大氣氮沉降提高低磷土壤條件下馬尾松菌根共生和磷效率的原因

龐 麗, 周志春, 張 一, 豐忠平

(1中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所, 浙江省林木育種技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家林業(yè)局馬尾松工程技術(shù)研究中心，浙江富陽(yáng) 311400; 2安順學(xué)院，貴州安順 561000; 3 浙江省淳安縣姥山林場(chǎng)，浙江淳安 311700)

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大氣氮沉降提高低磷土壤條件下馬尾松菌根共生和磷效率的原因

龐 麗1,2, 周志春1*, 張 一1, 豐忠平3

(1中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院亞熱帶林業(yè)研究所, 浙江省林木育種技術(shù)研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，國(guó)家林業(yè)局馬尾松工程技術(shù)研究中心，浙江富陽(yáng) 311400; 2安順學(xué)院，貴州安順 561000; 3 浙江省淳安縣姥山林場(chǎng)，浙江淳安 311700)

【目的】菌根共生是提高植物磷(P)營(yíng)養(yǎng)高效利用的重要機(jī)制之一。近年來(lái)大氣氮(N)沉降的增加，導(dǎo)致森林土壤有效氮含量增加、N/P比發(fā)生改變，將影響菌根共生植物的生長(zhǎng)和磷效率。【方法】以馬尾松優(yōu)良家系作為試驗(yàn)材料，NH4NO3作為外加氮源，設(shè)置模擬氮沉降與同質(zhì)低磷(介質(zhì)表層與深層均缺磷)、 異質(zhì)低磷 (介質(zhì)表層磷豐富、 深層缺磷)耦合條件下馬尾松外生菌根共生的盆栽實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)研究模擬氮沉降對(duì)低磷脅迫下馬尾松家系菌根化苗生長(zhǎng)和磷效率的影響。【結(jié)果】 1)模擬氮沉降對(duì)馬尾松菌根共生的影響與土壤磷素環(huán)境有關(guān)。在表層和深層磷素均極為匱乏的同質(zhì)低磷條件下，氮沉降降低了苗木菌根侵染率和侵染程度，然而提高了菌根共生對(duì)馬尾松生長(zhǎng)和磷效率作用的有效性，馬尾松的生長(zhǎng)量和生物量均顯著增加。在表層磷豐富、 深層缺磷的異質(zhì)低磷條件下，菌根共生對(duì)馬尾松苗木生長(zhǎng)有抑制作用，然而氮沉降降低了其抑制程度，高氮較低氮處理對(duì)菌根侵染苗木和菌根化苗生物量積累的抑制程度小; 2)同質(zhì)低磷下，模擬氮沉降顯著降低了菌根化苗的根系生長(zhǎng)，但增加了根系A(chǔ)Pase活性和有機(jī)酸分泌量，尤其是有機(jī)酸分泌量增加了近3倍。相關(guān)性分析表明，有機(jī)酸分泌對(duì)菌根化苗生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)顯著高于APase，這是氮沉降促進(jìn)馬尾松生長(zhǎng)的主要原因之一。異質(zhì)低磷下，模擬氮沉降處理后苗木深層菌根的生長(zhǎng)發(fā)育程度較表層好，深層根的根尖數(shù)顯著增加。有機(jī)酸分泌的增加提高了苗木的磷效率，促進(jìn)了菌根化苗木的生長(zhǎng); 3)不同低磷環(huán)境下，氮沉降的增加均降低了土壤磷的相對(duì)有效性，菌根通過(guò)增加馬尾松苗木對(duì)土壤磷的吸收和利用, 從而改善磷素營(yíng)養(yǎng)促進(jìn)馬尾松生長(zhǎng)發(fā)育。兩種磷素環(huán)境下，馬尾松菌根化苗生長(zhǎng)對(duì)模擬氮沉降均較敏感; 4)馬尾松菌根化苗生長(zhǎng)對(duì)模擬氮沉降的響應(yīng)存在顯著的家系差異。【結(jié)論】大氣氮沉降可改善馬尾松的氮素營(yíng)養(yǎng)，增加菌根作用的有效性，從而促進(jìn)馬尾松對(duì)磷的吸收，進(jìn)而促進(jìn)了林木的生長(zhǎng)。不同馬尾松品種對(duì)氮沉降的反應(yīng)有差異，篩選高氮-低磷環(huán)境下菌根共生能力強(qiáng)的馬尾松基因型，將成為提高土壤磷素生物學(xué)利用效率的重要途徑。關(guān)鍵詞: 馬尾松; 家系; 低磷脅迫; 氮沉降; 菌根共生; 磷效率

土壤有效磷(P)匱乏是世界范圍內(nèi)植物生產(chǎn)力的主要限制因素之一。我國(guó)南方酸性紅壤有效磷匱乏尤為嚴(yán)重，成為限制熱帶和亞熱帶區(qū)域植物生長(zhǎng)發(fā)育和生產(chǎn)力的主要因素[1-3]。研究表明，菌根共生在植物適應(yīng)和忍耐低磷脅迫方面起著重要作用，是提高植物磷營(yíng)養(yǎng)高效利用的重要機(jī)制之一[4]。菌絲通過(guò)擴(kuò)大根系養(yǎng)分吸收范圍，促進(jìn)對(duì)磷素的吸收，進(jìn)而顯著地促進(jìn)宿主植物的生長(zhǎng)[5]。菌根還可以通過(guò)分泌有機(jī)酸和酸性磷酸酶等活化難溶態(tài)磷素，提高植物對(duì)磷的吸收效率[6]。許多針葉樹種的外生菌根可取代吸收根，成為根系獲取土壤資源的主要器官。土壤磷的有效性影響著菌根真菌對(duì)植物的侵染，有效磷過(guò)低或過(guò)高都不利于菌根的形成[7]。

