王新軍，陳學(xué)平，陳濟(jì)丁，楊艷剛，劉 歡，姚 拓

（1.交通運(yùn)輸部科學(xué)研究院 環(huán)境保護(hù)與水土保持研究中心，北京 100029；2.甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 草業(yè)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070；3.草業(yè)生態(tài)系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(yán)重，植物生長(zhǎng)期短、生長(zhǎng)緩慢，生態(tài)環(huán)境脆弱敏感，一旦遭到破壞，恢復(fù)與重建相當(dāng)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(zhǎng)期未得有效恢復(fù)，遠(yuǎn)低于天然植被覆蓋度[3]。雖然通過(guò)人工植草提升了青藏高原公路沿線(xiàn)植被恢復(fù)效果，但恢復(fù)與演替過(guò)程十分緩慢[4]。因此，通過(guò)技術(shù)手段加速植被生長(zhǎng)以促進(jìn)青藏高原路域植被恢復(fù)，對(duì)于有效保護(hù)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(jìn)植物生長(zhǎng)，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(yīng)用受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注[6-12]。對(duì)于叢枝菌根技術(shù)方面的研究，國(guó)外重點(diǎn)關(guān)注AMF在生態(tài)工程中的作用及其商業(yè)化應(yīng)用，如Asmelash等研究表明AMF能促進(jìn)退化土壤的改良[13]；Bender 等詳細(xì)闡述了AMF 對(duì)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(yīng)用模式等方面商業(yè)化應(yīng)用現(xiàn)狀[7]。整體上，AMF 在國(guó)外農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用較為成熟，但就其在路域生態(tài)系統(tǒng)中的應(yīng)用研究較為缺乏。

國(guó)內(nèi)對(duì)AMF在生態(tài)工程中的應(yīng)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(yīng)用將成為研究熱點(diǎn)[14]；王茜等研究了AMF 對(duì)青藏高原高寒草原垂穗披堿草的促生效應(yīng)[15]；石偉琦等研究了AMF 對(duì)內(nèi)蒙古草原優(yōu)勢(shì)物種羊草生物量、品質(zhì)的影響[16]；王力華等揭示了AMF 對(duì)沙地植被的促生作用[17]；陳飛研究了AMF 對(duì)松嫩平原鹽堿地的生態(tài)作用[18]；畢銀麗對(duì)AMF 在煤礦區(qū)沉陷地生態(tài)修復(fù)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究評(píng)述[19]；陳保冬等詳細(xì)介紹了叢枝菌根技術(shù)在重金屬污染土壤修復(fù)方面的應(yīng)用[20]。然而，對(duì)于高寒高海拔地區(qū)干旱鹽堿等困難立地條件，有關(guān)AMF 在植被恢復(fù)中的應(yīng)用還鮮有研究與實(shí)踐。

為了科學(xué)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(fù)的問(wèn)題，本研究以廣泛用于青藏公路邊坡植被恢復(fù)中的星星草[21]為供試植物，同時(shí)選取3 種AMF 就其對(duì)植被生長(zhǎng)影響開(kāi)展室內(nèi)盆栽實(shí)驗(yàn)研究，同時(shí)在青藏高原進(jìn)行野外實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)，以期明確AMF在青藏高原路域植被恢復(fù)中應(yīng)用的可行性。

1 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

星星草（Puccinellia tenuiflora）購(gòu)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(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所“叢枝菌根真菌種質(zhì)資源庫(kù)（BGC）”提供。盆栽土壤過(guò)2mm 網(wǎng)篩后，濕熱滅菌2h，采用70%乙醇對(duì)盆栽花盆（18cm×20cm×14cm）進(jìn)行消毒。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)條件

