長期施肥對叢枝菌根真菌的影響研究進展

高偉勤 王 鵬

（浙江省柑橘研究所 臺州 318026）

叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF）作為土壤中的一類有益微生物，其菌絲體可以侵入陸地上90%以上植物根系細胞組織內部，在皮層細胞中產生泡囊、叢枝等結構，與其形成共生體——叢枝菌根（Arbuscular mycorrhizas，AM）。植物將部分光合產物以碳源的形式輸送給AM真菌，而AM真菌借助其發達的菌絲網以及菌絲橋結構為植物吸收并提供更多的水分和養分，同時還能提高寄主植物對環境脅迫的抗逆性[1]，即AM真菌與寄主植物形成一種互惠共生的關系。菌根是大多數高等植物進行營養吸收必需利用的方式[2]，實際上，菌根的生態系統功能已被廣泛認可，其在營養元素循環、土壤碳固持以及生態系統穩定性等方面都起到了極其重要的作用[3]。AM真菌通常被認為在低投入或有機農業中具有重要作用[4]，而高投入和精細化的農業管理水平往往會導致AM真菌類群的豐富度和多樣性水平被降低，進一步阻礙了AM真菌的發育[5,6]。

迄今為止，施肥處理對AM真菌發育的研究被逐步開展，不同施肥處理與用量對AM真菌的影響有顯著的差異。本文從農業生產中常用的氮肥、磷肥、無機肥及有機肥角度，歸納總結了不同施肥處理對AM真菌的及其多樣性的影響，以期為土壤AM真菌對肥料投入的響應研究及利用菌根生物技術修復受損土壤生態系統提供理論依據。

1 我國長期施肥現狀

我國是一個農業大國，國內化肥年使用量占據世界化肥年使用量的三分之一，是世界上化肥使用量最大的國家[7]，占世界總消費量的35%，其中氮肥施用量增長到46.6×1012t[8]。

2015年調查結果顯示，我國主產區柑橘園氮、磷、鉀肥年平均用量分別為494、364和397 kg/hm2，而國外柑橘推薦氮磷鉀用量僅分別為150～250、100～150和150～200 kg/hm2[9]。我國水稻、小麥的氮肥利用率分別為32.3%和28.8%，設施番茄更低，只有8.5%。而東南亞地區水稻和印度小麥的氮肥利用率都在40%左右，一般發達國家可高達到40%～60%[10]。我國有30%左右茶園存在化肥施用過量問題，各省茶區的 N、P2O5、K2O年均養分投入量為分別為281～745、72～485、76～961 kg/hm2，其中以山東、湖北、湖南、江西、四川、福建等地較為突出[11]。

2015年，浙江省平均化肥用量為19.4kg/667 m2左右，大大高于發達國家的15.0kg/667 m2[12]。過量的肥料投入會加劇土壤養分失衡，不僅不利于增產提質，還會降低養分利用率、增加生產成本，又會造成環境和大氣污染。

2 長期施用氮肥對AM真菌發育的影響

氮是植物生長的必需元素，能夠提高土壤的凈初級生產能力，提高作物產量和品質。我國多數地區的氮肥施用量要遠高于北美及歐洲[13]，大量的氮肥在提高產量的同時也帶來環境問題，如土壤酸化[14]、板結[15]等。土壤中的大多數氮素主要以高分子復合體形態存在的有機氮，而真正能夠被植物所吸收利用的主要氮素類型為無機氮，因此土壤微生物通過分解有機物質，釋放出無機氮的過程顯得尤為重要[16]。

研究表明，AM真菌共生體不僅可以促進土壤有機物質的分解，而且AM真菌侵入植物根系后，向內形成根內菌絲，通過菌絲傳遞增強植物對氮的吸收，向外形成根外菌絲在根系無法到達的區域獨立擴展，吸收更多數量的氮素[17,18]。然而，也有學者認為，土壤氮素資源豐富時，會抑制AM真菌的發育。隨施氮量的增加，豌豆和春小麥根系AM真菌侵染率均表現出先升高后降低的趨勢[19]。賀學禮等[20]發現過高的氮抑制了AM真菌對黃芪根系的侵染，王淼焱等[21]發現長期定位施用氮肥降低了AM真菌對寄主植物的根系侵染率、叢枝著生率、單位根長泡囊數和侵入點數。

另一種觀點認為，氮肥可以增強土壤肥力，調節土壤結構，增強土壤的透氣性、保水性以及微生物的活性，從而有利于AM真菌的生長發育。羅佳佳[22]的研究表明氮肥的適量施用提高了AM真菌的侵染率以及垂穗披堿草對菌根依賴性；郝杰等[23]發現不同的施氮水平會顯著影響小麥根際AM真菌群落結構，氮肥投入，顯著提高了小麥根際AM真菌的多樣性。

還有一種觀點認為，氮肥的施用對土壤AM真菌的發育沒有直接的影響。王慶峰[24]研究表明，長期單施氮肥對黑土中AM真菌的多樣性沒有顯著影響；侯宇虹[25]等發現，氮肥的施用對百合根際AM真菌的孢子數量沒有顯著的改變。