近年來(lái)，因大氣污染而不斷增加的大氣氮沉降量，加速了土壤酸化，導(dǎo)致土壤有效氮含量增加、N/P比發(fā)生改變，這將影響森林植物生長(zhǎng)發(fā)育。有研究認(rèn)為，大部分植物對(duì)氮素較為敏感，適量或過(guò)量的氮素，可分別促進(jìn)或抑制植物的根系發(fā)育、 光合作用和生物量積累，進(jìn)而可能影響植物對(duì)磷素的吸收和利用[8]。氮增加對(duì)菌根的形成和功能產(chǎn)生抑制作用，過(guò)量氮沉降能減弱菌根真菌侵染植物根系的能力，進(jìn)而影響寄主植物生長(zhǎng)和氮、 磷營(yíng)養(yǎng)的吸收及利用[9]。菌根效應(yīng)受多種因素綜合作用的影響[10]，然而，目前有關(guān)氮沉降對(duì)菌根化植物忍耐低磷脅迫及磷效率影響的研究較少。

與耕作土壤相比，森林土壤缺乏精耕細(xì)作，其低磷脅迫的形式更為復(fù)雜，脅迫程度也往往更為嚴(yán)重。例如在闊葉林或針闊混交林中,凋落物分解較為迅速，導(dǎo)致表層土壤磷素較為豐富，深層土壤磷素匱乏而表現(xiàn)為異質(zhì)低磷脅迫。在較差森林立地或針葉純林中, 由于凋落物分解慢、 養(yǎng)分周轉(zhuǎn)存在滯后性，常導(dǎo)致表層和深層土壤均嚴(yán)重缺磷，形成同質(zhì)低磷脅迫[11-12]。這兩種類型的磷素環(huán)境，在開展林木營(yíng)養(yǎng)學(xué)研究時(shí)均應(yīng)引起重視[13]。

馬尾松(Pinus massoniana)是我國(guó)南方重要的用材樹種，也是典型的外生菌根樹種，能適應(yīng)多種生態(tài)環(huán)境，是荒山造林的先鋒樹種。由于南方亞熱帶多為貧瘠的酸性紅壤，缺磷成為馬尾松生長(zhǎng)的主要限制因子。已有研究揭示，菌根共生在馬尾松磷素的吸收、 累積和轉(zhuǎn)運(yùn)方面起著重要作用[14-16]。然而，大氣氮沉降不斷增加背景下,土壤中有效氮含量增加、N-P計(jì)量比變化，將以何種機(jī)制及模式影響、 調(diào)控低磷脅迫下馬尾松菌根共生及磷效率，目前知之甚少。鑒于此，本研究設(shè)置了模擬氮沉降與同質(zhì)低磷、 異質(zhì)低磷耦合的模擬盆栽試驗(yàn)，用以揭示氮素對(duì)低磷脅迫下馬尾松菌根共生和磷效率的影響及調(diào)控機(jī)制，其結(jié)果有助于我們掌握影響馬尾松菌根效應(yīng)的因素并進(jìn)行有效調(diào)控,以充分發(fā)揮菌根潛力，提高苗木對(duì)土壤氮磷養(yǎng)分的利用效率，從而為在大氣氮沉降背景下以菌根共生為突破口，開展馬尾松磷效率的遺傳改良提供理論依據(jù)。

1　材料與方法

1.1試驗(yàn)材料

以馬尾松二代育種群體內(nèi)控制授粉產(chǎn)生的3個(gè)優(yōu)良全同胞家系FS4、FS5和FS6作為試驗(yàn)材料，在浙江省淳安縣姥山林場(chǎng)試驗(yàn)大棚內(nèi)設(shè)置馬尾松模擬盆栽試驗(yàn)。盆栽容器采用上端內(nèi)徑16cm，下端內(nèi)徑13.5cm，高18cm的盆，每盆裝土約3kg。基質(zhì)為浙江省淳安縣千島湖的貧瘠酸性紅壤，其有機(jī)質(zhì)含量為6.4g/kg，全氮和全磷含量分別為0.47和0.34g/kg，水解氮、 速效鉀和有效磷含量分別為16.2、 37.9和1.08mg/kg，pH5.07。菌根真菌為彩色豆馬勃[Pisolithus tinctorius (Pers.)CokeretCouch]，RG310菌株，由中國(guó)林科院林業(yè)研究所提供。

1.2試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)為磷、 氮、 菌根三因素試驗(yàn)，每個(gè)因素2個(gè)水平，共8個(gè)處理。首先，設(shè)置同質(zhì)低磷和異質(zhì)低磷兩種磷素環(huán)境。具體設(shè)計(jì)如下: 將盆栽基質(zhì)自上而下分為2層，第1層為表層，第2層為深層，表層占盆栽基質(zhì)的1/3，深層占2/3。同質(zhì)低磷處理兩層均采用有效磷含量極低(1.08mg/kg)的貧瘠酸性紅壤作為盆栽基質(zhì)，模擬立地衰退、 肥力較差的森林土壤磷環(huán)境。異質(zhì)低磷處理深層為貧瘠的酸性紅壤，表層每千克土壤加入1.0gCa(H2PO4)2(相當(dāng)于有效磷含量約80mg/kg)。總體上，異質(zhì)低磷處理有效磷含量為27.4mg/kg，相當(dāng)于中度低磷脅迫。從而模擬立地條件良好、 表層養(yǎng)分豐富的森林土壤磷的自然分布狀況。

