鹽漬化地區(qū)刺槐、新疆楊和檉柳林中AM真菌特性及其影響因子

張新璐，唐 明，陳雪冬，齊 梅，陶 晶，盛 敏

(1. 西北農(nóng)林科技大學 林學院，陜西楊凌 712100；2. 西北農(nóng)林科技大學 生命科學學院，陜西楊凌 712100)

叢枝菌根(Arbuscular Mycorrhizal, AM)真菌是重要的土壤生物成員之一，其可通過擴大植物根系吸收面積、活化土壤養(yǎng)分、增加植物對礦質(zhì)元素和水分的吸收以及激素調(diào)節(jié)等作用來提高植物的抗逆性[1-3]。許多研究者認為生境異質(zhì)性是影響微生物活性與功能的重要因素[4]。對菌根真菌而言，原始生境決定了其菌株特性，菌株來源不同其共生特性和抗逆性也往往不同，從而確定生境異質(zhì)性對AM真菌特性的影響將為菌根技術的廣泛應用提供保障[5]。

土壤鹽漬化是全球普遍存在的資源和生態(tài)問題，嚴重制約著中國農(nóng)林業(yè)的發(fā)展和中國生態(tài)環(huán)境建設。中國鹽漬土總面積約0.991億hm2，主要分布在中國西北、東北、華北、黃淮海平原以及沿海地區(qū)[6]。已有研究表明，AM真菌在鹽漬土中分布廣泛，且其與植物共生能顯著提高植物的抗鹽性，然而其抗鹽性的高低與生境(植物種類、氣溫、降雨量、土壤理化及生物學性質(zhì))有關[7-9]。為充分發(fā)揮AM真菌在鹽漬土改良中的作用，確定鹽漬化地區(qū)AM真菌特性的關鍵影響因素已成為當前首要解決的基本問題。

據(jù)統(tǒng)計，中國西北地區(qū)鹽漬土約占全國鹽漬土總面積的60%左右，是中國受鹽漬化影響最嚴重的區(qū)域之一[10]。在該地區(qū)，經(jīng)過長期的自然選擇和人工培育，一些樹木已能進行生長，如刺槐(RobiniapseudoacaciaL.)、新疆楊(PopulusalbaL. var.pyramidalisBge.)和檉柳(TamarixchinensisL.)等[11]。它們不僅可以保持水土、防風固沙、造林綠化，也被廣泛用于鹽漬土改良，是鹽漬化地區(qū)難得的綠化造林樹種。目前研究發(fā)現(xiàn)，刺槐、新疆楊和檉柳均能與AM真菌形成共生結構[12-14]，然而關于這些樹種的AM真菌在不同鹽漬化地區(qū)是否存在生境異質(zhì)性尚不明確。因此，本試驗選擇位于中國西北部的3個鹽漬化地區(qū)(內(nèi)蒙古磴口、寧夏平羅和甘肅敦煌)中的刺槐、新疆楊和檉柳為研究對象，分析不同樹種根內(nèi)AM真菌侵染狀況及根際AM真菌的生長和繁殖水平，探明AM真菌生長及共生特性與樹種、氣候條件和土壤因子間的相互關系，為菌根技術在鹽漬土改良中的高效利用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 樣品采集

分別于內(nèi)蒙古磴口、寧夏平羅和甘肅敦煌鹽漬化地區(qū)的刺槐、新疆楊和檉柳林中設5個20 m×20 m的小樣方，每個小樣方內(nèi)隨機選取5株植物，每株按東西南北4個方位，去除5 cm厚的表層土后，在5～20 cm土層范圍內(nèi)采集植物根系和根際土，然后分別將根系和根際土混合作為該樣方的代表性樣品。所選樣區(qū)的地理位置和氣候條件見表1。

表1 采樣點概況Table 1 Location, precipitation and average air temperature of sampling sites

