孫鵬飛,程瑞梅,2,*,肖文發(fā),2,沈雅飛,2,曾立雄,王麗君,陳 天,張 萌,邢紅爽

1 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)和草原局森林生態(tài)環(huán)境重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100091 2 南京林業(yè)大學(xué)南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心, 南京 210037

隨著人類活動(dòng)產(chǎn)生的活性氮化合物的過(guò)度排放使大氣氮沉降日益加劇,其對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的影響也成為目前全球環(huán)境質(zhì)量和氣候變化中熱議的話題[1—2]。作為最大的發(fā)展中國(guó)家,我國(guó)為全球三個(gè)高氮沉降熱點(diǎn)區(qū)域之一,雖然氮沉降量的變化趨勢(shì)由快速增長(zhǎng)變?yōu)橼呌诜€(wěn)定,但是總量仍然處于較高水平[3]。大氣氮沉降直接或間接影響植物生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)元素吸收及分配過(guò)程[4]。植物從土壤中汲取營(yíng)養(yǎng)維持和促進(jìn)自身的生長(zhǎng)發(fā)育,而諸多功能、含量和分布各異的營(yíng)養(yǎng)元素對(duì)植物的生命活動(dòng)也起到至關(guān)重要的作用[5—6]。土壤中氮含量的高低會(huì)影響植物對(duì)氮的吸收和同化能力,并影響氮在植物體內(nèi)運(yùn)輸?shù)牟町?同時(shí)也會(huì)影響植物對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)元素的吸收和利用[7]。向日葵(Helianthusannuus)、百日草(Zinniaelegans)、雞冠花(Celosiacristata)和波斯菊(Cosmosbipinnatus)在不同施氮濃度處理后,葉片氮含量均隨施氮濃度的升高而升高,但施氮對(duì)4種植物其他營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響卻不同,增加了向日葵錳(Mn)、鐵(Fe)和鋅(Zn)含量,增加了百日草硫(S)和Mn含量,增加了雞冠花鈣(Ca)、鎂(Mg)、Fe和Mn含量。Yan等研究了施氮對(duì)擬南芥(Arabidopsisthaliana)生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)吸收的影響,發(fā)現(xiàn)施氮增加了擬南芥葉片氮含量,降低磷含量,從而增加光合固碳的量,促進(jìn)植物生長(zhǎng)[8]。在一定施氮范圍內(nèi)有利于植物對(duì)其他營(yíng)養(yǎng)元素的吸收利用,而過(guò)量施氮?jiǎng)t會(huì)導(dǎo)致植物營(yíng)養(yǎng)失衡,對(duì)植物產(chǎn)生負(fù)面影響。

外生菌根真菌(EMF)可以與大多數(shù)植物形成共生關(guān)系,共生后產(chǎn)生的真菌菌絲體能夠緊密地包裹植物幼根形成菌套,菌套能繼續(xù)長(zhǎng)出菌絲取代根毛延伸到土壤中形成根外菌絲體[9]。EMF具有促進(jìn)宿主植物生長(zhǎng)和營(yíng)養(yǎng)吸收、提高植物抵抗生物和非生物逆境的能力[10—11]。Wen等發(fā)現(xiàn),接種EMF的黑松(Pinusthunbergii)的氮、磷、鉀含量顯著高于未接種植株[12]。Wang等研究發(fā)現(xiàn),接種 EMF 可以提高杉木(Cunninghamialanceolata)氮(N)、磷(P)含量,從而促進(jìn)植株的光合作用和生長(zhǎng)狀況[13]。Arteaga-León研究了接種 EMF 對(duì)樟子松(Pinusayacahuite)營(yíng)養(yǎng)元素含量的影響,發(fā)現(xiàn)與未接種對(duì)照相比,接種EMF提高了N、P、Mn、Fe含量[14]?？梢?jiàn),不同的植物和 EMF 組合、不同的生長(zhǎng)環(huán)境,都能引起試驗(yàn)結(jié)果的差異。