另外，設(shè)置低氮和高氮兩個(gè)水平的氮素處理。基于文獻(xiàn)中報(bào)道的我國(guó)長(zhǎng)江中下游大氣氮沉降數(shù)據(jù)[17-18]，設(shè)置高氮處理。按照30kg/(hm2·a)的氮沉降量，根據(jù)南方降水規(guī)律及馬尾松生長(zhǎng)特性，分別在降水量較大、 馬尾松生長(zhǎng)旺盛的4月、 6月和7月每月初對(duì)盆栽苗木全株噴施一次硝酸銨，每次的噴施量為1g/m2，低氮處理噴施相同量的水。綜上，實(shí)驗(yàn)包含同質(zhì)低磷-低氮(LP-LN)、 同質(zhì)低磷-高氮(LP-HN)、 異質(zhì)低磷-低氮(HP-LN)和異質(zhì)低磷-高氮(HP-HN)共4個(gè)N-P耦合處理。每個(gè)N、P耦合處理又分別設(shè)置接種外生菌根菌(M+)和對(duì)照(M-)處理。接種菌根菌處理按照將基質(zhì)土與菌根劑10 ∶1混勻后裝盆，對(duì)照處理加入相同量的滅菌的菌劑。

1.3試驗(yàn)方法

1.3.2 根系分泌性酸性磷酸酶(APase)活性和有機(jī)酸分泌量測(cè)定采用Mclachlan[20]方法測(cè)定APase活性。取2mL根系收集液，加入2mL0.2mol/L(pH5.8)的醋酸-醋酸鈉緩沖液中(含有5mmol/L對(duì)硝基苯磷酸二鈉)，充分混勻，37℃下黑暗反應(yīng)1h。加入0.4mL1mol/LNaOH溶液，充分混合反應(yīng)液終止酶促反應(yīng)，于405nm波長(zhǎng)條件下測(cè)定溶液的吸光值(OD值)。根系酶活性以單位時(shí)間內(nèi)單位干質(zhì)量根水解pNPP生成NPP的量表示，即μg/(g·min),rootDW。同時(shí)做空白對(duì)照和NPP濃度標(biāo)準(zhǔn)曲線。

參考俞樂(lè)等[21]的方法，取2mL根系分泌物，利用WATERS2695型高效液相色譜儀測(cè)定有機(jī)酸分泌量。HPLC測(cè)定條件為: 色譜柱，SymmetryC18柱，4.6×250mm，5μm; 柱溫，30℃; 進(jìn)樣量 5μL，流速 1mL/min; 檢測(cè)器PAD; 檢測(cè)波長(zhǎng) 210nm; 流動(dòng)相 0.5%磷酸二氫鉀(pH2.1)。1.3.3 根系形態(tài)參數(shù)測(cè)定用根系掃描儀分別對(duì)苗木根系進(jìn)行掃描，利用根系圖像分析軟件WinRHIZOProSTD1600+(加拿大RegentInstruments公司)對(duì)根系掃描圖進(jìn)行分析，得到的根系形態(tài)參數(shù)包括根長(zhǎng)，根表面積和根體積等，并對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3.5 植株氮、 磷含量測(cè)定將收獲的苗木分成根、 莖、 葉3部分，于烘箱中105℃殺青30min，60℃烘干至恒重，以獲得苗木各部分的干物質(zhì)量。用H2SO4H2O2消煮后測(cè)定苗木不同器官含磷量和含氮量，含磷量用鉬銻抗比色法測(cè)定，含氮量利用凱氏定氮法測(cè)定。

1.4數(shù)據(jù)計(jì)算和統(tǒng)計(jì)分析

元素吸收效率 = 整株吸收量(mg/plant);

元素利用效率 = 干物質(zhì)積累量/植株元素吸收量(g/mg)[24]。

利用SAS軟件的ANOVA程序進(jìn)行性狀方差分析，采用LSD法進(jìn)行多重比較(P=0.05)，以檢驗(yàn)菌根處理、 家系及其交互作用的顯著性。采用簡(jiǎn)單相關(guān)分析，估算馬尾松菌根侵染率、 菌根化苗磷效率與其子性狀的相關(guān)性。

2　結(jié)果與分析

2.1模擬氮沉降對(duì)菌根共生下馬尾松生長(zhǎng)性狀的影響

由表1可知，馬尾松主要生長(zhǎng)性狀和根系性狀，包括根系參數(shù)和根系分泌存在顯著的菌根處理效應(yīng)。

表1　馬尾松主要生長(zhǎng)性狀、 根系參數(shù)和磷效率的方差分析Table 1　ANOVA results of main growth traits, root parameters and P efficiency of Pinus massoniana

注(Note): 數(shù)據(jù)為方差分析F 值DatainthetableareFvaluesfromANOVA; *—P< 0.05; **—P< 0.01; ***—P< 0.001.

表2表明，同質(zhì)低磷-低氮下，接種菌根菌后馬尾松苗高和地徑變化不顯著，但生物量顯著增加，提高了26.4%。與同質(zhì)低磷-低氮相比，同質(zhì)低磷-高氮下接種真菌顯著降低了菌根浸染率和侵染程度，但是對(duì)馬尾松生長(zhǎng)的促進(jìn)作用更大，苗高、 地徑和生物量均顯著提高，分別增加了27.1%、 37.3%和107.0%。說(shuō)明模擬氮沉降能顯著增加菌根共生對(duì)同質(zhì)低磷脅迫下馬尾松生長(zhǎng)的促進(jìn)作用。

然而，異質(zhì)低磷-低氮和異質(zhì)低磷-高氮下菌根共生對(duì)馬尾松生長(zhǎng)和生物量積累均產(chǎn)生抑制作用(表2)。異質(zhì)低磷-低氮和異質(zhì)低磷-高氮下，接種菌根菌后各家系苗高、 地莖和干物質(zhì)積累量均降低，但是高氮處理較低氮處理各指標(biāo)降低幅度小。異質(zhì)低磷-低氮下，接種真菌后馬尾松苗高、 地徑和生物量較對(duì)照(M-)分別減少了16.2%、 28.1% 和 49.3%。異質(zhì)低磷-高氮下，接種真菌后馬尾松苗高和生物量分別比未接種菌根時(shí)減小了13.3% 和 22.1%。說(shuō)明模擬氮沉降處理降低了異質(zhì)低磷下菌根共生對(duì)馬尾松生長(zhǎng)的抑制作用。

