段文艷,李 鑫,李 晴,景若楠,盛 敏

( 西北農(nóng)林科技大學(xué) 林學(xué)院,陜西楊凌 712100)

土壤微生物趨于生境選擇,生境不同其群落結(jié)構(gòu)亦不同[1-2]。土壤微生物作為連接地上和地下生態(tài)系統(tǒng)的重要樞紐,其群落結(jié)構(gòu)的變異對(duì)地上植被生長(zhǎng)和地下土壤養(yǎng)分循環(huán)均具有重要影響[3-4]。叢枝菌根(Arbuscular Mycorrhizal, AM)真菌是重要的土壤生物成員之一[5],能與90%以上的陸生植物形成菌根,在促進(jìn)植物生長(zhǎng)、提高植物抗逆性、改善土壤肥力等方面發(fā)揮著重要作用[6-9]。已有研究表明AM真菌群落結(jié)構(gòu)與生境條件(如宿主植物種類(lèi)、土壤因子和環(huán)境因子等)關(guān)系密切[10]。對(duì)菌根真菌而言,原始生境決定了菌株特性,菌株來(lái)源不同其共生特性和抗逆性不同[11-12]。目前,AM真菌通過(guò)與植物根系侵染共生來(lái)促進(jìn)植物光合作用、活化土壤養(yǎng)分、改善根系土壤微環(huán)境進(jìn)而增強(qiáng)植物抗逆性的作用已被證實(shí)[13-14]。關(guān)于AM真菌的功能,目前多數(shù)研究?jī)H關(guān)注一種或幾種AM真菌的單一或簡(jiǎn)單復(fù)合效應(yīng)[15-16],罕有研究探索AM真菌群落變異與其功能間的潛在關(guān)系。

黃土高原是中國(guó)水土流失最為嚴(yán)重的地區(qū)之一,為改善生態(tài)環(huán)境和防治土壤侵蝕,自20世紀(jì)50年代便于黃土高原開(kāi)始營(yíng)建了大面積的人工刺槐(Robiniapseudoacacia)純林[17-18]。近年來(lái),一些研究發(fā)現(xiàn)由刺槐單一樹(shù)種組成的純林可導(dǎo)致土壤退化、干化、生產(chǎn)力降低等諸多問(wèn)題,限制了人工刺槐純林的可持續(xù)經(jīng)營(yíng)和植被恢復(fù)后生態(tài)效益的發(fā)揮[19]。關(guān)于人工林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性差、功能和服務(wù)質(zhì)量下降的原因,多數(shù)研究從環(huán)境因素[20]、林木特性[21]和人為因素[22]等方面進(jìn)行了探索,而從微生物角度進(jìn)行探索的研究報(bào)道較少[23]。Sheng 等[23]對(duì)黃土高原不同林齡刺槐純林中AM真菌特性進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),人工刺槐純林對(duì)土壤中AM真菌孢子密度及其群落結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了顯著影響,尤以35 a生刺槐純林的影響最為突出。此外,刺槐和側(cè)柏純林控制黃土高原土壤侵蝕而導(dǎo)致的土壤退化被越來(lái)越多的研究者所關(guān)注,刺槐和側(cè)柏等多樹(shù)種混交林成為營(yíng)造水土保持林的新趨勢(shì)。Chen等[24]對(duì)黃土高原刺槐側(cè)柏混交林進(jìn)行研究后發(fā)現(xiàn),刺槐的存在顯著改變了側(cè)柏植株的養(yǎng)分含量和AM真菌侵染特性。因此,本試驗(yàn)在此研究的基礎(chǔ)之上,以采自草地(對(duì)照)和35 a生刺槐純林地的土壤樣品為菌劑,在盆栽條件下研究不同AM真菌群落對(duì)刺槐和側(cè)柏植株生長(zhǎng)狀況、葉片光合特性以及土壤生物學(xué)特性的影響。研究結(jié)果可為揭示AM真菌群落變異與其功能間的關(guān)系以及“土壤-AM真菌-植物”的內(nèi)在互作機(jī)制提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 供試植物

