不同海拔高度對藏北高寒草甸叢枝菌根真菌的影響

趙飛+蔡曉布

摘要：藏北高寒草甸地區不同海拔高度對叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）影響的研究結果表明，海拔高度不僅在一定范圍內與 AMF孢子密度呈負相關，而且對菌絲密度、侵染率的影響均是在一定范圍內先升高后降低，在中間海拔出現最高值;通過計算發現，Shannon-Weiner 多樣性指數和物種豐度在一定范圍內隨海拔增加表現為先升高再降低，有規律地在4 121～4 452 m之間出現較大值。綜合比較可知，AM真菌對莎草科植物嵩草根系具有良好的侵染效應。

關鍵詞：海拔;叢枝菌根真菌;藏北;高寒草甸

中圖分類號： Q935 文獻標志碼： A

文章編號：1002-1302（2015）04-0344-03

收稿日期：2014-11-11

基金項目：國家自然科學基金（編號：41161043）。

作者簡介：趙 飛（1989—），女，河南平頂山人，碩士研究生，研究方向為植物營養。E-mail：zhaofei52502@163.com。

通信作者：蔡曉布，博士，教授，從事土壤與植物營養教學與研究。E-mail：xbcai21@163.com。

叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）能與陸地上90%的維管植物形成專性共生體系，在植物群落演替方向、植物生態系統變化、植物種群競爭力等生態過程中發揮著重要作用[1]，在全球各個大陸都有分布[2]。盡管AMF在生態環境和植物生產力方面有著重要的作用，有關它的生物地理分布模式目前仍知之甚少。相關研究涉及到AMF在高海拔地區的分布，例如北極[3]、阿爾卑斯山[4]等，卻發現沒有菌根結構的形成。在相關研究中發現AMF不但在高海拔地區有分布[5]，在青藏高原這類被認為是較少受到人類活動影響的少數幾個地區之一也發現了AMF明顯的分布。西藏區域內的代表性草原藏北高寒草甸，平均海拔 4 500 m 左右，因其獨特的地質歷史和自然條件，以及豐富的生物組成和生物群落類型，為研究AMF的地理分布格局提供了理想的條件。

近10年來，針對西藏高原的 AMF多樣性研究在逐漸增多，研究區域范圍不斷擴大，方法也在快速改進。蔡曉布等于2010 年對西藏高原37種草地植物中 70 個帶根土樣的 AMF進行了研究，發現海拔對 AMF多樣性具有重要影響，4 000～4 600 m AM 真菌多樣性最豐富，顯著高于 3 700～4 000 m 及>4 600 m 地帶[6]。Gai 等研究西藏色季拉山 AMF多樣性沿海拔梯度變化規律時發現，孢子密度與海拔呈負相關，但是 Shannon-Weiner 多樣性與海拔關系不大[7]。但到目前為止，引起 AMF群落變化的驅動因素還不能被最終確定下來。目前，海拔對西藏高原 AMF種群多樣性、侵染率及孢子密度的影響等問題正日益受到國內外研究者的重視。為此筆者開展了海拔對藏北高寒草甸AMF影響的研究，對豐富菌根生態學理論，以及開展西藏高原 AMF資源利用等均具有重要的理論意義。

1 研究區域與研究方法

1.1 研究區域自然概況

研究區域位于 31°29′～31°55′N、92°28′～94°35′E之間，海拔在4 064～4 912 m。藏北地區地處青藏高原腹地，氣候干寒，是全球氣候變化的敏感地帶，其草地面積約34.2 萬km2，是藏北地區面積最大、最重要的生態系統，其間廣泛分布的小嵩草或大嵩草為高寒草甸主要建群種，極具有區域典型的代表性。

1.2 研究方法

1.2.1 樣品采集 樣品于2013年9月采集（AMF孢子繁殖高峰期，此時孢子形態較為穩定、便于形態學鑒定），按照植被主要建群種的不同，在研究區域選取高山嵩草為采集樣品，草層高度一般3～5 cm。分別于各采樣點按 2～30 cm 土層隨機采集建群種植物帶根土樣各 3份，同時采集寄主植物以鑒定種類。將每個采樣區 3 個采樣點的樣品充分混合均勻，各組成 1 個混合樣品（約 2.5 kg）。全部混合樣品數為 10 個。采樣同時進行全球定位系統（GPS）定位，記錄采樣地點、海拔高度等以備再次取樣（表1）。

1.2.2 土壤 pH 值測定 pH值的測定采用電位法;有機質、有效磷（P2O5） 測定分別采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法、NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法（表1）。