不同N、P耦合環(huán)境下，馬尾松家系對(duì)菌根共生的響應(yīng)存在顯著遺傳差異(圖1)。同質(zhì)低磷-低氮和同質(zhì)低磷-高氮環(huán)境下，家系FS5和FS6對(duì)菌根共生敏感，接種菌根菌后苗高、 地莖和生物量均增加，其中高氮下FS5各指標(biāo)分別增加了11.2%、 45.3%和 95.1%，F(xiàn)S6各指標(biāo)分別增加了64.0%、 57.3%和119.2%。家系FS4對(duì)菌根共生的敏感性與氮素環(huán)境有關(guān)，其在低磷-低氮下對(duì)接種菌根菌不敏感，而低磷-高氮下敏感，接種菌根后各指標(biāo)分別增加了16.3%、 11.3%和114.2%。異質(zhì)低磷下，模擬氮沉降抑制了家系FS4、FS5和FS6菌根化苗的生長(zhǎng)，苗高分別降低了7.2%、 23.1%和8.2%，生物量分別降低了14.0%、 26.2%和26.3%。

表2　不同N、 P耦合環(huán)境下接種菌根菌后馬尾松主要生長(zhǎng)性狀Table 2　The main growth traits of Pinus massoniana mycorrhizal seedlings under different N and P coupling conditions

注(Note):LP—低磷lowP;LN—低氮LowN;HP—高磷HighP;HN—高氮HighN;M—菌根Mycorrhizal. 數(shù)據(jù)后不同小寫字母表示相同磷水平不同氮和菌根處理間差異顯著(P<0.05)ValuesfollowedbydifferentsmalllettersaresignificantdifferentamongdifferenttreatmentsinthesamePtreatmentat5%level.

圖1　馬尾松家系苗高和生物量對(duì)不同N、 P耦合環(huán)境下接種菌根菌的響應(yīng)Fig.1　Response of height and biomass of Pinus massoniana families to mycorrhizal inoculation and NP levels

2.2模擬氮沉降對(duì)菌根共生下馬尾松根系參數(shù)和根系分泌的影響

同質(zhì)低磷-低氮和同質(zhì)低磷-高氮下，接種菌根菌后馬尾松表層土中的根長(zhǎng)、 表面積、 根體積和根尖數(shù)均顯著增加，深層根變化不顯著(表3)。另外，同質(zhì)低磷-低氮下，接種菌根菌后根系分泌性APase活性和有機(jī)酸分泌量顯著減小。模擬氮沉降處理下，菌根化苗根干重和有機(jī)酸分泌量顯著增加，而APase活性顯著降低(表4)。同質(zhì)低磷下，無(wú)論是否接種菌根菌，模擬氮沉降處理均顯著降低了馬尾松菌根化苗根系的生長(zhǎng)，但增加了根系A(chǔ)Pase活性和有機(jī)酸分泌量，尤其是有機(jī)酸分泌量增加了近3倍。

異質(zhì)低磷環(huán)境下，無(wú)論低氮還是高氮處理，接種菌根菌均抑制了表層和深層根系的生長(zhǎng)，根系生物量降低。高氮與低氮處理相比，馬尾松菌根化苗表層根系的生長(zhǎng)降低，深層根系的生長(zhǎng)增加。根系A(chǔ)Pase活性和有機(jī)酸分泌量，低氮處理下分別增加了30.2%和61.3%，高氮處理下分別降低了18.4%和51.8%。

不同N-P耦合處理對(duì)馬尾松家系菌根共生苗根系生長(zhǎng)的影響存在顯著的遺傳差異(圖2)。同質(zhì)低磷下，家系FS5和FS6接種菌根后根系干物質(zhì)積累量均增加，其中高氮處理下分別增加了63.6%和220.0%。而家系FS4在低氮下接種菌根菌后根系生物量降低了40.2%，高氮下接種菌根后根系生物量增加了1倍。另外，同質(zhì)低磷下，模擬氮沉降降低了家系FS5和FS6 菌根化苗根系分泌性APase活性，增加了根系有機(jī)酸分泌量。而家系FS4根系A(chǔ)Pase活性和根系分泌有機(jī)酸均降低。異質(zhì)低磷下，接種菌根菌后家系FS4、FS5和FS6根長(zhǎng)、 根系干物質(zhì)積累量均降低。在菌根共生條件下，與低氮處理相比，氮沉降增加了根系參數(shù)和根系生物量，其中3個(gè)家系根長(zhǎng)分別增加了87.9%、 38.9%和139.8%，根系生物量分別增加了41.2%、 136.0%和63.2%。

表3　不同N、 P耦合環(huán)境下馬尾松菌根化苗主要根系參數(shù)Table 3　The main root parameters of Pinus massoniana mycorrhizal seedlings under different N and P coupling conditions

注(Note):LP—低磷lowP;LN—低氮LowN;HP—高磷HighP;HN—高氮HighN;M—菌根Mycorrhizal. 不同小寫字母表示相同磷水平不同N和菌根處理間差異顯著(P<0.05)DifferentsmalllettersindicatesignificantdifferencesamongdifferenttreatmentsinthesamePtreatmentat5%level.

表4　不同N、 P耦合環(huán)境下馬尾松菌根化苗根系 分泌APase活性和有機(jī)酸分泌量Table 4　The root secreted APase activity and organicacids secretion of Pinus massoniana mycorrhizal seedlingsunder different N and P coupling conditions

注(Note):LP—低磷lowP;LN—低氮LowN;HP—高磷HighP;HN—高氮HighN;M—菌根Mycorrhizal. 不同小寫字母表示相同磷水平不同氮和菌根處理間差異顯著(P<0.05)DifferentsmalllettersindicatesignificantdifferencesamongdifferenttreatmentsinthesamePtreatmentat5%level.

