不同菌根類型植物葉片灰分含量及其對氣候變化響應的差異

盧世川，石兆勇, ，張夢歌，楊梅，王旭剛，徐曉峰

1. 河南科技大學農學院，河南 洛陽 471000；2. 洛陽市共生微生物與綠色發展重點實驗室，河南 洛陽 471000；3. 北京大學地表過程分析與模擬教育部重點實驗室，北京 100871

葉片灰分是植物葉片充分燃燒后所遺留的包括各種礦物質的氧化物，因此，葉片灰分含量經常被作為衡量葉片礦質營養元素含量的綜合指標。此外，葉片灰分與植物熱值有著密切的關系，林恬等（2018）測定并分析中亞熱帶常綠闊葉林生態系統中不同層次優勢種的葉片灰分含量、干重熱值以及去灰分熱值，試驗結果顯示所有優勢植物的葉片干重熱值與葉片灰分含量呈現顯著的負相關，并且葉片干重熱值、灰分含量、去灰分熱值具有一致的季節變化趨勢。由于植物熱值能反映葉片對太陽能的轉化效率，所以葉片灰分含量通常被用作研究植物第一性生產力的重要指標（官麗莉等，2005）。因此，植物葉片灰分含量及其變化引起了研究者的關注，潘賢強（2011）對毛竹的葉片灰分、干重熱值以及去灰分熱值的月動態變化情況進行研究，結果顯示毛竹老葉灰分含量、干重熱值和去灰分熱值的月動態變化趨勢與成熟葉相似，并且老葉的干重熱值與毛竹葉片灰分含量有顯著的線性負相關。Glenn et al.（2015）通過對13年的桃樹栽培試驗的數據分析，探究了不同栽培年限和環境變化對植物葉片灰分含量影響，試驗中發現植物水分利用率對植物葉片灰分含量具有一定的影響。Han et al.（2012）研究了中國陸地植物葉片灰分含量隨緯度、降水、氣溫以及土壤pH的變化狀況，試驗結果顯示葉片灰分含量與緯度和土壤pH存在顯著的線性正相關，與降水量存在顯著的線性負相關，氣溫與葉片灰分含量存在二次函數關系。可見，對于植物葉片灰分含量及其影響因素的研究，逐漸成為研究的熱點科學問題。

菌根作為植物根系與土壤真菌形成的互惠共生體，廣布于各種生態系統中，存在于絕大多數植物根系（Smith et al.，2008），在植物營養、植物葉片特性和植物生產力方面都發揮著至關重要的作用（Smith et al.，2008）。自然界中，存在7種不同類型的菌根，研究表明，菌根類型不同，其生態功能也存在著差異。Averill et al.（2014）分別分析了以叢枝菌根（AM）類型植物為優勢種和以外生菌根（ECM）類型植物為優勢種的生態系統土壤碳儲存量，研究發現以 ECM 類型植物為優勢種的生態系統土壤碳儲量是AM類型的1.5倍。Vargas et al.（2010）發現陸地AM類型和ECM類型生態系統中CO2通量存在著差異，并且以AM類型植物為優勢種的生態系統，CO2通量主要受到年降水量的控制，而以ECM類型植物為優勢種的生態系統，CO2通量則更易受到年平均氣溫的影響。石兆勇等（2012；2014；2017）針對于不同菌根類型對森林生產力及其對溫度和降水響應影響進行了研究，研究表明AM類型森林的總初級生產力比ECM類型森林高，并存在顯著的差異，但是 ECM 類型森林凈初級生產力隨著溫度升高和降水增加而增加，而AM類型森林凈初級生產力與溫度和降水沒有顯著的關系。可見，AM和ECM在生態系統中具有不同的生態功能，并且影響著生態系統對環境和氣候變化的響應。

葉片灰分含量作為植物葉片的重要特性，是反映植物對礦物質元素的吸收、積累及植物葉片光合作用效率和生產力情況的重要指標。近幾年關于AM和ECM兩種類型菌根對植物葉片特性的影響有眾多報道，如葉片C含量、N含量、P含量和生產力等都有所涉及（Cornelissen et al.，2001；Shi et al.，2012；2013），但其對葉片灰分含量及其對氣候變化響應的影響，就我們的知識而言，還未見報道。因此，本文研究了AM和ECM對中國陸生植物葉片灰分含量影響的差異，并在此基礎上，結合環境因素，分析了AM和ECM植物葉片灰分含量隨緯度、氣溫、降水和土壤pH變化響應的影響。旨在揭示生態系統中，分布最廣泛的兩種不同菌根類型的功能的差異，從而更好的解釋植物對氣候變化影響的不同，并豐富菌根生態功能的理論。

