叢枝菌根真菌和高羊茅對壓實土壤的改良效應(yīng)

李文彬，寧楚涵，徐孟，劉潤進，郭紹霞*

(1.青島農(nóng)業(yè)大學菌根生物技術(shù)研究所，山東 青島 266109；2.青島農(nóng)業(yè)大學園林與林學院，山東 青島 266109)

城市土壤是在原有自然土壤的基礎(chǔ)上，長期受到城市地貌、氣候、水文與污染的影響，經(jīng)多次直接或間接的人為擾動或組裝起來的現(xiàn)實利用價值較低的一類特殊的人為土壤[1]。由于世界人口和糧食問題，以往土壤研究大多關(guān)注農(nóng)業(yè)用地，對城市土壤關(guān)注較少。許多研究表明，在城市中土壤壓實普遍存在，并會帶來一系列的不良后果，如土壤緊實度增加、容重增大等[2]。當土壤容重超出土壤承受能力，土壤孔隙度、透氣性和水分滲透率會相對減少，影響土壤中水分的流動，阻礙植物根系的生長和伸展，壓實土壤還會影響土壤中養(yǎng)分有效性，改變土壤化學物質(zhì)等[3-4]。因此，增強植物抗性、修復和穩(wěn)定城市綠地土壤系統(tǒng)，是值得探究的問題。

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)是土壤中的真菌菌絲與植物營養(yǎng)根系形成的共生體，已有研究結(jié)果表明，AMF能夠促進生態(tài)系統(tǒng)物質(zhì)轉(zhuǎn)化、利用與循環(huán)，改善寄主植物N、P養(yǎng)分吸收能力,提高植物生物量等[5-7]。AMF菌絲分泌的球囊霉素相關(guān)土壤蛋白能夠促進水分穩(wěn)定的土壤團聚體形成，從而改善土壤通透性和持水性，同時提高土壤有機碳積累[8-10]。曹麗霞等[11]研究了接種土著AMF對羊草(Leymuschinensis)土壤中有機碳、堿解氮、有效磷、速效鉀、根圍土壤易提取球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(easily extractable glomalin-related soil protein，EE-GRSP)含量、總球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(total glomalin-related soil protein，T-GRSP)含量的影響，結(jié)果表明接種處理提高了羊草根圍土壤氮、磷、鉀含量，增加了群落物種的豐富度和植物多樣性。變形球囊霉(Glomusversiforme)和隱類球囊霉(Paraglomusoccultum)可提高白三葉草(Trifoliumrepens)根圍土壤0.25～0.50 mm和0.5～1.0 mm粒徑水穩(wěn)性團聚體含量，增加了根圍土壤EE-GRSP和T-GRSP的含量，接種85 d后根系菌根侵染率為35%～75%[12]。付曉峰等[13]以南方紅豆杉(Taxuschinensis)實生苗為材料并接種縮隔球囊霉(Septoglomusconstrictum)，結(jié)果表明接種處理提高了南方紅豆杉根圍土壤可培養(yǎng)細菌、真菌和放線菌數(shù)量。

高羊茅(Festucaelata)是中國北方典型冷季型城市草坪草，不僅適應(yīng)氣候能力強，而且具有較強的抗干旱、耐高溫、耐貧瘠、適應(yīng)性廣等特性，明顯優(yōu)于其他草種，因此在國內(nèi)城市草坪綠地中被廣泛使用[14-16]。有研究表明，城市高羊茅草坪綠地能有效減少地表徑流量、削減暴雨徑流峰值、減少水土流失，對防治土壤壓實、侵蝕發(fā)揮著不可或缺的作用。本研究旨在探究不同AMF和高羊茅組合對壓實土壤的影響，為AMF在壓實土壤中的應(yīng)用提供理論依據(jù)和技術(shù)基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試植物為高羊茅品種‘艾瑞3號’。供試AMF菌種摩西斗管囊霉(Funneliformismosseae，F(xiàn)m)和根內(nèi)根孢囊霉(Rhizophagusintraradices，Ri)均為青島農(nóng)業(yè)大學菌根生物技術(shù)研究所自有，由白三葉草擴繁，以保存于其根系及基質(zhì)中的孢子、菌絲和菌根根段為接種物。供試土壤為砂壤土(園土∶沙=3∶1)，pH值6.9，有機質(zhì)含量10.8 g·kg-1，全氮含量0.64 g·kg-1，全磷含量0.7 g·kg-1，全鉀含量15.4 g·kg-1，堿解氮含量51 mg·kg-1，有效磷含量13.4 mg·kg-1，速效鉀含量63.4 mg·kg-1，土樣混勻后晾曬，過0.9 mm，在121 ℃高溫高壓蒸汽滅菌2 h，備用。

