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(nèi)部，在皮層細胞中產(chǎn)生泡囊、叢枝等結(jié)構(gòu)，與其形成共生體——叢枝菌根（Arbuscular mycorrhizas，AM）。植物將部分光合產(chǎn)物以碳源的形式輸送給AM真菌，而AM真菌借助其發(fā)達的菌絲網(wǎng)以及菌絲橋結(jié)構(gòu)為植物吸收并提供更多的水分和養(yǎng)分，同時還能提高寄主植物對環(huán)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(guān)系。菌根是大多數(shù)高等植物進行營養(yǎng)吸收必需利用的方式[2]，實際上，菌根的生態(tài)系統(tǒng)功能已被廣泛認可，其在營養(yǎng)元素循環(huán)、土壤碳固持以及生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)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(nóng)業(yè)中具有重要作用[4]，而高投入和精細化的農(nóng)業(yè)管理水平往往會導(dǎo)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(fā)育[5,6]。

迄今為止，施肥處理對AM真菌發(fā)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(nóng)業(yè)生產(chǎn)中常用的氮肥、磷肥、無機肥及有機肥角度，歸納總結(jié)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(yīng)研究及利用菌根生物技術(shù)修復(fù)受損土壤生態(tài)系統(tǒng)提供理論依據(jù)。

1 我國長期施肥現(xiàn)狀

我國是一個農(nóng)業(yè)大國，國內(nèi)化肥年使用量占據(jù)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(diào)查結(jié)果顯示，我國主產(chǎn)區(qū)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(shè)施番茄更低，只有8.5%。而東南亞地區(qū)水稻和印度小麥的氮肥利用率都在40%左右，一般發(fā)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(qū)的 N、P2O5、K2O年均養(yǎng)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(fā)達國家的15.0kg/667 m2[12]。過量的肥料投入會加劇土壤養(yǎng)分失衡，不僅不利于增產(chǎn)提質(zhì)，還會降低養(yǎng)分利用率、增加生產(chǎn)成本，又會造成環(huán)境和大氣污染。

2 長期施用氮肥對AM真菌發(fā)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(chǎn)能力，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)。我國多數(shù)地區(qū)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(chǎn)量的同時也帶來環(huán)境問題，如土壤酸化[14]、板結(jié)[15]等。土壤中的大多數(shù)氮素主要以高分子復(fù)合體形態(tài)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(zhì)，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(zhì)的分解，而且AM真菌侵入植物根系后，向內(nèi)形成根內(nèi)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(qū)域獨立擴展，吸收更多數(shù)量的氮素[17,18]。然而，也有學(xué)者認為，土壤氮素資源豐富時，會抑制AM真菌的發(fā)育。隨施氮量的增加，豌豆和春小麥根系A(chǔ)M真菌侵染率均表現(xiàn)出先升高后降低的趨勢[19]。賀學(xué)禮等[20]發(fā)現(xiàn)過高的氮抑制了AM真菌對黃芪根系的侵染，王淼焱等[21]發(fā)現(xiàn)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(shù)和侵入點數(shù)。

另一種觀點認為，氮肥可以增強土壤肥力，調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)，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(fā)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(fā)現(xiàn)不同的施氮水平會顯著影響小麥根際AM真菌群落結(jié)構(gòu)，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(fā)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(fā)現(xiàn)，氮肥的施用對百合根際AM真菌的孢子數(shù)量沒有顯著的改變。

因此，長期施用氮肥對AM真菌的發(fā)育影響結(jié)果不同，相關(guān)機制有待進一步研究。

3 長期施用磷肥對AM發(fā)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(chǎn)量的關(guān)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(guān)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(fā)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(jié)果表明，連續(xù)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(nèi)磷營養(yǎng)水平的提高，降低了植物根皮層細胞的質(zhì)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(fā)育。也有學(xué)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(fā)育的光合產(chǎn)物，從而表現(xiàn)出侵染率下降和多樣性降低的現(xiàn)象[31]。

此外，土壤中磷素含量較低時，反而有利于AM真菌的發(fā)育。有研究表明，低濃度的磷素形態(tài)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(yīng)的發(fā)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(fā)現(xiàn)，似乎低濃度的磷含量更有利于AM真菌的發(fā)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(fā)育的影響

復(fù)合肥具有養(yǎng)分含量高、副成分少且物理性狀好等優(yōu)點，對于平衡施肥、提高肥料利用率、促進作物高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)有著十分重要的作用。復(fù)合養(yǎng)分對AM真菌發(fā)育的影響也已經(jīng)被研究，如王慶峰等[24]人發(fā)現(xiàn)長期施用無機肥會引起東北黑土地土壤理化性質(zhì)發(fā)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(dǎo)致土壤中AM真菌群落結(jié)構(gòu)變差。Lin等人[30]發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)生抑制作用。Cheng等人[35]發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(yǎng)分復(fù)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(guān)系加強，促進AM真菌生長發(fā)育；但同時施入氮肥和磷肥后，土壤有效養(yǎng)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(dǎo)致過高的有效養(yǎng)分含量則使得植物不再依賴AM真菌，從而共生變成寄生關(guān)系，不利于AM真菌的生長發(fā)育，降低AM真菌多度，最終削弱AM真菌的生理生態(tài)功能。

5 長期施用有機肥對AM真菌發(fā)育的影響

有機肥中含有較多的營養(yǎng)元素，能為作物提供養(yǎng)分，促進作物的生長，提高農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)。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(nèi)生態(tài)的自我穩(wěn)定機制，不僅維持了作物的產(chǎn)量以及土壤肥力，也進一步減少了有機資源利用不足對環(huán)境造成的污染。而施用有機肥對AM真菌發(fā)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(fā)育[40]。長期施用有機肥降低了黃土高原農(nóng)田系統(tǒng)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(shè)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(fā)育同樣表現(xiàn)出積極的促進作用。

6 總結(jié)與展望

目前，有關(guān)施肥對AM真菌發(fā)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(jié)果都有一定的差入。然而多數(shù)的研究結(jié)果指向了適量或中低量的施肥有助于AM真菌的發(fā)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(guān)于施肥影響AM真菌發(fā)育的機制也不是很清楚，部分學(xué)者開始認為AM真菌與植物之間的共生關(guān)系應(yīng)該明確定義為從寄生到互利共生的連續(xù)體。雖然AM真菌對作物生長積極的促進作用已經(jīng)被眾多學(xué)者所接受，但是有關(guān)AM真菌在農(nóng)田管理中如何響應(yīng)施肥處理的機制還有待進一步研究。