弱光環(huán)境對長白落葉松和樟子松菌根苗生長的影響1)

郝龍飛 武曉倩 李星月 王續(xù)富 劉婷巖 許吉康

(內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學(xué)，呼和浩特，010019)

森林天然更新是森林生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定的基礎(chǔ)，但不同森林生態(tài)系統(tǒng)普遍存在林下更新不良的現(xiàn)象。在森林生態(tài)系統(tǒng)中，不同的生態(tài)學(xué)過程(如：種子擴(kuò)散方式、種內(nèi)和種間競爭、外界干擾、環(huán)境異質(zhì)性及空間分布格局等)對森林更新產(chǎn)生重要影響[1]。林下光照是影響樹種更新及演替的重要因素，林冠層郁閉度是決定幼苗生長發(fā)育的關(guān)鍵。不同樹種對光照需求存在差異，一般喜光性樹種對光的需求較大，導(dǎo)致其林下更新更為困難[2]。研究發(fā)現(xiàn)，長白落葉松(Larixolgensis)人工林由于造林密度過大，林隙較小，限制了其林下幼苗更新，通過間伐雖然能夠促進(jìn)林下闊葉樹的苗木更新，但長白落葉松幼苗仍很難更新[3-4]。樟子松(Pinussylvestrisvar.mongolica)人工林天然更新也存在同樣的問題，當(dāng)郁閉度0.4以上時，觀察不到樟子松幼苗更新的情況[5]，說明光照是影響長白落葉松及樟子松幼苗更新的主要因素之一。

針葉樹大多數(shù)為典型的外生菌根依賴型樹種，且外生菌根能夠改善宿主植物的養(yǎng)分狀況，其菌絲在土壤中的廣泛分布，擴(kuò)大了植物根系對養(yǎng)分的吸收面積，增強(qiáng)宿主植物對難移動元素和微量元素的吸收，進(jìn)而促進(jìn)林木生長[6]。林木形成菌根后，可以提高林下更新幼苗的抗逆性和抗病性，有利于天然更新幼苗生長[7]。當(dāng)土壤中外生菌根真菌缺失時，更新幼苗不能形成菌根共生體，致使其抗旱抗病能力較弱，限制了更新幼苗生長[8]。關(guān)于不同菌根真菌對苗木生長的影響雖然進(jìn)行了大量研究[9-10]，但對弱光環(huán)境下長白落葉松和樟子松菌根苗生長狀況的研究未見相關(guān)報道。

本研究以長白落葉松和樟子松1年生菌根苗為研究對象，在弱光環(huán)境條件下，分析接種不同外生菌根真菌對苗木生長的影響，探討林冠下喜光性菌根依賴型樹種生長發(fā)育規(guī)律，為人工促進(jìn)天然更新提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

長白落葉松和樟子松種子分別于2017年在吉林省白山市露水河林場和內(nèi)蒙古紅花爾基樟子松自然保護(hù)區(qū)采集。將長白落葉松和樟子松的種子在體積分?jǐn)?shù)2%的高錳酸鉀溶液中消毒30 min，用無菌水沖洗4～5次，放入鋪有用無菌水浸濕濾紙的培養(yǎng)皿中；將培養(yǎng)皿置于25 ℃恒溫光照培養(yǎng)箱中進(jìn)行催芽處理，待種子萌發(fā)后，播入裝有經(jīng)高溫高壓滅菌基質(zhì)中(V(土)∶V(蛭石)=1∶1)。

試驗選擇8種外生菌根真菌作為接種菌劑，各菌種均采用MMN平板培養(yǎng)基活化、擴(kuò)繁后，利用固體培養(yǎng)基對其進(jìn)行菌劑制備。接種主要菌劑為：褐環(huán)粘蓋牛肝菌(Suillusluteus)、厚環(huán)粘蓋牛肝菌(Suillusgrevillei)、黃褐口蘑(Tricholomafulvum)、淺灰小牛肝菌(Boletinusgrisellus)、粘蓋牛肝菌(Suillusbovinus)、球根白絲膜菌(Leucocortinariusbulbiger)、淺黃根須腹菌(Rhizopogonluteolus)和彩色豆馬勃(Pisolithustinctorius)等。