供試植物為刺槐和側(cè)柏,刺槐和側(cè)柏種子均購(gòu)于陜西省咸陽(yáng)市楊凌金諾有限公司。選擇大小一致的刺槐和側(cè)柏種子,用5%的NaClO表面殺菌10 min,無(wú)菌蒸餾水沖洗5遍,將表面消毒后的刺槐和側(cè)柏種子分別置于皿底鋪有3層濕潤(rùn)濾紙和滅菌濕潤(rùn)河沙的無(wú)菌培養(yǎng)皿中,于28 ℃培養(yǎng)箱中催芽3～5 d,選擇露白一致的種子移入盛有無(wú)菌育苗基質(zhì)的育苗缽中,常規(guī)育苗管理30 d后選擇生長(zhǎng)一致的刺槐和側(cè)柏幼苗,備用。

1.2 供試菌劑

供試菌劑為Sheng 等[23]研究中采集的草地土壤(簡(jiǎn)稱(chēng)草地菌劑)和35 a生刺槐林地土壤(簡(jiǎn)稱(chēng)刺槐菌劑),其土壤性質(zhì)、AM真菌孢子密度及種屬分布特征詳見(jiàn)表1。供試菌劑的采樣地點(diǎn)及采樣方法簡(jiǎn)述如下。

表1 供試菌劑的土壤性質(zhì)、AM真菌的孢子密度及各屬的相對(duì)多度

采樣地點(diǎn):所有供試菌劑均采自陜西省長(zhǎng)武縣中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)武農(nóng)業(yè)生態(tài)試驗(yàn)站的王東溝流域(35°12′N(xiāo),107°40′E)。該流域地處黃土高原丘陵溝壑區(qū),屬暖溫帶半濕潤(rùn)大陸性季風(fēng)氣候,年均降水量584 mm,年均氣溫9.1 ℃,無(wú)霜期平均 171 d,土壤類(lèi)型為黑壚土,母質(zhì)為深厚的中壤質(zhì)馬蘭黃土[25]。

采樣方法:2013年11月,于王東溝流域選擇坡向和坡度相似(陽(yáng)坡,坡度約35°)的草地和35 a生人工刺槐純林樣地各1塊,于各樣地內(nèi)分別設(shè)置3個(gè)20 m × 20 m 的樣方;在各草地樣方內(nèi),采用“S”形布點(diǎn)法在0～20 cm土層范圍內(nèi)采集土樣約1 kg;在各刺槐林地樣方內(nèi),隨機(jī)選擇刺槐5株,每株按東西南北4 個(gè)方位,去除枯枝落葉層后,在0～20 cm 土層范圍內(nèi)采集根圍土約1 kg。

1.3 盆栽基質(zhì)

2014年10月,再于2013年11月設(shè)置的草地樣方內(nèi)采集土壤樣品作為本研究的盆栽基質(zhì);將所有盆栽基質(zhì)過(guò)2 mm篩,高壓濕熱(121 ℃)滅菌2 h,取出放置一周,備用。

1.4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

以刺槐和側(cè)柏作為供試植物,每種供試植物下設(shè)不接種AM真菌的對(duì)照(Non)、接種草地菌劑(GL)和接種刺槐菌劑(CH)3個(gè)處理,每處理重復(fù)6次。接種處理加入菌劑30 g/盆和50 mL菌劑過(guò)濾液,不接種處理施加等量滅菌菌劑和 50 mL菌劑過(guò)濾液。菌劑過(guò)濾液為草地菌劑、刺槐菌劑和水按1∶1∶10的體積比充分混合后利用雙層濾紙過(guò)濾所得;菌劑過(guò)濾液的加入可保證各處理除AM真菌以外的其他微生物區(qū)系基本保持一致。

供試盆缽為150 mm×130 mm×150 mm的塑料盆(使用前先用0.1% KMnO4溶液浸泡2 h后,再用水沖洗、晾干后備用),每盆裝盆栽基質(zhì)2.0 kg,每盆種植刺槐或側(cè)柏幼苗1棵。常規(guī)育苗管理6個(gè)月后,測(cè)定刺槐和側(cè)柏的株高、地徑、地上和地下部干質(zhì)量、葉綠素相對(duì)含量、葉片光合氣體交換參數(shù)、葉綠素?zé)晒鈪?shù)、土壤酶的活性、土壤中球囊酶素的含量、微生物量C、微生物量N以及根系的菌根侵染率。

1.5 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.5.1 株高、地徑和生物量 株高和地徑分別用直尺(cm)和游標(biāo)卡尺(mm)進(jìn)行測(cè)定。

