于 浩,陳 展,尚 鶴,曹吉鑫

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091

野外模擬酸雨脅迫下接種外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗的緩解作用

于 浩,陳 展*,尚 鶴,曹吉鑫

中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與保護(hù)研究所,國(guó)家林業(yè)局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091

外生菌根真菌能夠提高宿主植物對(duì)外界環(huán)境脅迫的抵抗力。主要探討野外條件下外生菌根真菌對(duì)酸雨脅迫下馬尾松(Pinusmassoniana)幼苗生長(zhǎng)、養(yǎng)分元素以及表層土壤的影響,以期為酸雨嚴(yán)重區(qū)馬尾松林恢復(fù)提供科學(xué)依據(jù)。以2年生馬尾松幼苗為材料,采用原位試驗(yàn),共設(shè)置6個(gè)處理：pH5.6(對(duì)照)處理未接種、對(duì)照處理接種、pH4.5酸雨處理未接種、pH4.5酸雨處理接種、pH3.5酸雨處理未接種、pH3.5酸雨處理接種。研究表明：(1)酸雨處理與對(duì)照處理相比顯著降低了非菌根苗總生物量及各部位生物量(根、莖、葉),對(duì)株高無(wú)顯著影響,接種外生菌根真菌可以緩解酸雨對(duì)馬尾松幼苗生長(zhǎng)的不利影響；(2)與對(duì)照處理相比,酸雨處理的非菌根苗的針葉中N、P、Ca含量升高,Mg含量降低,根系中N、P、Ca含量降低,Mg含量隨pH的降低先升高后降低。接種外生菌根真菌顯著提高了pH3.5酸雨處理的馬尾松幼苗根系中N、P、Ca、Mg含量,而對(duì)針葉中N、P、Ca、Mg含量無(wú)顯著影響。(3)在非菌根土壤中,pH3.5酸雨處理與對(duì)照處理相比顯著降低了土壤中有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀、可溶性碳、可溶性氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量,而接種外生菌根真菌顯著提高了上述指標(biāo)。酸雨對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量無(wú)顯著影響。總而言之,接種外生菌根真菌促進(jìn)了酸雨處理的馬尾松幼苗生長(zhǎng)、緩解了酸雨對(duì)馬尾松幼苗養(yǎng)分元素和表層土壤的不利影響,由此可見(jiàn)接種外生菌根真菌是減輕酸雨對(duì)馬尾松危害的一個(gè)重要途徑。

外生菌根真菌；酸雨；馬尾松幼苗；生長(zhǎng)；養(yǎng)分元素

Abstract： Many tree species in forest ecosystems have symbiotic relationships with ectomycorrhizal fungi (ECM), which protects their hosts from environmental stress. Effects of ECM on growth, elemental nutrients, and rhizosphere soil ofPinusmassonianaseedlings under simulated acid rain were analyzed in this study to provide a scientific basis for restoration ofP.massonianain an area with severe acid rain in China. Two-year-old seedlings ofP.massonianawere grown in forest soil from one of six treatments, including pH 5.6 (CK) inoculated with ECM, CK without ECM, pH 4.5 inoculated with ECM, pH 4.5 without ECM, pH 3.5 inoculated with ECM, and pH 3.5 without ECM. The results showed that: (1) For theP.massonianaseedlings grown in soil not inoculated with ECM, the acid rain treatments significantly reduced leaf area, total biomass, and biomass of roots, stems, and needles, whereas plant height did not differ from that of plants grown in CK. Inoculation with ECM removed the negative effects of acid rain on growth. (2) For theP.massonianaseedlings grown in soil without ECM, the N, P, and Ca content was higher in needles and decreased in roots in the acid rain treatments than those of plants grown in CK. The content of Mg decreased in needles in acid rain treatments, whereas it increased at first and then decreased in roots with a decrease in pH with respect to that of plants grown in CK. Inoculation with ECM significantly increased N, P, Ca, and Mg content of roots; however, there was no effect on N, P, Ca, and Mg content of the needles in the pH 3.5 treatment. (3) For plants grown in soil without ECM, pH 3.5 treatment decreased the content of soil organic matter, available P, available K, soluble carbon, soluble nitrogen, nitrate nitrogen, and ammonium nitrogen, but inoculation with ECM improved soil quality. Acid rain treatments did not significantly affect the cation exchange capacity. These results indicated that inoculation with ECM could stimulate growth ofP.massonianaseedlings and effectively alleviate adverse effects on nutrients and rhizosphere soil ofP.massonianaseedlings caused by acid rain. Therefore, inoculation with ECM could be an effective way to decrease the hazard of acid rain toPinusmassoniana.

KeyWords: ectomycorrhizal fungi; acid rain;Pinusmassonianaseedlings; growth; nutrient elements

酸雨指pH低于5.6的大氣降水,是全球重要的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題之一。其形成機(jī)理是化石燃料低效率地大量燃燒導(dǎo)致了酸雨的形成[1]。隨著人口增加和工業(yè)化迅速發(fā)展,我國(guó)的酸雨污染范圍及程度不斷增加,已成為繼歐洲、北美之后世界第三大酸雨區(qū)[2]。目前我國(guó)酸雨區(qū)主要分布在東北地區(qū)東南部、華北大部、西南和華南沿海地區(qū)及新疆北部地區(qū),其中長(zhǎng)江以南地區(qū)是全球強(qiáng)酸雨中心[3]。2014年,我國(guó)監(jiān)測(cè)降水的城市(區(qū)、縣)中,降水pH年均值低于5.6(酸雨)、低于5.0(較重酸雨)和低于4.5(重酸雨)的城市比例分別為29.8%、14.9%和1.9%[4]。