1.2 試驗方法

種植前準備：用10% H2O2浸泡高羊茅種子10 min進行表面消毒，然后置于濾紙上晾干。每盆播種50粒種子。用75%酒精溶液消毒盆栽容器。

接種種植：試驗于2017年4-7月在青島農(nóng)業(yè)大學溫室大棚內(nèi)進行，設(shè)土壤壓實梯度1.2、1.3、1.4、1.5 g·cm-3，分別接種AMF菌種摩西斗管囊霉、根內(nèi)根孢囊霉、混合接種(F.mosseae+R.intraradices)和不接種對照(CK)，共16個處理，隨機排列，每個處理重復5次。供試土壤裝入PVC管(內(nèi)徑10 cm、高23 cm)，接種AMF的劑量為12000接種勢[IP=N×W×K+S，IP為接種勢，N為單位長度根段內(nèi)含有的泡囊數(shù)量，W為根重(g)，K為單位質(zhì)量根系長度(cm)，S為單位質(zhì)量或體積接種劑內(nèi)孢子數(shù)量]，對照(CK)則接種等量滅菌接種物，以保持相同的其他根圍微生物區(qū)系環(huán)境。根據(jù)土壤緊實度要求、容器體積及土壤含水量計算出每個處理所需的土壤重量，然后裝土，采用木夯錘擊壓實至試驗設(shè)計要求。每個處理土壤裝至離管邊3 cm處。

栽培與管理：種植7 d前后出芽，出芽前，每周澆2次水，澆水均勻而充足。出芽后每7 d澆1次營養(yǎng)液，以保證養(yǎng)分供給，管理期間注意溫度、光線、通氣條件的控制，嚴禁積水。于播種后3個月測定各項指標。

1.3 樣品采集

2017年7月初采集PVC管土樣，采樣前3 d無灌溉、除草等措施。采樣時先將植株地上部分及其他雜質(zhì)清理干凈，然后將環(huán)刀(底面積30 cm2，高5 cm)緩慢壓入PVC管中取樣。用于測定土壤容重、土壤孔隙度。另用鋁盒裝取15～20 g土壤用于測定土壤含水量，自封袋裝取500 g土使其自然風干；測定土壤微團聚體、微生物組成以及土壤酶活性。

1.4 指標測定

1.4.1植株干重測定 植物樣品地上部和根系洗凈后用濾紙吸干，然后放入烘箱中，先在105 ℃殺青30 min,再在80 ℃烘干48 h至樣品恒重，分別稱取干物質(zhì)生物量，計算干重。

1.4.2AMF侵染率的測定 根據(jù)劉潤進等[17]改進的根段頻率估測方法測定AMF侵染率，土壤中根外菌絲密度的測定參考Abbott等[18]的方法。

1.4.3土壤微生物組成的測定 采用稀釋涂布平板法[19]，即取10 g土壤于90 mL無菌水中搖勻并稀釋，用移液槍吸取10 μL稀釋液于NA培養(yǎng)基平板上，用玻璃棒涂勻后，于30 ℃下培養(yǎng)3 d后計數(shù)根圍土壤中真菌、細菌和放線菌數(shù)量。

1.4.4土壤物理指標測定 土壤含水量采用(105±2) ℃烘干法測定[20]；土壤容重采用環(huán)刀法測定[20]；土壤孔隙度=(1-容重/比重)×100%；土壤pH采用pH計(雷磁pHS-3C)測定；土壤水穩(wěn)性團聚體含量采用人工篩分法測量[20]；全氮采用凱氏定氮法[20]；速效磷采用鉬銻抗比色法[20]；速效鉀采用1 mol·L-1NH4OAC浸提，火焰光度法[20]；有機質(zhì)含量采用低溫外加熱重鉻酸鉀氧化-比色法測定[20]。

1.4.5土壤酶活性的測定 蔗糖酶活性采用3，5-二硝基水楊酸比色法測定[21]，脲酶活性采用靛酚藍比色法測定[21]，過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定[21]，土壤多酚氧化酶活性用鄰苯三酚比色法測定[21]。

1.4.6球囊霉素相關(guān)土壤蛋白的測定 易提取球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(EE-GRSP)、總球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(T-GRSP)采用Bradford法測定[22]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel 2003軟件對數(shù)據(jù)進行處理和繪圖，采用DPS 7.5和SPSS 11.5統(tǒng)計分析軟件對數(shù)據(jù)進行差異顯著性檢驗(LSD法，α=0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同土壤容重下AMF和高羊茅對土壤理化性狀的影響

