塞北荒漠草原檸條錦雞兒AM真菌的空間分布

許 偉，賀學(xué)禮，孫 茜，王曉乾，劉春卯，張 娟，趙麗莉

河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，保定 071002

塞北荒漠草原檸條錦雞兒AM真菌的空間分布

許 偉，賀學(xué)禮*，孫 茜，王曉乾，劉春卯，張 娟，趙麗莉

河北大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，保定 071002

為了探明塞北荒漠草原AM真菌生態(tài)分布規(guī)律，于2013年6月選取河北沽源縣二牛點(diǎn)、內(nèi)蒙古上都鎮(zhèn)和青格勒?qǐng)D嘎查3個(gè)樣地，按照0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm 5個(gè)土層分別采集檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)根圍土壤樣品，研究了AM真菌空間分布特征及其與土壤因子的相關(guān)性。結(jié)果表明，檸條錦雞兒根系能與AM真菌共生形成疆南星型叢枝菌根，AM真菌孢子密度和定殖率與樣地和采樣深度密切相關(guān)。二牛點(diǎn)孢子密度最大，3個(gè)樣地孢子密度最大值均在0—10 cm土層，并隨土層加深而減少；3個(gè)樣地菌絲定殖率依次為上都鎮(zhèn)>青格勒?qǐng)D嘎查>二牛點(diǎn)，峰值均在0—10 cm土層；泡囊定殖率青格勒?qǐng)D嘎查顯著低于其他樣地，但土層間無(wú)規(guī)律性變化；叢枝樣地間定殖狀況差異明顯，變化趨勢(shì)為青格勒?qǐng)D嘎查>上都鎮(zhèn)>二牛點(diǎn)；AM真菌總定殖率和定殖強(qiáng)度最大值在上都鎮(zhèn)。孢子密度與土壤有機(jī)C、全N、易提取球囊霉素和總球囊霉素極顯著正相關(guān)，與pH值顯著正相關(guān)，與速效P顯著負(fù)相關(guān)；菌絲定殖率與土壤pH值、速效P、全N和酸性磷酸酶顯著負(fù)相關(guān)；泡囊和叢枝定殖率與土壤堿解N和堿性磷酸酶具有極顯著相關(guān)性；總球囊霉素和易提取球囊霉素與脲酶顯著正相關(guān)，與堿解N、全N、堿性磷酸酶和酸性磷酸酶極顯著正相關(guān)。主成分分析表明，酸性磷酸酶、總球囊霉素、全N、堿性磷酸酶、有機(jī)C是影響荒漠土壤營(yíng)養(yǎng)狀況的主要因子?？偳蚰颐顾睾鸵滋崛∏蚰颐顾仄骄糠謩e為3.19 mg/g和1.17 mg/g，占土壤有機(jī)C平均含量比為7.77%和3.83%，占土壤全N平均含量比為20.81%和9.57%。多元線性回歸表明，總球囊霉素和易提取球囊霉素與土壤有機(jī)C和全N具有顯著線性相關(guān)關(guān)系。研究球囊霉素與土壤有機(jī)C和N的比例關(guān)系可進(jìn)一步明確AM真菌的生態(tài)功能，對(duì)荒漠土壤C庫(kù)和N庫(kù)研究具有重要意義。

AM真菌；球囊霉素；土壤因子；檸條錦雞兒；塞北荒漠草原

AM(arbuscular mycorrhiza)真菌是一類(lèi)在陸地生態(tài)系統(tǒng)中普遍存在的有益土壤微生物，能與大多數(shù)高等植物形成互惠共生體，其根外菌絲在土壤中形成菌絲網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及分泌的球囊霉素等代謝產(chǎn)物，將不同植物根系連接起來(lái)，對(duì)生態(tài)系統(tǒng)不同組分之間的物質(zhì)交換，能量、信息傳遞，生物演化與分布，保持荒漠植物多樣性和穩(wěn)定性具有重要意義[1]。球囊霉素(Glomalin)是一類(lèi)含金屬離子的糖蛋白，難溶于水，難分解，在自然狀態(tài)下極為穩(wěn)定[2]，隨菌絲和孢子降解進(jìn)入土壤后，成為土壤有機(jī)物質(zhì)來(lái)源，參與土壤C、N 循環(huán)。對(duì)球囊霉素的研究可進(jìn)一步明確AM真菌在維持土壤結(jié)構(gòu)、促進(jìn)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)循環(huán)中的地位和作用[3]。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)球囊霉素已有研究報(bào)道[4- 5]，但有關(guān)荒漠植物AM真菌和球囊霉素的功能報(bào)道較少。

檸條錦雞兒(Caraganakorshinskii)為豆科強(qiáng)旱生灌木，大多分布在我國(guó)北方荒漠地區(qū)，生長(zhǎng)旺盛、根系發(fā)達(dá)、適應(yīng)性廣、抗逆性強(qiáng)、是水土保持、防風(fēng)固沙的優(yōu)良樹(shù)種，在荒漠植被建立和生態(tài)恢復(fù)中起重要作用。吳艷清等[6- 7]研究了內(nèi)蒙古鄂爾多斯、寧夏等地檸條錦雞兒AM真菌生態(tài)分布，認(rèn)為菌根不同定殖結(jié)構(gòu)和孢子密度可作為評(píng)價(jià)土壤狀況的指標(biāo)之一。但對(duì)于荒漠檸條錦雞兒球囊霉素研究甚少,尤其缺乏對(duì)AM真菌生態(tài)過(guò)程中主要土壤因子篩選和AM 真菌與土壤 C、N 關(guān)系的研究。本試驗(yàn)以塞北荒漠草原為樣地，系統(tǒng)研究了檸條錦雞兒根圍土壤AM真菌空間分布以及土壤因子的生態(tài)作用，闡明AM真菌在改善荒漠環(huán)境中的重要作用，為荒漠植被恢復(fù)和生態(tài)重建提供依據(jù)。