1.2 試驗方法

待長白落葉松和樟子松幼苗生長2個月后，對其幼苗根部進(jìn)行固體菌劑接種處理。試驗前用體積分?jǐn)?shù)3% H2O2對所用花盆內(nèi)壁進(jìn)行消毒、滅菌，并放置24 h后備用。試驗設(shè)置單一接種、混合接種和對照3種處理，單一接種處理中，長白落葉松接種彩色豆馬勃菌劑[11]，樟子松接種粘蓋牛肝菌菌劑[12]；混合接種處理，選取8種外生菌根真菌菌劑等量均勻混合后接種；對照處理中加入滅菌后的固體菌劑基質(zhì)。苗木幼苗接菌時，選用直徑15 cm的花盆，在花盆底部放入適量滅菌基質(zhì)，然后將菌劑均勻平鋪于滅菌基質(zhì)上，每個花盆中放置菌劑20.0 g，選取前期培養(yǎng)長勢良好的長白落葉松和樟子松苗木，將根系與菌劑充分接觸栽于花盆中，每盆栽植5株幼苗，覆滅菌基質(zhì)，每盆育苗總基質(zhì)質(zhì)量控制為1.0 kg；各處理分別設(shè)置15個重復(fù)，2樹種各3個處理共計90盆。將接種后的苗木置于光照氣候室中(最大光照度7 000 lx)弱光環(huán)境培養(yǎng)，該光照強(qiáng)度為模擬未經(jīng)人工撫育采伐的近熟針葉林林冠下光照強(qiáng)度[13]。培養(yǎng)過程中，每5 d定量澆水150 mL/盆，每15 d澆體積分?jǐn)?shù)10%的Hogland營養(yǎng)液150 mL/盆。

1.3 樣品采集及測定

菌根苗合成后，在氣候室弱光控制環(huán)境中培養(yǎng)6個月，然后進(jìn)行樣品采集和相關(guān)指標(biāo)測定。

苗木成活率統(tǒng)計：統(tǒng)計各接種處理中成活苗木數(shù)量。苗木成活率=(成活苗木數(shù)量/試驗苗木總數(shù)量)×100%。

外生菌根侵染率計算：采用統(tǒng)計法計算外生菌根侵染率。各處理分別選取9株苗木，將其根系清洗后剪成1 cm長的根段，各處理中每3株苗木根系取50個根段為1次重復(fù)，測定菌根侵染率。菌根侵染率=(侵染成功的菌根根段數(shù)/總根段數(shù))×100%。

苗木形態(tài)指標(biāo)及生物量測定：測定各處理下的苗高和地莖。生長指標(biāo)測定結(jié)束后，采用破壞性取樣方法，在各處理中選擇大小均勻的30株完整苗木，用于根系形態(tài)測定，量取從根基部至主根根尖的自然長度，為其主根長；將生長在苗木主根上長度大于5 cm的側(cè)根進(jìn)行數(shù)量統(tǒng)計，為一級側(cè)根數(shù)。測定結(jié)束后，將苗木烘干至恒定質(zhì)量，測定其地上、地下生物量。

苗木養(yǎng)分指標(biāo)測定：將烘干后的植物樣品粉碎并過篩(孔徑為0.149 mm)，測定其養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。苗木全氮質(zhì)量分?jǐn)?shù)采用元素分析儀(德國·Elementer,VARIO Macro)測定。植物樣品經(jīng)消化后，采用鉬銻抗比色法測定其全磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)[14]。苗木養(yǎng)分質(zhì)量=苗木生物量×養(yǎng)分質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

苗木質(zhì)量指數(shù)(QI)=苗木總生物量/((苗高/地徑)+(莖生物量/根生物量))。

采用SPSS 18.0對數(shù)據(jù)進(jìn)行描述統(tǒng)計、正態(tài)檢驗、方差分析及LSD多重比較，并對各指標(biāo)進(jìn)行Pearson相關(guān)性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同接種處理對苗木根系形態(tài)特征和菌根侵染率的影響

