崔莉娜,郭弘婷,李維揚,王金平,黃章翰,張金池,劉光正,王麗艷,姜 姜,*

1 南方現(xiàn)代林業(yè)協(xié)同創(chuàng)新中心,南京林業(yè)大學(xué)江蘇省水土保持與生態(tài)修復(fù)重點實驗室,南京 2100372 江西省林業(yè)科學(xué)研究院,南昌 330032

杉木(Cunninghamialanceolata)是我國特有的一種生長在南方的速生針葉用材樹種,因其材質(zhì)優(yōu)良、生長周期短、經(jīng)濟效益高等特點,深受青睞[1]。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展,對木材的需求量越來越高,但由于對其不合理的經(jīng)營方式使得杉木林土壤地力衰退、初級生產(chǎn)力下降[2],影響了生態(tài)系統(tǒng)的平衡以及社會經(jīng)濟的發(fā)展。為提高杉木低效人工林土壤肥力,改善杉木生長狀況,從20世紀(jì)70年代以來,已有多名專家學(xué)者針對提高杉木人工林生產(chǎn)力做出相關(guān)研究,主要集中在其生態(tài)系統(tǒng)生物量[2-4]、碳儲量[5-8]、化學(xué)計量特征以及杉木的生產(chǎn)力等方面。

圖1 樣點地理分布圖(CL10:10a杉木林樣地；CL25:25a杉木林樣地；CL45:45a杉木林樣地)Fig.1 The location of sampling plots (CL10:10a fir plots; CL25:25a Chinese fir plots; CL45:45a Chinese fir plots)

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)是自然界中一種廣泛存在的真菌,它可以通過土壤侵染大多數(shù)陸生植物根部而形成一種互利共生體[9],依賴宿主植物提供的能量物質(zhì)生存,同時,為宿主提供土壤中的營養(yǎng)物質(zhì),促進(jìn)宿主植物的生長,進(jìn)而改良土壤結(jié)構(gòu)、影響宿主植物的生理生態(tài)功能、促進(jìn)植物養(yǎng)分和水分吸收、影響生態(tài)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能[10]。AMF會影響土壤環(huán)境、植物生長,同時,宿主植物和環(huán)境因子也會影響AMF的繁殖與發(fā)育,Allen等[11]提出,環(huán)境因子對AMF分布及侵染的影響要大于寄主植物本身對它的影響,所有的環(huán)境因子中,對其影響最大的是土壤因子[12]。然而,這些研究對于AMF與土壤養(yǎng)分之間的關(guān)系并不明確,有研究結(jié)果顯示,AMF增加了土壤中養(yǎng)分元素含量[13],另一部分認(rèn)為AMF促進(jìn)植物吸收養(yǎng)分,從而減少了土壤中養(yǎng)分元素含量[14-16]。究竟二者之間是如何相互影響的,本研究提出以下假說,由于植物不同生長階段對養(yǎng)分需求不同、環(huán)境狀況不同,從而AMF與土壤養(yǎng)分含量之間的關(guān)系在植被不同生長階段不同。針對該問題,本文以江西省官山林場10a、25a、45a杉木人工林純林為研究對象,分析不同林齡杉木人工林的菌根侵染率以及根際土壤理化性質(zhì)的狀況,以期揭示不同林齡杉木人工林土壤理化性質(zhì)特征及其與菌根侵染率、孢子密度之間的關(guān)系。

1 研究區(qū)概況

研究地點位于江西省中部吉安市永豐縣官山林場,地理坐標(biāo)為115°17′—115°56′E,26°38′—27°32′N。地貌主要是丘陵、山地,氣候類型屬于中亞熱帶濕潤氣候,四季分明,降雨充沛,光照充足,年均氣溫是18℃,年均降雨量是1627.3 mm,無霜期是279天。土壤類型豐富,主要含有水稻土、潮土、紫色土、炭質(zhì)土、紅壤、山地黃壤、山地黃棕壤等7個土類。紅壤是當(dāng)?shù)氐湫偷耐寥李愋?面積也是最大。官山林場自然條件優(yōu)越,適宜松、杉、竹及多種闊葉樹生長,是江西省的林業(yè)重點產(chǎn)區(qū)[7]。主要種植樹種為杉木、濕地松、毛竹、楠木、楓香、紅豆杉。選取官山林場下屬的三個主要樣地地點,大洲山分場(115°29′57″E,27°14′48″N)、東毛坑分場(115°33′10″E,27°10′43″N)、遇元分場(115°34′39″E,27°14′13″N)(圖1)。