2.3模擬氮沉降對(duì)菌根共生下馬尾松磷效率的影響

馬尾松苗木氮、 磷吸收和利用效率均存在顯著的菌根和家系效應(yīng)，同時(shí)存在顯著的氮素×磷素互作效應(yīng)(表1)。同質(zhì)低磷-低氮下，接種菌根菌后針葉和整株磷素吸收效率分別增加了48.9%和42.9%，氮素吸收效率變化不顯著(表5)。說(shuō)明磷素吸收效率的增加應(yīng)是促使低磷-低氮下馬尾松菌根化苗生物量增加的原因。同質(zhì)低磷-高氮下，馬尾松菌根化苗磷和氮吸收效率均較低氮下增加幅度更大，分別增加了32.2%和55.2%。說(shuō)明同質(zhì)低磷下模擬氮沉降促進(jìn)了菌根化苗對(duì)氮和磷的吸收，其中對(duì)氮素吸收的增加更明顯，從而增加了植株的N、P比。異質(zhì)低磷環(huán)境下，無(wú)論低氮還是高氮處理下，接種菌根菌均降低了馬尾松磷和氮的吸收效率。然而，與低氮下相比，模擬氮沉降增加了菌根化苗磷和氮的吸收效率，分別增加了45.8%和154.0%。

同質(zhì)低磷-低氮和同質(zhì)低磷-高氮處理下，家系FS5和FS6對(duì)接種菌根菌反應(yīng)敏感，植株磷吸收效率和氮吸收效率顯著增加，其中磷素吸收效率較氮素吸收效率增加幅度更大。與低氮處理相比，高氮處理下接種菌根菌對(duì)苗木磷素、 氮素吸收效率的促進(jìn)作用更明顯，家系FS5菌根化苗磷素、 氮素吸收效率分別增加了174%和47%，F(xiàn)S6分別增加了230%和53%(圖3)。同質(zhì)低磷-低氮下，家系FS4菌根化苗磷和氮吸收效率變化不顯著，同質(zhì)低磷-高氮處理下則顯著增加，分別增加了144%和74%。異質(zhì)低磷環(huán)境下，無(wú)論低氮還是高氮處理下，3個(gè)馬尾松家系菌根化苗磷和氮吸收效率均變化不顯著。然而，與低氮處理相比，氮沉降處理下3個(gè)馬尾松家系磷和氮吸收效率均增加。

圖2　不同馬尾松家系主要根系參數(shù)和根系分泌對(duì)不同N、 P耦合環(huán)境的響應(yīng)Fig.2　Response of main root parameters and root exudates of different Pinus massoniana families to different N and P coupling conditions

處理Treatment磷吸收量Pabsorption(mg/plant)根Root葉Leaf總Total磷利用效率Pefficiency(g/mg)氮吸收量Nabsorption(mg/plant)氮利用效率Nefficiency(g/mg)N/PLP-LNM-0.08±0.03b0.45±0.11c0.63±0.13c3.48±0.79ab8.24±1.55b0.27±0.04b13.08bM+0.08±0.03b0.67±0.22b0.90±0.26b3.28±1.05bc8.97±3.15b0.18±0.03c9.97dLP-HNM-0.05±0.02c0.28±0.09d0.42±0.12d3.88±0.80a8.22±2.05b0.30±0.05a19.57aM+0.16±0.08a0.83±0.30a1.19±0.44a2.89±0.77c13.92±3.97a0.26±0.03b11.70cHP-LNM-0.34±0.11b1.75±0.39b2.51±0.39b2.56±0.82ab19.46±5.85c0.30±0.03b7.75bM+0.25±0.08c1.00±0.32d1.53±0.38d2.13±0.74b9.63±3.59d0.23±0.03c6.29bHP-HNM-0.52±0.13a1.85±0.36a2.92±0.42a2.52±0.52ab32.48±8.63a0.32±0.04a11.12aM+0.30±0.08b1.58±0.25c2.23±0.31c2.73±0.47a24.44±3.69b0.24±0.02c10.96a

注(Note):LP—低磷lowP;LN—低氮LowN;HP—高磷HighP;HN—高氮HighN;M—菌根Mycorrhizal. 不同小寫字母表示相同磷水平不同N和菌根處理間差異顯著(P<0.05)DifferentsmalllettersindicatesignificantdifferencesamongdifferenttreatmentsinthesamePtreatmentat5%level.

2.4不同N、P耦合環(huán)境下馬尾松菌根化苗主要生長(zhǎng)指標(biāo)的表型相關(guān)

同質(zhì)低磷環(huán)境下，馬尾松菌根侵染率與根系干物質(zhì)積累量、 整株生物量和磷吸收量呈顯著性正相關(guān)，與根APase活性、 氮利用效率呈顯著性負(fù)相關(guān)(表6)。根系和整株干物質(zhì)積累量與APase活性呈顯著性負(fù)相關(guān)，與氮、 磷吸收量呈顯著性正相關(guān); 根系干物質(zhì)積累量還與有機(jī)酸分泌量呈顯著性正相關(guān)(表6)。根長(zhǎng)與氮吸收量、 生物量呈顯著性正相關(guān)。APase活性與磷吸收量、 苗高、 根系干物質(zhì)積累量和整株生物量呈顯著性負(fù)相關(guān)。有機(jī)酸分泌量與磷吸收量、 根系干物質(zhì)積累量呈顯著性正相關(guān)，與氮和磷利用效率呈顯著性負(fù)相關(guān)。氮吸收量與根長(zhǎng)、 磷吸收量呈顯著正相關(guān)。

