山寶琴，李杉，李珂，馬旭喆，鄧晨陽

延安大學(xué)石油工程與環(huán)境工程學(xué)院，延安 716000

0 前言

球囊霉素(Glomalin)是含金屬離子的多糖類碳水化合物，是目前發(fā)現(xiàn)的唯一一種由叢枝菌根(Arbuscular mycorrhizal AM)真菌分泌的糖蛋白[1]，在各種土壤生態(tài)系統(tǒng)中廣泛分布，并深達(dá)十幾米以下的土層[2]。球囊霉素由叢枝菌根真菌分泌進(jìn)入土壤后，是土壤有機(jī)碳庫的重要來源[3-4]，可以提高土壤團(tuán)聚體形成，改善土壤的透氣性和排水性能[5]，并增強(qiáng)宿主植物的抗侵蝕力，球囊霉素對(duì)維護(hù) AM真菌本身和宿主植物的生長極為重要。尤其在降水稀少、流沙肆虐和溫差顯著的沙漠環(huán)境，宿主植物與AM真菌的共生性有助于提高對(duì)不良環(huán)境的抵抗，是植物逆境調(diào)節(jié)的主要方法之一[6]。

由于在土壤肥力指示及土壤改良方面所具有的潛力，叢枝菌根真菌分泌的球囊霉素越來越受到生態(tài)學(xué)研究領(lǐng)域的關(guān)注。Wright等[3]和Rillin等[5]系統(tǒng)研究了若干生態(tài)系統(tǒng)中球囊霉素的含量范圍及其隨時(shí)間積累的變化規(guī)律，分析了球囊霉素對(duì)土壤養(yǎng)分循環(huán)和土壤結(jié)構(gòu)形成的貢獻(xiàn)。Roldan等[7]針對(duì)農(nóng)耕地的不同土層研究了球囊霉素含量的縱向分布趨勢，Curaqueo等[8]研究了人為耕作方式對(duì)球囊霉素含量的影響，闕弘等[9]則對(duì)不同土地利用方式中球囊霉素含量和剖面分布規(guī)律進(jìn)行了調(diào)查。土壤球囊霉素的含量受到氣候條件、土壤利用方式、CO2含量等多種因素的影響，尤其是不同土壤類型地表植被的差異，直接影響到叢枝菌根真菌種群特異性，從而導(dǎo)致其分解釋放球囊霉素的速度也不同。因此，沙漠先峰植物根際叢枝菌根真菌的分布特點(diǎn)，球囊霉素的含量范圍，以及兩者間的相關(guān)性迄待深入的研究。

白沙蒿(Artemistia sphaerocephala)屬于菊科蒿屬植物，是庫布齊沙漠廣泛分布的典型荒漠灌叢，作為高大沙山迎風(fēng)坡面的先峰物種，對(duì)防風(fēng)固沙有著極其重要的作用[10]。目前，針對(duì)于白沙蒿生態(tài)分布、抗旱性和根際土壤有效養(yǎng)分等內(nèi)容均有研究[11-12]，但尚未見其根際土壤中叢枝菌根真菌產(chǎn)球囊霉素含量的相關(guān)報(bào)道?；谇蚰颐顾貙?duì)荒漠植物生存及生態(tài)穩(wěn)定所具有的潛在價(jià)值，研究庫布齊沙漠流動(dòng)沙地上的白沙蒿根際叢枝菌根真菌特性及相關(guān)的球囊霉素空間分布異質(zhì)性，對(duì)研究極端環(huán)境中沙地植物生態(tài)對(duì)策和白沙蒿群落的生態(tài)穩(wěn)定性，豐富荒漠生態(tài)學(xué)理論均具有重要的科學(xué)意義。