2 研究方法

2.1 樣品采集

2017年12月前往江西省永豐官山林場進(jìn)行不同林齡杉木人工林的采樣。分別選取45a(1972年)、25a(1992年)、10a(2007年)三種林齡的人工杉木林樣地,樣地土壤類型、立地條件一致,杉木種源一致,林分的基本狀況見表1,每個樣地設(shè)置3個20m×20 m的樣方,在每個樣方內(nèi)隨機選擇3株杉木。在距離杉木主干30cm范圍內(nèi),除掉土壤表面的動植物殘體,挖0—30cm深的土壤剖面,取主根系附近帶有細(xì)根的根系,將其放入無菌自封袋中劇烈抖動1min,使根系與土壤分離,收集到的土壤作為根際土[17]。采集根系和根際土分別編號裝于自封袋中,置于便攜式小冰箱內(nèi)。采集回來的根系,水洗干凈后置于盛有FAA(50mL冰醋酸,130mL甲醛,2000mL50%乙醇)固定液的塑料瓶中,24h后用于菌根形態(tài)的觀察與侵染率的測定。將土樣過2mm篩,風(fēng)干用于部分土壤因子和孢子密度的測定。

表1 樣地基本特征

2.2 測定指標(biāo)及方法

2.2.1土壤理化性質(zhì)的測定

土壤的pH采用電位法測定；土壤全K和速效K采用 1 mol/L 乙酸銨浸提—火焰光度法測定；土壤全P采用酸溶—鉬銻抗比色法測定；土壤速效P采用氟化銨-鹽酸浸提法測定[18]。

2.2.2菌根侵染率測定

將1.0g新鮮根段從FAA固定液中取出,用蒸餾水沖洗3次,直到無刺激性氣味后放入10%KOH溶液中軟化透明,利用“Phillips和Hayman染色法”改良法進(jìn)行染色,染色后,將根樣放入乳酸甘油中脫色12h,隨機選取根樣放在載玻片上,蓋上蓋玻片,輕輕敲打。在體式顯微鏡和光學(xué)顯微鏡下可以清楚地看到菌根的組織結(jié)構(gòu),包括侵入點、菌絲、叢枝、泡囊等,統(tǒng)計根段樣本中被叢枝菌根真菌侵染根段數(shù),按照下面公式計算杉木的菌根侵染率：

菌根侵染率=侵染根段數(shù)/被檢根段總數(shù)×100%

2.2.3孢子密度測定

用濕篩傾析法分離植物根際土壤中的AM真菌孢子。土樣風(fēng)干后,稱取100g混合均勻的根際土壤于燒杯中,加入500mL水?dāng)嚢?靜置至少1h；將孔徑為0.5mm、0.2mm、0.038mm的土壤標(biāo)準(zhǔn)篩從上到下排列,通過3層篩后再加水500mL攪拌、靜置、過篩,至少重復(fù)3次。用60%的蔗糖溶液將各孔篩上的滯留物轉(zhuǎn)移到100mL的離心管中,以3000r/min的速度離心3min,將上清液倒入孔隙最小的篩子,再用100mL蒸餾水將篩上滯留物轉(zhuǎn)移至40mL玻璃瓶中,放入4℃冰箱可保存30d。

將玻璃瓶震蕩均勻,吸取2—5mL于濾紙上。在體式顯微鏡下用解剖針將孢子與有機碎屑分離,將孢子按照形態(tài)分開,計孢子數(shù)并將其放入離心管中備用,重復(fù)4—5次。