地上和地下部干質(zhì)量的測(cè)定:用自來(lái)水將植株地上(莖和葉)和地下(根系)部沖洗干凈,再用蒸餾水清洗3遍,然后用吸水紙吸干表面水分后迅速放入烘箱110 ℃殺青30 min,再于80 ℃下烘干至恒質(zhì)量,冷卻至室溫后稱(chēng)量。

1.5.2 AM真菌侵染率 參考Phillips等[26]的方法測(cè)定刺槐和側(cè)柏根系的菌絲侵染率、泡囊侵染率和叢枝侵染率。

1.5.3 土壤酶活、微生物量及球囊霉素含量 采用高錳酸鉀滴定法測(cè)定過(guò)氧化氫酶的活性[CAT,mg/(g·min)];采用3,5-二硝基水楊酸(DNS)比色法測(cè)定蔗糖酶的活性[SUC, mg/(mL·h)];采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測(cè)定脲酶的活性[URE,μmol/(m2·s)];采用磷酸苯二鈉比色法測(cè)定堿性磷酸酶的活性[ALP,mg/(mL·h)][27];采用氯仿熏蒸提取法測(cè)定土壤微生物量C(MBC,mg/kg)和微生物量N(MBN,mg/kg)的含量[28];采用Wright等[29]的方法測(cè)定易提取球囊霉素(EEG,mg/g)和總球囊霉素(TG,mg/g)的含量。

1.5.4 葉片光合特性 光合氣體交換參數(shù):利用Li-6400便攜式光合作用測(cè)定系統(tǒng)(Li-Cor, USA)于9:00-11:30測(cè)定刺槐和側(cè)柏自上而下數(shù)第2片完全展開(kāi)葉的凈光合速率[Pn,μmol/(m2·s)]、蒸騰速率[Tr,mmol/(m2·s)]、氣孔導(dǎo)度[Gs,mol/(m2·s)]和胞間CO2濃度[Ci,μmol/mol)]。測(cè)定時(shí)使用6400-02B光源控制光強(qiáng)為1 000 μmol/(m2·s),CO2濃度為400 mol/mol,空氣流速為0.5 dm3/min,葉室溫度為25±1 ℃。每個(gè)測(cè)試點(diǎn)穩(wěn)定2 min后讀數(shù),每個(gè)葉片連續(xù)記錄3次,取平均值[30]。

葉綠素相對(duì)含量:利用CM-1000葉綠素含量測(cè)量?jī)x(Spectrum, USA)測(cè)定刺槐和側(cè)柏葉片的葉綠素相對(duì)含量(SPAD值),其測(cè)定時(shí)間與光合氣體交換參數(shù)的測(cè)定時(shí)間同步。

PSII最大光能轉(zhuǎn)化效率Fv/Fm= (Fm-Fo)/Fm

表觀光合電子傳遞速率ETR = ΦPSII× PAR×0.5×0.84

其中PAR(photosynthetically active radiation)為光合有效輻射。

1.6 統(tǒng)計(jì)分析

采用R語(yǔ)言中的函數(shù)aov和duncan.test對(duì)植物生長(zhǎng)狀況、AM真菌侵染特性、根際土壤特性以及植物葉片光合特征分別進(jìn)行單因素方差分析和多重比較;采用Vegan程序包中的函數(shù)adonis和rda分別進(jìn)行多元方差分析(MANOVA)和主成分分析(PCA)揭示不同菌劑類(lèi)型對(duì)刺槐和側(cè)柏葉片光合特性的影響;采用Vegan程序包中的函數(shù)rda()和varpart()分別進(jìn)行冗余度分析(RDA)和變差分析確定刺槐和側(cè)柏生長(zhǎng)狀況的關(guān)鍵影響因素[34]。

2 結(jié)果與分析

2.1 AM真菌對(duì)刺槐和側(cè)柏生長(zhǎng)狀況的影響

與Non刺槐植株相比,GL對(duì)刺槐植株生長(zhǎng)無(wú)顯著影響,而CH卻顯著降低了刺槐植株的地徑、地上和地下部干質(zhì)量;與Non側(cè)柏植株相比,GL和CH均對(duì)側(cè)柏植株具有顯著的促生作用,且該促生作用在GL和CH處理間無(wú)顯著差異(表2)。由此可知,不同AM真菌對(duì)刺槐和側(cè)柏生長(zhǎng)狀況的影響亦不同。