1.2 測定項目及方法

采用高錳酸鉀滴定法測定過氧化氫酶活性[17]；采用磷酸苯二鈉比色法測定堿性磷酸酶活性[17]；采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定脲酶活性[17]；采用3,5-二硝基水楊酸(DNS)比色法測定蔗糖酶活性[17]；采用三苯基四氮唑氯化物(TTC)比色法測定脫氫酶活性[18]。

1.2.2 土壤中總球囊酶素和易提取球囊酶素質(zhì)量分數(shù) 采用Wright等[19]的方法測定土壤中易提取球囊霉素和總球囊霉素的質(zhì)量分數(shù)。

1.2.3 AM真菌侵染率 根系樣品采用透明壓片法制片，鏡檢叢枝、泡囊和菌絲等結構特征，采用十字交叉法測定叢枝、泡囊、菌絲及AM真菌總的侵染率[20]。

1.2.4 AM真菌孢子密度和菌絲密度 孢子密度測定方法：分別從各土壤樣品中取100 g鮮土2份，一份在105 ℃下烘干至恒質(zhì)量，測定土壤含水量，另一份用濕篩傾析法分離孢子，在解剖鏡下分格計數(shù)，計算AM真菌的孢子密度[21]。

土壤含水量=(土壤濕質(zhì)量-土壤干質(zhì)量)/土壤濕質(zhì)量×100%

孢子密度= 孢子總數(shù)/[土壤濕質(zhì)量×(1-土壤含水量)]

菌絲密度測定方法：采用抽濾法測定土壤中AM真菌的菌絲密度[22]。

菌絲密度=11/14×總交叉點數(shù)×網(wǎng)格單元格長度×濾膜上樣塊面積/[網(wǎng)格面積×土樣濕質(zhì)量×(1-土壤含水量)]

1.3 統(tǒng)計分析

采用R語言的Vegan程序包對試驗數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析[23]。

2 結果與分析

2.1 不同鹽漬化地區(qū)刺槐、新疆楊及檉柳林的土壤理化性質(zhì)

此外，研究還發(fā)現(xiàn)鹽漬化地區(qū)林地土壤理化性質(zhì)與其所處地理位置有關(Pseudo-F= 8.07,P<0.01)。利用vegdist()函數(shù)計算各鹽漬化地區(qū)土壤理化性質(zhì)間的相異性，并將其相異性與各鹽漬化地區(qū)間的間隔距離進行相關分析。分析結果表明，不同鹽漬化地區(qū)林地土壤理化性質(zhì)的相異性與其間隔距離呈顯著正相關(r=0.21,P<0.001)，即林地間隔越遠，其土壤理化性質(zhì)差異越大(圖2)。

2.2 不同鹽漬化地區(qū)刺槐、新疆楊和檉柳林中土壤酶的活性

方差分析結果表明，土壤酶活性在不同樹種間無顯著差異，但同一樹種在不同鹽漬化地區(qū)間具有一定的差異(表3)。其中，刺槐、新疆楊和檉柳林中土壤過氧化氫酶活性以及檉柳林中土壤堿性磷酸酶和脫氫酶活性為磴口最低；檉柳林中土壤脲酶活性為平羅最低；新疆楊林中土壤蔗糖酶活性為平羅最高，磴口最低。

2.3 不同鹽漬化地區(qū)刺槐、新疆楊和檉柳林中AM真菌的特性

研究發(fā)現(xiàn)，同一樹種的AM真菌特性在不同鹽漬化地區(qū)間表現(xiàn)出一定的差異(表4)。具體而言，刺槐和新疆楊根際土中AM真菌的孢子密度為磴口最高；刺槐根際土中AM真菌的菌絲密度為敦煌最高，而檉柳根際土中AM真菌的菌絲密度則為平羅最高；新疆楊根系的菌絲侵染率為平羅最高，而其叢枝侵染率則為敦煌最高。