酸雨沉降到植物表面會(huì)直接傷害葉片,降低葉片的光合作用和葉綠素含量,并引起葉片褪綠和壞死[5]。酸雨沉降到地面后,會(huì)導(dǎo)致地表水和土壤酸化,從而加重土壤養(yǎng)分的流失以及增加有毒重金屬的活性,如Al,而土壤中過(guò)量的Al會(huì)降低根毛對(duì)水分和養(yǎng)分的吸收能力[6],從而間接抑制了植物的正常生長(zhǎng)[7],進(jìn)一步改變了植物的種群結(jié)構(gòu),最終對(duì)群落功能產(chǎn)生影響[8]。間接影響是酸雨影響植物最主要的途徑。降水酸度的增加會(huì)影響植物的生理活動(dòng)[9],降低農(nóng)作物的產(chǎn)量和質(zhì)量[10],抑制豆科植物的根瘤菌結(jié)瘤和固氮能力[11]。在模擬酸雨的實(shí)驗(yàn)中,馬尾松(Pinusmassoniana)幼苗的生物量、株高、葉面積受到一定的抑制[12],木瓜(Caricapapaya)和蓖麻(Ricinuscommunis)幼苗在pH5.5、5.0、4.5處理下生物量顯著降低[13]。研究表明,酸雨會(huì)促進(jìn)植物組織中養(yǎng)分元素的流失,由此導(dǎo)致植物發(fā)育不良,增加植物對(duì)其他環(huán)境脅迫的敏感性[14- 16]。

外生菌根在森林生態(tài)系統(tǒng)中具有重要的作用,可改善根際環(huán)境,促進(jìn)養(yǎng)分吸收,利于植物生長(zhǎng),增加植物對(duì)環(huán)境脅迫的耐性,如提高植物的耐旱性、抗病性以及緩解重金屬毒害的能力。馮宗煒認(rèn)為,在酸雨危害嚴(yán)重的地區(qū),人工接種優(yōu)良的外生菌根真菌是保證森林正常生長(zhǎng)和植樹(shù)造林最有效的對(duì)策[17]。外生菌根可以提高造林時(shí)苗木的成活率[18-19]。張英偉等研究表明接種外生菌根真菌促進(jìn)了植物分泌耐熱蛋白,加強(qiáng)了根系對(duì)重金屬的固持能力,從而減少了過(guò)量重金屬的生物有效性[20]。樟子松(Pinussylvestris)在干旱脅迫下接種菌種厚環(huán)乳牛肝菌(Suillusgrevillei)和點(diǎn)柄乳牛肝菌(Suillusgranulatus)后,苗木生長(zhǎng)量以及各項(xiàng)生理指標(biāo)均顯著優(yōu)于未接種的苗木[21]。播種時(shí)接種外生菌根真菌可以提高松樹(shù)種子的出苗率并縮短出苗周期,后期還可以提高松樹(shù)苗的苗高、地徑、側(cè)根數(shù)和干重[22]。

馬尾松是我國(guó)西南地區(qū)的主要樹(shù)種之一,具有分布廣、生長(zhǎng)快、用途多、適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn),在林業(yè)建設(shè)中具有重要地位。馬尾松對(duì)酸雨比較敏感[23],其主要分布區(qū)域酸雨危害較嚴(yán)重。在重慶南海岸地區(qū),受酸雨影響的馬尾松針葉林面積達(dá)2320 hm2,其造成馬尾松年材積損失約為3370.206 m3/a,直接經(jīng)濟(jì)損失為303.32萬(wàn)元/a[23]。馬尾松是一種外生菌根樹(shù)種,對(duì)外生菌根的依賴(lài)性很強(qiáng)。研究表明,在室內(nèi)盆栽試驗(yàn)中,接種外生菌根真菌能有效緩解模擬酸雨對(duì)馬尾松幼苗的影響,接種外生菌根真菌能提高酸雨脅迫下馬尾松生物量[24]、提高土壤pH值、增加土壤養(yǎng)分、降低根系A(chǔ)l含量[25]、提高土壤微生物活性和多樣性[26- 27]。外生菌根目前主要用于溫室育苗以及小苗移植時(shí)接種菌根真菌,菌根苗確實(shí)能提高植株的耐酸鋁能力[28- 29]。而關(guān)于野外接種外生菌根真菌是否能提高馬尾松對(duì)酸雨的抵抗能力的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。正如上文所述,酸雨的危害包括對(duì)植物的直接損傷,以及通過(guò)改變土壤理化和生物性質(zhì)的間接影響,而間接影響是酸雨影響植物最主要的方面。在間接影響方面,酸雨通過(guò)改變土壤性質(zhì)間接影響了植物對(duì)土壤中營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收利用,而這必然對(duì)植物的生長(zhǎng)產(chǎn)生影響。因此,本研究擬通過(guò)野外原位種植馬尾松幼苗,研究接種外生菌根真菌對(duì)模擬酸雨脅迫下馬尾松幼苗生長(zhǎng)、養(yǎng)分元素以及表層土壤基本性質(zhì)的影響,考察野外應(yīng)用外生菌根真菌提高馬尾松幼苗抵抗酸雨的可行性,以期為酸雨嚴(yán)重區(qū)馬尾松的生長(zhǎng)提供科學(xué)依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究采用原位試驗(yàn)的方法,研究接種外生菌根真菌對(duì)模擬酸雨脅迫下馬尾松幼苗生長(zhǎng)、養(yǎng)分元素以及表層土壤基本性質(zhì)的影響。原位試驗(yàn)在湖南省長(zhǎng)沙縣完成,設(shè)置了3 種不同 pH的模擬酸雨強(qiáng)度,分別為pH5.6(對(duì)照)、pH4.5和pH3.5,每個(gè)酸雨處理下設(shè)有接種外生菌根真菌處理和未接種外生菌根真菌處理,共計(jì) 6 個(gè)試驗(yàn)處理。每個(gè)處理設(shè)置3塊樣地(3m*2m/樣地),每塊樣地栽種6×5=30株馬尾松幼苗(行距約0.5m,列距約0.6m),共有6個(gè)處理×3個(gè)樣地(重復(fù))×30株=540株幼苗。南方酸雨的類(lèi)型為硫酸型酸雨,采用當(dāng)?shù)氐叵滤鸩较♂屌渲颇M酸雨,用分析純濃H2SO4和濃 HNO3配制成摩爾比為4∶1的酸雨母液。然后將適量母液用地下水稀釋至 pH 值分別為3. 5、4. 5和5. 6預(yù)定水平的酸雨供試液。