表2 AM真菌對(duì)刺槐和側(cè)柏生長(zhǎng)狀況的影響

2.2 AM真菌對(duì)刺槐和側(cè)柏根系的侵染狀況

分析結(jié)果表明,刺槐和側(cè)柏根系的菌絲侵染率和泡囊侵染率在GL和CH處理間無(wú)顯著差異,但其叢枝侵染率在GL和CH處理間具有顯著差異(圖1)。相對(duì)而言,GL更利于刺槐根系形成叢枝,而CH則更利于側(cè)柏根系形成叢枝(圖1)。

P<0.001:在0.001水平上差異顯著。NS:差異不顯著。下同

2.3 AM真菌對(duì)刺槐和側(cè)柏根際土壤生物學(xué)特性的影響

研究發(fā)現(xiàn),刺槐根際土中微生物量C、蔗糖酶和堿性磷酸酶活性、易提取球囊霉素和總提取球囊霉素含量在不同處理間無(wú)顯著差異,而微生物量N、過(guò)氧化氫酶和脲酶活性則具有顯著差異。其中,GL和CH的微生物量N顯著高于Non(圖2-A),CH的過(guò)氧化氫酶活性顯著高于GL和Non(圖2-C),Non的脲酶活性顯著高于GL(圖2-E)。

不同字母表示同一樹(shù)種在不同處理間的差異顯著(P<0.05);下同

研究還發(fā)現(xiàn),側(cè)柏根際土中微生物量N、脲酶和堿性磷酸酶活性在不同處理間無(wú)顯著差異,而微生物量C、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性、易提取球囊霉素和總提取球囊霉素含量則具有顯著差異。其中,CH的微生物量C和易提取球囊霉素的含量顯著高于GL和Non(圖2-B和圖2-G),GL的過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶活性顯著高于CH和Non(圖2-C和圖2-D),GL的總提取球囊霉素含量顯著低于CH和Non(圖2-H)。

2.4 AM真菌對(duì)刺槐和側(cè)柏葉片光合特性的影響

多元方差分析(MANOVA)結(jié)果表明,不同處理對(duì)刺槐(F=4.620,P=0.002)和側(cè)柏(F=3.079,P=0.005)葉片光合特性具有顯著影響。利用主成分分析方法(PCA)對(duì)刺槐和側(cè)柏葉片光合特性進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn),刺槐和側(cè)柏的PCA1典型變量值在不同處理間具有顯著差異(P刺槐=0.003,P側(cè)柏=0.006)。其中,CH處理的刺槐葉片光合特性與GL和Non顯著不同(圖3-A);Non處理的側(cè)柏葉片光合特性與CH和GL顯著不同(圖3-B)。

SPAD:葉綠素相對(duì)含量; Pn:凈光合速率; Tr:蒸騰速率; Gs:氣孔導(dǎo)度; Ci:胞間CO2濃度; Fv/Fm:PSII最大光能轉(zhuǎn)化效率; ΦPSII:PSII電子傳遞效率; qP:光化學(xué)猝滅系數(shù); NPQ:非光化學(xué)熒光猝滅系數(shù); qN:非光化學(xué)猝滅系數(shù); ETR:表觀光合電子傳遞速率。下同

方差分析發(fā)現(xiàn),刺槐葉片葉綠素相對(duì)含量、凈光合速率、蒸騰速率、Fv/Fm、ΦPSII、NPQ、qN和 ETR在不同處理間具有顯著差異,而其他光合特性指標(biāo)則無(wú)顯著差異。其中,Non的葉綠素相對(duì)含量顯著低于CH和GL(圖4-A);CH的凈光合速率、蒸騰速率和Fv/Fm最高,Non次之,GL最低(圖4-B、圖4-E和圖4-F);CH的ΦPSII和ETR最高,GL次之,Non最低(圖4-G和圖4-K);Non的NPQ和qN顯著高于CH和GL(圖4-H和圖4-J)。

圖4 AM真菌對(duì)刺槐和側(cè)柏葉片光合特性的影響

方差分析還發(fā)現(xiàn),側(cè)柏葉片的凈光合速率、氣孔導(dǎo)度、胞間CO2濃度和Fv/Fm在不同處理間具有顯著差異,而其他光合特性指標(biāo)則無(wú)顯著差異。其中,GL的凈光合速率和氣孔導(dǎo)度最高,CH次之,Non最低(圖4-B和圖4-C);Non的Fv/Fm顯著低于CH和GL(圖4-F);Non的胞間CO2濃度顯著高于CH和GL(圖4-D)。