1 材料與方法

1.1 數據來源與編輯

本研究基于Han et al.（2012）發表的中國陸地植物葉片灰分含量的數據庫（數據庫來源：https://doi.org/10.1111/j.1466-8238.2011.00677.x），根據數據庫中的植物種類，查閱了大量現已發表的文獻，并參照Vargas et al.（2010）和Cornelissen et al.（2001）對植物菌根類型的確定方法，確定了每種植物的菌根類型，提取數據庫中AM類型和ECM類型2種優勢菌根類型的植物數據，建立了“我國陸地植物葉片灰分含量菌根類型數據庫”。數據庫中包含植物葉片灰分含量，以及該植物生長的經緯度、氣溫、降水量和土壤pH等環境因素的數據。將數據庫中全部植物定義為“總體植物”，共有1097個植物分布于中國北緯18°—49°之間，包含603個草本植物和494個木本植物。AM類型植物共有987個，其中有601個草根植物和386個木本植物。ECM類型植物共有110個，其中有2個草本植物和108個木本植物。在此基礎上，分析了2類優勢菌根類型AM和ECM植物葉片灰分含量及其對氣候變化響應的差異。數據庫中的植物樣本的緯度、年降水量、年平均氣溫和土壤pH等數據均采用Han et al.（2012）原數據庫。

1.2 數據分析

將植物葉片灰分含量和年降水量數據進行了對數轉化。對AM類型、ECM類型以及總體植物的葉片灰分含量進行單因素方差分析和置換檢驗，比較其之間的差異顯著性。對不同菌根類型植物葉片灰分含量隨緯度、年降水量、年平均氣溫和土壤pH的變化，則采用回歸分析進行模擬。

2 結果分析

2.1 AM和ECM植物葉片灰分含量的差異

對AM類型和ECM類型以及總體植物的葉片灰分含量（Total）進行單因素方差分析，表明AM類型植物葉片灰分含量與總體植物葉片灰分含量均高于ECM類型植物葉片灰分含量（圖1）。對于AM 類型植物而言，其葉片灰分含量變化范圍為17.7011 — 550.0473 mg·g-1， 平 均 為 127.8792 mg·g-1。而ECM類型植物葉片灰分含量的變化范圍為 13.3999—186.8960 mg·g-1，平均為 55.3223 mg·g-1。通過置換檢驗分析表明，AM 類型植物葉片灰分含量顯著高于ECM類型植物。進一步分析了草本植物和木本植物AM和ECM植物葉片灰分的含量（圖2），表明在草本植物中，絕大多數，601個樣本為AM而ECM樣本僅2個，且二者的葉片灰分含量差一步顯著。對于木本植物，AM葉片灰分含量（86.58 mg·g-1），極顯著 ECM 植物葉片的76.7487 mg·g-1。

圖1 不同菌根類型植物的葉片灰分含量Fig. 1 Ash content in leaves of different mycorrhizal type

圖2 不同植物類群AM和ECM植物葉片灰分含量Fig. 2 leaf ash between AM and ECM in herbaceous and woody plants

2.2 AM和ECM植物葉片灰分含量隨緯度的變化差異

總體植物葉片灰分含量隨著緯的增加有極顯著的增長趨勢（圖3，P=2.600×10-14），緯度每增加1°，葉片灰分含量增加1.0400 mg·g-1。AM和ECM植物葉片灰分含量隨緯度的變化而存在明顯的差異（圖4，PAM=7.320×10-14，R2AM=0.1741；PECM=0.060，R2ECM=0.0325）。AM類型植物的葉片灰分含量隨緯度的增加而顯著增加，緯度每增加1°，葉片灰分含量增加1.0390 mg·g-1。而ECM類型植物的葉片灰分含量與緯度不具有線性回歸關系。

圖3 植物葉片灰分含量隨緯度的變化Fig. 3 The variation of ash content in plant leaves with latitude