1 材料與方法

1.1 研究樣點(diǎn)簡況

研究地點(diǎn)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)鄂爾多斯市準(zhǔn)格爾旗，位于庫布齊沙漠東南緣，地理坐標(biāo)為 111°02′21″ E，40°10′35″ N。該區(qū)屬于中溫帶大陸性季風(fēng)氣候，年平均氣溫 6—7 ℃，年平均降水量約 350—380 mm，最高氣溫 39.1 ℃，最低氣溫 -32.8 ℃，無霜期 145 d。土壤類型為風(fēng)沙土。庫布齊沙漠流動(dòng)沙地的優(yōu)勢種為白沙蒿。伴生種有沙鞭(Psammochloa villosa)、蓼子樸(Inula salsoloides)、楊柴(Hedysarum mongolicum)、刺木蓼(Atraphaxis spinosa)、沙蓬(Agriophyllum squarrosum)等。

1.2 樣品的采集及預(yù)處理

為確保研究樣點(diǎn)的代表性，本試驗(yàn)通過野外踏查后選取白沙蒿灌叢典型分布區(qū)為研究中心，于2017年分春、夏和秋三個(gè)季節(jié)采樣。在研究樣地采用X形布點(diǎn)的方式設(shè)立5個(gè)白沙蒿樣點(diǎn)，選取冠幅直徑約100 cm 的白沙蒿灌叢，在距白沙蒿根際30 cm以內(nèi)挖土壤垂直剖面，分 0—10 cm，10 —20 cm，20—30 cm，30—40 cm 和 40—50 cm 采集土壤，每個(gè)土層采集4份土樣，共計(jì)300份樣品。將采集的土壤樣品(不少于 500 g)裝入塑料袋密封，附標(biāo)簽，記錄地點(diǎn)、海拔等信息?？s分后的土樣經(jīng)自然風(fēng)干后，除去土樣中石子和動(dòng)植物殘?bào)w等異物，用木棒研磨至全部通過100 目(孔徑0.149 mm)尼龍篩，混勻后備用。

1.3 研究方法

AM 真菌球囊霉素分為總球囊霉素(TG)和易提取球囊霉素(EEG)，根據(jù)David等人的方法測定[13]。收集白沙蒿須根，采用參考文獻(xiàn)[14]的方法測定組織內(nèi)菌絲的侵染發(fā)育狀況。孢子密度測定取10 g風(fēng)干土壤，用濕篩傾析蔗糖離心法分離[15]，于定量濾紙上劃線分格，體視鏡下計(jì)數(shù)，以每克風(fēng)干土中的孢子數(shù)量記為孢子密度。

土壤酶活性測定:采用改進(jìn)的 Tabatabai&Brimner 法測定土壤磷酸酶[16]。酸性磷酸酶用0.1 mol·L-1pH5.2的醋酸緩沖液；堿性磷酸酶用 0.5 mol·L-1pH 8.5的NaHCO3作緩沖液。酶活性單位(Eu)為每min每 g土水解 1μmol 對(duì)硝基苯磷酸二鈉(pNPP)的值。加勒斯江法測定土壤蛋白酶活性，以24 h后每g土壤中氨基酸的毫克數(shù)表示。靛酚比色法測定土壤脲酶活性[17]，以每 h每g土壤中NH4+-N的毫克數(shù)表示。土壤總微生物活性采用 Green[18]優(yōu)化后的FDA水解酶法測定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

用Excel處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并繪圖，用SPSS18.0生物統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差(One-Way ANOVA)分析和兩兩相關(guān)(Pearson)分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 白沙蒿根際土壤理化性質(zhì)

分析白沙蒿根際0—50 cm土壤理化因子(表1)，土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷和速效氮含量都是0—10 cm表層土有最大值，并隨土層加深而顯著減小。沙地土壤pH值呈堿性，隨土層加深而增大，最大值往往出現(xiàn)在40—50 cm土層，但層間差異并不顯著。pH首先影響土壤中離子濃度，進(jìn)而影響營養(yǎng)元素的有效性。白沙蒿根際較干旱，土壤濕度范圍只有0.621—1.676%，且在不同土層間有波動(dòng)，可能受到采樣期雨水的影響，降雨是庫布齊沙地水份的主要來源。春季土壤濕度最大值出現(xiàn)在30—40 cm土層，夏季土壤濕度最大值則出現(xiàn)在 20—30 cm土層，這兩個(gè)季節(jié)不同土層間濕度有顯著差異。土壤溫度在春、夏兩季都是0—10 cm表層土溫度最高，后隨土層加深而降低，不同土層間差異顯著，秋季例外。

