模擬氮沉降和接種外生菌根真菌對馬尾松(Pinus massoniana)幼苗營養元素的影響

孫鵬飛,程瑞梅,2,*,肖文發,2,沈雅飛,2,曾立雄,王麗君,陳 天,張 萌,邢紅爽

1 中國林業科學研究院森林生態環境與保護研究所國家林業和草原局森林生態環境重點實驗室, 北京 100091 2 南京林業大學南方現代林業協同創新中心, 南京 210037

隨著人類活動產生的活性氮化合物的過度排放使大氣氮沉降日益加劇,其對生態系統的影響也成為目前全球環境質量和氣候變化中熱議的話題[1—2]。作為最大的發展中國家,我國為全球三個高氮沉降熱點區域之一,雖然氮沉降量的變化趨勢由快速增長變為趨于穩定,但是總量仍然處于較高水平[3]。大氣氮沉降直接或間接影響植物生長、營養元素吸收及分配過程[4]。植物從土壤中汲取營養維持和促進自身的生長發育,而諸多功能、含量和分布各異的營養元素對植物的生命活動也起到至關重要的作用[5—6]。土壤中氮含量的高低會影響植物對氮的吸收和同化能力,并影響氮在植物體內運輸的差異,同時也會影響植物對其他營養元素的吸收和利用[7]。向日葵(Helianthusannuus)、百日草(Zinniaelegans)、雞冠花(Celosiacristata)和波斯菊(Cosmosbipinnatus)在不同施氮濃度處理后,葉片氮含量均隨施氮濃度的升高而升高,但施氮對4種植物其他營養元素含量的影響卻不同,增加了向日葵錳(Mn)、鐵(Fe)和鋅(Zn)含量,增加了百日草硫(S)和Mn含量,增加了雞冠花鈣(Ca)、鎂(Mg)、Fe和Mn含量。Yan等研究了施氮對擬南芥(Arabidopsisthaliana)生長和營養吸收的影響,發現施氮增加了擬南芥葉片氮含量,降低磷含量,從而增加光合固碳的量,促進植物生長[8]。在一定施氮范圍內有利于植物對其他營養元素的吸收利用,而過量施氮則會導致植物營養失衡,對植物產生負面影響。

外生菌根真菌(EMF)可以與大多數植物形成共生關系,共生后產生的真菌菌絲體能夠緊密地包裹植物幼根形成菌套,菌套能繼續長出菌絲取代根毛延伸到土壤中形成根外菌絲體[9]。EMF具有促進宿主植物生長和營養吸收、提高植物抵抗生物和非生物逆境的能力[10—11]。Wen等發現,接種EMF的黑松(Pinusthunbergii)的氮、磷、鉀含量顯著高于未接種植株[12]。Wang等研究發現,接種 EMF 可以提高杉木(Cunninghamialanceolata)氮(N)、磷(P)含量,從而促進植株的光合作用和生長狀況[13]。Arteaga-León研究了接種 EMF 對樟子松(Pinusayacahuite)營養元素含量的影響,發現與未接種對照相比,接種EMF提高了N、P、Mn、Fe含量[14]。可見,不同的植物和 EMF 組合、不同的生長環境,都能引起試驗結果的差異。

