王日華，Kabore M.Arthur Fabrice,2，周午祖軒，童璐，朗月，何育棟，孟凡博，張艷華，孫立夫

（1.紹興文理學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.福建農(nóng)林大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002；3.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000）

陸地植物生長發(fā)育所需的營養(yǎng)物質(zhì)主要依靠植物地上、地下部分與外界環(huán)境之間的物質(zhì)交換，根系決定了植物利用土壤資源的能力[1]。有些植物的根與土壤真菌形成菌根，菌根共生能分解復(fù)雜的有機物[2]，在改善植物營養(yǎng)、調(diào)節(jié)植物代謝、增強植物抗逆性等方面發(fā)揮著重要的作用[3-4]。毛根發(fā)育和菌根侵染是宿主植物增強與其他物種競爭能力的重要指標，在沒有菌根真菌侵染的情況下，黑麥草Lolium perenne和絨毛草Holcus lanatus的生長情況相似，但是都被叢枝菌根（Arbuscular mycorrhiza，AM）真菌侵染后，黑麥草在生長、根冠比、P 和K的吸收能力方面均高于絨毛草[5]，植物種間的競爭平衡被打破。多個宿主植物之間由菌根聯(lián)結(jié)形成的菌根網(wǎng)絡(luò)，也可能存在光合產(chǎn)物、N 和P 等營養(yǎng)物質(zhì)的單向或雙向傳遞[6]。在群落水平上，物種的菌根聯(lián)結(jié)是植物與相鄰伴生種關(guān)系的重要驅(qū)動因素，Chen 等在我國亞熱帶森林的研究中發(fā)現(xiàn)，附近AM 幼樹和成株的出現(xiàn)顯著抑制了外生菌根（Ectomycorrhiza，ECM）幼苗的存活，但是相鄰的ECM 植物則大大提高了AM 幼苗的存活率[7]。在美國加州和猶他州草地，伴生種裂稃燕麥Avena barbata和大麥狀雀麥Bromus hordeaceus能明顯改變當?shù)貎?yōu)勢植物根部微生物群落的組成，使其由菌根菌轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷M而導(dǎo)致當?shù)貎?yōu)勢植物競爭力的降低[8]。因此，伴生種的變化可能會直接影響宿主植物的生長和土壤真菌的組成。伴生種也可能通過改變土壤的理化性質(zhì)，間接地影響宿主根系的發(fā)育和地下菌根的形成，如在硝態(tài)氮（NO3--N）和有機氮多的環(huán)境中，杜鵑花類菌根（Ericoid mycorrhiza，ERM）真菌菌株的生長數(shù)量比在銨態(tài)氮（NH4+-N）甚至不含N 的環(huán)境中更高[9]；增加土壤有機質(zhì)含量，有利于提高藍莓Vacciniumspp.的菌根侵染率和根系活力[10]。

ERM 是杜鵑花科Ericaceae 植物最主要的菌根類型，由纖細的毛根（hair roots）與土壤真菌形成典型的菌根結(jié)構(gòu)，即在表皮和皮層細胞中有菌絲卷（圈，coil），大部分毛根集中分布在土壤表層[11]。云錦杜鵑Rhododendron fortunei是我國特有種，為常綠的灌木或小喬木，高可達12 m，具有ERM 結(jié)構(gòu)，在浙江天臺的華頂山有自然分布的種群。每年5 月杜鵑花盛開時，都會吸引大量游客。云錦杜鵑常作為優(yōu)勢種，與其他木本或草本植物相伴而生。但是，該區(qū)域的云錦杜鵑老齡植株有逐漸衰落的趨勢，管康林等認為很可能是低灌層箬竹Indocalamus tessellatus擴張導(dǎo)致的[12]。箬竹是禾本科Poaceae 植物，常生長于林緣、林下和溝谷等處[13]，根系發(fā)達。云錦杜鵑的毛根和箬竹的根在土壤中生長的位置相同。

