連栽杉木叢枝菌根真菌侵染率和土壤性質(zhì)的關(guān)系

陳鄭洪，阮超越，程芳花，曹聰，呂茂奎，謝錦升

(福建師范大學(xué) a. 地理科學(xué)學(xué)院，b. 濕潤亞熱帶山地生態(tài)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地，福州 350007)

0 引言

叢枝菌根真菌(AMF)是一類專性寄生土壤真菌，能夠與陸地上80%以上的植物建立一種共生關(guān)系[1]。AMF可以修復(fù)退化和污染土壤、改善植物根際的土壤性質(zhì)、提高植物吸收養(yǎng)分的能力、增加對植物有益的微生物數(shù)量、改善植物水分狀況和固碳作用[2-3]，有效促進(jìn)植物的生長發(fā)育，保護(hù)植物根系，增強(qiáng)植物對病原菌的抵抗能力[4]，是連接地上和地下生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)傳輸?shù)臉蛄篬5-7]。宿主植物可與不同AMF群落建立共生關(guān)系[8]，而菌根侵染率是表示AMF與宿主植物是否建立共生關(guān)系的重要指標(biāo)，可以衡量其生態(tài)適應(yīng)性強(qiáng)弱，在某些程度上能夠決定植物的抗逆性和生長能力[9]。

杉木人工林是中國面積最大的人工林，杉木林下的AMF種類主要是球囊霉屬類群。杉木林下AMF群落的變化會引起土壤中銨態(tài)氮和某些土壤元素含量的增加，進(jìn)而影響杉木的生長量[10]。AMF對杉木根系的侵染還能提高杉木成活率并且縮短成林周期[11]。杉木林菌根真菌群落受林分年齡、季節(jié)等因素的影響，菌根侵染率隨林分年齡的增加而增加[12]。以往不少研究表明，杉木連栽后生產(chǎn)力下降，土壤性質(zhì)退化，影響了杉木林正常生產(chǎn)與經(jīng)營[13-14]。杉木連栽還導(dǎo)致土壤真菌總數(shù)的下降，土壤酶活性減弱，同時(shí)使土壤生化作用強(qiáng)度降低[13]。土壤性質(zhì)是影響AMF的重要因素，但杉木連栽如何通過影響土壤性質(zhì)從而調(diào)控叢枝菌根真菌卻不清楚。為此，本研究在三明莘口林場小湖工區(qū)，選擇了鄰近的一代、二代和三代杉木林為研究對象，通過對連栽杉木細(xì)根叢枝菌根真菌侵染率和土壤理化性質(zhì)的關(guān)系的研究，分析影響杉木細(xì)根叢枝菌根真菌侵染率的主導(dǎo)因素，探討如何改善土壤環(huán)境進(jìn)而促進(jìn)杉木細(xì)根菌根真菌的侵染，從而為促進(jìn)杉木林叢枝菌根真菌侵染率繼而提高多代連栽杉木生產(chǎn)力提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

本研究區(qū)杉木連栽樣地位于福建省三明市全球變化森林生態(tài)研究站格氏栲觀測點(diǎn)(26°7′～26°10′N，117°24′～117°27′E)，位于武夷山東南，戴云山西北，地形以低山丘陵為主，海拔多在200～500 m之間，屬于中亞熱帶季風(fēng)氣候。母巖主要由砂巖、

表 1 杉木連栽林樣地基本概況Table 1 The basic situation of Chinese fir plantation

連栽代次坡度坡向林分密度/(株·hm-2)樹高/m胸徑/cm造林時(shí)間/年份一代林26°西南97725.332.11974二代林28°西北1 20022.222.91988三代林32°西北1 37721.024.21979

灰色粉砂巖和石英礫巖組成，土壤類型以暗紅壤為主，部分地區(qū)分布有紫色土和棕色土。夏季高溫多雨，冬季溫暖少雨。多年平均氣溫為19.5 ℃，多年平均降水量為1 700 mm。在研究區(qū)選取海拔、坡度相近的杉木一代林、二代林和三代林。樣地基本情況見表1。