中國是世界上擁有最大人工林的國家,植樹造林已成為調節氣候、減少二氧化碳排放[15],實現我國2030碳達峰和2060碳中和目標的關鍵。馬尾松(Pinusmassoniana)作為中國南方造林先鋒樹種[16],是典型的外生菌根樹種,關于其與外生菌根共生關系的研究開展的較早。早在1989年,陳連慶就對馬尾松共生菌根進行了調查與鑒定,發現共有27種外生真菌能夠與其共生[17],其中彩色豆馬勃(Pisolithustinctorius,Pt)與厚環乳牛肝菌(Suillusgrevillei,Sg)是馬尾松典型的優良共生菌劑[18]。陳展研究發現接種彩色豆馬勃能夠降低馬尾松針葉的N含量,增加了P、鉀(K)、Ca、Mg的含量,有利于植株針葉營養元素的積累和營養平衡[19]。于浩等發現強酸雨處理下接種外生菌根真菌能夠提高馬尾松幼苗根系中的N、P、Ca、Mg的含量,說明接種EMF在一定程度上可以緩解脅迫對馬尾松幼苗養分元素的不利影響[20]。本研究以馬尾松幼苗為試驗材料,分析施氮和接種 EMF 對馬尾松大量元素和微量元素含量的影響,旨在從植物營養的角度探討 EMF 對馬尾松生長的影響機制,并從氮素供應不足到氮素供應過剩的范圍內評估接種EMF對馬尾松幼苗營養元素吸收能力的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試菌種為厚環乳牛肝菌Suillusgrevillei(簡稱Sg)和彩色豆馬勃Pisolithustinctorius(簡稱Pt),由中國林業科學研究院森林生態環境與自然保護研究所微生物保藏管理中提供。將冷凍干燥菌種恢復活化后接入搖臂發酵罐內震蕩培養30 d,生長旺盛后作為菌劑備用。

供試植物為1年生馬尾松幼苗,由湖南省林業技術推廣站提供。盆栽土壤在高溫蒸汽滅菌鍋(121.3 ℃,103.4 kPa)連續滅菌30 min后備用。塑料花盆規格為20 cm×15 cm,用95%乙醇擦干后晾干,每盆裝土3 kg,土壤理化性質為:全氮為1.01 g/kg,全磷為0.54 g/kg,全鉀為1.53 g/kg速效氮為47.28 mg/kg,速效磷為8.97 mg/kg,速效鉀為90.17 mg/kg,有機質為13.97 g/kg,pH為5.97。

1.2 試驗設計

試驗于2021年1月—2021年11月在湖北秭歸三峽庫區森林生態系統國家定位觀測研究站進行,其地理位置為北緯30°38′14″—31°11′31″N,東經110°0′04″—110°18′41″E,該區針葉林以馬尾松為主,總面積和總蓄積量占比高達48.8%和64.2%[20],氮沉降量為30 kg N hm-2a-1[21]。采用雙因素隨機區組試驗設計,因素一為接種處理,分別為Sg、Pt和對照(CK);因素二為施氮處理,根據該地區大氣年氮沉降量分為四個水平:0 kg N hm-2a-1,正常沉降30 kg N hm-2a-1,中度沉降60 kg N hm-2a-1,重度沉降90 kg N hm-2a-1,共12個處理,每個處理100盆,共1200盆。選取長勢一致的馬尾松幼苗,盆栽前使用70%(v/v)酒精消毒15 s,然后使用蒸餾水沖洗干凈,接種時在基質上打3個“品”字形小孔,每個孔用注射器注入5 mL的菌液,在孔口用土壓實,對照接入5 mL滅活的菌液。每隔2周移動1次苗木,以減小邊際效應。在施氮處理前,幼苗生長3個月,以保證幼苗與EMF形成共生關系,之后每月進行一次施氮處理,將 NH4NO3溶解在1 L蒸餾水中,用噴霧器對馬尾松幼苗全株及土壤進行噴施,每次分別施0(N0),0.714(N30), 1.428(N60), 2.143(N90) g/L硝酸銨溶液。

1.3 試驗方法

碳含量的測定

將烘干的葉片樣品研磨成細粉,過200目篩。精確稱取4 mg樣品,使用 Liqui TOCII分析儀(Elementar,德國)在固體模式下對葉片碳含量進行測定[22]。

氮、磷含量的測定

將烘干的葉和根的樣品分別研磨成細粉,利用凱氏定氮儀(KjeltecTM 8400 Analyzer Unit,FOSS-Tecator,赫格納斯,瑞典)測定全氮、全磷的含量[23]。鉀、鈣、鎂、鐵、錳、銅和鋅含量的測定使用原子吸收分光光度計(Hitachi Z-2000, 東京, 日本)測定鉀、鈣、鎂、鐵、錳、 銅和鋅的含量[24]。

1.4 數據處理

使用 SPSS 17.0進行數據處理。采用單因素和Duncan法進行方差分析和多重比較(α=0.05),用Pearson法對理化性狀和馬尾松元素含量進行相關分析。利用Excel 2003軟件作圖。圖表中數據為平均值±標準差。