隨季節(jié)變換的不同，土壤速效氮含量在夏、秋季顯著高于春季；土壤濕度最大出現(xiàn)在春季，并顯著高于夏秋兩季；土壤溫度夏季＞秋季＞春季，且差異顯著；其它理化因子隨季節(jié)變換無顯著規(guī)律性。

2.2 白沙蒿根際土壤酶活性

在同一土壤生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)，土壤酶是表征土壤中物質(zhì)循環(huán)和能量代謝的一個(gè)重要生物指標(biāo)。脲酶活性反映土壤的供氮能力與水平。土壤磷酸酶對(duì)土壤磷素的循環(huán)至關(guān)重要，能促進(jìn)有機(jī)磷化合物分解，增強(qiáng)植物對(duì)土壤有機(jī)磷的吸收。土壤蛋白酶活性與土壤中蛋白類物質(zhì)的酶促分解，氮轉(zhuǎn)化及三磷酸腺苷(ATP)等微生物生物量指標(biāo)有顯著的相關(guān)性。FDA水解酶則能很好的反應(yīng)土壤中微生物的活性。因此，本研究選擇了5種土壤酶作為樣地土壤養(yǎng)分的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

表1 不同季節(jié)白沙蒿根際土壤理化性質(zhì)Table 1 Analysis of soil properties in the rhizosphere of A.sphaerocephala in different seasons

分析表2可知，測定的5種土壤酶活性均表現(xiàn)出顯著的表層土富集性。土壤脲酶活性無論在哪個(gè)季節(jié)都是在0—10 cm土層最大，顯著高于其它土層，并隨土層加深而降低；春季的酸性磷酸酶活性在各土層間差異顯著，0—10 cm土層顯著高于10—30 cm土層，10—30 cm又顯著高于30—50 cm土層，夏秋兩季則是0—20 cm土層顯著高于20—30 cm土層，30—50 cm土層值最小；堿性磷酸酶活性在春季是0—10 cm表層土最大，其次是10—30 cm土層，最小為30—50 cm土層，隨土層加深而減小的差異很顯著。夏季和秋季都是0—20 cm土層值最大，顯著高于其它土層；蛋白酶在各個(gè)季節(jié)都是0—20 cm土層有最大活性，顯著高于其它土層，后隨土層加深而遞減；3個(gè)季節(jié)的FDA水解酶活性在不同土層間差異最為顯著，0—10 cm土層顯著高于10—20 cm土層，后隨土層深度增加顯著減小。

白沙蒿根際5種土壤酶活性隨季節(jié)變化有明顯的波動(dòng)，土壤脲酶和蛋白酶的活性都是夏、秋兩季顯著高于春季；酸性磷酸酶、堿性磷酸酶和FDA水解酶活性都是最大值出現(xiàn)在夏季，其次是秋季，春季最小，不同季節(jié)間差異顯著。

2.3 白沙蒿根際AM真菌菌絲侵染率和孢子密度

由圖1可知，白沙蒿和AM真菌有良好的共生關(guān)系，春季AM真菌菌絲侵染率最大值出現(xiàn)在10—20 cm土層為90.55%，在0—30 cm土層都較高，平均達(dá) 86.51%，30—50 cm 土層較低，平均為60.62%。夏季和秋季則在0—50 cm土層都呈現(xiàn)較高的侵染率，但最大值出現(xiàn)在20—30 cm土層。夏季0—50 cm土層平均為89.75%，秋季達(dá)到92.37%。