1.2 樣品采集

在每個(gè)杉木林中設(shè)置15 m×15 m樣方各5個(gè)，在每個(gè)樣方內(nèi)隨機(jī)選取5棵杉木，取0～10 cm土壤，同時(shí)按根序分級的方法采集根系，同一個(gè)樣地內(nèi)的根系和土壤分別混合成一個(gè)樣品，并作好標(biāo)記。3個(gè)杉木林一共采集15個(gè)樣方，共得到15個(gè)土壤與根系樣品。土壤樣品去除砂石和根系等雜物，過2 mm土壤篩，一部分風(fēng)干，用于測定理化性質(zhì)，剩余土壤放入-20 ℃冰箱保存，測酶活性等指標(biāo)。用清水將杉木根系進(jìn)行清洗，選取杉木細(xì)根，剪下長度約為1 cm的根尖部分，用FAA固定液(FAA固定液95 mL=40%甲醛5 mL+冰醋酸5 mL+95%酒精50 mL+蒸餾水35 mL)浸泡并放入4 ℃冰箱保存，用于測定杉木根系侵染率。

1.3 指標(biāo)測定

土壤有機(jī)碳、全氮測定采用土壤碳氮元素分析儀(Elementar Vario EL III, Germany)；全P采用高氯酸-濃硫酸消煮法提取，連續(xù)流動(dòng)分析儀測定(Skalar San++, Holland)；土壤速效磷采用氟化銨-鹽酸浸提法提取，連續(xù)流動(dòng)分析儀測定；可溶性有機(jī)碳用總有機(jī)碳分析儀(TOC-VCPH, Shimadzu, Ky.t.,Japan)測定；土壤礦質(zhì)氮采用氯化鉀浸提法，將提取出的濾液在連續(xù)流動(dòng)分析以上測定；土壤pH采用玻璃電極pH儀測定，水解酶活性測定采用Saiya-Cork 等[15]的方法進(jìn)行測定，多功能酶標(biāo)儀(Synergy H4)測定；根系侵染率采用臺盼藍(lán)(Trypan Blue)染色-顯微鏡觀察法。

1.4 數(shù)據(jù)處理與分析

使用Excel 2010對數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，用SPSS 17.0軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，繪圖采用Origin 9.0軟件。利用單因子方差分析中的最小顯著差異法(LSD)分析不同連栽杉木林土壤性質(zhì)和菌根侵染率的差異，顯著性水平設(shè)定為α=0.05。利用主成分分析方法，分析影響叢枝菌根侵染率的主導(dǎo)因子。

2 結(jié)果與分析

2.1 杉木連栽對土壤理化性質(zhì)的影響

表 2 杉木連栽對土壤因子的影響Table 2 Effects of continuous planting of Chinese fir on soil physical and chemical properties

理化性質(zhì)一代林二代林三代林pH3.88±0.13 ab3.94±0.05a3.78±0.07b容重/(g·cm-3)1.06±0.1a1.04±0.09a1.04±0.05a土壤有機(jī)碳 SOC/(g·kg-1)26.18±2.67ab24.04±2.35b29.42±5.42a可溶性有機(jī)碳 DOC/(mg·kg-1)26.51±3.08b16.84±3.30c42.69±8.79a土壤全氮 TN/(g·kg-1)1.75±0.15a1.80±0.11a2.01±0.28a銨態(tài)氮 NH4+-N/(mg·kg-1)19.18±2.98b22.89±7.34b46.19±12.85a硝態(tài)氮 NO3--N/(mg·kg-1)1.18±0.33a1.46±1.01a0.57±0.09a土壤碳氮比 C/N14.98±0.49a13.31±0.54b14.60±0.92a全磷TP/(g·kg-1)0.36±0.05b0.46±0.02a0.32±0.05b速效磷AP/(mg·kg-1)5.38±0.41b6.46±0.42a4.28±0.50c酸性磷酸酶AP/(nmol·μg·h-1)619.66±153.52a375.59±217.89a1 261.63±177.62bβ葡萄糖苷酶βG/(nmol·μg·h-1)15.89±6.50a17.97±6.54a21.30±5.20a纖維素水解酶CBH/(nmol·μg·h-1)1.33±0.64a0.87±0.23a0.84±0.43aβ-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶NAG/(nmol·μg·h-1)28.03±3.67a37.31±14.18a57.58±18.06b

