華頂山3 種生境的云錦杜鵑毛根發(fā)育與菌根侵染比較研究

王日華，Kabore M.Arthur Fabrice,2，周午祖軒，童璐，朗月，何育棟，孟凡博，張艷華，孫立夫

（1.紹興文理學(xué)院 生命科學(xué)學(xué)院，浙江 紹興 312000；2.福建農(nóng)林大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，福建 福州 350002；3.紹興職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 紹興 312000）

陸地植物生長發(fā)育所需的營養(yǎng)物質(zhì)主要依靠植物地上、地下部分與外界環(huán)境之間的物質(zhì)交換，根系決定了植物利用土壤資源的能力[1]。有些植物的根與土壤真菌形成菌根，菌根共生能分解復(fù)雜的有機(jī)物[2]，在改善植物營養(yǎng)、調(diào)節(jié)植物代謝、增強(qiáng)植物抗逆性等方面發(fā)揮著重要的作用[3-4]。毛根發(fā)育和菌根侵染是宿主植物增強(qiáng)與其他物種競爭能力的重要指標(biāo)，在沒有菌根真菌侵染的情況下，黑麥草Lolium perenne和絨毛草Holcus lanatus的生長情況相似，但是都被叢枝菌根（Arbuscular mycorrhiza，AM）真菌侵染后，黑麥草在生長、根冠比、P 和K的吸收能力方面均高于絨毛草[5]，植物種間的競爭平衡被打破。多個宿主植物之間由菌根聯(lián)結(jié)形成的菌根網(wǎng)絡(luò)，也可能存在光合產(chǎn)物、N 和P 等營養(yǎng)物質(zhì)的單向或雙向傳遞[6]。在群落水平上，物種的菌根聯(lián)結(jié)是植物與相鄰伴生種關(guān)系的重要驅(qū)動因素，Chen 等在我國亞熱帶森林的研究中發(fā)現(xiàn)，附近AM 幼樹和成株的出現(xiàn)顯著抑制了外生菌根（Ectomycorrhiza，ECM）幼苗的存活，但是相鄰的ECM 植物則大大提高了AM 幼苗的存活率[7]。在美國加州和猶他州草地，伴生種裂稃燕麥Avena barbata和大麥狀雀麥Bromus hordeaceus能明顯改變當(dāng)?shù)貎?yōu)勢植物根部微生物群落的組成，使其由菌根菌轉(zhuǎn)變?yōu)榉蔷M(jìn)而導(dǎo)致當(dāng)?shù)貎?yōu)勢植物競爭力的降低[8]。因此，伴生種的變化可能會直接影響宿主植物的生長和土壤真菌的組成。伴生種也可能通過改變土壤的理化性質(zhì)，間接地影響宿主根系的發(fā)育和地下菌根的形成，如在硝態(tài)氮（NO3--N）和有機(jī)氮多的環(huán)境中，杜鵑花類菌根（Ericoid mycorrhiza，ERM）真菌菌株的生長數(shù)量比在銨態(tài)氮（NH4+-N）甚至不含N 的環(huán)境中更高[9]；增加土壤有機(jī)質(zhì)含量，有利于提高藍(lán)莓Vacciniumspp.的菌根侵染率和根系活力[10]。

ERM 是杜鵑花科Ericaceae 植物最主要的菌根類型，由纖細(xì)的毛根（hair roots）與土壤真菌形成典型的菌根結(jié)構(gòu)，即在表皮和皮層細(xì)胞中有菌絲卷（圈，coil），大部分毛根集中分布在土壤表層[11]。云錦杜鵑Rhododendron fortunei是我國特有種，為常綠的灌木或小喬木，高可達(dá)12 m，具有ERM 結(jié)構(gòu)，在浙江天臺的華頂山有自然分布的種群。每年5 月杜鵑花盛開時，都會吸引大量游客。云錦杜鵑常作為優(yōu)勢種，與其他木本或草本植物相伴而生。但是，該區(qū)域的云錦杜鵑老齡植株有逐漸衰落的趨勢，管康林等認(rèn)為很可能是低灌層箬竹Indocalamus tessellatus擴(kuò)張導(dǎo)致的[12]。箬竹是禾本科Poaceae 植物，常生長于林緣、林下和溝谷等處[13]，根系發(fā)達(dá)。云錦杜鵑的毛根和箬竹的根在土壤中生長的位置相同。