表1 藏北高寒草甸不同海拔高度的土壤理化特征

海拔

（m） 緯度

（N） 經度

（E） pH值 速效磷

（mg/kg） 有機質

（g/kg）

4 064 31°40.442′ 94°35.695′ 7.65 9.66 9.58

4 121 31°55.645′ 93°57.403′ 7.17 7.95 6.75

4 272 31°49.120′ 92°51.165′ 7.54 9.23 5.90

4 318 31°53.853′ 93°01.717′ 7.93 8.76 7.78

4 452 31°45.049′ 92°39.623′ 8.15 7.09 6.55

4 562 31°55.799′ 93°12.963′ 7.40 7.19 6.88

4 605 31°52.822′ 93°28.863′ 7.47 9.64 7.19

4 783 31°55.240′ 93°19.938′ 7.88 9.29 9.64

4 821 31°29.619′ 92°07.815′ 7.16 7.88 6.34endprint

4 912 31°44.141′ 92°28.496′ 7.92 5.54 5.73

1.2.3 侵染率、孢子密度、菌絲密度測定 （1）在實驗室將土壤中的根系洗出，均勻剪成1 cm長的根段，采用KOH-曲利苯藍染色法測定AM真菌侵染率和侵染強度，在 200倍顯微鏡下觀測侵染點、叢枝、泡囊。 （2）分別從各根土樣中取 20 g 根圍土壤，采用濕篩傾析-蔗糖離心法分離孢子，用少量去離子水將篩內孢子小心轉移至培養皿中，在解剖鏡下計數。 （3）采用Jakobsen的真空泵微孔濾膜抽濾泵法，將載玻片置于200倍顯微鏡下觀察25個樣點。

1.3 數據處理

1.3.1 孢子密度（SD） 指每20 g 風干根層土樣中所有 AM 真菌種的孢子數/土壤樣品質量。

1.3.2 多樣性指數 （1）Shannon-Weiner指數（H=∑Pi×lnPi;Pi=Ni/N×100%。式中：Pi為某樣點AM真菌種i的孢子密度Ni占該樣點總孢子密度N的百分比）。 （2）物種均勻度指數（采用Pielou指數計算，即J=H/lnS。式中：H為Shannon-Weiner指數;S為某采樣區 AM 真菌的種類數）。 （3）物種豐度（采用Margalef指數Ma表示。Ma=（S-1）/lnN。式中：S為某采樣區 AM 真菌的種類數;N為采樣區所有AM 真菌數）。 （4）Simpson多樣性指數（D=1-∑P2i。式中：Pi為某樣點AM真菌種i的孢子密度占該樣點總孢子密度的百分比）。

2 結果與分析

2.1 不同海拔高度對侵染效果的影響

眾多研究表明，沿著海拔梯度變化，不同的菌根類型會形成不同的侵染模式，如外生菌根侵染率在不同海拔基本不變，而AMF侵染則沿海拔降低[8];同時海拔跨度的大小也會影響菌根的侵染模式，在較小的海拔梯度上Vre等發現一些似歐石南屬菌根和AMF的侵染率隨海拔升高呈現不變甚至增加的趨勢[8]。由圖 1 可知，嵩草植物根系的侵染率在各海拔均比較高;總體上呈現先增高后降低的趨勢，但海拔間侵染率仍存在差異，在4 121 m 時較低，隨后逐漸升高，在 4 452 m 時達到最高值后逐漸降低，在最高海拔時嵩草根系侵染率顯著下降。

2.2 不同海拔高度對孢子密度的影響

針對AMF孢子密度的海拔分布格局不確定，藏南和藏北的AMF孢子密度隨海拔的增加而增加[9]，蔡曉布在西藏不同類型草地的研究中也發現了類似的結果[10]。由圖2可知，土壤中的孢子密度隨海拔的升高總體上呈現先升高后降低的趨勢，在4 064～4 562 m時，不同海拔的孢子密度差異顯著;隨著海拔升高，孢子密度在波動中逐漸升高，在4 452 m時達最高值，>4 562 m時孢子密度急劇下降，降幅達60%左右，與以上研究結果一致。

2.3 不同海拔高度對菌絲密度的影響

由圖3可知，總體上來說，嵩草根際土壤中的菌絲密度隨著海拔的升高呈現先逐漸升高后降低的趨勢，不同海拔間差異顯著。嵩草根際土壤菌絲密度在 4 272 m 時達到較高值，隨后逐漸降低。在 4 562 m 時出現異常，比 4 783 m 略高，但差異不顯著;在 4 605 m 時達到最低值，與 4 272 m 時相比有差異。

2.4 不同海拔高度對AMF種群多樣性的影響

生物多樣性沿環境梯度的變化規律是生物多樣性研究的一個重要議題[11]，描述不同海拔高度對AMF種群多樣性影響的數據至關重要。由圖4可知，在一定范圍內物種豐度隨海拔上升先升高后降低，在 4 121～4 452 m物種豐度最高;Shannon-Weiner多樣性指數在一定范圍內隨海拔升高先升高后降低，在4 121～4 452 m達到最大;Simpson指數隨海拔升高顯著降低，在4 121～4 452 m 達到較大值;均勻度指數在一定范圍內隨海拔上升先升高后降低，海拔影響明顯，在 4 121～4 452 m 之間均勻度最大。