因此，本研究在浙江華頂山，分別在由箬竹伴生、茶Camellia sinensis伴生和以無下木伴生為對照的云錦杜鵑生長的3 種生境中，采集云錦杜鵑的毛根，收集樣株樹冠下的凋落物和根圍土壤。在不同伴生種的生境下，比較云錦杜鵑毛根發(fā)育、菌根侵染，土壤pH 值、NH4+-N 和NO3--N 的差異，以及C、N、P 及其計量比在土壤和凋落物中的差異，探索云錦杜鵑地下菌根對伴生種變化特別是箬竹擴張的影響，為華頂山云錦杜鵑種群的保護和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地點和樣株的確定

研究地點位于浙江天臺山的華頂山（121°05' E，29°15' N），云錦杜鵑生長在海拔900～ 1 100 m，坡度約為25°，坡向多為西南坡，生境面積約為6 hm2[12,14]。屬亞熱帶中部季風氣候，氣候溫暖，光照充足，年平均氣溫為17℃，最低溫為－5℃，最高溫為39℃，年降水量為1 700 mm[15]。云錦杜鵑林下以箬竹最多，草本植物以禾本科和菊科Compositae 種類較多，還有部分蕨類和苔蘚等。

2020 年7 月26 日—8 月4 日，在華頂山海拔900 m 以上，選擇云錦杜鵑種群生長的3 種生境：箬竹伴生、茶伴生和無下木伴生，在3 種生境中各選擇20 株主干基部直徑為16～ 28 cm 的云錦杜鵑樣株，株間距應(yīng)不少于10～ 15 m。

1.2 毛根的采集和處理

在3 種生境中確定60 株云錦杜鵑樣株后，每一個樣株采集1～ 2 根直徑2 cm 左右、長30～ 70 cm 帶有毛根的側(cè)根，密封，4℃冷藏。同時采集宿主周圍的箬竹和茶的根，同樣密封，冷藏。將采集回來的側(cè)根，用蒸餾水浸泡沖洗多次，瀝干后，剪下云錦杜鵑的活性毛根，剩余的根適當風干，各自稱鮮質(zhì)量。根據(jù)稱取的側(cè)根和毛根質(zhì)量，計算毛根質(zhì)量比，毛根質(zhì)量比=毛根的質(zhì)量/根的質(zhì)量，并以毛根質(zhì)量比作為說明毛根發(fā)育情況的指標。

1.3 土壤的采集和處理

采集每一個樣株的毛根時，也同時收集各樣株5～ 20 cm 土層處側(cè)根周圍的土壤，在樣株下半徑為2 m 范圍內(nèi)收集凋落物，4℃冷藏，密封。采集的土壤和凋落物樣品各60 份。3 種生境中的凋落物樣品分別完全混勻后，帶回實驗室烘干至恒質(zhì)量；按生境分別將土壤樣品完全混勻后，分為新鮮樣品、風干樣品和烘干樣品，分別過篩（孔徑0.149 mm），密封保存。

1.4 醋酸墨水染色及顯微結(jié)構(gòu)觀察

從采集的每一個樣株的毛根中隨機挑選30 條1.5 cm 左右長的毛根根段，對云錦杜鵑（60 株）、箬竹（5株）和茶（5 株）的毛根根樣分別進行醋酸墨水染色[16]，在Nikon（Eclipse E800）光學(xué)顯微鏡下觀察根的顯微結(jié)構(gòu)，并用根段頻率法計算云錦杜鵑各樣株的侵染率[17]。

1.5 生態(tài)化學(xué)計量指標的測定

土壤和凋落物總C（TC）和總N（TN）用Vario ELⅢ元素分析儀測定；總P（TP）采用鉬銻抗比色法測定；土壤NH4+-N 和NO3--N 用KCl 提取，用全自動流動注射分析儀（AA3）測定；水∶土=2.5∶1，電位法測定土壤pH 值。每個樣品測定均重復(fù)兩次，取平均值。

1.6 數(shù)據(jù)分析

實驗所得數(shù)據(jù)用SPSS 23.0 進行ANOVA 分析和LSD 多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生境中云錦杜鵑毛根發(fā)育水平的比較