試驗(yàn)前土壤pH值為6.16,有機(jī)質(zhì)20.28 g/kg,總氮0.13%,速效磷28.59 mg/kg,速效鉀31.5 mg/kg,全磷0.53 g/kg,全鉀33.9 g/kg。試驗(yàn)采用的外生菌根真菌種為中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)研究所提供的彩色豆馬勃(Pisolithustinctorius)固體菌劑,該菌劑原種彩色豆馬勃菌株分離自四川馬尾松林下。移栽馬尾松幼苗時(shí)每株樹(shù)苗接種50mL固體菌劑。同時(shí)將一部分固體菌劑在121℃下高壓滅菌,以殺死其中的外生菌根真菌,而保留固體菌劑中其他固有成分,移栽幼苗時(shí)同樣接種50mL已滅菌的固體菌劑。2年生的馬尾松幼苗由井岡山市三益森林苗圃有限公司提供,馬尾松樹(shù)苗于2015年3月移栽于樣地中,并分別接種彩色豆馬勃固體菌劑和滅菌后的菌劑。2015年4月開(kāi)始每周?chē)娏芤淮文M酸雨。試驗(yàn)于2015年11月中旬結(jié)束。每次噴淋時(shí)用20L的噴霧器對(duì)葉片進(jìn)行噴淋,每個(gè)處理的3塊樣地(90株幼苗)噴淋一噴壺配置好的酸雨溶液 。

1.2 采樣及分析

試驗(yàn)結(jié)束后,每個(gè)樣地隨機(jī)取3株植物進(jìn)行采樣,為了避免采樣過(guò)程中根系的損失,以莖底端(接觸地面)為中心,挖取長(zhǎng)、寬約0.3m,深0.5m的土塊,將植物移出土壤。分析馬尾松幼苗生長(zhǎng)、養(yǎng)分元素。在每塊樣地上用內(nèi)徑為34mm的土鉆取表層20cm土壤,每塊樣地取三鉆土壤混合均勻,用于土壤基本性質(zhì)的測(cè)定。

葉面積測(cè)定采用排水法測(cè)定,計(jì)算公式[30]：

式中,A為葉面積；V為針葉體積(排水法測(cè)定)；n為每束針葉數(shù)；L為針葉長(zhǎng)度

株高測(cè)定：測(cè)量植物根頸部到頂部之間的距離。

生物量測(cè)定：植物收獲后,用自來(lái)水把根系沖洗干凈,并用去離子水沖洗幾遍,用濾紙吸干水分,植物樣品按葉、莖、根分開(kāi)收集,75℃烘干至恒質(zhì)量,測(cè)定植物各部分干重。

植物養(yǎng)分元素測(cè)定：植物N含量采用凱氏定氮法分析,植物P、K、Al、Ca、Mg含量采用等離子發(fā)射光譜法測(cè)定。

土壤交換性陽(yáng)離子：采用等離子發(fā)射光譜法測(cè)定。

土壤養(yǎng)分的測(cè)定：有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測(cè)定；土壤可溶性氮采用堿解-擴(kuò)散法測(cè)定；土壤有效磷和速效鉀采用等離子發(fā)射光譜法測(cè)定；土壤銨態(tài)氮采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定；土壤硝態(tài)氮采用鍍銅鎘還原-重氮化耦合比色法測(cè)定；土壤可溶性碳采用TOC儀進(jìn)行測(cè)定。

1.3 統(tǒng)計(jì)分析

利用SPSS PASW Statistics 18對(duì)葉面積、株高、生物量、土壤養(yǎng)分和植物養(yǎng)分進(jìn)行雙因素分析,考察外生菌根真菌、酸雨處理對(duì)馬尾松幼苗的影響。同時(shí)對(duì)不同處理進(jìn)行ANOVA 分析,進(jìn)一步分析外生菌根真菌和酸雨對(duì)馬尾松生長(zhǎng)的影響。

2 結(jié)果與分析

2.1 生長(zhǎng)

與對(duì)照相比,pH3.5和pH4.5酸雨處理顯著降低了非菌根苗的葉面積,接種外生菌根真菌增加了葉面積。酸雨和外生菌根真菌分別對(duì)馬尾松幼苗葉面積有顯著影響,且二者之間存在顯著的交互作用。各個(gè)處理對(duì)馬尾松幼苗株高均無(wú)顯著影響。與對(duì)照相比,pH3.5和pH4.5 酸雨處理顯著降低了非菌根苗的總生物量及各部位生物量(根、莖、葉)。接種外生菌根真菌顯著提高了pH4.5酸雨處理的馬尾松幼苗根、葉干重,pH3.5酸雨處理的葉干重。酸雨對(duì)馬尾松幼苗各部位生物量均有顯著影響(除根外),外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗各部位生物量的影響均不顯著,這二者之間的交互作用均顯著(除莖外)。與對(duì)照相比,pH3.5酸雨處理顯著提高了非菌根苗的根冠比。