3 結論與討論

不同海拔高度的測定結果表明，嵩草的孢子密度、菌絲密度、侵染率均是先升高后降低，在中間海拔出現最高值，也表現為AMF孢子密度與菌根侵染率、菌根侵染強度無相關性;AMF Shannon-Weiner 多樣性指數和物種豐度在一定范圍內隨海拔先升高再降低，有規律地在4 121～4 452 m出現最大值。

研究發現，地理與氣候環境對AMF及其多樣性具有極其重要的影響。一般而言，溫度（包括土壤溫度） 是自然生態系統中決定AM 真菌種群組成、發育與侵染的主要生態因子[12]。除受海拔梯度上的溫度變化影響外，土壤因子也是重要的影響因素。土壤中的孢子密度呈現先升高后顯著降低的趨勢（圖2），而侵染率沒有明顯的變化，表明孢子密度和侵染率沒有相關性，與相關研究結果[13]一致。具體分析 AM 真菌的侵染、產孢與土壤 pH值、有效磷、有機質的關系后發現，影響孢子密度的土壤因子主要受 pH值和速效磷的影響。本研究中AM 真菌孢子密度與 pH值呈正相關，與蔡曉布等在西藏高原草地研究 AM 真菌出現的結果相同;有效磷與侵染率呈負相關，與蔡曉布等的研究結果[13]一致，但是發現孢子密度與有效磷含量呈顯著正相關，與相關研究結果[7]不一致，可能是因為高寒草甸土壤有效磷含量普遍較低，未達到可以抑制產孢的程度。通過計算 Shannon-Weiner 多樣性指數、物種豐度與海拔梯度進行回歸分析，發現 AMF并非隨機分布，而呈現特定模式即隨海拔升高，AMF孢子的群落多樣性降低。同樣現象也出現在蔡曉布等對西藏高山草原 AMF生態分布的研究中[6]，表明在一定范圍內，較高海拔環境有利于物種多樣性的提高。一般而言，莎草科植物不能或不易形成菌根[12]，但AMF對嵩草根系的侵染明顯，未體現海拔過高對植物菌根發育所具有的抑制作用，這是否與生存于高寒草甸中的AMF特定種群對寄主植物根系具有很強的侵染能力有相互關系，仍須進一步研究闡明。endprint

參考文獻：

[1]Van der Heijden M，Boller T，Wiemken A，et al. Different arbusculaar mycorrhizal fungalspecies are potential determinants of plant community structure[J]. Ecology，1998，79：2082-2091.

[2]Read D J. Mycorrhizas in ecosystems[J]. Experientia，1991，47：376-391.

[3]Pietikainen A，Kytoviita M M，Husband R A. Diversity and persistence of arbuscular mycorrhizas in a low-Arctic meadow habitat[J]. New Phytologist，2007，176（3）：691-698.

[4]Haselwandter K，Read D J. Fungal associations of roots of dominant and sub-dominant plants in high-alpine vegetation systems with special reference to mycorrhiza[J]. Oecologia，1980，45：57-62.

[5]Schmidt S K，Sobieniak-Wiseman L C，kageyama S A，et al. Mycorrhizal and dark-septate fungi in plantroots above 4 270 meters elevation in the Andes and Rocky Mountains[J]. Arctic Antarctic and Alpine Research，2008，40：576-583.

[6]蔡曉布，彭岳林，蓋京蘋.西藏高山草原AM真菌生態分布[J]. 應用生態學報，2010，21（10）：2635-2644.

[7]Gai J P，Tian H，Yang F Y，et al. Arbuscular mycorrhizal fungal diversity along a Tibetan elevationgradient[J]. Pedobiologia，2012，55：145-151.

[8]Vre H，Vestberg M，Eurola S. Mycorrhiza and root associated fungi in Spitsbergen[J]. Mycorrhiza，1992，1：93-104.

[9]范潔群.西藏不同類型草原叢枝菌根真菌多樣性的研究[D]. 北京：中國農業大學，2005.

[10]蔡曉布.西藏高原草地生態系統叢枝菌根真菌物種多樣性及其分布特征[D]. 北京：中國農業大學，2012.

[11]Kratochwil A. Biodiversity in ecosystems：some principles[M]//Kratochil A. Biodiversity in ecosystems. Dordrecht，Holland：Kluwer Academic Publishers，1999：5-38..

[12]劉潤進，李曉林. 叢枝菌根及其應用[M]. 北京：科學出版社，2000：148-169.

[13]蔡曉布，錢 成，彭岳林，等. 環境因子對西藏高原草地植物叢枝菌根真菌的影響[J]. 應用生態學報，2005，16（5）：859-864.endprint