孢子密度(Spore number,SN):指每克土樣中叢枝菌根真菌的孢子個數(shù)。

SN= 某土樣中AMF所有孢子數(shù)/土壤干質(zhì)量

2.2.4數(shù)據(jù)分析

采用SPSS25.0軟件對數(shù)據(jù)(平均值±標(biāo)準(zhǔn)差)進(jìn)行統(tǒng)計分析。用單因素方差分析(one-way ANOVA)和最小顯著差異法(LSD,α=0.05)比較各個變量的差異顯著性。利用雙尾檢驗的Pearson相關(guān)分析法分析各個土壤養(yǎng)分因子與AM菌根侵染率、孢子密度之間的關(guān)系。

3 結(jié)果與分析

3.1 AMF結(jié)構(gòu)及孢子密度變化情況

所測定的所有樣本均含有AMF結(jié)構(gòu),即至少含有叢枝、泡囊、菌絲三者之一(圖2),且三種結(jié)構(gòu)存在概率：菌絲>泡囊>叢枝。觀察到杉木AMF菌絲具有內(nèi)生菌絲和外生菌絲兩種,觀察過程中看到的多數(shù)是內(nèi)生菌絲,外生菌絲出現(xiàn)的概率比較小。內(nèi)生菌絲居多存在于細(xì)胞內(nèi)或貫穿細(xì)胞間,并且大多已經(jīng)發(fā)生變態(tài),成叢狀或扭轉(zhuǎn)狀結(jié)構(gòu)；泡囊則是多數(shù)分布于細(xì)胞間隙,呈現(xiàn)規(guī)則球形或橢圓形并且有黑色充滿內(nèi)部；叢枝多為不規(guī)則四邊形或多邊形,一般充滿細(xì)胞,呈現(xiàn)黑色。利用熒光顯微鏡觀察孢子形態(tài),發(fā)現(xiàn)孢子多呈現(xiàn)褐色、圓形(圖3)。

分析不同林齡菌根侵染率發(fā)現(xiàn),菌根侵染率隨著林齡增加顯著增加,10a、25a、45a杉木菌根侵染率分別為44.33%、59.33%、76.67%；孢子密度在48.98—91.91之間,呈現(xiàn)與菌根侵染率相同變化趨勢,且三個林齡間都存在顯著差異(圖4)。

圖2 AMF結(jié)構(gòu)(圖中1：菌絲、2：泡囊、3：叢枝)Fig.2 AMF structure(in the picture1:hypha、2：vesicle、3：arbuscular)

3.2 土壤養(yǎng)分變化情況

分析不同林齡根際土壤理化性質(zhì)(表1,圖5),結(jié)果表明：根際土整體呈現(xiàn)酸性,pH范圍在3.85—4.67之間,隨著林齡增加,酸性增強,且在不同林齡間存在顯著差異。土壤全P含量隨林齡增加,先減少后增加,25a杉木顯著低于10a和45a；速效P變化趨勢相同,25a杉木含量最低,且與10a和45a都存在顯著差異；全K與速效K含量均隨林齡增加而增加,但速效K含量在各林齡間差異不明顯。將速效P與全P之比作為磷素活化系數(shù)(Phosphorus activation coefficient,簡稱PAC),用來表示土壤中磷素的有效性,當(dāng)PAC<2.0%,則說明磷素的利用率較低[19-21],該實驗測得PAC在10a,25a,45a依次為0.29%、0.49%、0.21%之間,磷素利用率最高的25a杉木林,其PAC遠(yuǎn)低于2.0%。

圖5 不同林齡土壤養(yǎng)分含量(不同字母表示顯著差異)Fig.5 Soil nutrient contents of 10a,25a and 45a (different letters above bars indicate significant difference)

3.3 AMF和孢子密度與土壤因子的相關(guān)性分析

相關(guān)性分析結(jié)果顯示(表2)：除了全P和速效P,其他土壤因子及菌根侵染特征均與林齡顯著相關(guān),與前人研究結(jié)果一致。土壤養(yǎng)分與菌根侵染率及孢子密度之間的關(guān)系中,全K比速效K關(guān)系更顯著,而P的線性關(guān)系不顯著,表明存在其它復(fù)雜的關(guān)系對根際土中P含量產(chǎn)生影響。