“*”表示在0.05水平下差異顯著 “*” represents significant difference at 0.05 level

圖2 不同鹽漬化地區(qū)土壤理化性質(zhì)的相異性與其間隔距離間的相互關系Fig.2 Correlation between dissimilarities of soil physico-chemical properties and geographic distances among different saline areas

此外，方差分析結果表明，樹種不同其根內(nèi)AM真菌的總侵染率、菌絲侵染率、叢枝侵染率及其根際土中AM真菌的孢子密度、菌絲密度和總球囊霉素質(zhì)量分數(shù)顯著不同，而根際土中易提取球囊霉素質(zhì)量分數(shù)及根內(nèi)泡囊侵染率在不同樹種間無顯著性差異(表4)。其中，刺槐根際土中AM真菌的孢子密度和總球囊霉素質(zhì)量分數(shù)及根內(nèi)AM真菌的總侵染率和叢枝侵染率最高，新疆楊根際土中AM真菌的菌絲密度及根內(nèi)菌絲侵染率最高，而檉柳林中AM真菌的各項指標均相對較低。

2.4 土壤性質(zhì)、樹種和氣候條件對AM真菌特性的影響

選擇生境指標(土壤因子、樹種及氣候條件)為解釋變量，利用varpart()變差分析函數(shù)比較土壤因子、樹種及氣候條件對AM真菌特性的貢獻程度。變差分析結果表明土壤因子、樹種及氣候條件共解釋了61.8%的變差，其中土壤因子單獨解釋或與樹種或與氣候條件一起共解釋了53.9%的變差，說明土壤因子對AM真菌特性的影響最大，且其影響與樹種和氣候條件密切相關(圖3)。

2.5 刺槐、新疆楊和檉柳林中AM真菌特性與土壤因子和氣候條件的關系

圖3 土壤因子、樹種和氣候條件對AM真菌特性影響的變差分析Fig.3 Variation partitioning of arbuscular mycorrhizal fungal attributes by soil factors, tree species and climate conditions

(1)節(jié)點表示各AM真菌、土壤因子及氣候指標；連線表示連線兩端的節(jié)點具有顯著相關性(P<0.05)；連線上的數(shù)值為Pearson相關系數(shù) The nodes represent soil, climate and AM fungal parameters, the edge represent a significant (P<0.05) relationship between the nodes, and the number on each edge is the Pearson’s correlation coefficient；(2)SD.AM真菌的孢子密度 AM fungal spore density；HD.菌絲密度 Hyphal density；HC.菌絲侵染率 Hyphal colonization rate；AC.叢枝侵染率 Arbuscular colonization rate；Pspring、Psummer、Pautum和Pwinter.分別表示春、夏、秋、冬季降雨量 Precipitation in spring, summer, autumn and winter；Tspring、Tsummer、Tautum和Twinter.分別表示春、夏、秋、冬季平均氣溫 Average air temperature in spring, summer, autumn and winter

圖4刺槐(A)、新疆楊(B)和檉柳(C)林中AM真菌特性與土壤因子和氣候條件的關系網(wǎng)絡圖
Fig.4NetworksofcorrelationsamongAMfungi,soilfactorsandclimateconditionsofRobiniapseudoacacia(A),Populusabla(B)andTamarixchinensis(C)

3 討 論

微生物趨于生境選擇，其生物活性、功能及其差異是反映生境異質(zhì)性的重要指標[24]。從整體看，中國西北地區(qū)鹽漬土中刺槐、新疆楊和檉柳根內(nèi)AM真菌的侵染力及根際土中AM真菌的生長與繁殖能力均具有一定的生境異質(zhì)性。選擇與生境有關的土壤因子、樹種及氣候條件進行變差分析發(fā)現(xiàn)，AM真菌特性的大部分變差由土壤因子單獨解釋或與樹種或與氣候條件一起共同解釋，說明土壤因子對AM真菌特性的影響最大，且其影響與樹種和氣候條件密切相關。該結論與一些研究者在其他一些自然生態(tài)系統(tǒng)中所獲得的結果基本相似[25-26]。