2 結果與分析

2.1 施氮及接種 EMF 對馬尾松葉片和根系碳含量的影響

由圖1 可知,不同處理下馬尾松幼苗葉片碳含量隨施氮濃度升高先增加后降低,N60時達到最大值。在N0和N30時接種Sg的植株葉片碳含量高于接種Pt,與對照相比分別提高:24.11 g/kg、11.22 g/kg;7.76 g/kg、4.79 g/kg。在N60和N90時接種Pt的植株葉片碳含量高于接種Sg,與對照相比分別提高:24.38 g/kg、15.98 g/kg;31.92 g/kg、16.30 g/kg。未接種植株的葉片碳含量比在N90時比不施氮的未接種對照降低了7.99 g/kg。接種EMF的馬尾松根系碳含量高于未接種植株,N60接種Pt根系碳含量最高。雙因素方差分析表明(表1),接種處理對葉片和根系碳含量影響顯著(P<0.05),施氮處理及二者交互作用對葉片和根系碳含量影響不顯著(P>0.05)。

表1 施氮處理、接種處理及兩者的交互作用對馬尾松幼苗各項指標的影響Table 1 Effects of nitrogen treatment (N), EMF treatment (EMF), and N × EMF on the parameters of Pinus massoniana seedlings

圖1 施氮及接種外生菌根真菌(EMF)對葉片和根系碳含量的影響Fig.1 Effects of N fertilization and exogenous EMF inoculation on leaf and root C concentration of Pinus massoniana seedlings數值為均值±標準差(n=6);不同的字母表示兩者之間在 P<0.05的水平下差異不顯著(Duncan′s test)

2.2 施氮及接種 EMF 對馬尾松葉片大量元素含量的影響

由表2可知,施氮處理顯著提高了馬尾松幼苗葉片的N含量,與對照(N0)相比,N30、N60和N90處理均顯著增加植株葉片N含量。接種EMF植株的N含量均顯著高于未接種植株,且隨施氮濃度升高而升高,N90時,接種Sg和Pt的N含量與對照相比分別提高了112.6%和138.6%,CK提高了95.5%。

表2 施氮與接種外生菌根真菌對馬尾松幼苗葉片大量元素的影響Table 2 Effects of nitrogen application and inoculating ectomycorrhizal fungi on concentrations of micronutrients in the leaves of Pinus massoniana seedlings

不同處理下馬尾松幼苗葉片P含量隨施氮濃度升高呈先增加后降低的趨勢(表2),接種與未接種植株均在N60時達到最大值,接種Sg和Pt的植株葉片P含量比不施氮未接種對照分別提高了166.3%、132.9%,未接種植株僅提高了24.2%,可見接種EMF的馬尾松葉片P含量降低程度小于未接種植株。

接種EMF和未接種馬尾松幼苗葉片K和Mg含量有相似的變化規律,隨施氮濃度升高而降低,但接種EMF的植株K和Mg含量均高于未接種植株。接種Sg的馬尾松幼苗葉片Ca含量在N0時出現最大值,Pt和CK在N60時出現最大值(表2)。

雙因素方差分析表明(表1),接種處理對馬尾松幼苗葉片N、P、K、Ca的影響極顯著(P<0.01),施氮處理對馬尾松幼苗葉片N、P、Mg的影響極顯著(P<0.01),二者交互作用只對葉片N含量有極顯著影響(P<0.01)。

2.3 施氮及接種 EMF 對馬尾松葉片微量元素含量的影響

接種EMF的馬尾松幼苗葉片Fe含量隨施氮濃度升高先降低后升高,N60時達到最高,之后又降低(表3),且在同一施氮濃度下均高于未接種植株。未接種植株接種Fe含量隨施氮濃度升高先降低后升高,在N60時出現最小值,而接種EMF植株在N60時出現最大值,接種Sg、Pt分別比對照提高73.27%和48.99%。

表3 施氮與接種外生菌根真菌對馬尾松幼苗葉片微量元素的影響Table 3 Effects of nitrogen application and inoculating ectomycorrhizal fungi on concentrations of macronutrients in the leaves of Pinus massoniana seedlings