2.5 刺槐生長(zhǎng)狀況的關(guān)鍵影響因素

選取受AM真菌處理顯著影響的刺槐植株生長(zhǎng)、菌根侵染、葉片光合特性及土壤生物學(xué)特性指標(biāo)進(jìn)行冗余度分析,分析結(jié)果表明叢枝侵染率、過(guò)氧化氫酶和脲酶活性、凈光合速率、Fv/Fm、ΦPSII和ETR與刺槐植株生長(zhǎng)狀況(地徑、地上和地下部干質(zhì)量)顯著相關(guān)。其中,叢枝侵染率與地下部生物量呈正相關(guān),脲酶活性與地徑和地上部干質(zhì)量呈正相關(guān),Fv/Fm與地下部生物量呈負(fù)相關(guān),ΦPSII、ETR和過(guò)氧化氫酶活性與地徑、地上和地下部生物量呈負(fù)相關(guān)。冗余度分析結(jié)果還表明,CH導(dǎo)致刺槐植株生長(zhǎng)狀況下降主要與其對(duì)刺槐根際土中過(guò)氧化氫酶活性、葉片凈光合速率、葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm、ΦPSII和ETR的提升作用有關(guān)(圖5-A)。

Above:地上部干質(zhì)量; Under:地下部干質(zhì)量; Dia:地徑; Height:株高; CAT:過(guò)氧化氫酶活性; SUC:蔗糖酶活性; URE:脲酶活性; MBC:土壤微生物量C ; MBN:土壤微生物量N; EEG:易提取球囊霉素; TG:總球囊霉素; Arb:叢枝侵染率. ***表示在 0.001 水平下相關(guān)性顯著; ** 表示在 0.01 水平下相關(guān)性顯著;* 表示在 0.05 水平下相關(guān)性顯著;. 表示在 0.1 水平下相關(guān)性顯著

將與刺槐生長(zhǎng)狀況顯著相關(guān)的土壤酶(過(guò)氧化氫酶和脲酶)、菌根侵染狀況(叢枝侵染率)及葉片光合特性指標(biāo)(凈光合速率、Fv/Fm、ΦPSII和ETR)作為解釋變量,利用varpart()變差分析函數(shù)比較土壤酶、菌根侵染狀況及葉片光合特性對(duì)刺槐生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)程度。結(jié)果表明,土壤酶、菌根侵染狀況及葉片光合特性共解釋了55.1%的變差,其中30.8%的變差為葉片光合特性單獨(dú)解釋,這表明刺槐植株生長(zhǎng)狀況的差異可能主要為葉片光合特性的變異所致(圖6-A)。

圖6 AM真菌、土壤性質(zhì)和植株葉片光合特性對(duì)刺槐和側(cè)柏生長(zhǎng)狀況影響的變差分析

2.6 側(cè)柏生長(zhǎng)狀況的關(guān)鍵影響因素

選取受AM真菌處理顯著影響的側(cè)柏植株生長(zhǎng)、菌根侵染、葉片光合特性及土壤生物學(xué)特性指標(biāo)進(jìn)行冗余度分析,分析結(jié)果表明微生物量C、過(guò)氧化氫酶活性、凈光合速率、胞間CO2濃度以及Fv/Fm與側(cè)柏植株生長(zhǎng)狀況(株高、地莖、地上和地下部干質(zhì)量)顯著相關(guān)。其中,側(cè)柏植株各生長(zhǎng)指標(biāo)均與胞間CO2濃度呈負(fù)相關(guān),與微生物量C、過(guò)氧化氫酶活性、凈光合速率和Fv/Fm呈正相關(guān)。冗余度分析結(jié)果還表明,GL和CH顯著促進(jìn)側(cè)柏植株生長(zhǎng)主要與其對(duì)側(cè)柏根際土中微生物量C和過(guò)氧化氫酶活性、葉片光合特性(凈光合速率、胞間CO2濃度、Fv/Fm)的影響有關(guān)(圖5-B)。