AM 真菌孢子密度為 1.21—12.31 個(gè)·g·土-1，最大值出現(xiàn)在夏季的0—10 cm土層。在各季節(jié)都是0—10 cm土層有最大值，后隨土層加深而遞減，明顯呈倒 J形，尤其是夏季不同土層間的孢子密度差異顯著。不同季節(jié)間相比較，白沙蒿根際孢子密度在夏季最大，顯著高于秋季，春季最小。相關(guān)分析表明，AM 真菌孢子密度與土壤 pH呈顯著負(fù)相關(guān)(R2=-0.491*，ρ＜0.05)。

2.4 白沙蒿根際球囊霉素時(shí)空分布

叢枝菌根產(chǎn)球囊霉素糖蛋白主要包括兩個(gè)指標(biāo):總球囊霉素代表土壤長期積累的總濃度值，易提取球囊霉素代表叢枝菌根真菌分泌的近年糖蛋白濃度。分析圖2可知，白沙蒿根際土壤中總球囊霉素含量范圍為 0.37—1.27 mg·g-1，易提取球囊霉素含量范圍為 0.19—0.81 mg·g-1，兩者在各季節(jié)最大值都出現(xiàn)在0—10 cm土層，并隨著土層加深而逐漸減少，變化趨勢一致，呈現(xiàn)明顯的表層土富集性?？偳蚰颐顾睾鸵滋崛∏蚰颐顾睾慷际窍摹⑶锛韭源笥诖杭?，但是差異未達(dá)顯著性。

兩兩相關(guān)分析表明(表3)，白沙蒿根際總球囊霉素的含量與土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、堿性磷酸酶和FDA水解酶呈顯著正相關(guān)，與土壤速效氮、酸性磷酸酶和孢子密度呈極顯著正相關(guān)；易提取球囊霉素與土壤有機(jī)質(zhì)、速效磷、速效氮、脲酶和FDA水解酶呈顯著正相關(guān)，與孢子密度呈極顯著正相關(guān)。

圖2 白沙蒿根際球囊霉素時(shí)空分布Figure 2 Concentration of AMF glomalin

表3 球囊霉素與土壤因子相關(guān)性分析表Table 3 Correlation analysis between AMF glomin concentration and soil factors

3 討論

庫布齊沙漠模臥在鄂而多斯高原北部，其中約60%以上為流動(dòng)沙地[19]。作為流動(dòng)沙丘中先鋒植物群聚，白沙蒿根際土壤養(yǎng)分貧瘠，且隨土層加深顯著減小。表層土壤由于植物殘?bào)w和枯枝落葉腐殖質(zhì)化以及好氧性微生物代謝活動(dòng)，土壤養(yǎng)份顯著高于其他土層，有明顯的“沃島聚表效應(yīng)”[20]。庫布齊沙漠氣候干冷，白沙蒿根際土壤濕度范圍只有0.621—1.676%，有研究表明白沙蒿可以通過減少不飽和脂肪酸的過氧化作用和提升滲透性保護(hù)物質(zhì)的含量，以減弱水脅迫對(duì)細(xì)胞膜系統(tǒng)的傷害[12]，是白沙蒿對(duì)沙漠干旱環(huán)境的一種進(jìn)化適應(yīng)。

白沙蒿根際菌絲侵染率在夏季、秋季均高達(dá)90%左右，白沙蒿根系沙埋后萌芽力極強(qiáng)，有纖細(xì)簇狀而且數(shù)量龐大的次生根，恰好為叢枝菌根真菌提供了適宜的生境。尤其是在近沙面20—30 cm沙層中白沙蒿有最為豐富的須根，而其根際菌絲侵染率最大值也出現(xiàn)在此土層。惡劣的沙生環(huán)境中，AM真菌可以通過菌絲的延伸，在土壤與植物根系之間，植物與植物之間構(gòu)建起菌絲網(wǎng)，起著信息傳遞和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)淖饔肹21]。