Carvalho等[8]研究認為氣溫和降雨量的變化可以直接影響鹽漬土中AM真菌的侵染率和孢子密度。一般來講，降雨可通過改變土壤濕度、調(diào)節(jié)植物蒸騰速率對AM真菌進行影響；而氣溫一方面可直接影響AM真菌的生長速度，也可通過調(diào)節(jié)植物生長而對AM真菌進行間接影響[32]。本研究結果表明，鹽漬化地區(qū)刺槐、新疆楊和檉柳根系AM真菌的侵染狀況以及根際AM真菌的菌絲生長和產(chǎn)孢量均與氣溫和降雨量有關，且樹種不同其AM真菌特性與氣溫和降雨量間的相互關系也有所不同。例如刺槐根際AM真菌的菌絲密度與春夏秋冬季氣溫和夏秋季降雨量呈顯著負相關，而檉柳根際AM真菌的菌絲密度與春秋冬季氣溫和春夏季降雨量呈顯著正相關。Kabir等[33]在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中也發(fā)現(xiàn)AM真菌的菌絲密度與氣候條件有關。綜上，鹽漬化地區(qū)AM真菌特性具有生境異質(zhì)性，且其異質(zhì)性主要由土壤因子、樹種及氣候條件等生境因子的變化所致，然而關于這些生境因子對AM真菌的影響機制尚不完全清楚，需待進一步深入的研究。

Reference：

[1] POZO M J,JUNG S C,MARTNEZ-MEDINA A,etal.Root allies:Arbuscular Mycorrhizal Fungi Help Plants to Cope with Biotic Stresses∥Symbiotic Endophytes[M].Heidelberg Berlin:Springer,2013:289-307.

[2] 許平輝,王飛權,齊玉崗,等.叢枝菌根真菌對茶樹抗旱性的影響[J].西北農(nóng)業(yè)學報,2017,26(7):1033-1040.

XU P H,WANG F Q,QI Y G,etal.Effect of arbuscular mycorrhiza fungi on drought resistance in tea plant(Camelliasinensis) [J].ActaAgricultureBoreali-occidentalisSinica,2017,26(7):1033-1040.

[3] LIU H G,WANG Y J,HART M,etal.Arbuscular mycorrhizal symbiosis regulates hormone and osmotic equilibrium ofLyciumbarbarumL. under salt stress[J].Mycosphere,2016,7(6):828-843.

[4] FIERER N,JACKSON R B.The diversity and biogeography of soil bacterial communities[J].ProceedingsoftheNationalAcademyofSciencesoftheUnitedStatesofAmerica,2006,103(3):626-631.

[5] ESTRADA B,BAREA J M,AROCA R,etal.A nativeGlomusintraradicesstrain from a Mediterranean saline area exhibits salt tolerance and enhanced symbiotic efficiency with maize plants under salt stress conditions[J].PlantandSoil,2013,366(1-2):333-349.

[6] 張建鋒.鹽堿地的生態(tài)修復研究[J].水土保持研究,2008,15(4):74-78.

ZHANG J F.Discussion on ecological rehabilitation of salt-affected soils[J].ResearchofSoilandWaterConservation,2008,15(4):74-78.

[7] 劉潤進,劉鵬起,徐 坤,等.中國鹽堿土壤中AM菌的生態(tài)分布[J].應用生態(tài)學報,1999,10(6):721-724.

LIU R J,LIU P Q,XU K,etal.Ecological distribution of arbuscular mycorrhizal fungi in saline-alkaline soils of China[J].ChineseJournalofAppliedEcology,1999,10(6):721-724.

[8] CARVALHO L M,CACADOR I,MARTINS-LOUCO M A.Temporal and spatial variation of arbuscular mycorrhizas in salt marsh plants of the Tagus estuary(Portugal)[J].Mycorrhiza,2001,11(6):303-309.