1 材料方法

1.1 研究樣地概況

試驗(yàn)樣地位于冀蒙交界的荒漠草原地區(qū)，共計(jì)選擇3個(gè)地點(diǎn)開(kāi)展相關(guān)研究，包括河北省沽源縣二牛點(diǎn)(41°51′N(xiāo)，115°47′E；海拔1403 m)，土壤類(lèi)型為栗鈣土；內(nèi)蒙古上都鎮(zhèn)(42°13′N(xiāo)，115°57′E；海拔1331 m)，土壤類(lèi)型為風(fēng)沙土；內(nèi)蒙古青格勒?qǐng)D嘎查(42°09′N(xiāo)，115°55′E；海拔1325 m)，土壤類(lèi)型為風(fēng)沙土。該區(qū)域?qū)儆跍貛Т箨懜珊敌詺夂?，冬季?yán)寒、夏季溫暖，年均氣溫0 ℃—3 ℃，全年降水主要集中在夏季，年均降水量200—400 mm。

2013年6月在3個(gè)樣地分別隨機(jī)選取4株長(zhǎng)勢(shì)良好的檸條錦雞兒，由于其主根發(fā)達(dá)，側(cè)根向四周延伸，根量主要分布在50 cm土層內(nèi)，垂直0—30 cm范圍內(nèi)有大量毛根[8]，所以貼近植株根頸部去其枯枝落葉層挖土壤剖面，按0—10 cm、10—20 cm、20—30 cm、30—40 cm、40—50 cm 5個(gè)土層采集土樣和根樣，用土壤溫濕度計(jì)實(shí)地測(cè)定土壤溫度和濕度，將樣品裝入隔熱性能良好的自封袋中帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干，土樣過(guò)2 mm篩后，用于土壤因子和球囊霉素測(cè)定，根樣用于菌根結(jié)構(gòu)和定殖率觀測(cè)。

1.2 研究方法

1.2.1 土壤因子

土壤有機(jī)C用馬弗爐烘干法；pH值用酸度計(jì)測(cè)定；速效P用碳酸氫鈉-鉬銻抗比色法[9]；堿解N用堿解擴(kuò)散法；全N用半微量開(kāi)氏法；土壤脲酶用改進(jìn)的Hoffmann和Teicher[10]比色法，活性以1 g風(fēng)干土1 h催化尿素分解生成NH3-N的質(zhì)量(μg)表示；酸性磷酸酶和堿性磷酸酶用改進(jìn)的Brimner和Tabatabai方法[3]測(cè)定, 活性以1 g風(fēng)干土培養(yǎng)1 h酸性磷酸酶或堿性磷酸酶轉(zhuǎn)化對(duì)硝基苯磷酸二鈉(pNPP)的量(μg/g)表示；蔗糖酶用3，5-二硝基水楊酸比色法測(cè)定[10]。

1.2.2 球囊霉素

球囊霉素用Wright[2]和David[11]的方法測(cè)定，易提取球囊霉素(EEG,easily extractable glomain)提取方法:取1 g風(fēng)干土在試管中，加入8 mL、20 mmol/L(pH 7.0)檸檬酸鈉浸提劑，在103 kPa、121 ℃條件下連續(xù)提取90 min后，在6000r/min下離心15 min,收集上清液；總球囊霉素(TG,total extractable glomalin)提取方法：取1 g風(fēng)干土于試管中，加入8 mL、50 mmol/L(pH 8.0)檸檬酸鈉浸提劑，在103 kPa、121 ℃條件下連續(xù)提取60 min，再重復(fù)提取2次；6000 × g下離心15 min，收集上清液。分別吸取上清液0.5 mL加入5 mL考馬斯亮藍(lán)G- 250染色劑，在595 nm波長(zhǎng)下比色。用牛血清蛋白作為標(biāo)準(zhǔn)液,考馬斯亮藍(lán)法顯色，繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線，求出球囊霉素含量。

1.2.3 AM真菌指標(biāo)

AM真菌定殖率按Phillips和Hayman，Zhao和He[12- 13]的方法測(cè)定。根樣用清水沖洗2—3次后，于10% KOH溶液中90 ℃下漂洗60 min，用0.5%酸性品紅在90 ℃下染色30 min，隨機(jī)選取50根1 cm長(zhǎng)的根段，鏡檢。按照定殖率=(AM真菌侵染根段數(shù)/檢查總根段數(shù))×100% 計(jì)算菌根不同結(jié)構(gòu)(叢枝、泡囊、菌絲)定殖率及總定殖率。

從每份土樣中取20 g風(fēng)干土，用濕篩傾析-蔗糖離心法分離AM真菌孢子[14]，在體視顯微鏡下記錄孢子數(shù)量，以每100 g風(fēng)干土含孢子數(shù)量計(jì)為孢子密度。

1.2.4 數(shù)據(jù)處理

使用SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件進(jìn)行單因素方差分析、相關(guān)性分析、主成分分析和回歸分析，用Excel 2003作圖。

