王新軍，陳學平，陳濟丁，楊艷剛，劉 歡，姚 拓

（1.交通運輸部科學研究院 環(huán)境保護與水土保持研究中心，北京 100029；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學 草業(yè)學院，甘肅 蘭州 730070；3.草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點實驗室，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

青藏高原海拔高、氣候寒冷干旱，土壤鹽堿化嚴重，植物生長期短、生長緩慢，生態(tài)環(huán)境脆弱敏感，一旦遭到破壞，恢復與重建相當困難[1-2]。以青藏公路為例，在建和歷次整治改建遺留的人為干擾地植被長期未得有效恢復，遠低于天然植被覆蓋度[3]。雖然通過人工植草提升了青藏高原公路沿線植被恢復效果，但恢復與演替過程十分緩慢[4]。因此，通過技術手段加速植被生長以促進青藏高原路域植被恢復，對于有效保護青藏高原地區(qū)敏感脆弱的生態(tài)環(huán)境具有重要的意義。

叢枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi,AMF）是廣泛存在于自然陸地生態(tài)系統(tǒng)中的植物共生真菌，由于其有助于植物吸收磷、鉀等礦質(zhì)元素，促進植物生長，提高植物抗寒、抗旱、耐鹽堿等抗逆性能及抗病害能力[5-6]，其在農(nóng)作物和園藝作物生產(chǎn)等可持續(xù)農(nóng)業(yè)發(fā)展中的應用受到國內(nèi)外學者的廣泛關注[6-12]。對于叢枝菌根技術方面的研究，國外重點關注AMF在生態(tài)工程中的作用及其商業(yè)化應用，如Asmelash等研究表明AMF能促進退化土壤的改良[13]；Bender 等詳細闡述了AMF 對農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響[6]；Vosátka 等探討了AMF在菌劑生產(chǎn)、應用模式等方面商業(yè)化應用現(xiàn)狀[7]。整體上，AMF 在國外農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的應用較為成熟，但就其在路域生態(tài)系統(tǒng)中的應用研究較為缺乏。

國內(nèi)對AMF在生態(tài)工程中的應用研究日益增多，如張艷等指出AMF 在草地、沙地、鹽堿地等立地條件下的應用將成為研究熱點[14]；王茜等研究了AMF 對青藏高原高寒草原垂穗披堿草的促生效應[15]；石偉琦等研究了AMF 對內(nèi)蒙古草原優(yōu)勢物種羊草生物量、品質(zhì)的影響[16]；王力華等揭示了AMF 對沙地植被的促生作用[17]；陳飛研究了AMF 對松嫩平原鹽堿地的生態(tài)作用[18]；畢銀麗對AMF 在煤礦區(qū)沉陷地生態(tài)修復中的應用進行了研究評述[19]；陳保冬等詳細介紹了叢枝菌根技術在重金屬污染土壤修復方面的應用[20]。然而，對于高寒高海拔地區(qū)干旱鹽堿等困難立地條件，有關AMF 在植被恢復中的應用還鮮有研究與實踐。

為了科學回答能否利用AMF解決高寒高海拔地區(qū)路域植被快速恢復的問題，本研究以廣泛用于青藏公路邊坡植被恢復中的星星草[21]為供試植物，同時選取3 種AMF 就其對植被生長影響開展室內(nèi)盆栽實驗研究，同時在青藏高原進行野外實驗觀測，以期明確AMF在青藏高原路域植被恢復中應用的可行性。

1 實驗材料與實驗方法

1.1 實驗材料

星星草（Puccinellia tenuiflora）購自青海省西寧市種子公司。供試菌種摩西球囊霉（Glomus mosseae,GM）、幼套球囊霉（Glomus etunicatum,GE）、縮球囊霉（Glomus constrictum,GC）由北京市農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所“叢枝菌根真菌種質(zhì)資源庫（BGC）”提供。盆栽土壤過2mm 網(wǎng)篩后，濕熱滅菌2h，采用70%乙醇對盆栽花盆（18cm×20cm×14cm）進行消毒。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗現(xiàn)場條件