異質(zhì)低磷環(huán)境下，馬尾松菌根侵染率與根長(zhǎng)、 有機(jī)酸分泌、 根系干物質(zhì)積累量、 整株生物量呈顯著性正相關(guān)(表7)。整株生物量與菌根侵染率、 有機(jī)酸分泌、 磷吸收量、 氮利用效率呈顯著性正相關(guān)，與氮吸收量呈顯著負(fù)相關(guān)。馬尾松磷吸收量與有機(jī)酸分泌呈顯著性正相關(guān)，氮吸收量與有機(jī)酸分泌、 磷吸收量呈顯著性負(fù)相關(guān)。

圖3　馬尾松不同家系氮、 磷效率對(duì)不同N、 P耦合環(huán)境下接種菌根菌的響應(yīng)Fig.3　Response of N and P efficiencies of different Pinus massoniana families to inoculation mycorrhiza fungi under different N and P coupling conditions

處理Treatment侵染率Infectionrate根長(zhǎng)RootlengthAPase活性APaseactivity有機(jī)酸分泌量Organicacidsecretion吸收量(mg/plant)Absorption利用率(g/mg)EfficiencyPNPN磷吸收量Pefficiency0.5779*0.2594-0.3696*0.3523*氮吸收量Nefficiency0.24580.3330*-0.21820.17260.7899**磷利用率Pefficiency-0.30830.00960.203-0.3720*-0.6794**0.3819*氮利用率Nefficiency-0.7058**0.2420.146-0.3474*-0.2383-0.22260.4199*苗高Height0.33690.2043-0.4119*0.27060.6354**0.3753*-0.3973*-0.1805地莖Diameter0.37660.1167-0.24320.25760.7398**0.6263**-0.3252-0.1507根系干重Rootdrybio-mass0.4257*0.2913-0.3299*0.3335*0.7949**0.6832**-0.4224*-0.1232生物量Biomass0.4767*0.3606*-0.3715*0.18600.8471**0.8246**-0.3146-0.1120侵染率Infectionrate-0.1958-0.4993*-0.2484

注(Note): *—P< 0.05; **—P< 0.01; ***—P< 0.001.

3　討論和結(jié)論

3.1模擬氮沉降對(duì)不同磷脅迫下馬尾松菌根化苗生長(zhǎng)和菌根侵染率的影響

研究表明，外生菌根真菌能改善植物的磷營(yíng)養(yǎng)狀況，其效應(yīng)大小在一定程度上取決于土壤的基礎(chǔ)肥力狀況，尤其是土壤有效磷水平[10]。本試驗(yàn)中，在表層和深層均極為匱乏的同質(zhì)低磷環(huán)境中，馬尾松主根生長(zhǎng)性狀和根系性狀均存在顯著的菌根處理效應(yīng)，接種真菌均顯著增加了菌根浸染率和侵染程度，同時(shí)顯著增加了磷素吸收效率、 植株生長(zhǎng)量和生物量，這與已有的大量研究結(jié)果較為一致[25]。已有研究表明，在土壤磷素較為豐富時(shí)，植物可通過(guò)自身根系獲得較多的磷營(yíng)養(yǎng)，而菌根真菌的生長(zhǎng)受到抑制，侵染率大大降低，菌根對(duì)植物磷營(yíng)養(yǎng)的貢獻(xiàn)也減少[10, 26]。本實(shí)驗(yàn)中，在表層土壤富磷、 深層土壤缺磷下異質(zhì)低磷環(huán)境下，菌根真菌對(duì)馬尾松生長(zhǎng)促進(jìn)效應(yīng)較小，甚至產(chǎn)生了抑制效應(yīng)，可能是由于磷素抑制了根外菌絲的生長(zhǎng)或伸展速率，降低了真菌的活性。此外，根據(jù)成本效益理論，植物在氮、 磷供應(yīng)充足時(shí)，減少了分配到菌根中的光合產(chǎn)物[27]，這也可能是異質(zhì)低磷較同質(zhì)低磷菌根侵染率低的原因。

研究發(fā)現(xiàn)，氮有效性提高則外生菌根侵染率下降[28]。本試驗(yàn)揭示，模擬氮沉降對(duì)菌根侵染及馬尾松菌根化苗生長(zhǎng)的影響與不同的土壤磷素環(huán)境有關(guān)。在表層、 深層土壤均極度缺磷的同質(zhì)低磷環(huán)境下，大氣氮沉降降低了菌根侵染率和侵染程度，但增強(qiáng)了菌根共生對(duì)馬尾松生長(zhǎng)和磷效率的促進(jìn)作用，馬尾松的生長(zhǎng)和生物量積累顯著增加。在異質(zhì)低磷下，模擬氮沉降增加了苗木菌根侵染率，顯著降低了菌根共生對(duì)馬尾松生長(zhǎng)的抑制程度。究其原因，模擬氮沉降增加了土壤有效氮含量，從而進(jìn)一步增加了土壤磷素的相對(duì)匱乏程度，這可能是氮沉降較低氮處理能夠促進(jìn)菌根菌對(duì)根系的侵染，從而促進(jìn)馬尾松菌根化苗生長(zhǎng)的根本原因。

表7　異質(zhì)低磷下馬尾松菌根化苗主要生長(zhǎng)指標(biāo)表型相關(guān)性系數(shù)Table 7　Correlation coefficients between main grow traits of Pinus massoniana mycorrhizalfungi seedlings under heterogeneous low P condition

注(Note): *—P< 0.05; **—P< 0.01; ***—P< 0.001.