毛根是云錦杜鵑形成菌根的載體，毛根發(fā)育的好壞直接關(guān)系到宿主菌根的形成和功能的發(fā)揮，本研究以各樣株毛根質(zhì)量比作為衡量毛根發(fā)育的指標。在野外采樣時發(fā)現(xiàn)，在箬竹伴生的生境中，箬竹都是緊密地長在云錦杜鵑主干周圍，如圖1A，竹鞭是箬竹細長的地下莖，一般生長在地下5～ 15 cm 土層處[18]，鞭上有節(jié)，節(jié)上會生根（圖1E），并能橫向擴展成網(wǎng)狀，搶占了云錦杜鵑毛根發(fā)育的空間。在華頂山，云錦杜鵑和箬竹在地上和地下空間的競爭都非常激烈，與之相比，茶的根系并不發(fā)達（圖1F），與無下木的生境一樣，云錦杜鵑毛根的發(fā)育都很好，如圖1D，其生活根的質(zhì)量比在茶伴生和無下木伴生這兩種生境之間沒有差異，都遠高于箬竹伴生生境（P＜0.01）。

圖1 不同伴生種的野外采樣地生境和3 種植物的根Figure 1 Sampling habitat with different accompanying species and root of the three species plant

2.2 不同生境中云錦杜鵑菌根侵染率的比較

對不同生境云錦杜鵑的毛根染色后，在各根段的表皮細胞內(nèi)都或多或少地有典型的菌絲卷，如圖2A；茶也有少量的叢枝菌根（AM）結(jié)構(gòu)，如圖2B；箬竹未見菌根結(jié)構(gòu)。云錦杜鵑的菌根侵染率（表1）在箬竹伴生生境中極顯著高于茶伴生和無下木伴生的生境（P＜0.01），而在茶伴生和無下木伴生的生境之間沒有差異。

圖2 云錦杜鵑毛根（A）和茶根（B）的顯微結(jié)構(gòu)Figure 2 Microstructure of hairroots from Rh.fortunei (A) and C.sinensis (B)

2.3 不同生境中土壤和凋落物的主要營養(yǎng)元素的比較

對3 種生境的土壤參數(shù)進行分析（表1），結(jié)果表明除NH4+-N 外，其他測定的參數(shù)在不同伴生種的生境間都有顯著差異（P＜0.05）或極顯著差異（P＜0.01）。從表2 可知，TC、TN、C/N和N/P 在箬竹伴生生境中都極顯著高于茶伴生和無下木伴生生境中，TP 則相反（P＜0.01），在箬竹伴生生境中更低，這5 個參數(shù)在茶伴生生境和無下木伴生生境中均未有顯著差異。NO3--N 在無下木伴生生境中顯著高于其他兩個生境中（P＜0.05），pH 值則是在茶伴生生境中顯著高于在無下木伴生生境中（P＜0.05）（表1）?？傮w上，通過土壤主要營養(yǎng)元素的比較發(fā)現(xiàn)，在箬竹伴生生境中土壤各參數(shù)的變化更大。

表1 3 種生境土壤無機N 和云錦杜鵑毛根質(zhì)量比及菌根侵染率Table 1 Inorganic N in soil,hair root mass ratio and mycorrhizal infection rate of Rh.fortunei in 3 habitats

表2 3 種生境云錦杜鵑林下土壤和凋落物的主要元素和元素計量比Table 2 Major elements and their stoichiometric ratio in soil and litter under Rh.fortunei population at 3 habitats

通過對3 種生境凋落物樣本的分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TN、N/P 和C/N 在茶伴生的生境中前兩個參數(shù)更高，而C/N更低，各參數(shù)在箬竹和無下木伴生的生境間都沒有顯著差異。將土壤和凋落物各參數(shù)與毛根質(zhì)量比和菌根侵染率進行相關(guān)性（Pearson 相關(guān)系數(shù)）分析發(fā)現(xiàn)，土壤TC、TN、C/N 和N/P 與毛根質(zhì)量比都呈顯著負相關(guān)，與菌根侵染率都呈顯著正相關(guān)，土壤pH 值與菌根侵染率呈顯著負相關(guān)。凋落物中只有C/N 與菌根侵染率呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