將與側(cè)柏生長(zhǎng)狀況顯著相關(guān)的土壤酶(過(guò)氧化氫酶)、微生物量C及葉片光合特性(凈光合速率、胞間CO2濃度和Fv/Fm)指標(biāo)作為解釋變量,利用varpart()變差分析函數(shù)比較土壤酶、微生物量C及葉片光合特性對(duì)側(cè)柏生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)程度。結(jié)果表明,土壤酶、微生物量C及葉片光合特性共解釋了61.3%的變差,其中葉片光合特性單獨(dú)解釋或與土壤酶、微生物量C共同解釋的變差為52.6%,這表明側(cè)柏葉片光合特性的變化可能是其植株生長(zhǎng)狀況差異的主導(dǎo)因素(圖6-B)。

3 討 論

3.1 不同AM真菌對(duì)刺槐和側(cè)柏根系的侵染 能力

已有研究表明AM真菌的種屬類(lèi)別會(huì)對(duì)根系侵染特性產(chǎn)生不同影響[35]。本研究發(fā)現(xiàn),刺槐和側(cè)柏根系的叢枝侵染率在GL和CH處理間具有顯著差異,而其菌絲侵染率和泡囊侵染率則無(wú)顯著差異,這可能與草地菌劑和刺槐菌劑中AM真菌的種屬組成有關(guān)。Knegt等[36]研究發(fā)現(xiàn)Rhizophagus侵染能力較強(qiáng)且能在宿主根內(nèi)形成大量的菌絲和泡囊結(jié)構(gòu)。而本文前期研究結(jié)果表明,草地菌劑和刺槐菌劑中Rhizophagus的相對(duì)豐度較高且二者間無(wú)顯著差異(表1)[23]。因此Rhizophagus在草地菌劑和刺槐菌劑中分布的相似性可能是菌根化刺槐和側(cè)柏根內(nèi)菌絲和泡囊生長(zhǎng)狀況趨于一致的主要原因[37]。

Li 等[38]研究還發(fā)現(xiàn)Funneliformis可在刺槐根內(nèi)形成大量的叢枝結(jié)構(gòu)。本文前期研究結(jié)果表明,草地菌劑中Funneliformis的相對(duì)豐度顯著高于刺槐菌劑[23]。草地菌劑中相對(duì)豐富的Funneliformis可能是菌根化刺槐根內(nèi)叢枝侵染率較高的主要原因。然而,對(duì)側(cè)柏而言,接種草地菌劑并未促進(jìn)其根內(nèi)叢枝的形成,究其原因可能與AM真菌的宿主特異性有關(guān)[39]。

3.2 不同AM真菌對(duì)刺槐和側(cè)柏根際土壤生物學(xué)特性的影響

土壤微生物量可在一定程度上反映土壤微生物的數(shù)量、活性與功能[40]。本研究發(fā)現(xiàn),在刺槐根際接種草地菌劑或刺槐菌劑均可顯著增加根際土中微生物量N,這可能是因?yàn)榇袒睂?duì)固氮微生物的富集作用和AM真菌對(duì)根瘤菌等根際微生物的促生作用使得土壤中微生物量N增加導(dǎo)致的[41]。而在側(cè)柏根際僅接種刺槐菌劑可顯著增加根際土中微生物量C。對(duì)于側(cè)柏來(lái)說(shuō),草地菌劑或刺槐菌劑中的固氮微生物無(wú)法與側(cè)柏根系作用形成根瘤,AM真菌成為影響側(cè)柏生長(zhǎng)的主要微生物,因此本研究中側(cè)柏根際土壤微生物量N并未出現(xiàn)差異。研究中供試菌劑的AM真菌孢子密度為刺槐菌劑高于草地菌劑(表1),所以作為表征微生物數(shù)量的微生物量C其變化趨勢(shì)與AM真菌孢子密度變化趨勢(shì)相同,均為刺槐菌劑最大。