3.2模擬氮沉降對(duì)低磷和菌根共生下馬尾松根系形態(tài)參數(shù)和根系分泌的影響

外生菌根真菌侵染植株根系后，可通過(guò)改變根系形態(tài)，增加植株根系吸收養(yǎng)分的表面積，促進(jìn)植物營(yíng)養(yǎng)吸收和生長(zhǎng)[29]。但有關(guān)氮沉降對(duì)菌根共生條件下植物根系形態(tài)和根系化學(xué)分泌的影響，目前知之甚少。本研究結(jié)果表明，同質(zhì)低磷下，模擬氮沉降顯著降低了馬尾松菌根化苗根系的生長(zhǎng)，但增加了根系A(chǔ)Pase活性和有機(jī)酸分泌量，尤其是有機(jī)酸分泌量增加了近3倍。相關(guān)性分析表明，同質(zhì)低磷下，根系干物質(zhì)量與APase活性呈顯著性負(fù)相關(guān)，與有機(jī)酸分泌呈顯著性正相關(guān)。說(shuō)明有機(jī)酸分泌對(duì)菌根化苗生長(zhǎng)的貢獻(xiàn)顯著高于APase，這是氮沉降增加了菌根共生對(duì)植物生長(zhǎng)促進(jìn)作用的主要原因之一。

薛小平等[30]研究發(fā)現(xiàn)，中磷條件下外生菌根真菌的生長(zhǎng)最好，無(wú)磷或高磷對(duì)它們的生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制作用。本研究表明，異質(zhì)低磷下，模擬氮沉降顯著降低了馬尾松菌根浸染率，增加了根系生物量和有機(jī)酸分泌量，說(shuō)明異質(zhì)低磷下，表層中較高的氮、 磷環(huán)境不利于菌根真菌對(duì)根系的侵染，但有利于馬尾松根系吸收氮、 磷營(yíng)養(yǎng)，因此增加了根系干物質(zhì)量的積累。相關(guān)分析表明，整株生物量與有機(jī)酸分泌、 磷吸收效率呈顯著性正相關(guān)，與氮吸收效率呈顯著負(fù)相關(guān)。說(shuō)明異質(zhì)低磷下，有機(jī)酸分泌的增加對(duì)苗木的生長(zhǎng)有促進(jìn)作用。然而在磷素含量相對(duì)貧瘠的土壤深層，菌根的生長(zhǎng)發(fā)育程度較表層好，深層根的根尖數(shù)顯著增加。

3.3模擬氮沉降對(duì)低磷脅迫下馬尾松菌根化苗磷效率的影響

對(duì)生長(zhǎng)于低磷酸性土壤上的植株，氮素的大量供給可引發(fā)整株信號(hào)機(jī)制來(lái)調(diào)控生長(zhǎng)，增加植株對(duì)磷素的吸收、 平衡體內(nèi)N/P比[31]。本研究結(jié)果表明，同質(zhì)低磷下菌根共生增加了馬尾松磷吸收效率，而模擬氮沉降下菌根共生對(duì)磷和氮吸收效率的增加幅度更大。在表層富磷的異質(zhì)低磷環(huán)境下，模擬氮沉降較低氮處理增加了馬尾松菌根化苗氮和磷的吸收效率。這些結(jié)果共同說(shuō)明，在菌根共生時(shí)，氮沉降的增加可降低土壤磷的相對(duì)有效性，誘發(fā)菌根通過(guò)增加宿主植物對(duì)土壤磷的吸收和利用, 從而改善植物磷素營(yíng)養(yǎng)而促進(jìn)其生長(zhǎng)發(fā)育。

植株N/P化學(xué)計(jì)量比可以用來(lái)衡量苗木體內(nèi)氮和磷的豐缺程度。N/P在一定閾值范圍內(nèi)，氮、 磷同時(shí)限制或都不限制生長(zhǎng); 當(dāng)N/P低于這一閾值時(shí)，植物生長(zhǎng)受氮限制，植物對(duì)氮素敏感，增加氮素可促進(jìn)生長(zhǎng); 當(dāng)N/P高于閾值時(shí)，生長(zhǎng)受磷限制，施加磷素可促進(jìn)苗木生長(zhǎng)[32]。本研究結(jié)果表明，同質(zhì)低磷環(huán)境下，未接種菌根菌時(shí)馬尾松生長(zhǎng)受磷限制，而接種菌根后馬尾松磷素吸收效率增加，馬尾松菌根化苗N/P比為9.97，生長(zhǎng)受氮、 磷共同限制，苗木對(duì)模擬氮沉降敏感。模擬氮沉降處理顯著促進(jìn)了苗木氮和磷的吸收，增加了苗木生物量的積累。異質(zhì)低磷下，模擬氮沉降顯著促進(jìn)了苗木氮和磷的吸收，增加了苗木生物量的積累，說(shuō)明異質(zhì)低磷下，馬尾松菌根化苗生長(zhǎng)對(duì)模擬氮沉降較敏感，土壤有效性氮的增加促進(jìn)了馬尾松接種菌根菌苗木的生長(zhǎng)。

3.4馬尾松不同家系菌根化苗響應(yīng)模擬氮沉降的遺傳差異

本研究表明，低磷下馬尾松菌根化苗生長(zhǎng)對(duì)模擬氮沉降的響應(yīng)存在顯著的家系差異。低磷-低氮下，家系FS5和FS6對(duì)菌根共生敏感，接種菌根菌后苗木苗高、 地徑和生物量均增加，而家系FS4對(duì)菌根共生不敏感。模擬氮沉降進(jìn)一步促進(jìn)了3個(gè)家系菌根化苗的生長(zhǎng)，說(shuō)明模擬氮沉降增加了土壤N-P比和磷素匱乏程度，從而增加了菌根共生對(duì)馬尾松幼苗生長(zhǎng)的促進(jìn)程度。異質(zhì)低磷處理抑制了3個(gè)家系菌根化苗的生長(zhǎng)，模擬氮沉降下各家系生長(zhǎng)指標(biāo)均較低氮處理下增加，整株干物質(zhì)積累量FS4>FS5>FS6。