因此，本研究在浙江華頂山，分別在由箬竹伴生、茶Camellia sinensis伴生和以無下木伴生為對照的云錦杜鵑生長的3 種生境中，采集云錦杜鵑的毛根，收集樣株樹冠下的凋落物和根圍土壤。在不同伴生種的生境下，比較云錦杜鵑毛根發(fā)育、菌根侵染，土壤pH 值、NH4+-N 和NO3--N 的差異，以及C、N、P 及其計(jì)量比在土壤和凋落物中的差異，探索云錦杜鵑地下菌根對伴生種變化特別是箬竹擴(kuò)張的影響，為華頂山云錦杜鵑種群的保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展提供參考。

1 材料與方法

1.1 研究地點(diǎn)和樣株的確定

研究地點(diǎn)位于浙江天臺山的華頂山（121°05' E，29°15' N），云錦杜鵑生長在海拔900～ 1 100 m，坡度約為25°，坡向多為西南坡，生境面積約為6 hm2[12,14]。屬亞熱帶中部季風(fēng)氣候，氣候溫暖，光照充足，年平均氣溫為17℃，最低溫為－5℃，最高溫為39℃，年降水量為1 700 mm[15]。云錦杜鵑林下以箬竹最多，草本植物以禾本科和菊科Compositae 種類較多，還有部分蕨類和苔蘚等。

2020 年7 月26 日—8 月4 日，在華頂山海拔900 m 以上，選擇云錦杜鵑種群生長的3 種生境：箬竹伴生、茶伴生和無下木伴生，在3 種生境中各選擇20 株主干基部直徑為16～ 28 cm 的云錦杜鵑樣株，株間距應(yīng)不少于10～ 15 m。

1.2 毛根的采集和處理

在3 種生境中確定60 株云錦杜鵑樣株后，每一個樣株采集1～ 2 根直徑2 cm 左右、長30～ 70 cm 帶有毛根的側(cè)根，密封，4℃冷藏。同時采集宿主周圍的箬竹和茶的根，同樣密封，冷藏。將采集回來的側(cè)根，用蒸餾水浸泡沖洗多次，瀝干后，剪下云錦杜鵑的活性毛根，剩余的根適當(dāng)風(fēng)干，各自稱鮮質(zhì)量。根據(jù)稱取的側(cè)根和毛根質(zhì)量，計(jì)算毛根質(zhì)量比，毛根質(zhì)量比=毛根的質(zhì)量/根的質(zhì)量，并以毛根質(zhì)量比作為說明毛根發(fā)育情況的指標(biāo)。

1.3 土壤的采集和處理

采集每一個樣株的毛根時，也同時收集各樣株5～ 20 cm 土層處側(cè)根周圍的土壤，在樣株下半徑為2 m 范圍內(nèi)收集凋落物，4℃冷藏，密封。采集的土壤和凋落物樣品各60 份。3 種生境中的凋落物樣品分別完全混勻后，帶回實(shí)驗(yàn)室烘干至恒質(zhì)量；按生境分別將土壤樣品完全混勻后，分為新鮮樣品、風(fēng)干樣品和烘干樣品，分別過篩（孔徑0.149 mm），密封保存。

1.4 醋酸墨水染色及顯微結(jié)構(gòu)觀察

從采集的每一個樣株的毛根中隨機(jī)挑選30 條1.5 cm 左右長的毛根根段，對云錦杜鵑（60 株）、箬竹（5株）和茶（5 株）的毛根根樣分別進(jìn)行醋酸墨水染色[16]，在Nikon（Eclipse E800）光學(xué)顯微鏡下觀察根的顯微結(jié)構(gòu)，并用根段頻率法計(jì)算云錦杜鵑各樣株的侵染率[17]。

1.5 生態(tài)化學(xué)計(jì)量指標(biāo)的測定

土壤和凋落物總C（TC）和總N（TN）用Vario ELⅢ元素分析儀測定；總P（TP）采用鉬銻抗比色法測定；土壤NH4+-N 和NO3--N 用KCl 提取，用全自動流動注射分析儀（AA3）測定；水∶土=2.5∶1，電位法測定土壤pH 值。每個樣品測定均重復(fù)兩次，取平均值。

1.6 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用SPSS 23.0 進(jìn)行ANOVA 分析和LSD 多重比較。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同生境中云錦杜鵑毛根發(fā)育水平的比較