已有研究結(jié)果表明,AM真菌可顯著影響宿主植物根際土中脲酶、過(guò)氧化氫酶和蔗糖酶的活性[42]。在土壤生態(tài)系統(tǒng)中,脲酶可將有機(jī)氮分解為無(wú)機(jī)氮供植物吸收利用,其活性的強(qiáng)弱常用于表征土壤氮素營(yíng)養(yǎng)狀況、土壤生產(chǎn)力及土壤質(zhì)量等[43]。一些研究發(fā)現(xiàn),接種Glomusmosseae或G.constrictum可顯著增加刺槐根際土中脲酶的活性[44],而本研究卻發(fā)現(xiàn)接種草地菌劑和刺槐菌劑均未顯著增加刺槐或側(cè)柏根際土中脲酶的活性。對(duì)于固氮植物刺槐來(lái)說(shuō),不接菌劑的處理中不存在AM真菌與固氮微生物共生提高土壤氮素這一途徑,刺槐只能通過(guò)提高土壤中的脲酶活性來(lái)增加土壤氮素從而滿(mǎn)足刺槐的生長(zhǎng)發(fā)育,這可能是導(dǎo)致本研究中接種不同菌劑均未顯著增加刺槐根際土中脲酶活性的主要原因。而非固氮植物側(cè)柏對(duì)于氮素需求量少,脲酶活性也隨之降低,因此在不同處理下的側(cè)柏根際土中脲酶活性并未出現(xiàn)顯著差異。過(guò)氧化氫酶可分解細(xì)胞產(chǎn)生的過(guò)氧化氫進(jìn)而保護(hù)土壤微生物活細(xì)胞免受氧化脅迫,其活性的強(qiáng)弱可表征土壤肥力狀況和土壤總的生物學(xué)活性[45]。已有研究表明接種AM真菌可提高植物根際土中過(guò)氧化氫酶的活性[46]。本研究亦發(fā)現(xiàn)在刺槐根際接種刺槐菌劑或在側(cè)柏根際接種草地菌劑可顯著增加過(guò)氧化氫酶的活性,過(guò)氧化氫酶活性的增加可在一定程度上緩解過(guò)氧化氫對(duì)土壤微生物和根系的毒害作用。蔗糖酶可分解土壤有機(jī)碳供植物和土壤微生物吸收利用[47-48]。本研究結(jié)果表明,在側(cè)柏根際接種草地菌劑可顯著增加蔗糖酶的活性,該酶活性的增加可加速側(cè)柏根際有機(jī)碳的循環(huán)與利用,為側(cè)柏生長(zhǎng)提供碳源。綜上,草地菌劑和刺槐菌劑對(duì)刺槐和側(cè)柏根際土壤酶的活性均具有一定的影響,但其影響程度與宿主植物種類(lèi)和AM真菌特性 有關(guān)。

球囊霉素是一種含金屬離子的糖蛋白,主要存在于AM真菌菌絲體和孢子壁中[49],其常被認(rèn)作是AM真菌對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境調(diào)整與適應(yīng)的一種積極應(yīng)答機(jī)制[50-51]。多數(shù)研究認(rèn)為土壤中球囊霉素含量與AM 真菌種類(lèi)及生長(zhǎng)發(fā)育水平有關(guān)[52]。本研究發(fā)現(xiàn),與不接種處理相比,接種刺槐菌劑可顯著提高側(cè)柏根際土中易提取球囊霉素的含量,球囊霉素含量的增加可能對(duì)維持側(cè)柏根際土中有機(jī)碳平衡和土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性具有積極作用[53]。

3.3 AM真菌對(duì)刺槐和側(cè)柏葉片光合特性的影響

已有研究表明,接種AM真菌在提升宿主植物葉片光合能力中發(fā)揮著重要作用[54]。葉綠素是植物葉片光合作用的載體,其相對(duì)含量可表征植株養(yǎng)分狀況及葉片的光合能力[55];光合氣體交換參數(shù)(凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導(dǎo)度和胞間CO2濃度)可直接反映植株葉片的光合速率,葉綠素?zé)晒鈪?shù)(Fv/Fm、ΦPSII、ETR、NPQ和qN)則可為解釋光合速率的變化提供依據(jù)[56]。具體而言,Fv/Fm表示光合中心吸收利用光能的最大效率,反應(yīng)植物潛在的最大光合能力[57];ΦPSII反應(yīng)實(shí)際光能轉(zhuǎn)換效率,表征植物在穩(wěn)態(tài)下的實(shí)際光合能力[58];ETR表示傳遞能量的效率與利用率[59];NPQ和qN 為 PSⅡ天線(xiàn)色素吸收的不能用于光合電子傳遞而以熱形式耗散的光能部分[60]。本研究結(jié)果表明,對(duì)刺槐植株而言,接種刺槐菌劑提高了刺槐葉片葉綠素相對(duì)含量、凈光合速率、蒸騰速率、Fv/Fm、ΦPSII和ETR,降低了葉片NPQ和qN,這一結(jié)果表明刺槐菌劑可能主要通過(guò)調(diào)節(jié)刺槐葉片的光合速率、PSII反應(yīng)中心的反應(yīng)速率和能量利用效率、光能的熱耗散等來(lái)影響植株葉片的光合能力;對(duì)側(cè)柏植株而言,接種草地菌劑和刺槐菌劑均能顯著提高側(cè)柏葉片凈光合速率和Fv/Fm,降低葉片胞間CO2濃度,這一結(jié)果表明草地菌劑和刺槐菌劑可能主要通過(guò)調(diào)節(jié)側(cè)柏葉片光合速率、光合中心吸收利用光能的效率及胞間CO2濃度來(lái)影響其葉片的光合能力。綜上可知,刺槐菌劑和草地菌劑對(duì)刺槐和側(cè)柏葉片光合能力均具有一定的影響,但其影響程度在不同菌劑間存在差異,究其原因可能與不同菌劑中AM真菌種屬組成有關(guān)。