接種EMF的馬尾松幼苗葉片Mn含量隨施氮濃度升高先降低后升高,N60時出現最小值(表3)。未接種植株葉片Mn含量隨施氮濃度升高先升高后降低,在N60時出現最大值。在N0、N30、N60和N90時,接種EMF的植株葉片Mn含量均高于未接種植株。

隨施氮濃度升高,接種EMF與未接種馬尾松幼苗葉片銅(Cu)含量均呈先降低后升高再降低的趨勢(表3)。N0、N30時接種EMF植株葉片Cu含量低于未接種植株,N60、N90時接種EMF植株葉片Cu含量高于未接種植株。

隨施氮濃度升高,接種EMF的馬尾松幼苗葉片鋅(Zn)含量均呈先降低后升高的趨勢,不同的是接種Sg的植株葉片Zn含量最小值出現在N60時,而Pt出現在N30。未接種植株葉片Zn含量隨施氮濃度升高而升高,在0—90 四個施氮濃度,接種Sg的植株葉片Zn含量均高于未接種植株(表3)。

雙因素方差分析表明(表1),接種處理對馬尾松幼苗葉片Fe、Mn的影響極顯著(P<0.01),施氮處理對Fe的影響極顯著(P<0.01),對Cu的影響顯著(P<0.05),二者交互作用對葉片Fe、Mn含量有顯著影響(P<0.05)。

2.4 施氮及接種 EMF 對馬尾松根系大量元素含量的影響

施氮處理顯著提高了馬尾松幼苗根系的N含量(表4),與對照(N0)相比,N30、N60和N90處理均顯著增加植株根系N含量。接種EMF植株的N含量均顯著高于未接種植株,且呈隨施氮濃度升高而升高的趨勢,在N30、N60和N90三個施氮濃度下,接種Pt的馬尾松根系N含量高于接種Sg,與對照相比二者分別提高了24.8%、23.9%(N30),53.6%、37.2%(N60),73.1%、71.6%(N90)。

表4 施氮與接種外生菌根真菌對馬尾松幼苗根系大量元素的影響Table 4 Effects of nitrogen application and inoculating ectomycorrhizal fungi on concentrations of micronutrients in the roots of Pinus massoniana seedlings

接種EMF的馬尾松幼苗根系P含量隨施氮濃度升高先降低后升高,在N60時達到最大值后又下降(表4),且接種EMF的植株根系P含量顯著高于未接種植株,N60時,接種Sg和Pt的植株根系P含量比不施氮未接種對照分別提高了40.8%、38.5%。

接種EMF和未接種馬尾松幼苗根系K、Ca、Mg含量均隨施氮濃度升高而降低,但同一施氮濃度下,接種EMF的植株K、Ca、Mg含量含量均高于未接種植株。(表4)。

雙因素方差分析表明(表1),接種處理對馬尾松幼苗根系N、P、K、Ca的影響極顯著(P<0.01),對Mg影響顯著(P<0.05),施氮處理對馬尾松根系大量元素均有極顯著影響(P<0.01),二者交互作用對葉片N、K含量有顯著影響(P<0.05)。

2.5 施氮及接種 EMF 對馬尾松根系微量元素含量的影響

接種EMF與未接種的馬尾松幼苗根系Fe含量隨施氮濃度升高先降低后升高,N60時達到最高,之后又降低,且在同一施氮濃度下均高于未接種植株(表5)。N60時,接種Sg與Pt的植株根系Fe含量與對照相比提高26.6%和28.4%。

表5 施氮與接種外生菌根真菌對馬尾松幼苗根系微量元素的影響Table 5 Effects of nitrogen application and inoculating ectomycorrhizal fungi on concentrations of macronutrients in the roots of Pinus massoniana seedlings

接種EMF與未接種的馬尾松幼苗根系Mn含量隨施氮濃度升高先降低再升高后趨于穩定,N30時出現最小值(表5)。在N0、N30、N60和N90時,接種EMF的植株葉片Mn含量均高于未接種植株。