室內(nèi)盆栽實(shí)驗(yàn)在甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué)溫室進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)于2015年8月布設(shè)于交通運(yùn)輸部多年凍土區(qū)公路建設(shè)與養(yǎng)護(hù)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室青海研究觀(guān)測(cè)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(fù)正常的管理養(yǎng)護(hù)措施對(duì)實(shí)驗(yàn)小區(qū)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究分別設(shè)置星星草與GM,GC 和GE 接菌處理及不接種菌劑的對(duì)照處理（Control Check,CK），每個(gè)處理重復(fù)4 次。挑選飽滿(mǎn)、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(wú)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(shí)，每個(gè)花盆裝2.5kg 滅菌土，然后平鋪15g 菌劑（每克菌劑約含70 個(gè)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(jī)擺放，為保證星星草正常生長(zhǎng)，采用隔天澆水養(yǎng)護(hù)方式。

野外實(shí)驗(yàn)每個(gè)供試小區(qū)長(zhǎng)1.5m，寬1m。供試植物、菌劑與室內(nèi)實(shí)驗(yàn)一致，每個(gè)供試小區(qū)對(duì)應(yīng)1 個(gè)處理，每個(gè)處理重復(fù)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(cè)試分析

盆栽實(shí)驗(yàn)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(cè)定菌根侵染率并計(jì)算菌根效應(yīng)；用無(wú)菌水沖洗植株后，測(cè)定株高；植株經(jīng)殺青、烘干至恒重后，分別對(duì)地上部分和地下部分稱(chēng)重；植株地上部經(jīng)研磨處理后測(cè)氮（N）、磷（P）、鉀（K）含量，同時(shí)取盆栽土壤樣品經(jīng)處理后測(cè)定土壤含水量與N,P,K 含量[23]。由于野外實(shí)驗(yàn)為長(zhǎng)期觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)，因此并未對(duì)植物樣品進(jìn)行破壞性取樣，于2016 年7 月分別測(cè)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(duì)植物的侵染作用，分別計(jì)算菌根侵染率和菌根效應(yīng)[22]：

采用Excel 2010 統(tǒng)計(jì)菌根侵染率和株高，統(tǒng)計(jì)值用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示，同時(shí)對(duì)不同接菌處理結(jié)果制圖；采用SPSS 19.0 計(jì)算礦物元素含量、生物量的統(tǒng)計(jì)值，并用“平均值±標(biāo)準(zhǔn)誤”表示，然后對(duì)結(jié)果進(jìn)行Ducan′s 單因素方差多重比較分析，對(duì)侵染率、菌根效應(yīng)、生物量、株高、礦物元素含量等指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。

2 實(shí)驗(yàn)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(duì)照?？梢钥闯觯鷦〨M 侵染能力最強(qiáng)，侵染率達(dá)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(duì)星星草根系的侵染能力不同也間接反映出AMF 對(duì)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(duì)星星草生長(zhǎng)的影響

2.2.1 不同AMF對(duì)星星草株高的影響

不同AMF 對(duì)星星草株高的影響如圖2 所示?？梢钥闯觯cCK 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(jìn)效果最好，GM 次之，GE最差。菌劑GM 和GC 對(duì)星星草株高的促進(jìn)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(duì)星星草株高的影響

2.2.2 不同AMF對(duì)星星草地上部分N,P,K含量的影響

不同AMF 對(duì)星星草地上部分N,P,K 含量的影響見(jiàn)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(dá)到顯著水平（P＜0.05），GE 作用不顯著。不同AMF 對(duì)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(dá)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(duì)星星草地上部分K含量的增加效果與對(duì)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(duì)星星草地上部分N,P,K含量的影響

2.2.3 不同AMF對(duì)星星草生物量的影響

不同AMF 對(duì)星星草生物量的影響見(jiàn)表2?？梢钥闯?，與CK 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(duì)星星草生物量的促進(jìn)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(shì)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(duì)星星草地下生物量的增幅達(dá)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(dá)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(wú)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(duì)星星草生物量的影響結(jié)果表明了菌根效應(yīng)的存在。

表2 AMF對(duì)星星草地上生物量、地下生物量、總生物量、菌根依賴(lài)性的影響

2.3 不同AMF對(duì)星星草的作用分析

將菌劑的侵染率、菌根效應(yīng)、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(gè)指標(biāo)作為自變量，進(jìn)行主成分分析和綜合分析，結(jié)果見(jiàn)表3，其中第1 個(gè)因子貢獻(xiàn)率為95.392%，遠(yuǎn)高于其他8 個(gè)因子。結(jié)果表明，GM 得分最高，對(duì)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(duì)土壤質(zhì)量的影響