2 結(jié)果

2.1 菌根共生結(jié)構(gòu)特征

研究發(fā)現(xiàn)，檸條錦雞兒根系能被AM真菌侵染形成典型的疆南星型叢枝菌根(圖版Ⅰ：1)，菌絲在根組織中延伸生長(zhǎng)，形成大量胞間菌絲，多為無(wú)隔菌絲，偶見(jiàn)有隔菌絲(圖版Ⅰ：2—3)，細(xì)胞內(nèi)有菌絲圈(圖版Ⅰ：4—5)，胞內(nèi)菌絲頂端膨大形成泡囊，多為圓形、橢圓形、桿狀，偶見(jiàn)不規(guī)則形(圖版Ⅰ：6—9)，分支后在細(xì)胞內(nèi)形成典型的花椰菜狀和樹(shù)枝狀叢枝(圖版Ⅰ：10—11)，皮層內(nèi)亦能發(fā)現(xiàn)大量孢子侵染(圖版Ⅰ：12)

2.2 AM真菌空間分布

由圖1可知，3個(gè)樣地孢子密度差異顯著，最大值均在0—10 cm土層；同一樣地不同土層，二牛點(diǎn)孢子密度隨土層加深而減少，0—10 cm土層顯著高于10—50 cm土層；上都鎮(zhèn)孢子密度隨土壤加深而下降(除30—40 cm土層)，0—30 cm土層顯著高于30—50 cm土層；青格勒?qǐng)D嘎查0—10 cm土層顯著高于10—50 cm土層。不同樣地同一土層，0—20 cm土層，二牛點(diǎn)孢子密度顯著高于上都鎮(zhèn)和青格勒?qǐng)D嘎查；20—50 cm土層，上都鎮(zhèn)孢子密度顯著高于青格勒?qǐng)D嘎查。

同一樣地不同土層，青格勒?qǐng)D嘎查0—20 cm土層菌絲定殖率明顯高于20—50 cm土層；上都鎮(zhèn)僅10—20 cm土層菌絲定殖率明顯低于其他土層；二牛點(diǎn)菌絲定殖率10—30 cm土層明顯低于其他土層。不同樣地同一土層，0—20 cm土層菌絲定殖率變化規(guī)律為青格勒?qǐng)D嘎查>上都鎮(zhèn)>二牛點(diǎn)，20—50 cm土層菌絲定殖率上都鎮(zhèn)顯著高于二牛點(diǎn)和青格勒?qǐng)D嘎查；3樣地平均定殖率依次為上都鎮(zhèn)>青格勒?qǐng)D嘎查>二牛點(diǎn)。

青格勒?qǐng)D嘎查平均泡囊定殖率明顯低于二牛點(diǎn)和上都鎮(zhèn)。同一樣地不同土層，上都鎮(zhèn)泡囊定殖率土層間差異顯著，最大值在0—10 cm土層；二牛點(diǎn)40—50 cm土層高于其他土層；青格勒?qǐng)D嘎查最小值在20—30 cm土層，低于其他土層。不同樣地同一土層，0—10 cm土層，上都鎮(zhèn)泡囊定殖率顯著大于二牛點(diǎn)和青格勒?qǐng)D嘎查；10—50 cm土層，二牛點(diǎn)泡囊定殖率顯著高于其他樣地。

圖版Ⅰ 檸條錦雞兒叢枝菌根結(jié)構(gòu)(×400)Plate Ⅰ Arbuscular mycorrhizal structures of C. korshinskii1: 泡囊 V(Vesicule)、胞間菌絲 H(Hypha); 2: 無(wú)隔菌絲 H(Hypha); 3: 有隔菌絲 H(Hypha); 4、5: 菌絲圈 HC(Hyphal Coil); 6: 圓形泡囊 V (Vesicule); 7: 橢圓形泡囊 V (Vesicule 有內(nèi)含物); 8: 桿狀泡囊 V (Vesicule);9: 不規(guī)則泡囊 V (Vesicule); 10. 花椰菜狀叢枝 A (Arbuscule); 11: 樹(shù)枝狀叢枝 A (Arbuscule); 12: 孢子 S(Spore)

圖1 檸條錦雞兒AM真菌空間分布Fig.1 The spatial distribution of AM fungi in the rhizosphere of C.korshinskii不同小寫(xiě)字母表示不同樣地同一土層差異顯著(P<0.05)

不同樣地，叢枝定殖率差異顯著，為青格勒?qǐng)D嘎查>上都鎮(zhèn)>二牛點(diǎn)。同一樣地不同土層，二牛點(diǎn)叢枝定殖率30—40 cm土層顯著高于其他土層；上都鎮(zhèn)30—40 cm土層無(wú)叢枝定殖；青格勒?qǐng)D嘎查20—30 cm土層顯著低于其他土層。不同樣地同一土層，青格勒?qǐng)D嘎查叢枝定殖率顯著高于上都鎮(zhèn)和二牛點(diǎn)。

不同樣地平均總定殖率無(wú)顯著變化，二牛點(diǎn)總定殖率隨土層加深逐漸升高(除20—30 cm外)，上都鎮(zhèn)最大值在0—10 cm土層，青格勒?qǐng)D嘎查最大值在10—20 cm土層。不同樣地同一土層，上都鎮(zhèn)20—50 cm土層的總定殖率顯著高于青格勒?qǐng)D嘎查，而二牛點(diǎn)0—20 cm土層的總定殖率顯著低于其他樣地。