表1 不同 pH 值酸雨處理下接種外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗生長(zhǎng)的影響

同列數(shù)值后不同字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0. 05),***在0.001水平下差異顯著；**在0.01水平下差異顯著；*在0.05水平下差異顯著；ns:無(wú)顯著性差

2.2 針葉元素

與對(duì)照相比,pH4.5酸雨處理顯著提高了非菌根苗針葉中N、P、Ca含量,顯著降低了Mg含量,pH3.5酸雨處理顯著提高了非菌根苗針葉中P、Ca含量。接種外生菌根真菌顯著降低了pH4.5酸雨處理的馬尾松幼苗針葉中N、P含量,而對(duì)pH3.5酸雨處理的馬尾松幼苗針葉中N、P、K、Ca、Mg含量無(wú)顯著影響。雙因子方差分析結(jié)果表明,酸雨處理對(duì)馬尾松幼苗針葉中N、P、Ca含量有顯著影響,外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗針葉中N、P、K、Ca、Mg含量均無(wú)顯著影響,酸雨處理和外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗針葉中N、P含量有顯著的交互作用,說(shuō)明外生菌根真菌的存在改變了酸雨處理對(duì)馬尾松幼苗針葉中N、P含量的影響。

圖1 不同 pH 值酸雨處理下接種外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗針葉元素的影響Fig.1 Effect of acid rain and ectomycorrhizae fungi on needle nutrient圖中不同字母表示差異達(dá)顯著水平(P<0. 05)，***在0.001水平下差異顯著；**在0.01水平下差異顯著；*在0.05水平下差異顯著；ns:無(wú)顯著性差異

2.3 根系元素

pH3.5酸雨處理的非菌根苗根系中N含量最低,而接種外生菌根真菌顯著升高了根系中N含量。與對(duì)照相比,pH4.5酸雨處理顯著降低了非菌根苗根系中P含量,而接種外生菌根真菌顯著提高了根系中P含量。馬尾松幼苗根系中K含量在不同處理間無(wú)顯著變化。與對(duì)照相比,pH3.5和pH4.5酸雨處理顯著降低了非菌根苗根系中Ca含量,而接種外生菌根真菌顯著提高了根系中Ca含量。雙因子方差分析結(jié)果表明,酸雨處理對(duì)馬尾松幼苗根系中P、Ca含量有顯著影響,外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗根系中各元素含量無(wú)顯著影響(P除外),酸雨處理和外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗根系中N、P、Ca含量有顯著的交互作用,說(shuō)明外生菌根真菌的存在改變了酸雨處理對(duì)馬尾松幼苗根系中N、P、Ca含量的影響。

表2 不同 pH 值酸雨處理下接種外生菌根真菌對(duì)土壤養(yǎng)分的影響

圖2 不同pH值酸雨處理下接種外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗根系元素的影響Fig.2 Effect of acid rain and ectomycorrhizae fungi on root nutrient

2.4 土壤養(yǎng)分

與對(duì)照相比,在非菌根土壤中,pH4.5酸雨處理顯著降低了速效磷含量,顯著升高了可溶性氮和硝態(tài)氮含量,pH3.5酸雨處理顯著降低了所有測(cè)定的養(yǎng)分含量。接種外生菌根真菌顯著提高了pH3.5酸雨處理的土壤中所有測(cè)定的養(yǎng)分含量(速效磷除外),但卻顯著降低了pH4.5酸雨處理的土壤中上述養(yǎng)分含量。除酸雨處理對(duì)土壤速效鉀和可溶性碳無(wú)顯著影響外,酸雨、外生菌根真菌均對(duì)上述指標(biāo)影響顯著,且酸雨和外生菌根真菌的交互作用對(duì)上述指標(biāo)均有顯著影響。

表3 不同pH值酸雨處理下接種外生菌根真菌對(duì)土壤陽(yáng)離子的影響/(cmol/kg)

2.5 土壤交換性陽(yáng)離子

根據(jù)雙因子方差分析結(jié)果可知酸雨和外生菌根真菌對(duì)土壤陽(yáng)離子交換量(CEC)均無(wú)顯著影響,且二者之間的交互作用不顯著。與對(duì)照相比,在非菌根土壤中,pH4.5酸雨處理顯著提高了Na+、Ca2+含量,pH3.5酸雨處理顯著提高了Na+、Mg2+含量。接種外生菌根真菌顯著提高了CK處理的土壤中Na+、Mg2+含量,顯著降低了K+含量；顯著提高了pH4.5酸雨處理的土壤中Mg2+含量,顯著降低了Ca2+、K+含量；顯著提高了pH3.5酸雨處理的土壤中Na+、K+含量,顯著降低了Mg2+含量。雙因子方差分析結(jié)果表明,酸雨處理對(duì)土壤中Na+、Mg2+含量有顯著影響,外生菌根真菌對(duì)土壤中Ca2+、K+、Na+、Mg2+有顯著影響,且酸雨和外生菌根真菌對(duì)以上四種陽(yáng)離子存在顯著的交互作用。