室內(nèi)盆栽實驗在甘肅農(nóng)業(yè)大學溫室進行，實驗溫度為（25±4）℃，光照14～15h。供試土壤pH值為7.51，全氮含量為89mg/kg，速效氮含量為8.2mg/kg，全磷含量為392.6mg/kg，速效磷含量為7.21mg/kg。野外實驗于2015年8月布設于交通運輸部多年凍土區(qū)公路建設與養(yǎng)護技術交通行業(yè)重點實驗室青海研究觀測基地，其土壤pH 值為8.4，全氮含量為325mg/kg，速效磷含量為4.11mg/kg，速效鉀含量為80mg/kg。按照公路邊坡植被恢復正常的管理養(yǎng)護措施對實驗小區(qū)進行養(yǎng)護。

1.2.2 實驗設計

本研究分別設置星星草與GM,GC 和GE 接菌處理及不接種菌劑的對照處理（Control Check,CK），每個處理重復4 次。挑選飽滿、大小均一的星星草種子，使用有效氯成分小于10%的次氯酸鈉溶液消毒，經(jīng)無菌水多次沖洗后置于內(nèi)含濾紙的培養(yǎng)皿中，在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)發(fā)芽后移至花盆。播種時，每個花盆裝2.5kg 滅菌土，然后平鋪15g 菌劑（每克菌劑約含70 個孢子），再均勻覆蓋0.5kg 滅菌土。CK 處理除每盆放入15g 濕熱滅菌后的菌劑外，其余均與接菌處理一致?；ㄅ桦S機擺放，為保證星星草正常生長，采用隔天澆水養(yǎng)護方式。

野外實驗每個供試小區(qū)長1.5m，寬1m。供試植物、菌劑與室內(nèi)實驗一致，每個供試小區(qū)對應1 個處理，每個處理重復3 次，種子使用量為16g/m2，菌劑使用量為600g/m2。

1.2.3 樣品處理與測試分析

盆栽實驗第60d，收獲星星草植株，處理根段，采用劉歡等[22]的研究方法測定菌根侵染率并計算菌根效應；用無菌水沖洗植株后，測定株高；植株經(jīng)殺青、烘干至恒重后，分別對地上部分和地下部分稱重；植株地上部經(jīng)研磨處理后測氮（N）、磷（P）、鉀（K）含量，同時取盆栽土壤樣品經(jīng)處理后測定土壤含水量與N,P,K 含量[23]。由于野外實驗為長期觀測實驗，因此并未對植物樣品進行破壞性取樣，于2016 年7 月分別測定了株高和植被覆蓋度。

1.3 數(shù)據(jù)分析方法

為分析菌根對植物的侵染作用，分別計算菌根侵染率和菌根效應[22]：

采用Excel 2010 統(tǒng)計菌根侵染率和株高，統(tǒng)計值用“平均值±標準誤”表示，同時對不同接菌處理結(jié)果制圖；采用SPSS 19.0 計算礦物元素含量、生物量的統(tǒng)計值，并用“平均值±標準誤”表示，然后對結(jié)果進行Ducan′s 單因素方差多重比較分析，對侵染率、菌根效應、生物量、株高、礦物元素含量等指標進行主成分分析。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 不同處理的菌根侵染率分析

不同菌劑的星星草侵染率如圖1 所示，圖中CK 為未接種對照。可以看出，菌劑GM 侵染能力最強，侵染率達41.5%；菌劑GC 的侵染能力次之，侵染率為36.25%；侵染率最低的是菌劑GE，為34.25%。方差分析表明，GM 的菌根侵染率顯著高于GE和GC（P＜0.05），GE與GC之間差異不顯著（P＞0.05）。不同AMF 對星星草根系的侵染能力不同也間接反映出AMF 對植物親和力的高低。