圖 1 杉木連栽對叢枝菌根真菌(AMF)的影響Figure 1 Effects of continuous planting of Chinese fir on arbuscular mycorrhizal fungi

注：同一行中不同字母表示差異顯著(P<0.05)。杉木不同連栽代數(shù)的土壤容重、全氮、硝態(tài)氮含量的差異不顯著，其他土壤理化性質(zhì)存在顯著性差異(表2)。具體表現(xiàn)為：一代林的土壤碳氮比顯著高于二代林，而與三代林沒有顯著差異；二代林的土壤pH值顯著高于三代林，與一代林沒有顯著差異，而二代林的土壤全磷和速效磷含量均顯著高于一代林和三代林；三代林的土壤有機(jī)碳(SOC)含量顯著高于二代林的(高22.4%)，而與一代林沒有顯著差異，三代林的土壤可溶性有機(jī)碳(DOC)含量和銨態(tài)氮含量均顯著高于一代林，其中三代林的土壤可溶性有機(jī)碳含量分別比一代和二代林的高61.0%和153.5%；銨態(tài)氮含量分別比一代和二代林的高101.8%和140.8%。以上分析表明，杉木連栽并未導(dǎo)致土壤理化性質(zhì)明顯退化。

2.2 杉木連栽對菌根侵染率和土壤酶活性的影響

二代杉木林中菌根侵染率顯著高于一代林和三代林(P<0.05)，分別高11.2%和10.4%，一代林與三代林之間差異不顯著(圖1)。而三代林的土壤β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶和酸性磷酸酶顯著較高，一代林與二代林之間則無顯著差異(表2)；不同連栽代數(shù)之間土壤β葡萄糖苷酶與纖維素水解酶的差異均不顯著(表2)。

2.3 連栽杉木侵染率與土壤因子的相關(guān)性和影響因素分析

從表3中可以看出，與侵染率相關(guān)的各因子中，土壤pH、硝態(tài)氮含量、全磷含量與侵染率均呈顯著正相關(guān)關(guān)系；而土壤酸性磷酸酶、SOC、DOC與侵染率呈顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；碳氮比與侵染率之間呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)為0.666。土壤含水率、土壤容重、全氮、銨態(tài)氮、速效磷、纖維素水解酶、β葡萄糖苷酶、β-N-乙酰氨基葡萄糖苷酶與侵染率之間的相關(guān)性系數(shù)不強(qiáng)，對侵染率的直接影響較小。

表 3 土壤因子與叢枝菌根侵染率的相關(guān)分析Table 3 Correlation analysis of soil properties and infection rate of arbuscular mycorrhiza

pH容重SOC全氮TNDOC銨態(tài)氮NAG侵染率0.552?-0.436-0.616?-0.443-0.553?-0.319-0.328碳氮比全磷速效磷APβGCBH硝態(tài)氮侵染率0.666?0.615?0.477-0.548?-0.2190.0140.615?

注：*在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān),**在 0.01 水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān)。

表 4 土壤理化性質(zhì)的主成分分析Table 4 Principal component analysis of soil environmental factors

主成分1主成分2主成分3主成分4pH-0.3810.6140.237-0.426容重0.0390.0180.1190.879SOC0.918-0.2210.1720.100全氮TN0.935-0.127-0.1710.024DOC0.560-0.7110.0690.064銨態(tài)氮0.678-0.503-0.054-0.036硝態(tài)氮-0.2720.7110.1480.158C/N0.451-0.2920.7420.172全磷-0.0050.763-0.423-0.290速效磷-0.1340.957-0.1220.092AP0.562-0.7900.035-0.019BG0.644-0.161-0.230-0.414CBH-0.3310.0830.9000.045NAG0.770-0.3220.0000.136特征值4.3644.0501.7671.310貢獻(xiàn)率/%31.17228.92512.6249.354累計(jì)貢獻(xiàn)度/%82.072———