2.3 AM和ECM植物葉片灰分含量隨年平均降水量的變化

總體植物葉片灰分含量隨年平均降水量有極顯著的減少趨勢（圖 5，R2=0.2853，P=6.342×10-82），年平均降水量每增加1 mm，植物葉片灰分含量減少2.3067 mg·g-1。AM和ECM植物葉片灰分含量隨年降水量的變化具有相同的響應（圖 6，PAM=8.700×10-72，R2AM=0.2782）。AM 類型植物的葉片灰分含量隨年平均降水量有顯著的減少趨勢，年平均降水量每增加1 mm，植物葉片灰分含量減少2.1913 mg·g-1；而ECM類型植物葉片灰分含量與年降水有顯著的減少趨勢（PECM=0.019，R2ECM=0.05），但沒有 AM類型植物敏感，年平均降水量每增加 1 mm，植物葉片灰分含量減少1.6270 mg·g-1。

圖4 AM和ECM植物葉片灰分含量隨緯度的變化Fig. 4 Ash content in leaves of AM and ECM plants varied with latitude

圖5 植物葉片灰分含量隨年平均降水量的變化圖Fig. 5 Changes of ash content in plant leaves with annual average precipitation

圖6 AM和ECM植物葉片灰分含量隨年平均降水量的變化Fig. 6 Changes of ash content in leaves of AM and ECM plants with annual plants with annual average precipitation

2.4 AM和ECM植物葉片灰分含量隨年平均氣溫的變化

總體植物葉片灰分含量隨年平均氣溫的變化有顯著的線性關系又有顯著的二次函數關系（圖 7，R2Q=0.1715，PQ=2.013×10-45；R2L=0.0538，PL=7.347×10-15），二次關系具有較好的擬合度。年平均氣溫在 7.9 ℃時具有最高的葉片灰分含量。AM和ECM植物葉片灰分含量隨年平均溫度變化有明顯的差異（圖8）。AM類型植物（RAM2=0.1953，PAM=3.759×10-47）葉片灰分含量與年平均氣溫有極顯著的二次關系，并且年平均氣溫在8.2 ℃時具有最高的葉片灰分含量。而ECM類型植物與年平均氣溫之間沒有顯著的二次回歸關系（PECM=0.086）。

圖7 植物葉片灰分含量隨年平均氣溫的Fig. 7 Ash content of plant leaves with annual average temperature

圖8 AM和ECM植物葉片灰分含量隨年平均氣溫的變化Fig. 8 Changes of ash content in leaves of AM and ECM plants with annual average temperature

2.5 AM和ECM植物葉片灰分含量隨土壤pH的變化

總體葉片灰分含量隨土壤pH的變化有顯著地增長趨勢（圖 9，P=2.400×10-33，R2=0.4455），土壤pH每增加1，葉片灰分含量增加1.4355 mg·g-1。AM和ECM植物葉片灰分含量隨土壤pH的變化均具顯著增加的趨勢（圖 10，PAM=1.535×10-33，R2AM=0.4743；PECM=0.001，R2ECM=0.4744）。AM類型植物土壤 pH每增加 1葉片灰分含量增加1.4246 mg·g-1；ECM類型植物土壤pH每增加1，葉片灰分含量增加1.5606 mg·g-1；AM類型植物葉片灰分含量隨土壤pH變化比ECM類型更為敏感。

圖9 植物葉片灰分含量隨土壤pH的變化Fig. 9 Ash content of plant leaves changes with soil pH

圖10 AM和ECM植物葉片灰分含量隨土壤pH的變化Fig. 10 Ash content of AM and ECM leaves varied with soil pH

3 討論

眾多研究表明，AM和ECM在生態系統中扮演著重要的角色和功能（石兆勇等，2012；Averill et al.，2014；石兆勇等，2014；Vargas et al.，2010；石兆勇等，2017）。而本研究是針對中國陸生植物葉片灰分含量來探究AM和ECM功能上不同的研究。