AM真菌定殖強(qiáng)度在不同樣地間無(wú)顯著差異。各土層波動(dòng)明顯，二牛點(diǎn)和上都鎮(zhèn)最小值在10—20 cm土層，顯著低于其他土層，青格勒?qǐng)D嘎查0—20 cm土層顯著大于20—50 cm土層。

2.3 土壤因子和球囊霉素空間分布

由圖2所示，二牛點(diǎn)土壤有機(jī)C顯著高于上都鎮(zhèn)和青格勒?qǐng)D嘎查；同一樣地不同土層，有機(jī)C隨土層加深變化明顯，僅二牛點(diǎn)0—50 cm土層有機(jī)C顯著高于上都鎮(zhèn)和青格勒?qǐng)D嘎查，3樣地最大值均在0—10 cm土層。不同樣地pH在7.69—8.16之間，二牛點(diǎn)0—10 cm土層顯著高于其他土層。

不同樣地，二牛點(diǎn)堿解N顯著高于上都鎮(zhèn)和青格勒?qǐng)D嘎查；同一樣地不同土層，二牛點(diǎn)和上都鎮(zhèn)40—50 cm土層堿解N顯著高于0—40 cm土層；青格勒?qǐng)D嘎查30—50 cm土層顯著高于10—30 cm土層，3樣地最大值均在40—50 cm土層。全N變化規(guī)律與堿解N相似，二牛點(diǎn)最高，上都鎮(zhèn)最低；同一樣地不同土層，二牛點(diǎn)全N隨土層加深而降低，上都鎮(zhèn)和青格勒?qǐng)D嘎查土層間先降后升，上都鎮(zhèn)0—10 cm土層高于10—50 cm土層，青格勒?qǐng)D嘎查最大值在40—50 cm土層。速效P二牛點(diǎn)和上都鎮(zhèn)最大值均在40—50 cm土層，青格勒?qǐng)D嘎查隨土層加深而增加(除40—50 cm土層外)。不同樣地同一土層，速效P無(wú)顯著變化。

不同樣地之間，易提取球囊霉素二牛點(diǎn)顯著高于上都鎮(zhèn)和青格勒?qǐng)D嘎查；二牛點(diǎn)和上都鎮(zhèn)0—20 cm土層顯著高于20—50 cm土層，青格勒?qǐng)D嘎查土層間先降后升，20—30 cm土層顯著低于其他土層。不同樣地同一土層，0—10 cm土層二牛點(diǎn)和青格勒?qǐng)D嘎查顯著高于上都鎮(zhèn)?？偳蚰颐顾睾孔兓c易提取球囊霉素變化規(guī)律相似，為二牛點(diǎn)>青格勒?qǐng)D嘎查>上都鎮(zhèn)，同一樣地不同土層，青格勒?qǐng)D嘎查0—10 cm土層顯著高于10—50 cm土層，二牛點(diǎn)和上都鎮(zhèn)土層間無(wú)顯著差異。

酸性磷酸酶二牛點(diǎn)顯著大于其他樣地。同一樣地不同土層，僅上都鎮(zhèn)0—20 cm土層顯著大于20—50 cm土層。堿性磷酸酶不同樣地間的變化規(guī)律與酸性磷酸酶相似，但各土層間無(wú)顯著變化。

二牛點(diǎn)和上都鎮(zhèn) 30—40 cm土層的脲酶顯著高于其他土層，青格勒?qǐng)D嘎查30—40 cm土層顯著低于其他土層。二牛點(diǎn)和青格勒?qǐng)D嘎查10—30 cm土層的蔗糖酶顯著低于其他土層，上都鎮(zhèn)土層間無(wú)顯著變化。

2.4 AM真菌與土壤因子相關(guān)性分析

相關(guān)性分析表明(表1)，孢子密度與土壤有機(jī)C、全N、易提取球囊霉素和總球囊霉素極顯著正相關(guān)，與pH值、酸性磷酸酶和堿性磷酸酶顯著正相關(guān)，與速效P顯著負(fù)相關(guān)，與脲酶極顯著負(fù)相關(guān)。菌絲定殖率與pH值、速效P、全N和酸性磷酸酶顯著負(fù)相關(guān)。泡囊定殖率和堿解N、堿性磷酸酶極顯著正相關(guān)，與蔗糖酶極顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)C、全N和酸性磷酸酶顯著正相關(guān)。叢枝定殖率與堿解N、全N、堿性磷酸酶、酸性磷酸酶、易提取球囊霉素極顯著負(fù)相關(guān)，與有機(jī)C、pH值和總球囊霉素顯著負(fù)相關(guān)?？偠ㄖ陈逝cpH極顯著負(fù)相關(guān)，與全N顯著負(fù)相關(guān)。定殖強(qiáng)度與pH值、全N 、酸性磷酸酶極顯著負(fù)相關(guān)，與總球囊霉素顯著負(fù)相關(guān)?？偳蚰颐顾睾鸵滋崛∏蚰颐顾嘏c脲酶顯著正相關(guān)，與有機(jī)C、堿解N、全N、堿性磷酸酶和酸性磷酸酶極顯著正相關(guān)?？偳蚰颐顾嘏c蔗糖酶顯著正相關(guān)。