由表1可知，弱光環(huán)境下長白落葉松和樟子松苗木主根長、一級側(cè)根數(shù)及菌根侵染率均在混合接種處理下達(dá)到最大，除樟子松主根長外，其它指標(biāo)在處理間均達(dá)到了顯著水平(P<0.05)?；旌辖臃N處理下長白落葉松苗木主根長及一級側(cè)根數(shù)較單一接種處理分別提高了26.0%(P<0.05)、99.7%(P<0.05)，較對照分別提高了61.4%(P<0.05)、144.3%(P<0.05)；混合接種處理長白落葉松苗木菌根侵染率較單一接種處理提高了16.7%(P<0.05)。混合接種處理樟子松苗木一級側(cè)根數(shù)較單一接種和對照分別提高了46.2%(P<0.05)、72.5%(P<0.05)；混合接種處理樟子松苗木菌根侵染率較單一接種處理提高了68.3%(P<0.05)。

表1 不同接種處理對長白落葉松和樟子松苗木根系形態(tài)特征和菌根侵染率的影響

2.2 不同處理對苗高、地徑及生物量的影響

由表2可知，弱光環(huán)境下長白落葉松和樟子松苗木苗高、地徑和生物量均在混合接種處理下達(dá)到最大(P<0.05)。長白落葉松苗木混合接種處理與其它處理相比，顯著提高了苗木地徑、地上生物量及總生物量(P<0.05)。樟子松苗木混合接種處理與對照相比，顯著提高了苗木地上、地下及總生物量(P<0.05)。

2.3 不同處理對苗木養(yǎng)分質(zhì)量的影響

由表3可知，弱光環(huán)境下長白落葉松和樟子松苗木養(yǎng)分質(zhì)量由高到低的順序為：混合接種、單一接種、對照?；旌辖臃N處理長白落葉松苗木氮、磷質(zhì)量比單一接種處理和對照顯著提高(P<0.05)，比單一接種處理分別提高了81.0%(P<0.05)、28.0%(P<0.05)，較對照分別提高了128.7%(P<0.05)、28.0%(P<0.05)?；旌辖臃N處理樟子松苗木氮、磷質(zhì)量較單一接種處理提高了33.4%(P<0.05)、18.6%，比對照分別提高了74.4%(P<0.05)、70.0%(P<0.05)。

表3 不同接種處理對長白落葉松和樟子松苗木養(yǎng)分質(zhì)量的影響

2.4 不同接種處理對苗木質(zhì)量指數(shù)及成活率的影響

由表4可知，弱光環(huán)境下長白落葉松和樟子松苗木質(zhì)量指數(shù)和成活率均在混合接種處理下達(dá)到最大，其中，混合接種處理下，2種苗木質(zhì)量指數(shù)和成活率均顯著高于對照(P<0.05)，而單一接種處理與對照相比均未達(dá)到顯著水平(P<0.05)?；旌辖臃N處理下長白落葉松苗木質(zhì)量指數(shù)及成活率較單一接種處理分別提高了100%(P<0.05)、8.8%，較對照分別提高了100%(P<0.05)、14.4%(P<0.05)。混合接種處理下樟子松苗木質(zhì)量指數(shù)及成活率較單一接種處理分別提高了20.0%、2.7%，較對照分別提高了71.4%(P<0.05)、9.3%(P<0.05)。

表4 不同接種處理對長白落葉松和樟子松苗木質(zhì)量指數(shù)及成活率的影響

2.5 接種處理、菌根侵染率與苗木質(zhì)量指標(biāo)的相關(guān)性

由表5可知，弱光環(huán)境下，接種處理與落葉松苗木各質(zhì)量指標(biāo)之間，除地下生物量外，與其它指標(biāo)相關(guān)性系數(shù)均達(dá)到了顯著水平(P<0.05)，苗木菌根侵染率與地上生物量、氮質(zhì)量、磷質(zhì)量、苗木質(zhì)量指數(shù)及苗木成活率相關(guān)性達(dá)到了顯著水平(P<0.05)；接種處理和菌根侵染率與樟子松苗木各質(zhì)量指標(biāo)間均達(dá)到了顯著水平(P<0.05)。其中接種處理和菌根侵染率與2種苗木氮、磷養(yǎng)分質(zhì)量Pearson相關(guān)性系數(shù)較大，而與苗木地下生物量相關(guān)性系數(shù)較小。