圖1 不同AMF的星星草菌根侵染率

2.2 不同AMF對星星草生長的影響

2.2.1 不同AMF對星星草株高的影響

不同AMF 對星星草株高的影響如圖2 所示?？梢钥闯?，與CK 相比，接種AMF 之后，星星草株高均顯著增加（P＜0.05），增幅為54.30%～70.95%。其中GC 促進效果最好，GM 次之，GE最差。菌劑GM 和GC 對星星草株高的促進作用顯著高于菌劑GE（P＜0.05），GM 和GC 之間也存在顯著差異（P＜0.05）。

圖2 不同AMF對星星草株高的影響

2.2.2 不同AMF對星星草地上部分N,P,K含量的影響

不同AMF 對星星草地上部分N,P,K 含量的影響見表1?？梢钥闯?，與CK 相比，接菌處理分別使星星草地上部分N 含量增加了27.74%,9.85%和26.01%，GM 和GC 的作用達到顯著水平（P＜0.05），GE 作用不顯著。不同AMF 對星星草地上部分P含量的增加效果明顯，與CK相比分別增加了100%,33.33%和61.90%，GM 和GC 的作用達到顯著水平（P＜0.05），但GM 和GC 相比差異不顯著（P＞0.05）。不同AMF 對星星草地上部分K含量的增加效果與對N,P 含量的增加變化相一致，其中GM 表現(xiàn)最好，GC次之，GE表現(xiàn)最差。GE 不同程度上增加了星星草地上部分N,P,K 含量，但變化不顯著。

表1 不同AMF對星星草地上部分N,P,K含量的影響

2.2.3 不同AMF對星星草生物量的影響

不同AMF 對星星草生物量的影響見表2?？梢钥闯觯cCK 相比，不同AMF 提高了星星草的地上生物量，增幅為43.98%～84.23%，而且差異顯著（P＜0.05），其中GM 與GC 對星星草生物量的促進作用顯著高于GE，但GM 與GC 之間差異不顯著（P＞0.05）。星星草地下生物量變化趨勢與地上生物量變化基本一致，3 種AMF 均與CK有顯著差異（P＜0.05），但不同AMF 間差異不顯著（P＞0.05），其中GM 表現(xiàn)最好，與CK 相比，對星星草地下生物量的增幅達44.77%。雖然GE表現(xiàn)較弱，但與CK 相比，還是提高了星星草地下生物量，增幅達27.43%。與CK 相比，3 種AMF 都顯著提高了星星草的總生物量，其中菌劑GM,GC 表現(xiàn)最佳，但二者之間無顯著差異（P＞0.05）。盡管GE 處理表現(xiàn)較弱，仍比CK 增加38.09%。AMF 對星星草生物量的影響結(jié)果表明了菌根效應的存在。

表2 AMF對星星草地上生物量、地下生物量、總生物量、菌根依賴性的影響

2.3 不同AMF對星星草的作用分析

將菌劑的侵染率、菌根效應、地上和地下生物量、總生物量、株高及地上部分N,P,K 含量9個指標作為自變量，進行主成分分析和綜合分析，結(jié)果見表3，其中第1 個因子貢獻率為95.392%，遠高于其他8 個因子。結(jié)果表明，GM 得分最高，對星星草促生作用最好；除CK 外，GE 得分最低，作用表現(xiàn)較弱。

表3 星星草主成分得分及綜合得分

2.4 不同AMF對土壤質(zhì)量的影響

不同AMF 對土壤質(zhì)量的影響如表4 所示?？梢钥闯?，與CK 相比，不同AMF 均提高了土壤含水量和土壤N,P,K 含量，但GM 對土壤K 含量增加不顯著，其余差異顯著（P＜0.05）。可見，AMF 不僅促進了星星草的生長，而且有效地改良了土壤質(zhì)量。