中國(guó)是世界上擁有最大人工林的國(guó)家,植樹(shù)造林已成為調(diào)節(jié)氣候、減少二氧化碳排放[15],實(shí)現(xiàn)我國(guó)2030碳達(dá)峰和2060碳中和目標(biāo)的關(guān)鍵。馬尾松(Pinusmassoniana)作為中國(guó)南方造林先鋒樹(shù)種[16],是典型的外生菌根樹(shù)種,關(guān)于其與外生菌根共生關(guān)系的研究開(kāi)展的較早。早在1989年,陳連慶就對(duì)馬尾松共生菌根進(jìn)行了調(diào)查與鑒定,發(fā)現(xiàn)共有27種外生真菌能夠與其共生[17],其中彩色豆馬勃(Pisolithustinctorius,Pt)與厚環(huán)乳牛肝菌(Suillusgrevillei,Sg)是馬尾松典型的優(yōu)良共生菌劑[18]。陳展研究發(fā)現(xiàn)接種彩色豆馬勃能夠降低馬尾松針葉的N含量,增加了P、鉀(K)、Ca、Mg的含量,有利于植株針葉營(yíng)養(yǎng)元素的積累和營(yíng)養(yǎng)平衡[19]。于浩等發(fā)現(xiàn)強(qiáng)酸雨處理下接種外生菌根真菌能夠提高馬尾松幼苗根系中的N、P、Ca、Mg的含量,說(shuō)明接種EMF在一定程度上可以緩解脅迫對(duì)馬尾松幼苗養(yǎng)分元素的不利影響[20]。本研究以馬尾松幼苗為試驗(yàn)材料,分析施氮和接種 EMF 對(duì)馬尾松大量元素和微量元素含量的影響,旨在從植物營(yíng)養(yǎng)的角度探討 EMF 對(duì)馬尾松生長(zhǎng)的影響機(jī)制,并從氮素供應(yīng)不足到氮素供應(yīng)過(guò)剩的范圍內(nèi)評(píng)估接種EMF對(duì)馬尾松幼苗營(yíng)養(yǎng)元素吸收能力的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試菌種為厚環(huán)乳牛肝菌Suillusgrevillei(簡(jiǎn)稱Sg)和彩色豆馬勃Pisolithustinctorius(簡(jiǎn)稱Pt),由中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院森林生態(tài)環(huán)境與自然保護(hù)研究所微生物保藏管理中提供。將冷凍干燥菌種恢復(fù)活化后接入搖臂發(fā)酵罐內(nèi)震蕩培養(yǎng)30 d,生長(zhǎng)旺盛后作為菌劑備用。

供試植物為1年生馬尾松幼苗,由湖南省林業(yè)技術(shù)推廣站提供。盆栽土壤在高溫蒸汽滅菌鍋(121.3 ℃,103.4 kPa)連續(xù)滅菌30 min后備用。塑料花盆規(guī)格為20 cm×15 cm,用95%乙醇擦干后晾干,每盆裝土3 kg,土壤理化性質(zhì)為:全氮為1.01 g/kg,全磷為0.54 g/kg,全鉀為1.53 g/kg速效氮為47.28 mg/kg,速效磷為8.97 mg/kg,速效鉀為90.17 mg/kg,有機(jī)質(zhì)為13.97 g/kg,pH為5.97。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2021年1月—2021年11月在湖北秭歸三峽庫(kù)區(qū)森林生態(tài)系統(tǒng)國(guó)家定位觀測(cè)研究站進(jìn)行,其地理位置為北緯30°38′14″—31°11′31″N,東經(jīng)110°0′04″—110°18′41″E,該區(qū)針葉林以馬尾松為主,總面積和總蓄積量占比高達(dá)48.8%和64.2%[20],氮沉降量為30 kg N hm-2a-1[21]。采用雙因素隨機(jī)區(qū)組試驗(yàn)設(shè)計(jì),因素一為接種處理,分別為Sg、Pt和對(duì)照(CK);因素二為施氮處理,根據(jù)該地區(qū)大氣年氮沉降量分為四個(gè)水平:0 kg N hm-2a-1,正常沉降30 kg N hm-2a-1,中度沉降60 kg N hm-2a-1,重度沉降90 kg N hm-2a-1,共12個(gè)處理,每個(gè)處理100盆,共1200盆。選取長(zhǎng)勢(shì)一致的馬尾松幼苗,盆栽前使用70%(v/v)酒精消毒15 s,然后使用蒸餾水沖洗干凈,接種時(shí)在基質(zhì)上打3個(gè)“品”字形小孔,每個(gè)孔用注射器注入5 mL的菌液,在孔口用土壓實(shí),對(duì)照接入5 mL滅活的菌液。每隔2周移動(dòng)1次苗木,以減小邊際效應(yīng)。在施氮處理前,幼苗生長(zhǎng)3個(gè)月,以保證幼苗與EMF形成共生關(guān)系,之后每月進(jìn)行一次施氮處理,將 NH4NO3溶解在1 L蒸餾水中,用噴霧器對(duì)馬尾松幼苗全株及土壤進(jìn)行噴施,每次分別施0(N0),0.714(N30), 1.428(N60), 2.143(N90) g/L硝酸銨溶液。