3 討論

葉面積是研究植物方面的一個(gè)重要指標(biāo),通常認(rèn)為葉面積越大,越有利于植物進(jìn)行光合作用,本研究中非菌根苗的葉面積隨酸雨處理的pH降低而逐漸減小。齊澤民等研究也表明了pH3.5—2.5酸雨處理減小了杜仲(Eucommiaulmoides)幼苗葉面積[31]。葉面積的減小會(huì)降低植株的光合作用,從而影響生物量的積累。在本研究中,接種外生菌根真菌可有效緩解酸雨對(duì)馬尾松幼苗葉面積的不利影響。酸雨對(duì)植物的影響最終將反映到生長(zhǎng)上,植物生物量是植物生長(zhǎng)的重要指標(biāo)。黃益宗等研究表明,pH5、pH4、pH3酸雨處理4個(gè)月后導(dǎo)致尾葉桉(Eucalyptusurophylla)幼苗生物量分別降低10.79%、19.21%和27.25%,馬尾松幼苗生物量分別降低12.78%、22.98%和28.70%[12]。接種雙色蠟?zāi)?Laccariabicolor)可有效緩解鋁對(duì)馬尾松幼苗生物量的負(fù)作用,使生物量提高50%以上[32]。而本研究結(jié)果也表明了外生菌根真菌可以在一定程度上緩解酸雨對(duì)馬尾松幼苗生物量的不利影響。黃益宗等在野外試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),酸雨污染區(qū)域的馬尾松和尾葉桉根系生物量占總生物量的比例要高于清潔區(qū)[33]。這與本研究中pH3.5酸雨處理的馬尾松幼苗根冠比變化趨勢(shì)相同。造成這種現(xiàn)象的原因一方面可能是由于酸雨對(duì)地上部分的影響大于根系,另一方面可能是由于為了獲取更多的養(yǎng)分,土壤酸化貧瘠刺激了根系的生長(zhǎng),從而抵消了部分負(fù)效應(yīng)。

酸雨會(huì)影響植物對(duì)養(yǎng)分元素的吸收利用,且對(duì)植物不同組織的養(yǎng)分元素影響不同。N、P是植物體中眾多重要化合物的組成成分,在植物的生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮著重要的作用。本研究中,pH3.5和pH4.5 酸雨處理均提高了非菌根苗針葉中的N、P含量。出現(xiàn)該結(jié)果的原因一方面可能是由于含有硝酸成分的酸雨對(duì)苗木產(chǎn)生了“N肥效應(yīng)”,另一方面可能是由于植物為了抵御酸雨的傷害,根系會(huì)分泌較多的有機(jī)酸,而有機(jī)酸促進(jìn)了土壤中難溶養(yǎng)分的溶解,從而有利于植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收利用[25]。黃智勇的研究也發(fā)現(xiàn)了相似的結(jié)果[34]。K,Ca,Mg是土壤和植物中重要的養(yǎng)分元素。研究結(jié)果表明,在非菌根苗針葉中,pH4.5和pH3.5酸雨處理的Ca含量顯著升高,pH4.5酸雨處理的Mg含量顯著降低；在非菌根苗根系中,pH4.5酸雨處理顯著降低了Ca含量,提高了Mg含量,pH3.5酸雨處理顯著降低了Ca、Mg含量。田大倫等對(duì)樟樹(shù)(Cinnamomumcamphora)幼苗的研究表明,酸雨處理提高了葉片中N、P、Ca、Mg含量,降低了葉片中K含量[35]。黃益宗等對(duì)尾葉桉幼苗的研究表明,酸雨處理提高了根、莖、葉中P、Ca含量,降低了葉中Mg含量,對(duì)N、K含量影響不顯著[12]。造成酸雨對(duì)植物不同組織中養(yǎng)分元素的不同影響的原因可能是酸雨改變了土壤中的礦質(zhì)元素,進(jìn)而影響了植物的養(yǎng)分元素代謝。

接種外生菌根真菌有利于根系對(duì)養(yǎng)分元素的吸收,可顯著提高植物體內(nèi)養(yǎng)分元素的含量[36]。王藝等對(duì)馬尾松幼苗的研究表明,接種外生菌根真菌可提高植株對(duì)K、P的吸收能力,而對(duì)N的吸收能力無(wú)顯著影響[37]。外生菌根真菌也可以提高馬尾松幼苗對(duì)干旱脅迫的抵抗力,促進(jìn)植株對(duì)N、P、K的吸收[38]。在辜夕容的研究中,接種外生菌根真菌可降低植物根際土壤中活性鋁的含量,且改善鋁脅迫下苗木的生長(zhǎng)。原因可能是外生菌根真菌的分泌物與鋁形成穩(wěn)定的結(jié)構(gòu),從而降鋁的活性[39]。pH3.5酸雨處理下,接種外生菌根真菌顯著提高了馬尾松幼苗根系中N、P、Ca、Mg含量,而對(duì)馬尾松幼苗針葉中上述元素含量無(wú)顯著影響。陳展等對(duì)馬尾松幼苗的盆栽試驗(yàn)中與本研究相同的是接種外生菌根真菌同樣提高了馬尾松根系中 N,P,K,Mg 的含量[25]?？傊?外生菌根真菌可在宿主植物根系上形成復(fù)雜龐大的菌絲群,這樣可促進(jìn)植株對(duì)土壤中礦質(zhì)元素的吸收。