2.5 土壤因子主成分分析

利用SPSS 19.0軟件對(duì)3個(gè)樣地11個(gè)土壤因子進(jìn)行主成分分析，根據(jù)相關(guān)矩陣特征值大于1，方差累積貢獻(xiàn)率大于75%的原則，選擇3個(gè)主成分。結(jié)果表明(表2)，選擇的3個(gè)主成分累積方差貢獻(xiàn)率為78.889%，能基本反映土壤因子的指標(biāo)信息。第一主成分中，酸性磷酸酶、總球囊霉素、全N、堿性磷酸酶、有機(jī)C具有較高載荷(權(quán)重為0.906—0.952)，第二主成分中，速效P具有較高載荷(權(quán)重為0.893)，第三主成分中蔗糖酶具有較高載荷(權(quán)重為0.793)，但第一主成分所占信息量大，所以酸性磷酸酶、總球囊霉素、全N、堿性磷酸酶、有機(jī)C是主要因子，這些因子能夠反映荒漠環(huán)境宿主植物的營(yíng)養(yǎng)狀況。

圖2 檸條錦雞兒根圍土壤因子與球囊霉素空間分布Fig.2 The spatial distribution of soil factors and glomalin in the rhizosphere of C.korshinskii

表1 AM真菌與土壤因子相關(guān)性Table 1 Relativity analysis between AM fungi and soil factors

*表示兩者之間在P< 0.05水平上有顯著相關(guān)性; **表示兩者之間在P< 0.01水平上有極顯著相關(guān)性; EEG: easily extractable glomain; TG: total extractable glomalin

表2 主成分載荷矩陣、特征值和貢獻(xiàn)率Table 2 Principle component loading matrix，eigenvalue and contribution rate

2.6 球囊霉素與土壤有機(jī)C和全N比例及回歸分析

由表1可知，球囊霉素與土壤有機(jī)C和全N極顯著正相關(guān)，由表3可知，總球囊霉素和易提取球囊霉素碳含量占土壤有機(jī)C平均含量比為7.77%和3.83%，3個(gè)樣地中，總球囊霉素氮含量占土壤全N平均含量比為20.81%，大小依次為青格勒?qǐng)D嘎查>上都鎮(zhèn)>二牛點(diǎn)，易提取球囊霉素氮含量占土壤全N平均含量比為9.57%，最小值在二牛點(diǎn)。

根據(jù)多元回歸原理，分別以總球囊霉素和易提取球囊霉素為因變量，以土壤有機(jī)C和全N為自變量，進(jìn)行多元線性回歸分析，利用最小二乘法原理估計(jì)參數(shù)，同時(shí)利用stepwise 法剔除不顯著因子和有相關(guān)關(guān)系的因子，最終確定對(duì)球囊霉素具有明顯影響的因子，得到標(biāo)準(zhǔn)回歸方程。

球囊霉素與土壤有機(jī)C和全N多元線性回歸方程：

方程ⅠY1= 0.822+6.218X1+0.283X2(F= 20.386)

方程ⅡY2= 1.208+33.663X1+1.803X2(F= 80.424)

式中，Y1為易提取球囊霉素;Y2為總球囊霉素;X1有機(jī)C;X2為全N。經(jīng)檢驗(yàn)，上述方程相伴概率值均小于0.001,說(shuō)明自變量與因變量之間存在顯著線性相關(guān)關(guān)系。對(duì)上述方程各系數(shù)進(jìn)行t檢驗(yàn), 各系數(shù)顯著性水平都小于0.05, 說(shuō)明自變量對(duì)因變量的影響顯著。

表3 不同樣地球囊霉素占土壤有機(jī)C和全N的比例/%Table 3 Percentage of C of glomalin in soil organic C and total N of glomalin in soil total N in different sample sites

SOC: 土壤有機(jī)碳Soil organic carbon; TN: 全氮Total nitrogen

3 討論

3.1 AM真菌共生關(guān)系和空間異質(zhì)性

本研究表明，檸條錦雞兒根系能被AM真菌侵染形成疆南星型菌根，即宿主植物被侵染根段中形成大量胞間菌絲，側(cè)生的二叉狀分支直接穿過(guò)皮層細(xì)胞壁，形成叢枝結(jié)構(gòu)。疆南星型叢枝菌根中AM真菌侵染速度明顯快于重樓型，AM真菌侵染可以使宿主營(yíng)養(yǎng)狀況迅速得到改善，有利于在干旱環(huán)境中生長(zhǎng)[15]。檸條錦雞兒根系為垂直根系，主根上有多層側(cè)根，由于AM真菌菌絲最先侵染幼嫩細(xì)根，所以檸條根系特征對(duì)AM真菌侵染極為有利。二牛點(diǎn)、上都鎮(zhèn)和青格勒?qǐng)D嘎查平均總定殖率分別為80.0%、92.7%和82.7%，平均孢子密度分別為165 個(gè)/100 g、160 個(gè)/100 g和74 個(gè)/100 g,說(shuō)明荒漠草原檸條錦雞兒能與AM真菌形成良好共生關(guān)系，而叢枝菌根的形成可能是檸條錦雞兒適應(yīng)貧瘠干旱荒漠環(huán)境的有效對(duì)策之一[3]。