1.3 試驗(yàn)方法

碳含量的測(cè)定

將烘干的葉片樣品研磨成細(xì)粉,過(guò)200目篩。精確稱取4 mg樣品,使用 Liqui TOCII分析儀(Elementar,德國(guó))在固體模式下對(duì)葉片碳含量進(jìn)行測(cè)定[22]。

氮、磷含量的測(cè)定

將烘干的葉和根的樣品分別研磨成細(xì)粉,利用凱氏定氮儀(KjeltecTM 8400 Analyzer Unit,FOSS-Tecator,赫格納斯,瑞典)測(cè)定全氮、全磷的含量[23]。鉀、鈣、鎂、鐵、錳、銅和鋅含量的測(cè)定使用原子吸收分光光度計(jì)(Hitachi Z-2000, 東京, 日本)測(cè)定鉀、鈣、鎂、鐵、錳、 銅和鋅的含量[24]。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用 SPSS 17.0進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。采用單因素和Duncan法進(jìn)行方差分析和多重比較(α=0.05),用Pearson法對(duì)理化性狀和馬尾松元素含量進(jìn)行相關(guān)分析。利用Excel 2003軟件作圖。圖表中數(shù)據(jù)為平均值±標(biāo)準(zhǔn)差。

2 結(jié)果與分析

2.1 施氮及接種 EMF 對(duì)馬尾松葉片和根系碳含量的影響

由圖1 可知,不同處理下馬尾松幼苗葉片碳含量隨施氮濃度升高先增加后降低,N60時(shí)達(dá)到最大值。在N0和N30時(shí)接種Sg的植株葉片碳含量高于接種Pt,與對(duì)照相比分別提高:24.11 g/kg、11.22 g/kg;7.76 g/kg、4.79 g/kg。在N60和N90時(shí)接種Pt的植株葉片碳含量高于接種Sg,與對(duì)照相比分別提高:24.38 g/kg、15.98 g/kg;31.92 g/kg、16.30 g/kg。未接種植株的葉片碳含量比在N90時(shí)比不施氮的未接種對(duì)照降低了7.99 g/kg。接種EMF的馬尾松根系碳含量高于未接種植株,N60接種Pt根系碳含量最高。雙因素方差分析表明(表1),接種處理對(duì)葉片和根系碳含量影響顯著(P<0.05),施氮處理及二者交互作用對(duì)葉片和根系碳含量影響不顯著(P>0.05)。

表1 施氮處理、接種處理及兩者的交互作用對(duì)馬尾松幼苗各項(xiàng)指標(biāo)的影響Table 1 Effects of nitrogen treatment (N), EMF treatment (EMF), and N × EMF on the parameters of Pinus massoniana seedlings

圖1 施氮及接種外生菌根真菌(EMF)對(duì)葉片和根系碳含量的影響Fig.1 Effects of N fertilization and exogenous EMF inoculation on leaf and root C concentration of Pinus massoniana seedlings數(shù)值為均值±標(biāo)準(zhǔn)差(n=6);不同的字母表示兩者之間在 P<0.05的水平下差異不顯著(Duncan′s test)