酸雨可造成土壤的pH值降低,導(dǎo)致?tīng)I(yíng)養(yǎng)陽(yáng)離子析出、營(yíng)養(yǎng)陰離子增加、養(yǎng)分物質(zhì)的含量發(fā)生變化,長(zhǎng)時(shí)間的酸雨淋洗會(huì)造成土壤的養(yǎng)分貧瘠[17, 40]。土壤中的N部分來(lái)源于固氮微生物的生物固氮作用,此類(lèi)微生物一般適合在中性環(huán)境中活動(dòng),在酸雨的影響下,固氮活性會(huì)降低,甚至停止[41]。而這可能是本研究中pH3.5酸雨處理的非菌根土壤中可溶性氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量降低的原因。接種外生菌根真菌可顯著提高pH3.5酸雨處理的土壤中氮含量,原因可能是外生菌根真菌在一定程度上緩解了酸雨對(duì)土壤pH的不利影響。辜夕容的研究也發(fā)現(xiàn)接種外生菌根真菌顯著提高了馬尾松根際土壤的有效氮含量[39]。pH3.5酸雨處理顯著降低了非菌根土壤中有機(jī)質(zhì)和可溶性碳的含量。其原因可能是酸雨活化了土壤中的有毒金屬(鋁、錳、鐵等)[42],這些有毒金屬對(duì)土壤中的微生物產(chǎn)生了抑制作用[43],進(jìn)而降低了可溶性碳和有機(jī)質(zhì)的積累。而菌根菌絲體分泌的有機(jī)酸可與土壤中的有毒金屬產(chǎn)生絡(luò)合作用,從而達(dá)到緩解或者降低金屬毒性的作用[44]。

酸雨淋溶下,土壤通過(guò)釋放鹽基離子以中和土壤溶液中的酸度,但隨著酸雨淋溶的持續(xù),土壤中陽(yáng)離子交換量和鹽基飽和度會(huì)降低,造成鹽基離子K+、Na+、Ca2+、Mg2+等淋失[45-46]。張俊平采用室內(nèi)淋溶的方法研究了模擬酸雨對(duì)果園土壤可交換性K+、Na+、Ca2+、Mg2+的影響,發(fā)現(xiàn)上述離子隨著酸雨淋溶液pH的降低而降低[47]。在本研究中,pH3.5酸雨處理降低了非菌根土壤中Ca2+、K+的含量,但不顯著,接種外生菌根真菌緩解了這種不利影響,主要表現(xiàn)為接種外生菌根真菌提高了pH3.5酸雨處理的Ca2+、K+的含量。陳展等對(duì)馬尾松幼苗的盆栽試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn),接種外生菌根真菌明顯提高了酸雨處理的土壤中交換性陽(yáng)離子的含量,如 Ca2+、K+、Mg2+[25]。研究結(jié)果顯示,在非菌根土壤中,pH3.5酸雨處理提高了Na+、Mg2+的含量,pH4.5酸雨處理提高了Na+、Ca2+的含量。造成這種結(jié)果的原因,一方面可能是由于土壤膠體對(duì)這部分鹽基離子的吸附,另一方面可能是由于土壤中某些礦物經(jīng)酸雨淋溶后發(fā)生了一定程度的風(fēng)化,導(dǎo)致相應(yīng)的鹽基離子釋放,其中一部分隨淋溶液流失,而另一部分被土壤膠體吸附,使得部分土壤鹽基離子含量在短期內(nèi)相對(duì)增加,用以維持土壤的緩沖能力。

本研究中,pH3.5(強(qiáng)酸雨)處理對(duì)土壤養(yǎng)分產(chǎn)生了不利影響,具體表現(xiàn)為土壤中有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀、可溶性碳、可溶性氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮的含量降低。酸雨的直接淋洗和對(duì)土壤理化性質(zhì)的改變分別是酸雨對(duì)植物的直接影響和間接影響。在這兩種因素的共同作用下,馬尾松各部分養(yǎng)分元素的正常代謝受到了擾亂,最終影響到植株的生長(zhǎng)。酸雨脅迫下,接種外生菌根真菌可有效改善土壤養(yǎng)分,提高馬尾松根系中養(yǎng)分元素的含量,進(jìn)而促進(jìn)了馬尾松幼苗的生長(zhǎng)。因此,在酸雨危害嚴(yán)重的區(qū)域,接種外生菌根真菌可作為改善馬尾松生長(zhǎng)的一個(gè)有效的途徑。

4 結(jié)論

(1)強(qiáng)酸雨處理降低了土壤中有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效鉀、可溶性碳、可溶性氮、銨態(tài)氮、硝態(tài)氮含量,接種外生菌根真菌可明顯改善強(qiáng)酸雨處理的土壤指標(biāo)；

(2)酸雨處理抑制了馬尾松幼苗的生長(zhǎng),具體表現(xiàn)為葉面積的減小和生物量的降低,接種外生菌根真菌可有效緩解酸雨處理對(duì)馬尾松幼苗生長(zhǎng)的不利影響；

(3)接種外生菌根真菌提高了強(qiáng)酸雨處理的馬尾松幼苗根系中N、P、Ca、Mg含量,而對(duì)馬尾松幼苗針葉中N、P、Ca、Mg含量無(wú)影響；

(4)接種外生菌根真菌在一定程度上可以緩解酸雨脅迫對(duì)馬尾松幼苗生長(zhǎng)、養(yǎng)分元素以及土壤的不利影響。

[1] 齊峰, 李燁, 楊衛(wèi)芳. 北方城市酸雨形成過(guò)程的影響因素及防治對(duì)策分析. 環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展, 2011, 36(5): 42- 45.

[2] Tomlinson G H. Acidic deposition, nutrient leaching and forest growth. Biogeochemistry, 2003, 65(1): 51- 81.

[3] 張新民, 柴發(fā)合, 王淑蘭, 孫新章, 韓梅. 中國(guó)酸雨研究現(xiàn)狀. 環(huán)境科學(xué)研究, 2010, 23(5): 527- 532.