毛根是云錦杜鵑形成菌根的載體，毛根發(fā)育的好壞直接關(guān)系到宿主菌根的形成和功能的發(fā)揮，本研究以各樣株毛根質(zhì)量比作為衡量毛根發(fā)育的指標(biāo)。在野外采樣時發(fā)現(xiàn)，在箬竹伴生的生境中，箬竹都是緊密地長在云錦杜鵑主干周圍，如圖1A，竹鞭是箬竹細(xì)長的地下莖，一般生長在地下5～ 15 cm 土層處[18]，鞭上有節(jié)，節(jié)上會生根（圖1E），并能橫向擴(kuò)展成網(wǎng)狀，搶占了云錦杜鵑毛根發(fā)育的空間。在華頂山，云錦杜鵑和箬竹在地上和地下空間的競爭都非常激烈，與之相比，茶的根系并不發(fā)達(dá)（圖1F），與無下木的生境一樣，云錦杜鵑毛根的發(fā)育都很好，如圖1D，其生活根的質(zhì)量比在茶伴生和無下木伴生這兩種生境之間沒有差異，都遠(yuǎn)高于箬竹伴生生境（P＜0.01）。

圖1 不同伴生種的野外采樣地生境和3 種植物的根Figure 1 Sampling habitat with different accompanying species and root of the three species plant

2.2 不同生境中云錦杜鵑菌根侵染率的比較

對不同生境云錦杜鵑的毛根染色后，在各根段的表皮細(xì)胞內(nèi)都或多或少地有典型的菌絲卷，如圖2A；茶也有少量的叢枝菌根（AM）結(jié)構(gòu)，如圖2B；箬竹未見菌根結(jié)構(gòu)。云錦杜鵑的菌根侵染率（表1）在箬竹伴生生境中極顯著高于茶伴生和無下木伴生的生境（P＜0.01），而在茶伴生和無下木伴生的生境之間沒有差異。

圖2 云錦杜鵑毛根（A）和茶根（B）的顯微結(jié)構(gòu)Figure 2 Microstructure of hairroots from Rh.fortunei (A) and C.sinensis (B)

2.3 不同生境中土壤和凋落物的主要營養(yǎng)元素的比較

對3 種生境的土壤參數(shù)進(jìn)行分析（表1），結(jié)果表明除NH4+-N 外，其他測定的參數(shù)在不同伴生種的生境間都有顯著差異（P＜0.05）或極顯著差異（P＜0.01）。從表2 可知，TC、TN、C/N和N/P 在箬竹伴生生境中都極顯著高于茶伴生和無下木伴生生境中，TP 則相反（P＜0.01），在箬竹伴生生境中更低，這5 個參數(shù)在茶伴生生境和無下木伴生生境中均未有顯著差異。NO3--N 在無下木伴生生境中顯著高于其他兩個生境中（P＜0.05），pH 值則是在茶伴生生境中顯著高于在無下木伴生生境中（P＜0.05）（表1）?？傮w上，通過土壤主要營養(yǎng)元素的比較發(fā)現(xiàn)，在箬竹伴生生境中土壤各參數(shù)的變化更大。

表1 3 種生境土壤無機(jī)N 和云錦杜鵑毛根質(zhì)量比及菌根侵染率Table 1 Inorganic N in soil,hair root mass ratio and mycorrhizal infection rate of Rh.fortunei in 3 habitats

表2 3 種生境云錦杜鵑林下土壤和凋落物的主要元素和元素計(jì)量比Table 2 Major elements and their stoichiometric ratio in soil and litter under Rh.fortunei population at 3 habitats

通過對3 種生境凋落物樣本的分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)TN、N/P 和C/N 在茶伴生的生境中前兩個參數(shù)更高，而C/N更低，各參數(shù)在箬竹和無下木伴生的生境間都沒有顯著差異。將土壤和凋落物各參數(shù)與毛根質(zhì)量比和菌根侵染率進(jìn)行相關(guān)性（Pearson 相關(guān)系數(shù)）分析發(fā)現(xiàn)，土壤TC、TN、C/N 和N/P 與毛根質(zhì)量比都呈顯著負(fù)相關(guān)，與菌根侵染率都呈顯著正相關(guān)，土壤pH 值與菌根侵染率呈顯著負(fù)相關(guān)。凋落物中只有C/N 與菌根侵染率呈顯著正相關(guān)關(guān)系。