本研究采用了Han et al.（2012）中國陸地植物葉片灰分含量數據庫，從中提取了1097個AM類型和ECM類型的優勢植物葉片灰分含量數據跨越中國北緯18°—49°。總體植物葉片灰分含量的平均值為120.5869 mg·g-1，與源數據庫中植物葉片灰分含量平均值122.4898 mg·g-1相似，并且總體植物葉片灰分含量隨緯度、氣溫、降水以及土壤pH的變化的響應也與Han et al.（2012）的研究結果一致。由此可見，本研究使用的菌根類型植物葉片灰分含量數據庫與Han采用的中國陸地植物葉片灰分含量數據庫基本一致，并且具有一定的代表性，進而證明了 Han使用的數據庫中植物以 AM 類型植物和ECM類型植物為主。

結果顯示，AM類型植物葉片灰分含量遠高于ECM類型，這可能是由于兩種菌根對植物吸收礦物質元素以及向葉片運輸積累存在差異。AM真菌不僅能夠促進植物對鋅、硒、磷、鉀、鈣和銅等礦物質元素的吸收（苗秀妍，2019），還能促進向地上部分運輸，提高植物葉片中礦質元素的積累量，也能夠提高植物凈光合速率（宋亞利，2015）。雖然ECM 真菌能夠風化礦物提高土壤中的營養成分促進植物對營養物質的吸收（魏松坡等，2014），但是ECM真菌沒有促進營養物質向地上部分運輸以及積累，所以ECM類型植物的葉片灰分含量低于AM類型。也有可能是ECM類型植物葉片灰分含量數據所占比重較少，這是由于菌根類型植物分布有關，在陸生植物中有80%以上的植物能與AM真菌形成互惠共生關系（Smith et al.，2008），而ECM真菌只能與少量的宿主植物結合（Allen et al.，1995）。本研究數據庫中有 987個 AM 類型和 110個ECM類型，基本符合AM和ECM在生態系統的分布情況，并且進一步表明包括總體植物葉片灰分含量數據與AM類型沒有顯著差異，而與ECM類型有顯著差異。

AM類型植物葉片含量隨緯度的升高而增加，而ECM類型植物葉片灰分含量與緯度變化沒有顯著的關系。有研究表明，AM真菌的分布存在著地理分布格局（楊海水，2018），所以 AM 類型植物葉片灰分含量可能受到相應的影響產生隨緯度變化現象。本研究中，AM類型植物葉片灰分含量隨緯度變化的趨勢與Han et al.（2012）研究結果中葉片灰分含量隨緯度的變化趨勢相近似。由于植物葉片灰分含量隨緯度變化關系的研究較少，具體的原因需要進一步的探究。

石兆勇等（2012；2014；2017）研究表明，AM類型和ECM類型植物凈初級生產力隨著年降水量和氣溫的變化的響應不同，并且對植物不同部位凈初級成產力響應也不同，其中AM類型植物葉片凈初級生產力隨降水的變化比ECM類型植物更為敏感，ECM類型植物葉片凈初級生產力隨氣溫的增加而增加，而與AM沒有明顯規律。不同菌根類型植物葉片的總初級生產力關于氣溫和降水變化響應也有所不同。以上研究均表明，不同菌根類型植物葉片特征隨氣候變化響應均有不同。葉片灰分含量作為植物葉片特征之一，本研究也證明了不同菌根類型植物葉片灰分含量隨氣溫和降水的變化響應不同。由于本研究是第一次探究，具體原因有待以后研究。

AM類型植物和ECM類型植物葉片灰分含量隨土壤pH的升高均出現升高的現象。這種現象可能是由于土壤pH影響菌根的生長，進而影響到植物對礦質元素的吸收以及向葉片的轉運和積累。研究表明，根際土壤的pH對于菌根的生長有一定的影響（溫祝桂等，2012），并且菌根真菌的侵染率與pH呈直接負效應（方燕等，2010），賀學禮等（2011）研究也表明菌絲的侵染率也與土壤pH顯著負相關。菌根真菌侵染率和菌絲侵染率影響菌根的生長，進而影響植物對于礦質元素的吸收、轉運和積累。

4 結論

植物葉片灰分含量因AM和ECM類型的不同而存在明顯差異，并且AM類型植物葉片灰分含量對緯度、降水和氣溫變化的響應相對于ECM更為敏感。本研究為了解菌根對植物葉片灰分含量的影響進行了初步探究，也為以后探究AM和ECM類型植物葉片灰分含量隨氣候和環境因子變化的響應提供了數據支持。