[9] GUO X H,GONG J.Differential effects of abiotic factors and host plant traits on diversity and community composition of root-colonizing arbuscular mycorrhizal fungi in a salt-stressed ecosystem[J].Mycorrhiza,2014,24(2):79-94.

[10] 汪 林,甘 泓,于福亮,等.西北地區(qū)鹽漬土及其開發(fā)利用中存在問題的對策[J].水利學報,2001(6):90-95.

WANG L,GAN H,YU F L,etal.Salted soil and its development in northwest China[J].JournalofHydraulicEngineering,2001(6):90-95.

[11] 林士杰,張忠輝,張大偉,等.鹽堿地樹種選擇及抗鹽堿造林技術研究進展[J].中國農(nóng)學通報,2012,28(10):1-5.

LIN SH J,ZHANG ZH H,ZHANG D W,etal.Research progress on the trees species choice in saline-alkali land and drought resistant forestation technology[J].ChineseAgriculturalScienceBulletin,2012,28(10):1-5.

[12] SHENG M,CHEN X D,ZHANG X L,etal.Changes in arbuscular mycorrhizal fungal attributes along a chronosequence of black locust(Robiniapseudoacacia) plantations can be attributed to the plantation-induced variation in soil properties[J].ScienceoftheTotalEnvironment,2017(599):273-283.

[13] 梁倩倩,李 敏,劉潤進,等.全球變化下菌根真菌的作用及其作用機制[J].生態(tài)學報,2014,34(21):6039-6048．

LIANG Q Q,LI M,LIU R J,etal．Function and functioning mechanisms of mycorrhizal fungi under global changes[J].ActaEcologicaSinica,2014,34(21):6039-6048.

[14] 盛 敏,唐 明,迪麗努爾,等.西北鹽堿土主要植物叢枝菌根研究[J].西北農(nóng)林科技大學學報(自然科學版),2007,35(2):74-78.

SHENG M,TANG M,DILNUR,etal.Study on arbuscular mycorrhizae of common halophytes from northwest sali-alkali soil[J].JournalofNorthwestA&FUniversity(NaturalScienceEdition),2007,35(2):74-78.

[15] 鮑士旦,江榮風,楊超光,等.土壤農(nóng)化分析[M].北京:中國農(nóng)業(yè)出版社,2000.

BAO SH D,JIANG R F,YANG CH G,etal.Analysis of Soil Characteristics[M].Beijing:China Agriculture Press,2000.

[16] 陳云增,陳志凡,馬建華,等.沙潁河流域典型癌病高發(fā)區(qū)土壤硝態(tài)氮對地下水和蔬菜硝酸鹽積累的影響[J].環(huán)境科學學報,2016,36(3):990-998.

CHEN Y Z,CHEN ZH F,MA J H,etal.Effects of soil nitrate nitrogen on the nitrate accumulation in groundwater and vegetables in a typical high cancer incidence area of Shaying River basin[J].ActaScientiaeCircumstantiae,2016,36(3):990-998.

[17] 關松蔭.土壤酶及其研究法[M].北京:農(nóng)業(yè)出版社,1986．

GUAN S Y．Soil Enzymes and Its Method log[M].Beijing:Agricultural Press,1986.

[18] CHANDER K,BROOKES P C.Is the dehydrogenase assay invalid as a method to estimate microbial activity in copper-contaminated soils?[J].SoilBiologyBiochemistry,1991,23(10):909-915.

[19] WRIGHT S F,UPADHYAYA A.Extraction of an abundant and unusual protein from soil and comparison with hyphal protein of arbuscular mycorrhizal fungi[J].SoilScience,1996,161(9):575-586.