同一土壤容重下，雙接種AMF處理的土壤含水量和土壤孔隙度顯著大于單接種AMF處理和對照，而對土壤pH的影響不顯著。接種效果表現(xiàn)為共同接種F.mosseae+R.intraradices>單一接種F.mosseae>單一接種R.intraradices>對照。1.5 g·cm-3土壤容重下，共同接種F.mosseae+R.intraradices處理的土壤含水量比對照提高38%，土壤孔隙度提高9%，土壤容重下降9%(表1)。

表1 不同土壤容重下AMF和高羊茅對土壤理化性狀的影響Table 1 Effects of AMF and F. elata on soil physical and chemical properties under different soil compaction

注：AMF：叢枝菌根真菌；NS表示不顯著；*表示在5%水平差異顯著；**表示在1%水平差異顯著；同列不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

Note: AMF：Arbuscular mycorrhizal fungi；NS means no significant difference；*means significant difference at 5% level； **means significant difference at 1% level. In each column, different lowercase letters mean significant difference among treatments (P<0.05). The same below.

2.2 不同土壤容重下AMF和高羊茅對土壤團聚體組成的影響

土壤容重能夠顯著影響土壤團聚體結(jié)構(gòu)，隨土壤容重的增加，微團聚體(<0.25 mm)的含量先增加后減少，而>2 mm的土壤團聚體含量變化無明顯規(guī)律。同一土壤容重下與未接種處理相比，接種AMF處理的微團聚體(<0.25 mm)含量減少，0.5～2.0 mm、>2 mm的土壤團聚體含量增加。1.5 g·cm-3土壤容重下，共同接種F.mosseae+R.intraradices處理的土壤團聚體(0.25～0.50 mm)達到最大含量15.1%(表2)。方差分析表明，AMF與土壤容重的交互作用對土壤團聚體(>2 mm、<0.25 mm)含量的影響顯著。

2.3 不同土壤容重下AMF和高羊茅對微生物群落組成的影響

土壤壓實顯著影響土壤中微生物數(shù)量，隨土壤容重的增加，土壤中細菌、真菌、放線菌的數(shù)量呈減少趨勢。與未接種對照相比，接種F.mosseae+R.intraradices、F.mosseae和R.intraradices均能夠增加土壤中細菌、真菌、放線菌的數(shù)量，且F.mosseae+R.intraradices處理優(yōu)于單一接種處理。1.5 g·cm-3土壤容重下，共同接種的真菌、細菌與放線菌數(shù)量分別為3.11×104cfu·g-1、2.25×105cfu·g-1，4.88×105cfu·g-1。AMF和土壤容重的交互作用對土壤中真菌、細菌和放線菌的數(shù)量影響不顯著(表3)。

表2 不同土壤容重下AMF和高羊茅對土壤團聚體組成的影響Table 2 Effects of AMF and F. elata on soil aggregate distribution under different soil compaction (%)

表3 不同土壤容重下AMF和高羊茅對微生物群落組成的影響Table 3 Effects of AMF and F. elata on microbe numbers under different soil compaction

2.4 不同土壤容重下AMF和高羊茅對土壤養(yǎng)分含量的影響

同一土壤容重下，不同接種處理對土壤養(yǎng)分的影響不同。全氮含量在土壤容重1.5 g·cm-3下接種F.mosseae處理達到570.6 mg·kg-1，有機質(zhì)含量在土壤容重1.2 g·cm-3下接種F.mosseae處理達到最大值1.694%。接種AMF顯著提高了土壤速效鉀及速效磷的含量，且接種效果表現(xiàn)為共同接種F.mosseae+R.intraradices>單一接種F.mosseae>單一接種R.intraradices>對照。1.5 g·cm-3土壤容重下，與對照相比，速效鉀含量增加123%，速效磷含量增加176%。土壤容重和AMF兩者交互作用對土壤全氮、速效鉀、速效磷和有機質(zhì)含量影響極顯著(表4)。

表4 不同土壤容重下AMF和高羊茅對土壤養(yǎng)分含量的影響Table 4 Effects of AMF and F. elata on soil nutrient contents under different soil compaction