2.2 施氮及接種 EMF 對(duì)馬尾松葉片大量元素含量的影響

由表2可知,施氮處理顯著提高了馬尾松幼苗葉片的N含量,與對(duì)照(N0)相比,N30、N60和N90處理均顯著增加植株葉片N含量。接種EMF植株的N含量均顯著高于未接種植株,且隨施氮濃度升高而升高,N90時(shí),接種Sg和Pt的N含量與對(duì)照相比分別提高了112.6%和138.6%,CK提高了95.5%。

表2 施氮與接種外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗葉片大量元素的影響Table 2 Effects of nitrogen application and inoculating ectomycorrhizal fungi on concentrations of micronutrients in the leaves of Pinus massoniana seedlings

不同處理下馬尾松幼苗葉片P含量隨施氮濃度升高呈先增加后降低的趨勢(shì)(表2),接種與未接種植株均在N60時(shí)達(dá)到最大值,接種Sg和Pt的植株葉片P含量比不施氮未接種對(duì)照分別提高了166.3%、132.9%,未接種植株僅提高了24.2%,可見(jiàn)接種EMF的馬尾松葉片P含量降低程度小于未接種植株。

接種EMF和未接種馬尾松幼苗葉片K和Mg含量有相似的變化規(guī)律,隨施氮濃度升高而降低,但接種EMF的植株K和Mg含量均高于未接種植株。接種Sg的馬尾松幼苗葉片Ca含量在N0時(shí)出現(xiàn)最大值,Pt和CK在N60時(shí)出現(xiàn)最大值(表2)。

雙因素方差分析表明(表1),接種處理對(duì)馬尾松幼苗葉片N、P、K、Ca的影響極顯著(P<0.01),施氮處理對(duì)馬尾松幼苗葉片N、P、Mg的影響極顯著(P<0.01),二者交互作用只對(duì)葉片N含量有極顯著影響(P<0.01)。

2.3 施氮及接種 EMF 對(duì)馬尾松葉片微量元素含量的影響

接種EMF的馬尾松幼苗葉片F(xiàn)e含量隨施氮濃度升高先降低后升高,N60時(shí)達(dá)到最高,之后又降低(表3),且在同一施氮濃度下均高于未接種植株。未接種植株接種Fe含量隨施氮濃度升高先降低后升高,在N60時(shí)出現(xiàn)最小值,而接種EMF植株在N60時(shí)出現(xiàn)最大值,接種Sg、Pt分別比對(duì)照提高73.27%和48.99%。

表3 施氮與接種外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗葉片微量元素的影響Table 3 Effects of nitrogen application and inoculating ectomycorrhizal fungi on concentrations of macronutrients in the leaves of Pinus massoniana seedlings

接種EMF的馬尾松幼苗葉片Mn含量隨施氮濃度升高先降低后升高,N60時(shí)出現(xiàn)最小值(表3)。未接種植株葉片Mn含量隨施氮濃度升高先升高后降低,在N60時(shí)出現(xiàn)最大值。在N0、N30、N60和N90時(shí),接種EMF的植株葉片Mn含量均高于未接種植株。

隨施氮濃度升高,接種EMF與未接種馬尾松幼苗葉片銅(Cu)含量均呈先降低后升高再降低的趨勢(shì)(表3)。N0、N30時(shí)接種EMF植株葉片Cu含量低于未接種植株,N60、N90時(shí)接種EMF植株葉片Cu含量高于未接種植株。

隨施氮濃度升高,接種EMF的馬尾松幼苗葉片鋅(Zn)含量均呈先降低后升高的趨勢(shì),不同的是接種Sg的植株葉片Zn含量最小值出現(xiàn)在N60時(shí),而Pt出現(xiàn)在N30。未接種植株葉片Zn含量隨施氮濃度升高而升高,在0—90 四個(gè)施氮濃度,接種Sg的植株葉片Zn含量均高于未接種植株(表3)。

雙因素方差分析表明(表1),接種處理對(duì)馬尾松幼苗葉片F(xiàn)e、Mn的影響極顯著(P<0.01),施氮處理對(duì)Fe的影響極顯著(P<0.01),對(duì)Cu的影響顯著(P<0.05),二者交互作用對(duì)葉片F(xiàn)e、Mn含量有顯著影響(P<0.05)。

