生態(tài)系統(tǒng)中所獲得的結(jié)果基本相似[25-26]。

Carvalho等[8]研究認(rèn)為氣溫和降雨量的變化可以直接影響鹽漬土中AM真菌的侵染率和孢子密度。一般來講，降雨可通過改變土壤濕度、調(diào)節(jié)植物蒸騰速率對(duì)AM真菌進(jìn)行影響；而氣溫一方面可直接影響AM真菌的生長(zhǎng)速度，也可通過調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)而對(duì)AM真菌進(jìn)行間接影響[32]。本研究結(jié)果表明，鹽漬化地區(qū)刺槐、新疆楊和檉柳根系A(chǔ)M真菌的侵染狀況以及根際AM真菌的菌絲生長(zhǎng)和產(chǎn)孢量均與氣溫和降雨量有關(guān)，且樹種不同其AM真菌特性與氣溫和降雨量間的相互關(guān)系也有所不同。例如刺槐根際AM真菌的菌絲密度與春夏秋冬季氣溫和夏秋季降雨量呈顯著負(fù)相關(guān)，而檉柳根際AM真菌的菌絲密度與春秋冬季氣溫和春夏季降雨量呈顯著正相關(guān)。Kabir等[33]在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)AM真菌的菌絲密度與氣候條件有關(guān)。綜上，鹽漬化地區(qū)AM真菌特性具有生境異質(zhì)性，且其異質(zhì)性主要由土壤因子、樹種及氣候條件等生境因子的變化所致，然而關(guān)于這些生境因子對(duì)AM真菌的影響機(jī)制尚不完全清楚，需待進(jìn)一步深入的研究。

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