基于本研究結(jié)果，在有效磷嚴(yán)重匱乏的較差森林立地上，育種早期可以對(duì)馬尾松苗木進(jìn)行接種外生菌根真菌處理，菌根共生對(duì)于幼苗磷素吸收及生長(zhǎng)的促進(jìn)作用顯著。一定的氮沉降范圍內(nèi)，氮素增加可以提高菌根共生對(duì)苗木生長(zhǎng)發(fā)育的促進(jìn)程度。而在表層土壤磷素較為豐富，立地條件相對(duì)較好的環(huán)境下，菌根共生對(duì)馬尾松苗木生長(zhǎng)的促進(jìn)效應(yīng)較小，甚至產(chǎn)生了抑制效應(yīng)。氮素的增加降低了該抑制程度，提高了菌根作用的有效性。此外，鑒于低磷下馬尾松菌根共生對(duì)氮沉降的響應(yīng)存在顯著的家系差異，篩選高氮-低磷環(huán)境下與菌根共生能力強(qiáng)的馬尾松基因型，提高菌根作用的有效性，將成為提高土壤磷素生物學(xué)利用效率，挖掘植物營(yíng)養(yǎng)高效遺傳潛力的重要途徑。

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EffectsofatmosphericNsedimentationongrowthandPefficiencyofPinusMassonianamycorrhizalseedlingsunderlowPstress

PANGLi1, 2,ZHOUZhi-chun1*,ZHANGYi1,FENGZhong-ping3

(1 Research Institute of Subtropical Forestry CAF, Chinese Academy of Forestry/Zhejiang Provincial Key Laboratory of Tree Breeding/Engineering Research Conter of Masson Pine of State Forestry Administration, Fuyang, Zhejiang 311400, China;2 Anshun College, Anshun, Guizhou 561000, China; 3 Laoshan Forest Farm of Chun’an County of Zhejiang Province,Chun’an， Zhejiang 311700, China)

【Objectives】TheincreasedatmosphericNsedimentationinrecentyearshasbroughttheincreasedNavailabilityandN/Pratioinforestsoils,whichwouldimpactgrowthandPefficiencyofmycorrhizalsymbiosisplant.【Methods】TakingbreedingpopulationofPinus massonianaastestmaterials,apotexperimentwasconductedtosimulatetwoPconditions,i.e.homogeneouslowPavailabilityvs.heterogeneouslowPamongsoillayers,incombinationwithtwoNsedimentationlevelsongrowthandPefficiencyofPinus massonianamycorrhizalseedlings.【Results】 1)TheeffectsofthesimulatedNsedimentationongrowthofmycorrhizalseedlingsarerelevanttothesoilPenvironment.UnderthehomogeneouslowPcondition,Nsedimentationreducesthedegreeofmycorrhizalcolonizationandinfectionrates,andsignificantlyincreasesgrowthandbiomassofPinus massoniana.UndertheheterogeneouslowPcondition,theNdepositionimprovesrootinfectionbymycorrhizalfungi,andreducestheinhibitoryeffectofmycorrhizalsymbiosisongrowthofPinus massoniana; 2)UnderthehomogeneouslowPcondition,thesimulatedNdepositionsignificantlyreducestherootgrowthofmycorrhizalseedlings,andincreasestherootAPaseactivityandthesecretionoforganicacids,especiallyorganicacidssecretion(increasednearlythree-fold).CorrelationanalysisshowsthatorganicacidsecretioncontributiontothegrowthofmycorrhizalseedlingsissignificantlyhigherthanAPaseactivity.UndertheheterogeneouslowPcondition,thedevelopmentdegreeoftheunderlyingrootsofmycorrhizalisgreaterthanthatofthesurfaceroots.Theincreasedsecretionoforganicacidspromotesgrowthofmycorrhizalseedlings; 3)UnderdifferentlowPenvironments,theincreasedNsedimentationdecreasestheeffectivenessofsoilP.MycorrhizalincreasethePabsorptionandutilizationandfurtherpromotegrowthofPinus massoniana; 4)SignificantvariationsamongfamiliesingrowthresponseofPinus massonianamycorrhizalseedlingstothesimulatedNdepositionareobserved.【Conclusion】AtmosphericNsedimentationisabletoimprovethenutritionofNformycorrhizalseedlings,andstimulatethedegreeofmycorrhizalcolonizationandinfectionrates,resultinginmoreabsorptionofPfromsoilsandtheincreaseofbiomass.TherearedifferencestotheresponseofNsedimentationamongthedifferentmycorrhizalcultivars,screeningofhighmycorrhizalsymbiosisabilityofPinus massonianagenotypeswillbeanefficientwaytoimprovesoilPbiologicalutilizationefficiency.

Pinus massoniana;family;lowPstress;Ndeposition;mycorrhizalsymbiosis;Pefficiency

“十二五”國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2012BAD01B02); 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(31370671); 浙江省農(nóng)業(yè)新品種選育重大科技專項(xiàng)竹木育種協(xié)作組重點(diǎn)項(xiàng)目(2012C12908-12); 貴州省科學(xué)技術(shù)廳、 安順市人民政府、 安順學(xué)院聯(lián)合科技基金項(xiàng)目[黔科合LH字(2014)7497]資助。作者簡(jiǎn)介: 龐麗 (1979—)，女，河南焦作人，博士，主要從事林木營(yíng)養(yǎng)遺傳研究。E-mail:pangli4286@163.com

E-mail:zczhou_risf@163.com

S719.248;S714.8文件標(biāo)識(shí)碼:A

1008-505X(2016)01-0225-11

交稿日期: 2014-06-26接受日期: 2014-09-17網(wǎng)絡(luò)出版日期: 2015-05-13