通過主成分分析，經(jīng)正交旋轉(zhuǎn)法后得4個(gè)主成分的載荷矩陣(表4)。主成分1能很好地反映杉木連栽條件下土壤理化性質(zhì)對侵染率的影響，起主要作用的是SOC和全氮，相關(guān)系數(shù)值分別為0.918和0.935，在主成分1上起著正向作用，主成分1的貢獻(xiàn)率為31.172%；主成分2主要是速效磷起作用，相關(guān)系數(shù)為0.957，貢獻(xiàn)率達(dá)到28.925%；主成分3是纖維素水解酶(CBH)起作用，相關(guān)系數(shù)為0.9，貢獻(xiàn)率為12.624%；主成分4為容重起作用，相關(guān)系數(shù)為0.879，貢獻(xiàn)率為9.354%。4個(gè)主成分的累計(jì)貢獻(xiàn)率為82.072%。

3 討論

杉木是中國南方主要人工樹種之一，由于市場的廣泛需求，杉木往往在同一林地連續(xù)栽植，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變差，進(jìn)而降低土壤肥力，最后引起杉木林單位面積的生產(chǎn)力隨著連栽代數(shù)增加而降低。SOC是土壤養(yǎng)分循環(huán)的重要組成部分，對土壤肥力的高低和土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有重要的作用，可以對植物體起到直接有效的影響，容易受到土地利用的影響[16]。本研究中二代林與一代林相比，土壤有機(jī)碳與碳氮比均顯著下降(表2)，土壤SOC也呈下降趨勢(沒有顯著差異)，這表明與一代林相比，二代林的土壤有機(jī)碳表現(xiàn)出退化的趨勢，眾多連栽人工林研究結(jié)果與本研究是相似的[17]。采用連續(xù)單一速生樹種的土地利用類型，易于消耗土壤中的有機(jī)質(zhì)，而使土壤中出現(xiàn)了碳的損失。但是本研究中，二代林的容重、全氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮等含量與一代林并沒有顯著差異，土壤酶活性也相似，而土壤全磷和速效磷含量則均顯著高于一代林，說明二代林與一代林相比，土壤退化并不明顯。與三代林相比，三代林的土壤中碳含量呈升高的趨勢，并且超過了一代林的碳含量水平，這表明杉木二代連栽后，盡管土壤中碳含量出現(xiàn)降低趨勢，但三代林還是有可能提升土壤有機(jī)碳含量。在本研究中，三代林的年齡比二代林更大，同時(shí)林木密度更高，歸還的凋落物更多，可以補(bǔ)償前期的碳損失。但是在三代杉木連栽中，土壤中硝態(tài)氮含量顯著性降低，銨態(tài)氮的含量極顯著的增加，這可能是多代連栽抑制了土壤氮的硝化作用[18]。本研究中，總體而言，杉木三代連載未導(dǎo)致土壤明顯的退化，主要原因可能有兩點(diǎn)，一是樹齡，由于3個(gè)樣地中的杉木都為成熟林或者過熟林，隨著樹齡的進(jìn)一步增加，杉木林生長變慢，養(yǎng)分歸還多、吸收少，土壤肥力也會逐漸增加[19]，而且成熟林林下植被大量生長，可以促進(jìn)土壤肥力恢復(fù)[14]；說明延長輪伐期有利于改善土壤退化。二是母巖的影響，粉砂巖的黏粒含量較高，而沙粒含量較低，有利于形成土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，維持土壤的保肥、保水能力。因此，盡管連栽過程中對杉木林地產(chǎn)生了較大的干擾，但粉砂巖發(fā)育的土壤具有良好的保肥能力，從而可以緩和土壤的退化。