2.5 不同土壤容重下AMF和高羊茅對土壤酶活性的影響

土壤壓實脅迫下，共同接種F.mosseae+R.intraradices處理的蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶、多酚氧化酶活性顯著大于單一接種和對照。與對照相比，1.5 g·cm-3土壤容重下共同接種處理下蔗糖酶活性提高271%，脲酶活性提高249%，過氧化氫酶活性提高98%，多酚氧化酶活性提高268%。方差分析表明，土壤酶活性在接種AMF與不同土壤容重間存在互作效應(yīng)(表5)。

2.6 不同土壤容重下AMF和高羊茅對土壤中球囊霉素相關(guān)土壤蛋白含量的影響

接種AMF可提高土壤中易提取球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(EE-GRSP)、總球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(T-GRSP)含量，且共同接種處理的球囊霉素顯著高于單一接種。1.5 g·cm-3土壤容重下，與對照相比，共同接種F.mosseae+R.intraradices產(chǎn)生的EE-GRSP含量提高241%；T-GRSP含量提高288%，與對照差異顯著(P<0.05)(圖1)。

表5 不同土壤容重下AMF和高羊茅對土壤酶活性的影響Table 5 Effects of AMF and F. elata on activities of invertase, urease, catalase and polyphenol oxidase in soil under different soil compaction

圖1 不同土壤容重下AMF和高羊茅對土壤中易提取球囊霉素相關(guān)土壤蛋白和總球囊霉素相關(guān)土壤蛋白含量的影響Fig.1 Effects of AMF and F. elata on soil EE-GRSP content and T-GRSP content under different soil compaction Fm：摩西斗管囊霉F. mosseae；Ri：根內(nèi)根孢囊霉R. intraradices.不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。 Different lowercase letters mean significant difference among treatments (P<0.05).

2.7 各處理AMF侵染與高羊茅生長狀況

在同一土壤容重下，共同接種處理的AMF侵染率、菌絲密度以及高羊茅干物質(zhì)質(zhì)量最高。共同接種F.mosseae+R.intraradices在土壤容重1.5 g·cm-3下菌根侵染率達到37.1%，菌絲密度為1.81 m·g-1，干重為5.87 g。在土壤容重1.2～1.5 g·cm-3梯度下，隨土壤容重的增加，AMF侵染率、菌絲密度和高羊茅干重顯著下降。說明土壤容重越大對菌根侵染率和菌絲密度有一定的抑制作用(表6)。

表6 各處理AMF侵染與高羊茅生長狀況Table 6 AMF colonization and the growth of F. elata under various treatments

3 討論

城市土壤體系中廣泛分布真菌、細菌和放線菌等微生物，土壤微生物活動會促進植物根系分泌物的增加，而根系分泌物不僅能夠改變土壤根區(qū)微生物種群組成、數(shù)量及其活力，增加土壤微生物碳源利用率，還能促進根圍重要土壤活力的增加，改變土壤中物種的豐富度和均一度[23-24]。本試驗表明，在不同土壤容重下，接種AMF和高羊茅對提高土壤含水量和孔隙度、土壤酶活性、球囊霉素含量、菌根侵染率、土壤根外菌絲密度等方面具有較好效果，其中最佳處理為F.mosseae+R.intraradices和高羊茅組合。其原因可能是共同接種F.mosseae和R.intraradices，AMF菌絲侵染率最高且菌絲密度大，與高羊茅根系結(jié)合后擴大了水分、養(yǎng)分吸收面積，增加了高羊茅的生物量，進而降低土壤容重，緩解壓實脅迫。

已有研究表明，接種AMF對于白三葉草(Trifoliumrepens)和紫花苜蓿(Medicagosativa)根圍中的細菌、放線菌以及真菌數(shù)量都有促進作用。本試驗結(jié)果表明，隨土壤容重增加，土壤真菌、細菌和放線菌數(shù)量下降，接種AMF后土壤中微生物數(shù)量則顯著增加，且放線菌和細菌的數(shù)量多于真菌數(shù)量。這可能是因為土壤滅菌后一段時間內(nèi)真菌數(shù)量增長較快，進而改變了細菌以及放線菌的數(shù)量，這與Oliveria等[25]的研究結(jié)果一致；同時高羊茅根系分泌物可能提高了土壤微生物活性，進一步對微生物數(shù)量產(chǎn)生促進作用，其具體的促進機制還需進一步試驗證實。