不同AMF 對(duì)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(duì)土壤K 含量增加不顯著，其余差異顯著（P＜0.05）?？梢?jiàn)，AMF 不僅促進(jìn)了星星草的生長(zhǎng)，而且有效地改良了土壤質(zhì)量。

表4 不同AMF對(duì)土壤質(zhì)量的影響

2.5 不同AMF對(duì)星星草生長(zhǎng)的野外實(shí)驗(yàn)觀(guān)測(cè)

在野外實(shí)驗(yàn)中，不同AMF對(duì)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(jìn)效果最好，GE 次之，GM 最差。同時(shí)，不同菌劑也顯著提高了星星草的覆蓋度（P＜0.05），增幅達(dá)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(duì)星星草株高和覆蓋度的影響

3 AMF對(duì)星星草的促生作用分析

3.1 AMF對(duì)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(guān)鍵指標(biāo)之一，也是菌根對(duì)植物抗逆性影響的先決條件[5,24]。一般認(rèn)為菌根侵染率越高，菌根化程度越高，對(duì)促進(jìn)植物生長(zhǎng)、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(guān)系是自然界最為廣泛的共生形式，但不同植物對(duì)AMF的依賴(lài)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(dá)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(guān)系，另一方面也說(shuō)明星星草對(duì)不同的AMF 響應(yīng)不同。Liu等[25]研究表明，GM,GE 對(duì)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(duì)星星草的侵染率顯著下降，而根內(nèi)球囊霉（Glomus Intraradices）對(duì)星星草的侵染率先升高后降低。因此，今后在AFM 對(duì)路域植被恢復(fù)作用的研究中不僅要考慮菌根真菌的種類(lèi)，還需關(guān)注脅迫條件的影響。

3.2 AMF對(duì)星星草的作用及應(yīng)用分析

叢枝菌根真菌既可以通過(guò)根外菌絲從外界環(huán)境中攝取水分和養(yǎng)分，直接促進(jìn)植物生長(zhǎng)，也可以通過(guò)增強(qiáng)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(jìn)植物生長(zhǎng)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者就不同AMF菌劑對(duì)牧草、蔬菜等植物的作用進(jìn)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(jìn)了植物生長(zhǎng)，對(duì)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(jìn)了星星草地上部分對(duì)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(dá)到了改善土壤質(zhì)量的目的。野外實(shí)驗(yàn)更是表明，AMF 不僅促進(jìn)了星星草的生長(zhǎng)，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(fù)中的應(yīng)用提供了直接證據(jù)，也表明菌根真菌具有較大的應(yīng)用潛力。但是，野外實(shí)驗(yàn)尚未進(jìn)行破壞性取樣，僅限觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)，缺乏實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)，相關(guān)用量、用法等應(yīng)用技術(shù)和菌根真菌對(duì)星星草促生等作用機(jī)理還有待深入研究。此外，由于受菌根真菌基礎(chǔ)研究進(jìn)展的限制，菌根應(yīng)用還存在一定的技術(shù)瓶頸，如何提升菌劑的生產(chǎn)質(zhì)量和實(shí)現(xiàn)菌劑的產(chǎn)業(yè)化而加速大規(guī)模的應(yīng)用也是亟待解決的問(wèn)題[20]。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)3 種不同的AMF 對(duì)星星草生長(zhǎng)的影響開(kāi)展了室內(nèi)和野外實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果表明AMF對(duì)星星草具有良好的侵染能力，并與其形成了共生關(guān)系，顯著提高了星星草的株高和生物量等指標(biāo)，促進(jìn)了星星草的生長(zhǎng)。該研究結(jié)果為叢枝菌根真菌在青藏高原路域植被恢復(fù)中的應(yīng)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(fù)的難題提供了路徑。然而受野外實(shí)驗(yàn)結(jié)果的限制，叢植菌根真菌對(duì)星星草促生作用機(jī)理、應(yīng)用技術(shù)還有待進(jìn)一步探究。