表4 不同AMF對土壤質(zhì)量的影響

2.5 不同AMF對星星草生長的野外實驗觀測

在野外實驗中，不同AMF對星星草株高和覆蓋度的影響如表5 所示。可以看出，接種不同AMF 的星星草株高平均值均高于CK（P＞0.05），平均增幅為9.5%～24.8%。其中GC促進效果最好，GE 次之，GM 最差。同時，不同菌劑也顯著提高了星星草的覆蓋度（P＜0.05），增幅達75%～266.5%，其中GC 作用下的覆蓋度最高，顯著高于GM 和GE（P＜0.05），但GM 和GE 二者之間差異不顯著（P＞0.05）。

表5 不同AMF對星星草株高和覆蓋度的影響

3 AMF對星星草的促生作用分析

3.1 AMF對星星草的菌根侵染率分析

菌根侵染率是表征AMF和植物共生體系的關鍵指標之一，也是菌根對植物抗逆性影響的先決條件[5,24]。一般認為菌根侵染率越高，菌根化程度越高，對促進植物生長、提升抗逆境能力效果也越明顯。植物與AMF之間的互惠互利關系是自然界最為廣泛的共生形式，但不同植物對AMF的依賴性差異明顯[9]。本研究發(fā)現(xiàn)，星星草接種AMF之后，侵染率達到34.25%～41.5%，一方面表明星星草可與GM,GC,GE形成良好的共生關系，另一方面也說明星星草對不同的AMF 響應不同。Liu等[25]研究表明，GM,GE 對星星草侵染率為9.7%～60.8%，而且隨著鹽堿脅迫增大，菌根侵染率顯著降低；張良等[26]研究表明，隨鹽堿脅迫濃度的升高，GM 對星星草的侵染率顯著下降，而根內(nèi)球囊霉（Glomus Intraradices）對星星草的侵染率先升高后降低。因此，今后在AFM 對路域植被恢復作用的研究中不僅要考慮菌根真菌的種類，還需關注脅迫條件的影響。

3.2 AMF對星星草的作用及應用分析

叢枝菌根真菌既可以通過根外菌絲從外界環(huán)境中攝取水分和養(yǎng)分，直接促進植物生長，也可以通過增強植株抗性[27-28]和重金屬污染[29]等逆境脅迫能力，從而間接促進植物生長。近年來，國內(nèi)外學者就不同AMF菌劑對牧草、蔬菜等植物的作用進行了大量研究，研究結(jié)果均表明接種AMF后，不僅提高了植物N,P 等養(yǎng)分的吸收，而且促進了植物生長，對農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重要作用[8,11,12,30]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同AMF均顯著促進了星星草地上部分對N,P,K 的吸收，增加了星星草的株高和生物量，且提高了土壤水分和養(yǎng)分含量，達到了改善土壤質(zhì)量的目的。野外實驗更是表明，AMF 不僅促進了星星草的生長，植被覆蓋度也顯著增加。因此，本研究為叢枝菌根真菌在青藏高原路域植被恢復中的應用提供了直接證據(jù)，也表明菌根真菌具有較大的應用潛力。但是，野外實驗尚未進行破壞性取樣，僅限觀測數(shù)據(jù)，缺乏實驗測試數(shù)據(jù)支撐。同時，相關用量、用法等應用技術和菌根真菌對星星草促生等作用機理還有待深入研究。此外，由于受菌根真菌基礎研究進展的限制，菌根應用還存在一定的技術瓶頸，如何提升菌劑的生產(chǎn)質(zhì)量和實現(xiàn)菌劑的產(chǎn)業(yè)化而加速大規(guī)模的應用也是亟待解決的問題[20]。

4 結(jié)語

本文針對3 種不同的AMF 對星星草生長的影響開展了室內(nèi)和野外實驗研究，結(jié)果表明AMF對星星草具有良好的侵染能力，并與其形成了共生關系，顯著提高了星星草的株高和生物量等指標，促進了星星草的生長。該研究結(jié)果為叢枝菌根真菌在青藏高原路域植被恢復中的應用提供了直接證據(jù)，為解決高寒高海拔地區(qū)困難立地條件下植被快速恢復的難題提供了路徑。然而受野外實驗結(jié)果的限制，叢植菌根真菌對星星草促生作用機理、應用技術還有待進一步探究。