因此，長期施用氮肥對AM真菌的發育影響結果不同，相關機制有待進一步研究。

3 長期施用磷肥對AM發育的影響

土壤中的有效磷被認為是影響植物生長及提高產量的關鍵因素之一[26]，然而土壤礦物對磷具有強烈的吸附固定作用，造成土壤磷移動性差，最終降低了土壤中磷的有效性。相關研究表明，約80%的植物磷素是通過AM真菌進行吸收[27]。同樣，磷肥對AM真菌的發育以及多樣性也有著重要的影響，通常伴隨著磷肥的施用而逐漸降低[28]。

高磷條件下，冬小麥的菌根侵染率要低于低磷處理[29]；Lin等[30]的研究結果表明，連續20年長期施用磷肥，AM真菌的多樣性顯著降低。這可能是因為植物體內磷營養水平的提高，降低了植物根皮層細胞的質膜透性，使得植物傳遞給AM真菌的碳水化合物減少，限制了AM真菌的發育。也有學者認為植物在磷素充足的條件下，無需借助AM真菌便可以吸收生長所需的全部磷素，而AM真菌無法獲得維持自身生長發育的光合產物，從而表現出侵染率下降和多樣性降低的現象[31]。

此外，土壤中磷素含量較低時，反而有利于AM真菌的發育。有研究表明，低濃度的磷素形態有利于AM真菌對羊草的侵染，顯著增加了地下部的吸磷量和植株的生物量[32]。在玉米根際土中添加50 mg/kg的磷素提高了AM真菌的侵染，有利于菌根效應的發揮，促進了玉米的生長[33]，這可能是因為在土壤中的磷濃度較低時，植物無法僅靠自身根系吸收土壤中的磷，必須借助AM真菌，形成共生體，從而滿足對磷的需求。從中可以發現，似乎低濃度的磷含量更有利于AM真菌的發育，而高濃度的磷含量則限制了AM真菌的生長。

4 長期施用無機肥對AM真菌發育的影響

復合肥具有養分含量高、副成分少且物理性狀好等優點，對于平衡施肥、提高肥料利用率、促進作物高產穩產有著十分重要的作用。復合養分對AM真菌發育的影響也已經被研究，如王慶峰等[24]人發現長期施用無機肥會引起東北黑土地土壤理化性質發生改變，降低氮磷利用率，從而引起的土壤pH降低和有效磷含量的降低，導致土壤中AM真菌群落結構變差。Lin等人[30]發現，長期的氮磷鉀平衡施肥降低了中國北方沙壤土中AM真菌的豐富度水平以及多樣性。李登武等[34]認為，在氮肥和磷肥均衡施用的條件下，中低量的鉀肥顯著促進了AM真菌的侵染，高量的鉀肥則會產生抑制作用。Cheng等人[35]發現長期施用氮肥和鉀肥（90年）而不施用磷肥會顯著增加AM真菌多樣性，但短期內施用磷肥也會顯著增加AM真菌的多樣性。還有研究表明，氮肥對AM真菌群落的影響受土壤中有效磷的影響，氮肥在磷缺乏時能夠提高土壤中AM真菌豐富度和多樣性，而在磷豐富時，氮肥反而降低了AM真菌生物量、豐富度和多樣性[35,36]。

由于土壤中養分復雜，Johnson等[37]人提出了一個交易平衡模型，認為通常情況下植物與AM真菌互利共生，若只施氮肥，則增強植物對磷的需求，從而使共生關系加強，促進AM真菌生長發育；但同時施入氮肥和磷肥后，土壤有效養分含量的增加，將會降低植物對AM真菌的依賴，進一步高氮和高磷的投入導致過高的有效養分含量則使得植物不再依賴AM真菌，從而共生變成寄生關系，不利于AM真菌的生長發育，降低AM真菌多度，最終削弱AM真菌的生理生態功能。

5 長期施用有機肥對AM真菌發育的影響

有機肥中含有較多的營養元素，能為作物提供養分，促進作物的生長，提高農產品的品質。有機肥能夠促進土壤中微生物的活動[38]，充分利用土壤微生物內生態的自我穩定機制，不僅維持了作物的產量以及土壤肥力，也進一步減少了有機資源利用不足對環境造成的污染。而施用有機肥對AM真菌發育的研究相對較少。一些研究顯示，有機肥的施用可以提高AM真菌的侵染水平以及土壤中的孢子密度[39]及生長發育[40]。長期施用有機肥降低了黃土高原農田系統中AM真菌的豐富度，增加了土壤中AM真菌的孢子密度和真菌多樣性[41]，在設施番茄上的研究也報道稱有機肥的施用可以提高AM真菌的侵染率，有利于AM真菌的生長和繁殖[42]。有機肥被視為綠色肥料，對AM菌根的發育同樣表現出積極的促進作用。

6 總結與展望

目前，有關施肥對AM真菌發育的影響還存在較大的爭議，無論是氮肥、磷肥、無機肥或是有機肥得到的結果都有一定的差入。然而多數的研究結果指向了適量或中低量的施肥有助于AM真菌的發育，而大量的施用阻礙了AM真菌與植物根系共生體的形成。而關于施肥影響AM真菌發育的機制也不是很清楚，部分學者開始認為AM真菌與植物之間的共生關系應該明確定義為從寄生到互利共生的連續體。雖然AM真菌對作物生長積極的促進作用已經被眾多學者所接受，但是有關AM真菌在農田管理中如何響應施肥處理的機制還有待進一步研究。