3 討論

在華頂山，調(diào)查的3 種云錦杜鵑生境各有特點(diǎn)，無下木伴生的生境中沒有優(yōu)勢伴生種，僅在樹冠周圍有一些草本植物。人工種植的茶，根系并不發(fā)達(dá)，在空間上與云錦杜鵑保持一定的距離。箬竹的擴(kuò)張占據(jù)了地上和地下的空間，阻礙了云錦杜鵑毛根的擴(kuò)展和發(fā)育，導(dǎo)致其毛根數(shù)量急劇減少。這與1997 年建立華頂國家森林公園，停止放牧后草食性動物減少，促進(jìn)了箬竹的進(jìn)一步擴(kuò)張有關(guān)。

2006 年和2007 年5 月，Zhang 等在華頂山、黃山、幕阜山和四明山調(diào)查的野生云錦杜鵑的菌根侵染率均在65%以上[19]，本文調(diào)查的云錦杜鵑的菌根侵染率僅為19.67%～ 28.63%，菌根侵染率偏低，可能與采樣時間為7—8 月的夏季高溫有關(guān)，因?yàn)榫秩韭什粌H會受到不同水分狀況的影響[20]，還與溫度呈負(fù)相關(guān)[21]。Hutton 等在澳大利亞西南部對Epacris obtusifolia毛根發(fā)育和ERM 菌根侵染的研究發(fā)現(xiàn)，它們在較冷濕的月份中更活躍，菌根侵染率呈現(xiàn)季節(jié)動態(tài)，夏季最低[22]。Read 認(rèn)為在高海拔區(qū)杜鵑花科植物群落占優(yōu)勢與ERM 的存在有關(guān)[23]，因此，隨著全球氣候的變暖，適應(yīng)冷涼氣候的很多高山杜鵑的優(yōu)勢可能會逐漸喪失。

本次測量的華頂山云錦杜鵑林地總N 為4.38～ 6.64 g·kg-1，遠(yuǎn)高于20 年前吳家森等測定的1.62～ 1.97 g·kg-1[24]，這可能與全球的N 沉降有關(guān)。在荷蘭和英國部分歐石南荒地（heathland），杜鵑花科的矮灌木歐石南Erica tetralix和帚石南Calluna vulgaris在N 沉降加劇的背景下正在被草本植物曲芒發(fā)草Deschampsia flexuosa和天藍(lán)麥?zhǔn)喜軲olinia caerulea所取代[25]，因?yàn)樵诟郀I養(yǎng)水平下，草本植物的生長速率更快，而杜鵑花科植物在低營養(yǎng)水平下更占優(yōu)勢[26]。菌根真菌在根部的侵染程度和菌根生物量會隨著N 沉降而減少[27]。另外，人工施肥（NH4+-N）可能會使土壤微生物多樣性減少[28]，有茶伴生的云錦杜鵑的菌根侵染率，很有可能也會隨著施肥的加劇和時間的推移逐漸降低。在箬竹伴生的生境中，總N 水平最高，但是云錦杜鵑的菌根侵染率也最高，很可能是因?yàn)樗拗餍枰婢诘钟{迫和抵抗土壤病原體方面為其提供幫助[29]。因此，監(jiān)測伴生種及其生境土壤的變化，對于保護(hù)野生杜鵑花科植物資源是非常必要的。

4 結(jié)論與建議

生長在華頂山的云錦杜鵑歷史悠久，曾經(jīng)枝繁葉茂。但是，箬竹擴(kuò)張使云錦杜鵑地下部生長發(fā)生變化，其毛根的發(fā)育受阻，而菌根侵染率顯著升高（P＜0.01）。箬竹伴生生境的土壤中的總C、總N、總P、C/N 和N/P均與在茶伴生和無下木伴生的生境中有極顯著的差異（P＜0.01）。箬竹擴(kuò)張不僅能侵占云錦杜鵑毛根的發(fā)育空間，還改變著土壤中營養(yǎng)元素的資源比率，長期作用對云錦杜鵑植株的生長不利。因此，應(yīng)該采取人為措施，鏟除云錦杜鵑周圍的箬竹，包括地上和地下兩部分，結(jié)合人工促進(jìn)云錦杜鵑幼苗的天然更新，確保華頂山云錦杜鵑種群的健康和可持續(xù)發(fā)展。