3.4 刺槐和側(cè)柏生長(zhǎng)狀況的影響因素

土壤-植物-微生物互作是維持林地生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能的主要驅(qū)動(dòng)力之一[61]。陳雪冬等[62]研究發(fā)現(xiàn)AM真菌-土壤-植物三者共同決定了黃土高原人工刺槐林的生長(zhǎng)狀況。本研究的冗余度分析結(jié)果表明,刺槐植株生長(zhǎng)狀況(地徑、地上和地下部干質(zhì)量)與叢枝侵染率、過(guò)氧化氫酶和脲酶活性、凈光合速率、Fv/Fm、ΦPSII和ETR等因素有關(guān),側(cè)柏植株生長(zhǎng)狀況(株高、地莖、地上和地下部干質(zhì)量)與微生物量C、過(guò)氧化氫酶活性、凈光合速率、胞間CO2濃度以及Fv/Fm等因素有關(guān);變差分析結(jié)果進(jìn)一步表明刺槐和側(cè)柏植株生長(zhǎng)狀況發(fā)生的變異均主要為其葉片的光合能力發(fā)生變異所致。

光合產(chǎn)物是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要物質(zhì)基礎(chǔ),光合作用的強(qiáng)弱可直接影響植物形態(tài)的建成[63-64]。已有研究發(fā)現(xiàn),AM真菌作為廣泛存在的土壤微生物對(duì)植物光合作用具有顯著影響[65]。接種AM真菌能夠顯著提高植物葉片葉綠素的相對(duì)含量[66]、葉片光合氣體交換參數(shù)凈光合速率、蒸騰速率和氣孔導(dǎo)度[67]以及葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)Fv/Fm、ΦPSII和ETR[68-69];同時(shí)可以降低胞間CO2濃度[70]以及葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)NPQ和qN[71]等。如前所述,本研究中也發(fā)現(xiàn)草地菌劑和刺槐菌劑對(duì)刺槐和側(cè)柏葉片光合能力具有顯著影響,且其影響程度在不同菌劑間存在顯著差異,這一差異可能為菌根化刺槐和側(cè)柏植株形態(tài)建成及生長(zhǎng)狀況發(fā)生變化的主導(dǎo)因素。

4 結(jié) 論

黃土高原草地和刺槐根際AM真菌的侵染能力及其對(duì)刺槐和側(cè)柏生長(zhǎng)狀況、根際土壤生物學(xué)特性和葉片光合特性的影響均存在一定差異。AM真菌主要通過(guò)影響刺槐和側(cè)柏的光合特性進(jìn)一步導(dǎo)致植物生長(zhǎng)出現(xiàn)了差異。就植物生長(zhǎng)而言,草地AM真菌可促進(jìn)側(cè)柏生長(zhǎng),而對(duì)刺槐生長(zhǎng)無(wú)顯著影響;刺槐根際AM真菌可促進(jìn)側(cè)柏生長(zhǎng),而對(duì)刺槐生長(zhǎng)則具有顯著的抑制效應(yīng)。這一結(jié)果表明草地和刺槐根際AM真菌群落差異以致其對(duì)宿主植物的促生功能發(fā)生了改變,且該促生功能的改變與宿主植物種類(lèi)有關(guān)。綜上可知,在黃土高原造林及刺槐純林改造中做到“適地-適菌-適樹(shù)”方能最大限度地發(fā)揮AM真菌的 功能。