叢枝菌根真菌的侵染率一般與土壤養(yǎng)分和性質(zhì)密切相關(guān)。杉木連栽導(dǎo)致地力退化，從而可能影響杉木根系叢枝菌根真菌的侵染率。如前所述，本研究中連栽并未引起土壤明顯的退化。而且分析不同連栽代數(shù)的杉木菌根侵染率也發(fā)現(xiàn)，二代林杉木的菌根侵染率最高，顯著高于一代林和三代林，而一代林和三代林差異不顯著。樹齡是引起菌根侵染率差異的主要原因之一，一代林和三代林的栽植時(shí)間比二代林早，盡管同屬過熟林，樹齡更大的一代和三代林對于養(yǎng)分和光照等條件的需求可能更少，根系和菌根亦可能也形成了網(wǎng)絡(luò)[20]，土壤中的養(yǎng)分含量也較高，AMF作用相對降低[21]。AMF也受到土壤環(huán)境因子的影響，從而對其自身的生長發(fā)育起到促進(jìn)或者抑制作用。在本研究中，杉木連栽后的土壤碳、氮、磷等養(yǎng)分因子均發(fā)生了變化，可能會造成不同代數(shù)杉木林中的菌根侵染率的差異。通過主成分分析發(fā)現(xiàn)，杉木連栽林叢枝菌根真菌侵染率主要受主成分1(SOC、全氮)、主成分2(速效磷)、主成分3(CBH)和主成分4(容重)的影響，共同解釋了AMF變化的82.072%。其中速效磷、全氮、SOC和容重對AMF影響最顯著，速效磷與侵染率呈正相關(guān)關(guān)系，與全氮、SOC和容重則為負(fù)相關(guān)。這表明增加速效磷的含量可以促進(jìn)菌根侵染率的增加，可能是因?yàn)樯寄靖H對于磷的固定能力較弱，因此需要通過菌根向杉木運(yùn)輸磷，從而增加菌根侵染率[22]。氮是植物和真菌合成蛋白質(zhì)、核酸的重要營養(yǎng)源，同時(shí)也是限制植物生長的重要元素之一[23]。叢枝菌根通過外生菌根吸收土壤中的無機(jī)氮，并且在外生菌根中轉(zhuǎn)化成有機(jī)氮，而后進(jìn)入生長在杉木根細(xì)胞的內(nèi)生菌絲，從而供杉木根細(xì)胞利用[24]，但是叢枝菌根真菌只是提供獲取氮素的3%給宿主植物，而剩余的部分留在真菌結(jié)構(gòu)中[25]，因此土壤中過高的氮含量，可能引起叢枝菌根真菌中的氮素含量過高，抑制菌根侵染率。高的SOC含量對菌根侵染率可能起抑制作用[26]。高的SOC含量也為菌根表層和附近的微生物提供了有利的生長條件，促進(jìn)其大量繁殖，與菌根形成競爭關(guān)系，從而抑制菌根侵染率。土壤通氣性、根系穿透阻力和孔隙度以及根系的發(fā)育和生長會受到土壤容重的影響，也會影響土壤中生物的活性，使微生物活性降低[27]，由于叢枝菌根真菌屬于好氧性真菌，真菌需要依靠疏松的土壤環(huán)境為其提供足夠的氧氣，容重越大，土壤通氣性越低，真菌缺乏氧氣會導(dǎo)致其活性降低，因此菌根侵染率也隨之降低。由此可見，改善土壤結(jié)構(gòu)，增加土壤通氣性，有利于增強(qiáng)叢枝菌根真菌的活性，因此在栽植杉木過程中不僅需要關(guān)注土壤營養(yǎng)元素的變化，也需要關(guān)注土壤結(jié)構(gòu)的變化，以便于菌根真菌的生長發(fā)育。

4 結(jié)論

在粉砂巖發(fā)育的紅壤上杉木連栽的成熟林地中并未出現(xiàn)明顯的土壤肥力退化現(xiàn)象，說明增加輪伐期有利于減輕土壤退化。SOC、全氮、速效磷和容重是調(diào)控杉木叢枝菌根真菌侵染率的主導(dǎo)土壤因子，增加速效磷的含量將對菌根侵染率起促進(jìn)作用，而增加全氮、容重和SOC的含量將起抑制作用。此外，由于本研究只是從侵染率方面開展的調(diào)查實(shí)驗(yàn)，盡管可以為杉木連栽下叢枝菌根真菌侵染率的提升提供參考，但目前所得結(jié)論還無法完全反映菌根真菌對杉木林生產(chǎn)力的影響。因此在今后的研究中應(yīng)該從孢子，菌絲密度等方面從多個(gè)角度深入探究其對杉木林菌根侵染率的影響機(jī)理。