AM真菌定殖和孢子密度具有明顯空間異質(zhì)性，最大值多在0—20 cm土層，可能是AM真菌為好氣性真菌，孢子和菌絲生長(zhǎng)及菌根發(fā)育都需要氧氣和適宜土壤濕度，而淺層土壤通氣性和土壤濕度都比深土層高，對(duì)菌絲定殖和產(chǎn)孢有利[3，16]。本試驗(yàn)中，AM真菌不同結(jié)構(gòu)定殖狀況差異明顯，變化趨勢(shì)為菌絲>泡囊>叢枝，可能與AM真菌定殖過(guò)程以及AM真菌不同結(jié)構(gòu)本身特性密切相關(guān)。AM真菌定殖率并不伴隨有最大孢子密度，二牛點(diǎn)孢子密度最高，上都鎮(zhèn)總定殖率最大，說(shuō)明孢子密度與定殖率之間沒(méi)有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可能是因?yàn)樵谧匀画h(huán)境中，相鄰植物的根經(jīng)常交錯(cuò)生長(zhǎng)，因而宿主根圍的孢子也可能來(lái)自其他伴生植物，導(dǎo)致孢子密度與定殖情況不對(duì)應(yīng)。

3.2 AM真菌與土壤因子的關(guān)系

研究表明，AM真菌分布和活動(dòng)與土壤因子關(guān)系密切[17]。本試驗(yàn)中，pH在7.69—8.16之間，且與孢子密度顯著正相關(guān)，與菌絲顯著負(fù)相關(guān)，說(shuō)明AM真菌與檸條錦雞兒在微堿環(huán)境中亦能形成良好共生關(guān)系。這與Riling等[18]提出的土壤pH直接影響AM真菌產(chǎn)孢，AM有效性因pH不同而變化的結(jié)論一致。孢子密度與土壤有機(jī)C、全N、易提取球囊霉素和總球囊霉素極顯著正相關(guān)，與速效P負(fù)顯著相關(guān)，與前人研究結(jié)果一致[3,19]。一定程度上，土壤碳氮含量增加對(duì)AM真菌孢子繁殖具有促進(jìn)作用，土壤中過(guò)高的P會(huì)降低根細(xì)胞膜通透性，影響根系分泌活動(dòng)，抑制AM真菌產(chǎn)孢[19]。

本試驗(yàn)中，3個(gè)樣地土壤有機(jī)C最大值均在0—10 cm土層，可能是因?yàn)橥寥辣韺永鄯e了較多枯枝落葉和腐殖質(zhì)，土壤養(yǎng)分肥沃，有機(jī)C的提高對(duì)菌絲生長(zhǎng)和菌根發(fā)育都有促進(jìn)作用，同時(shí)，AM真菌侵染植物可在短時(shí)間內(nèi)提高土壤有機(jī)質(zhì)含量，改善土壤結(jié)構(gòu)，AM真菌、宿主植物和根圍環(huán)境三者之間構(gòu)成一個(gè)平衡體系，相互聯(lián)系、相互作用[20- 21]。AM真菌侵染宿主植物后，能夠吸收大量無(wú)機(jī)氮，這些無(wú)機(jī)氮可參與孢子形成過(guò)程[22]。本試驗(yàn)中，土壤堿解N和全N最大值均在40—50 cm土層，可能是由于檸條錦雞兒屬于豆科植物，產(chǎn)生根瘤，主根系較深，對(duì)土壤硝態(tài)氮和氨態(tài)氮利用充分，且豆科植物還可把固定的氮通過(guò)菌絲網(wǎng)絡(luò)運(yùn)輸?shù)洁徑参锷?，使土壤更加肥沃[23]。

土壤酶是土壤成分中最活躍的有機(jī)成分之一，可以和土壤微生物一起推動(dòng)土壤代謝過(guò)程，其活性反映了土壤中各種生化過(guò)程的強(qiáng)度和方向[10]。白春明等[24]研究認(rèn)為，脲酶參與的酶促反應(yīng)可產(chǎn)生一種能被植物有效利用的氮源—氨，其活性亦反映了土壤轉(zhuǎn)化有機(jī)態(tài)氮為有效態(tài)氮和土壤供應(yīng)無(wú)機(jī)氮的能力。本試驗(yàn)脲酶變化規(guī)律與樣地和采樣深度密切相關(guān)，活性大小依次是二牛點(diǎn)>青格勒?qǐng)D嘎查>上都鎮(zhèn)。磷酸酶是催化土壤磷酸單酯和磷酸二酯水解的酶，能將有機(jī)磷酸酯水解為無(wú)機(jī)態(tài)磷，被植物吸收利用。本試驗(yàn)樣地屬于低P環(huán)境，叢枝菌根根外菌絲不但可以分泌酸性磷酸酶，而且根外菌絲作為細(xì)根的延伸，增加了根系表面積，可以輔助根系吸收土壤P[24]。