2.4 施氮及接種 EMF 對(duì)馬尾松根系大量元素含量的影響

施氮處理顯著提高了馬尾松幼苗根系的N含量(表4),與對(duì)照(N0)相比,N30、N60和N90處理均顯著增加植株根系N含量。接種EMF植株的N含量均顯著高于未接種植株,且呈隨施氮濃度升高而升高的趨勢(shì),在N30、N60和N90三個(gè)施氮濃度下,接種Pt的馬尾松根系N含量高于接種Sg,與對(duì)照相比二者分別提高了24.8%、23.9%(N30),53.6%、37.2%(N60),73.1%、71.6%(N90)。

表4 施氮與接種外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗根系大量元素的影響Table 4 Effects of nitrogen application and inoculating ectomycorrhizal fungi on concentrations of micronutrients in the roots of Pinus massoniana seedlings

接種EMF的馬尾松幼苗根系P含量隨施氮濃度升高先降低后升高,在N60時(shí)達(dá)到最大值后又下降(表4),且接種EMF的植株根系P含量顯著高于未接種植株,N60時(shí),接種Sg和Pt的植株根系P含量比不施氮未接種對(duì)照分別提高了40.8%、38.5%。

接種EMF和未接種馬尾松幼苗根系K、Ca、Mg含量均隨施氮濃度升高而降低,但同一施氮濃度下,接種EMF的植株K、Ca、Mg含量含量均高于未接種植株。(表4)。

雙因素方差分析表明(表1),接種處理對(duì)馬尾松幼苗根系N、P、K、Ca的影響極顯著(P<0.01),對(duì)Mg影響顯著(P<0.05),施氮處理對(duì)馬尾松根系大量元素均有極顯著影響(P<0.01),二者交互作用對(duì)葉片N、K含量有顯著影響(P<0.05)。

2.5 施氮及接種 EMF 對(duì)馬尾松根系微量元素含量的影響

接種EMF與未接種的馬尾松幼苗根系Fe含量隨施氮濃度升高先降低后升高,N60時(shí)達(dá)到最高,之后又降低,且在同一施氮濃度下均高于未接種植株(表5)。N60時(shí),接種Sg與Pt的植株根系Fe含量與對(duì)照相比提高26.6%和28.4%。

表5 施氮與接種外生菌根真菌對(duì)馬尾松幼苗根系微量元素的影響Table 5 Effects of nitrogen application and inoculating ectomycorrhizal fungi on concentrations of macronutrients in the roots of Pinus massoniana seedlings

接種EMF與未接種的馬尾松幼苗根系Mn含量隨施氮濃度升高先降低再升高后趨于穩(wěn)定,N30時(shí)出現(xiàn)最小值(表5)。在N0、N30、N60和N90時(shí),接種EMF的植株葉片Mn含量均高于未接種植株。

接種兩種EMF的馬尾松幼苗根系Cu含量在N0、N30時(shí)均高于未接種植株,而在N60時(shí)接種Sg的植株Cu含量低于未接種植株,N90時(shí)兩種EMF植株根系Cu含量均低于未接種植株,分別降低了6.2%和3.9%。

隨施氮濃度升高,接種EMF與未接種的馬尾松幼苗根系Zn含量均呈先降低后升高再降低的趨勢(shì),不同的是接種Sg的植株根系Zn含量最大值和最小值分別出現(xiàn)在N60和N30時(shí),而Pt出現(xiàn)在N0和N60,CK出現(xiàn)在N0和N30。(表5)。

雙因素方差分析表明(表1),接種處理和施氮處理對(duì)馬尾松幼苗根系Fe、Mn的影響極顯著(P<0.01),對(duì)Zn的影響顯著(P<0.05),二者交互作用對(duì)根系Fe和Cu含量有顯著影響(P<0.05)。