AMF可以通過合成1-氨基環(huán)丙烷-1-羧酸(1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase，ACC)脫氨酶及球囊霉素相關(guān)土壤蛋白(glomalin related soil protein，GRSP)等降低植物對環(huán)境脅迫的效應(yīng)[26]。GRSP是球囊霉屬AMF菌絲分泌產(chǎn)生的并可以脫落到土壤中的一種金屬離子的糖蛋白[27]。研究表明，GRSP作為一種長期的土壤絡(luò)合物不僅能夠改善土壤的物理性質(zhì)，修復植物根圍生態(tài)環(huán)境[28]，而且還是土壤有機質(zhì)的主要成分之一，是土壤碳氮的重要來源，可提供15%～20%碳源，自然條件下保持菌絲內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)和水分供應(yīng)，土壤質(zhì)量變化時產(chǎn)生相應(yīng)變化[29-30]。同時菌根的發(fā)育可以通過增加土壤有機質(zhì)含量來增加團粒結(jié)構(gòu)、改善土壤組成成分，從而提高土壤通氣性、水分滲透能力和保水能力[31]。研究表明，接種摩西斗管囊霉的野櫻桃(Prunusdiscadenia)、文冠果(Xanthocerassorbifolium)其土壤堿解氮、GRSP含量顯著增加，土壤速效磷、速效鉀含量顯著降低，顯著改善了采煤沉陷區(qū)土壤化學和生物學性狀[32]。更為重要的是，AMF可以通過分泌一些酸性化合物，直接進行活化土壤養(yǎng)分，提高速效養(yǎng)分含量。本試驗表明，1.2～1.5 g·cm-3土壤容重下，隨土壤容重的增大土壤全氮含量隨之增大。而速效磷、速效鉀的含量與土壤容重呈負相關(guān)性；土壤中有機質(zhì)含量呈先增大后減小的趨勢。接種AMF增加了土壤全氮、速效鉀、速效磷含量，而有機質(zhì)含量因接種方式和土壤容重的不同呈現(xiàn)出不同的結(jié)果，在1.2、1.4、1.5 g·cm-3土壤容重下摩西斗管囊霉接種處理的有機質(zhì)含量大于其他接種處理。這可能是由于土壤中的微生物礦化土壤中的氮素后極易溶解遷移和揮發(fā)，使得土壤中的全氮量下降。大量研究已經(jīng)證實，接種AMF能有效降低土壤有機質(zhì)，增加土壤速效磷、速效鉀等化學元素[33]。本試驗中有機質(zhì)的含量因接種AMF而減少，可能是AMF促進土壤原有有機質(zhì)的分解而缺少植物殘體的補充，其具體效應(yīng)機制還需進一步試驗證明。

土壤酶是土壤環(huán)境中的活性物質(zhì)，參與各種生物代謝過程。土壤酶可加速土壤微生態(tài)環(huán)境中的生化反應(yīng)，提高微生物數(shù)量和活性。蔗糖酶、脲酶、過氧化氫酶和多酚氧化酶是土壤中重要的氧化還原酶[21]。過氧化氫酶能夠促進過氧化氫的氧化，從而消除過氧化氫對根系正常生化反應(yīng)的破壞。本研究表明，接種AMF后土壤中真菌、細菌和放線菌數(shù)量增加，真菌對根系的侵染會影響寄主植物生長，促使AMF分泌土壤酶，或通過根外菌絲分泌土壤酶，這些均與前人研究結(jié)果一致[34]。

AMF侵染植物根系并與其形成菌根共生體，菌根侵染率是反映菌根真菌侵染寄主植物根系程度的指標，菌根侵染率的高低與其促進植物生長等功能具有直接關(guān)系[35]，并受到多種因素的綜合影響，包括AMF菌種類型、植物類型、土壤環(huán)境以及人類活動等[36-37]。本試驗中，接種AMF提高了高羊茅根系侵染率和菌絲密度，且高羊茅干重增加。這可能是因為菌根形成過程中根系分生組織活性變強，高羊茅不定根和側(cè)根數(shù)量增多，根毛運輸養(yǎng)分、水分能力增強，從而提高了接種處理的高羊茅生物量[38]。

4 結(jié)論

綜合分析，土壤容重1.5 g·cm-3條件下，共同接種F.mosseae+R.intraradices和高羊茅組合可改善土壤理化性質(zhì)，增加土壤孔隙度和含水量，提高根圍土壤中細菌、真菌和放線菌數(shù)量；同時接種AMF可提高土壤中脲酶、蔗糖酶、多酚氧化酶和過氧化氫酶活性，降低土壤容重，緩解土壤壓實情況，對城市土壤肥力潛力具有實踐意義。對于AMF+高羊茅改良壓實土壤的機制、高羊茅根系分泌物成分、調(diào)控高羊茅在壓實脅迫下的基因表達以及AMF類型與高羊茅對壓實土壤的遺傳適應(yīng)機制等有待進一步深入研究。