[20] PHILLIPS J M,HAYMAN D S.Improved procedures for clearing roots and staining parasitic and vesicular-arbuscular mycorrhizal fungi for rapid assessment of infection[J].TransactionsoftheBritishMycologicalSociety,1970,55(1):158-168.

[21] 弓明欽,陳應龍,仲崇祿.菌根研究及應用[M].北京:中國林業(yè)出版社,1997.

GONG M Q,CHEN Y L,ZHONG CH L.Mycorrhizal Research and Application[M].Beijing:China Forestry Publishing House,1997.

[22] 何躍軍,鐘章成,董 鳴.AMF對喀斯特土壤枯落物分解和對宿主植物的養(yǎng)分傳遞[J].生態(tài)學報,2012,32(8):2525-2531．

HE Y J,ZHONG ZH CH,DONG M.Nutrients transfer for host plant and litter decompositon by AMF in Karst soil[J].ActaEcologicaSinica,2012,32(8):2525-2531.

[23] OKSANEN J,BLANCHET G F,KINDT R,etal.Vegan:community ecology package.R package version 2.0-10[J/OL].http:∥CRAN.R-project.org/package=vegan.[2013-06-02].

[24] ODLAND A,DEL MORAL R.Thirteen years of wetland vegetation succession following a permanent drawdown, Myrkdalen Lake, Norway[J].PlantEcology,2002,162(2):185-198.

[25] XU T L,VERESOGLOU S D,CHEN Y L,etal.Plant community, geographic distance and abiotic factors play different roles in predicting AMF biogeography at the regional scale in northern China[J].EnvironmentalMicrobiologyReports,2016,8(6):1048-1057.

[26] XU X H,CHEN C,ZHANG ZH,etal.The influence of environmental factors on communities of arbuscular mycorrhizal fungi associated withChenopodiumambrosioidesrevealed by MiSeq sequencing investigation[J].ScientificReports,2017,7(7):45134.

[27] DHAR P P,MRIDHA M A U.Arbuscular mycorrhizal associations in different forest tree species of Hazarikhil forest of Chittagong, Bangladesh[J].JournalofForestryResearch,2012,23(1):115-122.

[28] 張海波,梁月明,馮書珍,等.土壤類型和樹種對根際土叢枝菌根真菌群落及其根系侵染率的影響[J].農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化研究,2016,37(1):187-194.

ZHANG H B,LIANG Y M,FENG SH ZH,etal.The effects of soil types and plant species on arbuscular mycorrhizal fungi community and colonization in the rhizosphere[J].ResearchofAgriculturalModernization,2016,37(1):187-194.

[29] LIU H G,WANG Y J,TANG M.Arbuscular mycorrhizal fungi diversity associated with two halophytesLyciumbarbarumL.andElaeagnusangustifoliaL.in Ningxia, China[J].ArchivesofAgronomyandSoilScience,2017,63(6):796-806.

[30] JOHNSON N C,GRAHAM J H,SMITH F A.Functioning of mycorrhizal associations along the mutualism-parasitism continuum[J].Newphytologist,1997,135(4):575-585.

[31] PHILIPPOT L,RAAIJMAKERS J M,LEMANCEAU P,etal.Going back to the roots:the microbial ecology of the rhizosphere[J].NatureReviewsMicrobiology,2013,11(11):789-799.

[32] 孫向偉,王曉娟,陳 牧,等.生態(tài)環(huán)境因子對AM真菌孢子形成與分布的作用機制[J].草業(yè)學報,2011,20(1):214-221.

SUN X W,WANG X J,CHEN M,etal.Effects of eco-environmental factors on the production and distribution of arbuscular mycorrhizal fungal spores[J].ActaPrataculturaeSinica,2011,20(1):214-221.

[33] KABIR Z, O′HALLORAN I P, FYLES J W,etal.Seasonal changes of arbuscular mycorrhizal fungi as affected by tillage practices and fertilization:hyphal density and mycorrhizal root colonization[J].PlantandSoil,1997,192(2):285-293.