3.3 球囊霉素與土壤有機(jī)碳和全氮的關(guān)系

球囊霉素是AM真菌隨宿主根系生長(zhǎng)分泌產(chǎn)生的一類(lèi)含金屬離子的糖蛋白，隨菌絲壁和孢子降解釋放到土壤中[2]。Rilling等[20]認(rèn)為，球囊霉素是土壤C庫(kù)和N庫(kù)的重要來(lái)源，其黏附力有利于穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，是AM真菌對(duì)植物生長(zhǎng)環(huán)境的調(diào)整與適應(yīng)，是微生物活動(dòng)的一種積極應(yīng)答機(jī)制[25- 26]。農(nóng)牧交錯(cuò)區(qū)沙棘根圍土壤易提取球囊霉素和總球囊霉素平均含量為0.87 mg/g和1.61 mg/g, 占有機(jī)C平均百分比分別為12.61%和21.45%[3]；黃土高原狼牙刺根圍土壤易提取球囊霉素和總球囊霉素平均含量為和0.56 mg/g和 2.32 mg/g，占土壤有機(jī)C平均含量分別為9.17%和36.46%[27]。本研究中，易提取球囊霉素和總球囊霉素平均含量分別為1.17 mg/g和3.19 mg/g，占土壤有機(jī)C平均含量比的3.83%和7.77%，易提取球囊霉素和總球囊霉素含量高于沙棘和狼牙刺根圍土壤，但對(duì)有機(jī)C貢獻(xiàn)低于其他生態(tài)系統(tǒng)，同時(shí)總球囊霉素氮含量占土壤全氮平均含量比為20.81%，易提取球囊霉氮含量占土壤全氮平均含量比為9.57%，說(shuō)明塞北荒漠草原受干擾程度和土壤退化程度較低，也可能與宿主植物種類(lèi)和土壤環(huán)境不同有關(guān)。多元回歸方程表明，總球囊霉素和易提取球囊霉素與土壤有機(jī)碳和全氮具顯著線性相關(guān)關(guān)系，說(shuō)明球囊霉素是土壤有機(jī)碳和氮的重要來(lái)源和組成部分[28]。

塞北荒漠草原檸條錦雞兒根系能與AM真菌形成良好共生關(guān)系，AM真菌活動(dòng)和分布具有明顯空間異質(zhì)性，球囊霉素對(duì)荒漠土壤碳庫(kù)和氮庫(kù)具有重要貢獻(xiàn)。

[1] Smith S E, Read D J. Mycorrhizal Symbiosis. Cambridge, UK: Academic Press, 2008.

[2] Wright S F, Upadhyaya A. A survey of soils for aggregate stability and glomalin, a glycoprotein produced by hyphae of arbuscular mycorrhizal fungi. Plant and Soil, 1998, 198(1): 97- 107.

[3] 賀學(xué)禮, 陳程, 何博. 北方兩省農(nóng)牧交錯(cuò)帶沙棘根圍AM真菌與球囊霉素空間分布. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(6): 1653- 1661.

[4] 謝靖, 唐明. 黃土高原紫穗槐叢枝菌根真菌與土壤因子和球囊霉素空間分布的關(guān)系. 西北植物學(xué)報(bào), 2012, 32(7): 1440- 1447.

[5] 黃藝, 王東偉, 蔡佳亮, 鄭維爽. 球囊霉素相關(guān)土壤蛋白根際環(huán)境功能研究進(jìn)展. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 35(2): 232- 236.

[6] 吳艷清, 賀學(xué)禮, 劉沺沺. 荒漠環(huán)境檸條錦雞兒AM真菌空間分布. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 2008, 31(4): 36- 40.

[7] 賀學(xué)禮, 陳烝, 郭輝娟, 陳程. 荒漠檸條錦雞兒AM真菌多樣性. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2012, 32(10): 3041- 3049.

[8] 吳欽孝, 丁漢福, 劉克儉. 黃土丘陵半干旱地區(qū)檸條根系的研究. 水土保持通報(bào), 1989, 9(3): 45- 49.

[9] 魯如坤. 土壤農(nóng)業(yè)化學(xué)分析方法. 北京: 中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)技術(shù)出版社, 1999: 271- 272.

[10] 周禮愷. 土壤酶學(xué). 北京: 科技出版社, 1987: 275- 276.

[11] David P J, Sara G, Bray B. Glomalin extraction and measurement. Soil Biology and Biochemistry, 2008, 40(3): 728- 739.

[12] Phillips J M, Hayman D S. Improved procedures for clearing roots and staining parasitic and vesicular-arbuscular mycorrhizal fungi for rapid assessment of infection. Transactions of the British Mycological Society, 1970, 55(1): 158- 161.

[13] Zhao J L, He X L. Arbuscular mycorrhizal fungi associated with the clonal plants in Mu Us sandland of China. Progress in Natural Science, 2007, 17(11): 1296- 1302.

[14] Gerdemann J W, Nicolson T H. Spores of mycorrhizal endogone species extracted from soil by wet sieving and decanting. Transactions of the British Mycological Society, 1963, 46(2): 235- 244.

[15] Brundrett M, Kendrick B. The roots and mycorrhizas of herbaceous woodland plants II. Structural aspects of morphology. New Phytologist, 1990, 114(3): 469- 479.

[16] 賀學(xué)禮, 劉雪偉, 李英鵬. 沙坡頭地區(qū)沙冬青AM真菌的時(shí)空分布. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2010, 30(2): 370- 376.

[17] 盛敏, 唐明, 張峰峰, 黃艷輝. 土壤因子對(duì)甘肅、寧夏和內(nèi)蒙古鹽堿土中 AM 真菌的影響. 生物多樣性, 2011, 19(1): 85- 92.

[18] Rillig M C, Allen M F. What is the role of arbuscular mycorrhizal fungi in plant-to-ecosystem responses to elevated atmospheric CO2. Mycorrhiza, 1999, 9(1): 1- 8.

[19] 賀學(xué)禮, 楊靜, 趙麗莉. 荒漠沙柳根圍AM真菌的空間分布. 生態(tài)學(xué)報(bào), 2011, 31(8): 2159- 2168.

[20] Hamel C. Impact of arbuscular mycorrhizal fungi on N and P cycling in the root zone. Canadian Journal of Soil Science, 2004, 84(4): 383- 395.