表5 接種處理、菌根侵染率與長白落葉松和樟子松苗木質(zhì)量指標(biāo)Pearson相關(guān)性分析

3 結(jié)論與討論

林下光照是限制林下幼苗更新生長的主要原因之一[15-16]。接種菌根真菌有助于提高苗木光合能力[17]，在一定程度上可以促進(jìn)林下幼苗生長[7]。長白落葉松和樟子松為典型的外生菌根依賴型樹種[11，18]，在弱光環(huán)境中，單一接種處理可以提高苗木生物量積累，但效果不顯著，而混合接種處理顯著增加苗木生物量積累，且對地上生物量積累促進(jìn)作用明顯。該研究結(jié)果符合不同光照強(qiáng)度下，苗木生物量分配的植物生長策略。當(dāng)光照充足時，植物會偏向更多生物量向地下根系分配以獲取養(yǎng)分；當(dāng)光照受到限制時會分配給地上更多的生物量以維持植物地上光合作用的需求[19]?；旌辖臃N處理，苗木質(zhì)量指數(shù)顯著提高，證明了植物形成菌根共生體后有助于增強(qiáng)苗木對弱光環(huán)境的適應(yīng)能力。

弱光環(huán)境下，接種處理可以明顯改善苗木根系形態(tài)，提高養(yǎng)分吸收效率，以往關(guān)于菌根真菌對根系構(gòu)型及養(yǎng)分吸收的影響研究結(jié)果[20]一致。混合接種處理對苗木根系形態(tài)的改善效果高于單一接種處理，其原因是不同的外生菌根真菌與植物形成共生體后的主體功能存在差異，混合接種處理可以使菌根真菌間的協(xié)同效應(yīng)得以有效發(fā)揮，提高菌根化苗木對外界環(huán)境的適應(yīng)能力，進(jìn)而有效促進(jìn)苗木生長[21]。菌根共生體有效提高苗木養(yǎng)分吸收能力，主要因為混合接種處理下，2種苗木通過改善根系形態(tài)以及菌根共生體的形成，苗木增加了養(yǎng)分的吸收面積，這與前人研究結(jié)果[20，22]一致。

弱光環(huán)境下，接種處理促進(jìn)了苗木的生物量積累和養(yǎng)分吸收，進(jìn)而影響苗木質(zhì)量指數(shù)及成活率。苗木氮質(zhì)量與接種處理及苗木菌根侵染率的相關(guān)性系數(shù)均高于磷質(zhì)量與二者間的相關(guān)性系數(shù)，說明菌根共生體有效促進(jìn)了苗木磷吸收，但低于苗木對氮吸收的促進(jìn)效率，由于土壤磷為限制性元素，并且磷元素在土壤中移動性較差，在根系周圍易形成耗竭區(qū)，苗木吸收較為困難[23]。以往研究中發(fā)現(xiàn)，苗木體內(nèi)高氮質(zhì)量有助于提高苗木光合速率[24]，因此，弱光環(huán)境中菌根化苗木有助于增加其生物量積累，提高苗木成活率。在弱光環(huán)境中，菌根化苗木主要通過增加苗木地上生物量，改善苗木光合能力以應(yīng)對低光照脅迫，研究結(jié)果也符合苗木生長策略[19]。

綜上所述，弱光環(huán)境下長白落葉松和樟子松苗木菌根化處理，特別是混合接種處理有利于苗木應(yīng)對弱光環(huán)境條件。弱光環(huán)境中菌根化苗木主要通過增加苗木養(yǎng)分吸收，提高光合能力，改善苗木質(zhì)量，進(jìn)而增強(qiáng)苗木對弱光環(huán)境的適應(yīng)能力。因此，通過混合接種的菌根苗在一定程度上可以解決長白落葉松和樟子松林下更新不良的現(xiàn)狀。