接種兩種EMF的馬尾松幼苗根系Cu含量在N0、N30時均高于未接種植株,而在N60時接種Sg的植株Cu含量低于未接種植株,N90時兩種EMF植株根系Cu含量均低于未接種植株,分別降低了6.2%和3.9%。

隨施氮濃度升高,接種EMF與未接種的馬尾松幼苗根系Zn含量均呈先降低后升高再降低的趨勢,不同的是接種Sg的植株根系Zn含量最大值和最小值分別出現在N60和N30時,而Pt出現在N0和N60,CK出現在N0和N30。(表5)。

雙因素方差分析表明(表1),接種處理和施氮處理對馬尾松幼苗根系Fe、Mn的影響極顯著(P<0.01),對Zn的影響顯著(P<0.05),二者交互作用對根系Fe和Cu含量有顯著影響(P<0.05)。

3 討論

EMF能夠與宿主植物根系共生,形成菌絲體取代根毛吸收營養物質,影響植物根系和地上部營養元素的含量與分布,進而影響植物的生長光合狀況和生理生活特征[46]。接種EMF已被證明可以促進馬尾松幼苗的生長和養分的吸收和利用[47—48],本研究中,不同施氮濃度下,接種EMF均提高了馬尾松幼苗地上部和地下部大量元素和微量元素的含量。植物生長良好時,N元素在植物體內與其他元素的比值需維持在適宜范圍,超出這一范圍則會使植物營養失衡,對植物生長產生負面影響,這也是氮沉降造成植物生產力下降的主要原因之一[49]。而EMF能夠通過擴大宿主植物根系吸收面積獲取更多的養分促進自身及宿主植物的生長[50],在土壤養分含量較低導致樹木生長受限時,EMF可通過與樹木根系共生后形成的更多菌絲體來幫助樹木獲得限制生長的營養物質(如碳、氮和磷等),從而提高宿主植物光合碳同化能力[51—52],而在菌根菌絲體豐富的土壤中,菌根共生的植物可以從短暫和階段性獲取的有機物中獲得營養,且與菌根真菌共生的喬木和灌木具有較高的胞外酶活性,因此能夠迅速吸收利用養分,與未共生的植物相比,在低養分狀況的土壤中更容易且更多的獲得的養分[53]。

以往研究發現,施氮能夠提高馬尾松幼苗的N吸收量,促進C的固定從而使植物光合作用增加而提高自身的生物量,進一步提高了P和K的吸收[54],接種EMF后,黑松幼苗的生物量增加,而寄主植物生長狀況的改善可以通過接種EMF后增加了礦質養分,特別是N和P的含量來解釋[55]。本研究結果顯示,不同施氮濃度下接種EMF的馬尾松幼苗地上部和地下部分N、P、K均顯著高于未接種植株,這是因為EMF不但能夠提高馬尾松根系對土壤中無機氮的吸收與利用,而且還能使土壤中的有機氮礦化,進而被植物吸收利用,而EMF釋放到土壤中的有機酸利于活化土壤中的無效鉀,且菌根對K+的根系吸收速率顯著高于未形成菌根的植物根系,EMF與植物共生后形成的眾多菌絲體還能分泌磷酸酶、有機酸等物質使土壤中難以被植物吸收利用的難溶性P解析為容易被吸收利用的有效P[56—57]。

4 結論

本研究中,馬尾松幼苗地上部和地下部的營養元素含量在施氮和接種EMF的影響下發生了一定的改變,通過對不同濃度氮添加下接種EMF的馬尾松營養元素含量的研究表明:氮添加改變了馬尾松大量元素和微量元素地上地下含量,增加了馬尾松葉片C、P、Mn含量,降低了K、Ca、Mg和根系C及微量元素的含量,在中度氮沉降即施氮量為60 kg N hm-2a-1時達到臨界值,馬尾松幼苗P、Ca、Fe、Mn等元素均在N60時出現峰值,而在同一施氮濃度下,接種EMF后能夠提高大多數元素的含量,這為未來氣候變化情景中氮沉降增加下接種EMF可以調節植物元素含量,從而使植物達到更適應環境的元素平衡來促進自身生長提供理論依據。