[4] 環(huán)境保護(hù)部. 1995—2014年中國(guó)環(huán)境公報(bào). 北京: 環(huán)境保護(hù)部, 1996-2015.

[5] Sant′anna-Santos B F, Da Silva L C, Azevedo A A, De Araújo J M, Alves E F, Da Silva E M, Aguiar R. Effects of simulated acid rain on the foliar micromorphology and anatomy of tree tropical species. Environmental and Experimental Botany, 2006, 58(1/3): 158- 168.

[6] Balasubramanian G, Udayasoorian C, Prabu P. Effects of short-term exposure of simulated acid rain on the growth of Acacia nilotica. Journal of Tropical Forest Science, 2007, 19(4): 198-206.

[7] Singh A, Agrawal M. Acid rain and its ecological consequences. Journal of Environmental Biology, 2007, 29(1): 15- 24.

[8] Wang X Q, Liu Z, Niu L, Fu B. Long-term effects of simulated acid rain stress on a staple forest plant,PinusmassonianaLamb: a proteomic analysis. Trees, 2013, 27(1): 297- 309.

[9] Yao F F, Ding H M, Feng L L, Chen J J, Yang S Y, Wang X H. Photosynthetic and growth responses of Schima superba seedlings to sulfuric and nitric acid depositions. Environmental Science and Pollution Research, 2016, 23(9): 8644- 8658.

[10] Odiyi B O, Bamidele J J F. Effects of simulated acid rain on growth and yield of cassava Manihot esculenta (Crantz). Journal of Agricultural Science, 2014, 6(1): 96- 101.

[11] Nasser L E A A. Effect of Ozone and simulated acid rain on growth, nitrogen fixation and peroxidase activity in faba bean (ViciafabaL.) plant. Asian Journal of Plant Sciences, 2002, 1(4): 456- 461.

[12] 黃益宗, 李志先, 黎向東, 吳坤婷, 孫建中. 模擬酸雨對(duì)華南典型樹(shù)種生長(zhǎng)及營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響. 生態(tài)環(huán)境, 2006, 15(2): 331- 336.

[13] Haruna M Y, Ahmad K A, Umar D Z. Effect of acid rain on growth of Papaya (Caricapapaya) and Castor (Ricinuscommunis) plants. Journal of Science & Technology, 2014, 1(9): 43- 48

[14] Jacobson J S, Heller L I, Yamada K E, Osmeloski J F, Bethard T, Lassoie J P. Foliar injury and growth response of red spruce to sulfate and nitrate acidic mist. Canadian Journal of Forest Research, 1990, 20(1): 58- 65.

[15] Sheppard L J, Cape J N, Leith I D. Influence of acidic mist on frost hardiness and nutrient concentrations in red spruce seedlings. New Phytologist, 1993, 124(4): 595- 605.

[16] Wen K J, Liang C J, Wang L H, Hu G, Zhou Q. Combined effects of lanthanumion and acid rain on growth, photosynthesis and chloroplast ultrastructure in soybean seedlings. Chemosphere, 2011, 84(5): 601- 608.

[17] 馮宗煒. 酸雨對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響: 西南地區(qū)酸雨研究. 北京: 中國(guó)科學(xué)技術(shù)出版社, 1993.

[18] Stamford N, Da Silva R A. Effect of lime and inoculation of Mimosa caesalpiniaefolia in acid soil of the forest zone and semiarid region of Pernambuco, Brazil. Pesquisa Agropecuária Brasileira, 2000, 35(5): 1037- 1045.

[19] Taniguchi T, Kataoka R, Futai K. Plant growth and nutrition in pine (Pinusthunbergii) seedlings and dehydrogenase and phosphatase activity of ectomycorrhizal root tips inoculated with seven individual ectomycorrhizal fungal species at high and low nitrogen conditions. Soil Biology and Biochemistry, 2008, 40(5): 1235- 1243.

[20] 張英偉, 柴立偉, 王東偉, 汪杰, 黃藝. Cu和Cd脅迫下接種外生菌根真菌對(duì)油松根際耐熱蛋白固持重金屬能力的影響. 環(huán)境科學(xué), 2014, 35(3): 1169- 1175.

[21] 宋瑞清, 鞠洪波, 祁金玉, 周博如. 外生菌根菌對(duì)樟子松苗木生長(zhǎng)的影響. 菌物研究, 2007, 5(3): 142- 145.

[22] 孫民琴, 吳小芹, 葉建仁. 外生菌根真菌對(duì)不同松樹(shù)出苗和生長(zhǎng)的影響. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2007, 31(5): 39- 43.

[23] 吳剛, 章景陽(yáng), 王星. 酸沉降對(duì)重慶南岸馬尾松針葉林年生物生產(chǎn)量的影響及其經(jīng)濟(jì)損失的估算. 環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 1994, 14(4): 461- 465.

[24] 陳展, 王琳, 尚鶴. 接種彩色豆馬勃對(duì)模擬酸沉降下馬尾松幼苗生物量的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2013, 33(20): 6526- 6533.

[25] 陳展, 尚鶴. 接種外生菌根菌對(duì)模擬酸雨脅迫下馬尾松營(yíng)養(yǎng)元素的影響. 林業(yè)科學(xué), 2014, 50(1): 156- 163.

[26] 王琳, 陳展, 尚鶴. 外生菌根真菌在酸雨脅迫下對(duì)馬尾松土壤微生物代謝功能的影響. 林業(yè)科學(xué), 2014, 50(7): 99- 104.

[27] Wang L, Chen Z, Shang H, Wang J, Zhang P Y. Impact of simulated acid rain on soil microbial community function in Masson pine seedlings. Electronic Journal of Biotechnology, 2014, 17(5): 199-203.