3 討論

EMF能夠與宿主植物根系共生,形成菌絲體取代根毛吸收營(yíng)養(yǎng)物質(zhì),影響植物根系和地上部營(yíng)養(yǎng)元素的含量與分布,進(jìn)而影響植物的生長(zhǎng)光合狀況和生理生活特征[46]。接種EMF已被證明可以促進(jìn)馬尾松幼苗的生長(zhǎng)和養(yǎng)分的吸收和利用[47—48],本研究中,不同施氮濃度下,接種EMF均提高了馬尾松幼苗地上部和地下部大量元素和微量元素的含量。植物生長(zhǎng)良好時(shí),N元素在植物體內(nèi)與其他元素的比值需維持在適宜范圍,超出這一范圍則會(huì)使植物營(yíng)養(yǎng)失衡,對(duì)植物生長(zhǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響,這也是氮沉降造成植物生產(chǎn)力下降的主要原因之一[49]。而EMF能夠通過(guò)擴(kuò)大宿主植物根系吸收面積獲取更多的養(yǎng)分促進(jìn)自身及宿主植物的生長(zhǎng)[50],在土壤養(yǎng)分含量較低導(dǎo)致樹(shù)木生長(zhǎng)受限時(shí),EMF可通過(guò)與樹(shù)木根系共生后形成的更多菌絲體來(lái)幫助樹(shù)木獲得限制生長(zhǎng)的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(如碳、氮和磷等),從而提高宿主植物光合碳同化能力[51—52],而在菌根菌絲體豐富的土壤中,菌根共生的植物可以從短暫和階段性獲取的有機(jī)物中獲得營(yíng)養(yǎng),且與菌根真菌共生的喬木和灌木具有較高的胞外酶活性,因此能夠迅速吸收利用養(yǎng)分,與未共生的植物相比,在低養(yǎng)分狀況的土壤中更容易且更多的獲得的養(yǎng)分[53]。

以往研究發(fā)現(xiàn),施氮能夠提高馬尾松幼苗的N吸收量,促進(jìn)C的固定從而使植物光合作用增加而提高自身的生物量,進(jìn)一步提高了P和K的吸收[54],接種EMF后,黑松幼苗的生物量增加,而寄主植物生長(zhǎng)狀況的改善可以通過(guò)接種EMF后增加了礦質(zhì)養(yǎng)分,特別是N和P的含量來(lái)解釋[55]。本研究結(jié)果顯示,不同施氮濃度下接種EMF的馬尾松幼苗地上部和地下部分N、P、K均顯著高于未接種植株,這是因?yàn)镋MF不但能夠提高馬尾松根系對(duì)土壤中無(wú)機(jī)氮的吸收與利用,而且還能使土壤中的有機(jī)氮礦化,進(jìn)而被植物吸收利用,而EMF釋放到土壤中的有機(jī)酸利于活化土壤中的無(wú)效鉀,且菌根對(duì)K+的根系吸收速率顯著高于未形成菌根的植物根系,EMF與植物共生后形成的眾多菌絲體還能分泌磷酸酶、有機(jī)酸等物質(zhì)使土壤中難以被植物吸收利用的難溶性P解析為容易被吸收利用的有效P[56—57]。

4 結(jié)論

本研究中,馬尾松幼苗地上部和地下部的營(yíng)養(yǎng)元素含量在施氮和接種EMF的影響下發(fā)生了一定的改變,通過(guò)對(duì)不同濃度氮添加下接種EMF的馬尾松營(yíng)養(yǎng)元素含量的研究表明:氮添加改變了馬尾松大量元素和微量元素地上地下含量,增加了馬尾松葉片C、P、Mn含量,降低了K、Ca、Mg和根系C及微量元素的含量,在中度氮沉降即施氮量為60 kg N hm-2a-1時(shí)達(dá)到臨界值,馬尾松幼苗P、Ca、Fe、Mn等元素均在N60時(shí)出現(xiàn)峰值,而在同一施氮濃度下,接種EMF后能夠提高大多數(shù)元素的含量,這為未來(lái)氣候變化情景中氮沉降增加下接種EMF可以調(diào)節(jié)植物元素含量,從而使植物達(dá)到更適應(yīng)環(huán)境的元素平衡來(lái)促進(jìn)自身生長(zhǎng)提供理論依據(jù)。