3 討論

在華頂山，調(diào)查的3 種云錦杜鵑生境各有特點，無下木伴生的生境中沒有優(yōu)勢伴生種，僅在樹冠周圍有一些草本植物。人工種植的茶，根系并不發(fā)達，在空間上與云錦杜鵑保持一定的距離。箬竹的擴張占據(jù)了地上和地下的空間，阻礙了云錦杜鵑毛根的擴展和發(fā)育，導(dǎo)致其毛根數(shù)量急劇減少。這與1997 年建立華頂國家森林公園，停止放牧后草食性動物減少，促進了箬竹的進一步擴張有關(guān)。

2006 年和2007 年5 月，Zhang 等在華頂山、黃山、幕阜山和四明山調(diào)查的野生云錦杜鵑的菌根侵染率均在65%以上[19]，本文調(diào)查的云錦杜鵑的菌根侵染率僅為19.67%～ 28.63%，菌根侵染率偏低，可能與采樣時間為7—8 月的夏季高溫有關(guān)，因為菌根侵染率不僅會受到不同水分狀況的影響[20]，還與溫度呈負相關(guān)[21]。Hutton 等在澳大利亞西南部對Epacris obtusifolia毛根發(fā)育和ERM 菌根侵染的研究發(fā)現(xiàn)，它們在較冷濕的月份中更活躍，菌根侵染率呈現(xiàn)季節(jié)動態(tài)，夏季最低[22]。Read 認為在高海拔區(qū)杜鵑花科植物群落占優(yōu)勢與ERM 的存在有關(guān)[23]，因此，隨著全球氣候的變暖，適應(yīng)冷涼氣候的很多高山杜鵑的優(yōu)勢可能會逐漸喪失。

本次測量的華頂山云錦杜鵑林地總N 為4.38～ 6.64 g·kg-1，遠高于20 年前吳家森等測定的1.62～ 1.97 g·kg-1[24]，這可能與全球的N 沉降有關(guān)。在荷蘭和英國部分歐石南荒地（heathland），杜鵑花科的矮灌木歐石南Erica tetralix和帚石南Calluna vulgaris在N 沉降加劇的背景下正在被草本植物曲芒發(fā)草Deschampsia flexuosa和天藍麥氏草Molinia caerulea所取代[25]，因為在高營養(yǎng)水平下，草本植物的生長速率更快，而杜鵑花科植物在低營養(yǎng)水平下更占優(yōu)勢[26]。菌根真菌在根部的侵染程度和菌根生物量會隨著N 沉降而減少[27]。另外，人工施肥（NH4+-N）可能會使土壤微生物多樣性減少[28]，有茶伴生的云錦杜鵑的菌根侵染率，很有可能也會隨著施肥的加劇和時間的推移逐漸降低。在箬竹伴生的生境中，總N 水平最高，但是云錦杜鵑的菌根侵染率也最高，很可能是因為宿主需要菌根真菌在抵御脅迫和抵抗土壤病原體方面為其提供幫助[29]。因此，監(jiān)測伴生種及其生境土壤的變化，對于保護野生杜鵑花科植物資源是非常必要的。

4 結(jié)論與建議

生長在華頂山的云錦杜鵑歷史悠久，曾經(jīng)枝繁葉茂。但是，箬竹擴張使云錦杜鵑地下部生長發(fā)生變化，其毛根的發(fā)育受阻，而菌根侵染率顯著升高（P＜0.01）。箬竹伴生生境的土壤中的總C、總N、總P、C/N 和N/P均與在茶伴生和無下木伴生的生境中有極顯著的差異（P＜0.01）。箬竹擴張不僅能侵占云錦杜鵑毛根的發(fā)育空間，還改變著土壤中營養(yǎng)元素的資源比率，長期作用對云錦杜鵑植株的生長不利。因此，應(yīng)該采取人為措施，鏟除云錦杜鵑周圍的箬竹，包括地上和地下兩部分，結(jié)合人工促進云錦杜鵑幼苗的天然更新，確保華頂山云錦杜鵑種群的健康和可持續(xù)發(fā)展。