[28] Ahonen-Jonnarth U, van Hees P A W, Lundstr?m U S, Finlay R D. Organic acids produced by mycorrhizal Pinus sylvestris exposed to elevated aluminium and heavy metal concentrations. New Phytologist, 2000, 146(3): 557- 567.

[29] Brunner I. Ectomycorrhizas: Their role in forest ecosystems under the impact of acidifying pollutants. Perspectives in Plant Ecology, Evolution and Systematics, 2001, 4(1): 13- 27.

[30] 李家龍. 快速測(cè)算松樹(shù)葉面積的方法. 林業(yè)科技通訊, 1985，(10): 封三，9.

[31] 齊澤民, 鐘章成. 模擬酸雨對(duì)杜仲光合生理及生長(zhǎng)的影響. 西南師范大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2006, 31(2): 151- 156.

[32] 辜夕容, 梁國(guó)仕, 楊水平, 陳翠玲, 黃建國(guó). 接種雙色蠟?zāi)?duì)馬尾松幼苗生長(zhǎng)、 養(yǎng)分和抗鋁性的影響. 林業(yè)科學(xué), 2005, 41(4): 199-203.

[33] 黃益宗, 李志先, 黎向東, 陽(yáng)文苗, 梁肇永, 李華鳳, 劉定朗, 陸必升. 酸沉降和大氣污染對(duì)華南典型森林生態(tài)系統(tǒng)生物量的影響. 生態(tài)環(huán)境, 2007, 16(1): 60- 65.

[34] 黃智勇. 模擬酸雨對(duì)6種城市綠化植物幼苗葉礦質(zhì)元素含量的影響研究[D]. 長(zhǎng)沙: 中南林業(yè)科技大學(xué), 2007.

[35] 田大倫, 黃智勇, 付曉萍. 模擬酸雨對(duì)盆栽樟樹(shù)(Cinnamomumcamphora)幼苗葉礦質(zhì)元素含量的影響. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 27(3): 1099- 1105.

[36] 周志春, 陳連慶, 黃秀鳳. 馬褂木菌根真菌篩選和菌根化育苗效果研究. 林業(yè)科學(xué)研究, 2009, 22(2): 196- 199.

[37] 王藝, 丁貴杰. 外生菌根對(duì)馬尾松幼苗生長(zhǎng)、 生理特征和養(yǎng)分的影響. 南京林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2013, 37(2): 97- 102.

[38] 王藝, 丁貴杰. 水分脅迫下外生菌根對(duì)馬尾松幼苗養(yǎng)分吸收的影響. 林業(yè)科學(xué)研究, 2013, 26(2): 227- 233.

[39] 辜夕容. 外生菌根緩解鋁毒性研究[D]. 重慶: 西南農(nóng)業(yè)大學(xué), 2004.

[40] 王丹, 馬元丹, 郭慧媛, 高巖, 張汝民, 侯平. 模擬酸雨脅迫與柳杉凋落物對(duì)土壤養(yǎng)分及微生物的影響. 浙江農(nóng)林大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 32(2): 195-203.

[41] 廖紅, 嚴(yán)小龍. 高級(jí)植物營(yíng)養(yǎng)學(xué). 北京: 科學(xué)出版社, 2003.

[42] 林慧萍. 酸雨對(duì)陸生植物的影響機(jī)理. 福建林業(yè)科技, 2005, 32(1): 60- 64.

[43] 章明奎, 王麗平. 重金屬污染對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)積累的影響. 應(yīng)用生態(tài)學(xué)報(bào), 2007, 18(7): 1479- 1483.

[44] 張慰, 陳展, 鄧仕槐, 尚鶴. 外生菌根緩解植物酸雨脅迫的機(jī)理研究進(jìn)展. 生態(tài)學(xué)雜志, 2012, 31(1): 200-206.

[45] Walna B, Siepak J, Drzymala S. Soil degradation in the Wielkopolski National Park (Poland) as an effect of acid rain simulation. Water, Air, and Soil Pollution, 2001, 130(1/4): 1727- 1732.

[46] 高太忠, 戚鵬, 張揚(yáng), 李景印. 酸雨對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)元素遷移轉(zhuǎn)化的影響. 生態(tài)環(huán)境, 2004, 13(1): 23- 26.

[47] 張俊平, 張新明, 王長(zhǎng)委, 劉素萍, 劉彥紅. 模擬酸雨對(duì)果園土壤交換性陽(yáng)離子遷移及其對(duì)土壤酸化的影響. 水土保持學(xué)報(bào), 2007, 21(1): 14- 17.

EffectsofectomycorrhizalfungionseedlingsofPinusmassonianaundersimulatedacidrain

YU Hao, CHEN Zhan*, SHANG He, CAO Jixin

ResearchInstituteofForestEcology,EnvironmentandProtection,ChineseAcademyofForestry,KeyLaboratoryofForestEcologyandEnvironmentofStateForestryAdministration,Beijing100091,China

中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金 (CAFRIFEEP201402)

2016- 05- 23; < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版日期

日期:2017- 03- 25

*通訊作者Corresponding author.E-mail: chenzhan0508@126.com

10.5846/stxb201605230987

于浩,陳展,尚鶴,曹吉鑫.野外模擬酸雨脅迫下接種外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗的緩解作用.生態(tài)學(xué)報(bào),2017,37(16):5418- 5427.

Yu H, Chen Z, Shang H, Cao J X.Effects of ectomycorrhizal fungi on seedlings ofPinusmassonianaunder simulated acid rain.Acta Ecologica Sinica,2017,37(16):5418- 5427.