[21] Panwar J, Tarafdar J C. Arbuscular mycorrhizal fungal dynamics underMitragynaparvifolia(Roxb.) Korth. in Thar Desert. Applied Soil Ecology, 2006, 34(2/3): 200- 208.

[22] Hodge A, Helgason T, Fitter A H. Nutritional ecology of arbuscular mycorrhizal fungi. Fungal Ecology, 2010, 3(4): 267- 273.

[23] Jalonen R, Nygren P, Sierra J. Transfer of nitrogen from a tropical legume tree to an associated fodder grass via root exudation and common mycelial networks. Plant, Cell and Environment, 2009, 32(10): 1366- 1376.

[24] Bai C M, He X L, Tang H L, Shan B Q, Zhao L L. Spatial distribution of arbuscular mycorrhizal fungi, glomalin and soil enzymes under the canopy ofAstragalusadsurgensPall. in the Mu Us sandland, China. Soil Biology and Biochemistry, 2009, 41(5): 941- 947.

[25] Driver J D, Holben W E, Rillig M C. Characterization of glomalin as a hyphal wall component of arbuscular mycorrhizal fungi. Soil Biology and Biochemistry, 2005, 37(1): 101- 106.

[26] 郭良棟, 田春杰. 菌根真菌的碳氮循環(huán)功能研究進(jìn)展. 微生物學(xué)通報(bào), 2013, 40(1): 158- 171.

[27] 馮欣欣, 唐 明, 龔明貴, 余紅霞. 黃土高原狼牙刺叢枝菌根與球囊霉素的空間分布. 西北農(nóng)林科技大學(xué)學(xué)報(bào): 自然科學(xué)版, 2011, 39(6): 96- 102.

[28] 王誠(chéng)煜, 馮海艷, 楊忠芳, 夏學(xué)齊, 余濤, 李淼, 江麗珍. 內(nèi)蒙古中北部球囊霉素相關(guān)土壤蛋白的分布及其環(huán)境影響. 干旱區(qū)研究, 2013, 30(1): 22- 28.

The spatial distribution of arbuscular mycorrhizal fungi in the rhizosphere ofCaraganakorshinskiiin Saibei desert steppe

XU Wei, HE Xueli*,SUN Qian, WANG Xiaoqian，LIU Chunmao，ZHANG Juan, ZHAO Lili

CollegeofLifeSciences，HebeiUniversity，Baoding071002 ，China

In order to elucidate the activity and ecological distribution of arbuscular mycorrhizal (AM) fungi in Saibei desert steppe, we sampled soil from three different sites at Erniudian，Shangduzhen and Qinggeletu in Saibei desert steppe in June 2013. Roots ofCaraganakorshinskiiand rhizosphere soil were collected from each site at five depths in the soil profile: 0—10, 10—20, 20—30, 30—40 and 40—50 cm, respectively. The results indicated thatC.korshinskiiformed strong symbiotic relationship with AM fungi. AM fungal spore density and colonization rates were significantly affected by sampling sites and soil depths. The highest spore density occurred at the 0—10cm layer and gradually decreased with soil depths. Hyphal colonization rate was the highest in samples collected at Shangduzhen among the three sites. However, vesicular colonization was the lowest in samples from Qinggeletu, and there were no significant differences among soil layers. Arbuscular colonization differed among the three sites. Both the total colonization rates and colonization intensity of AM fungi in root samples from Shangduzhen were the highest compared to the other two sites, respectively. Spore density strongly correlated with soil organic C, total N, easily extractable glomain (EEG) and total extractable glomalin (TG) (allP<0.01), soil pH (P<0.05), and negatively correlated with available P (P<0.01). Hyphal colonization rate had negative correlation with soil pH, available P, total N and acid phosphatase (allP<0.05). Vesicular and arbuscular colonization rates were strongly correlated with available N and alkaline phosphatase (allP<0.01). EEG and TG had significant positive correlation with available N, total N, alkaline phosphatase and acid phosphatase (allP<0.01), urease (P<0.05), but had no significant correlation with available P. Principal component analysis showed that acid and alkaline phosphatase, TG, total N and organic carbon were the key factors affecting soil nutrient status. The average contents of TG and EEG were 3.19 mg/g and 1.17 mg/g accounting for 7.77% and 3.83% of the total soil organic carbon, and 20.81% and 9.57% of the total soil nitrogen, respectively. Multiple linear regression analysis showed significant linear correlation between TG or EEG and soil organic C and total N, respectively. The results suggest that AM fungal colonization and glomalin are useful indicators for evaluating soil quality and function of desert ecosystem on the basis of its relationship with AM fungal distribution, soil nutrient dynamics, carbon and nitrogen cycle.

arbuscular mycorrhizal (AM) fungi; glomalin; soil factor;Caraganakorshinskii; saibei desert steppe

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(31270460)

2014- 01- 16;

2014- 08- 19

10.5846/stxb201401060045

*通訊作者Corresponding author.E-mail: xuelh1256@aliyun.com

許偉，賀學(xué)禮，孫茜,王曉乾，劉春卯，張娟，趙麗莉.塞北荒漠草原檸條錦雞兒AM真菌的空間分布.生態(tài)學(xué)報(bào),2015,35(4):1124- 1133.

Xu W, He X L, Sun Q, Wang X Q, Liu C M，Zhang J, Zhao L L.The spatial distribution of arbuscular mycorrhizal fungi in the rhizosphere ofCaraganakorshinskiiin Saibei desert steppe.Acta Ecologica Sinica,2015,35(4):1124- 1133.