叢枝菌根產(chǎn)球囊霉素是土壤有機(jī)碳的重要來源，約占到土壤有機(jī)碳庫的7.0—33.0%[22]。不同生態(tài)系統(tǒng)中土壤球囊霉素的含量差異顯著，本研究中白沙蒿根際土壤總球囊霉素的含量為0.37—1.27 mg·g-1，遠(yuǎn)低于森林[23]、果園、農(nóng)田[9，24]和水稻土[25]等生態(tài)系統(tǒng)中報(bào)道的范圍( 1.41—14.8 mg·g-1)，甚至低于荒漠黑沙蒿根際的含量(0.42 —2.55 mg·g-1)[26]。土壤球囊霉素的分布受到植被類型、土壤特性和微生物群落多樣性等多種因素的影響。黑沙蒿作為半固定和固定沙地的優(yōu)勢植物，其根際土壤養(yǎng)分和真菌多樣性均優(yōu)于白沙蒿[6]。白沙蒿是庫布齊沙漠流動(dòng)沙地的單優(yōu)群落，本研究樣地處于緩坡背風(fēng)面，區(qū)域環(huán)境均一，白沙蒿種群的分布格局為均勻分布，由于植被單一而且相互間距遠(yuǎn)，AM真菌孢子密度相對(duì)較低，流沙堿性土壤也會(huì)抑制喜酸環(huán)境的 AM 真菌活性，因而隨著真菌分泌及菌絲分解進(jìn)入土壤的易提取球囊霉素含量有限，相關(guān)性分析也表明球囊霉素與孢子密度極顯著正相關(guān)。灌叢根圍土壤養(yǎng)分貧瘠，土壤酶活性較低，表土易被風(fēng)力剝離或流沙覆蓋等特點(diǎn)，又使得總球囊霉素積累緩慢。白沙蒿作為流動(dòng)沙地的先峰植物，抗風(fēng)蝕、聚流沙能力尤為突出，沙埋后能通過根蘗繁殖產(chǎn)生新的分株，研究表明叢枝菌根真菌能促進(jìn)宿主植物根系的形成，提高植物的適宜性，隨菌絲分解進(jìn)入土壤的“超級(jí)膠水”球囊霉素則有利于微團(tuán)聚體的形成，能改善土壤水穩(wěn)性并促進(jìn)土壤碳的貯存[22]，推動(dòng)沙地生態(tài)系統(tǒng)的演替，并為后續(xù)植物入侵提供條件。因此，白沙蒿與叢枝菌根的共生是沙化土壤中植被重建的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，球囊霉素在退化土壤修復(fù)中的生物潛能值得深入研究。

4 結(jié)論

(1)白沙蒿是典型的叢枝菌根植物，其根際菌絲侵染率夏季0—50 cm土層中平均達(dá)89.75%，秋季0—50 cm土層平均達(dá)到92.37%。

(2)白沙蒿根際叢根菌根孢子密度約為 1.21-12.31 個(gè)·g土-1，最大值出現(xiàn)在夏季的 0—10 cm 土層，各季都隨土層加深而遞減。孢子密度和土壤酶活性隨降水和氣溫的季節(jié)變化呈現(xiàn)出明顯的波動(dòng)，水溫條件較好的夏季往往有最高值，這也與白沙蒿的物候期相一致。

(3)白沙蒿根際土壤球囊霉素的含量偏低。白沙蒿根際土壤中總球囊霉素含量范圍為0.37—1.27 mg·g-1，易提取球囊霉素含量范圍為 0.19—0.81 mg·g-1，兩者在各季節(jié)最大值都出現(xiàn)在0—10 cm土層，呈現(xiàn)明顯的表層土富集性，但是并沒有像真菌孢子密度一樣表現(xiàn)出明顯的季節(jié)性。

(4)球囊霉素來源于叢枝菌根真菌，首先受到土壤中真菌孢子密度的顯著影響，并和土壤養(yǎng)分以及大多土壤酶活性呈顯著正相關(guān)，同時(shí)都表現(xiàn)出表層土富集性。土壤總球囊霉素和易提取球囊霉素能綜合反映土壤發(fā)育水平、養(yǎng)分狀況和微生物群落特性等，可作為評(píng)價(jià)土壤叢枝菌根真菌活性和土壤肥力的重要指標(biāo)。