菌根侵染率和孢子密度與pH呈極顯著負(fù)相關(guān),且孢子密度與其相關(guān)性更大,隨著菌根侵染率和孢子密度的增加,pH值均顯著下降,說明AMF對pH變化較為敏感,且其生長發(fā)育更適應(yīng)偏酸性條件。速效K含量隨孢子密度的增加而增加,而隨菌根侵染率的增加趨于飽和。全P及速效P與菌根侵染率和孢子密度之間呈現(xiàn)微弱的負(fù)相關(guān),但規(guī)律不明顯,說明根際土中P含量受AMF與其他因子交互作用的影響,表現(xiàn)出復(fù)雜的關(guān)系。菌根侵染率與孢子密度呈極顯著相關(guān)關(guān)系,且菌根侵染率隨孢子密度的增加呈現(xiàn)加速上升的趨勢。當(dāng)孢子密度較低時,菌根真菌對寄主根系的侵染比率幾乎保持不變,只有當(dāng)孢子密度增大到一定量時,菌根真菌的侵染成功率快速上升(圖6)。

表2 AM真菌侵染率與土壤因子相關(guān)性分析

“**.”在 0.01 水平(雙側(cè))上極顯著相關(guān),“*”.在 0.05 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān)

圖6 AMF、孢子密度與土壤因子的相關(guān)性分析Fig.6 Correlation analysis of AMF,spore density and soil factors

4 討論與結(jié)論

4.1 杉木人工林土壤養(yǎng)分隨林齡變化

研究發(fā)現(xiàn),土壤pH呈酸性,這與張美慶等[22]的研究結(jié)果相似,且隨林齡增加酸性增強,分析原因主要是隨著林齡增加,杉木林下凋落物增加,凋落物分解產(chǎn)生酸性物質(zhì),另一方面,研究證明,在缺磷地區(qū),植物生長過程中會分泌質(zhì)子和有機酸,以促進(jìn)對難溶性P的吸收利用[15-16,23],同時也會造成土壤酸化嚴(yán)重。土壤酸化首先受到影響的是植物根系,抑制了根系對養(yǎng)分的吸收,同時造成土壤中養(yǎng)分元素的流失,這是造成該地區(qū)林分地理退化的原因之一[24]。在過去的研究中,P含量隨林齡變化結(jié)果并不一致,劉振坤等[13]在黃土高原地區(qū)研究刺槐林發(fā)現(xiàn),隨林齡增加,P含量先增加后降低。而本文先減少后增加的結(jié)果與陳安娜等[25]研究結(jié)果一致,分析原因主要有兩個方面：一方面,前期受土壤酸化的影響造成土壤磷素流失,后期由于AMF的增加,促進(jìn)了根際土中磷素的積累；另一方面,前期杉木處于速生階段,對養(yǎng)分需求較高,歸還速率低于吸收速率,進(jìn)而導(dǎo)致P含量降低,當(dāng)林分成熟后,生長速率相對變慢,枯落物的歸還使土壤養(yǎng)分有增加趨勢。另外,也有報道指出由于AMF促進(jìn)植物對P的吸收,會使得土壤中P素含量更低[14-15,26]。25a杉木對P的需求量大,AMF的存在促進(jìn)了其對P的吸收,而林分成熟后對養(yǎng)分吸收和歸還速度相對平衡,AMF的存在能有效吸收土壤酸化造成養(yǎng)分流失。PAC隨林齡先增加后降低,且均低于2.0%,說明該地區(qū)P的有效性低,全P難以轉(zhuǎn)化為速效P,研究證明速效P是反應(yīng)土壤P供應(yīng)多少的實際指標(biāo)[27],因此,P一直是該地區(qū)限制植物生長的重要因子,要提高土地生產(chǎn)力,必須提高磷素活化能力,研究發(fā)現(xiàn),適當(dāng)間伐有利于提高土壤P有效性[28],同時可以改善林內(nèi)小氣候[29],因此,在25a左右適當(dāng)間伐,有利于提高土地生產(chǎn)力,促進(jìn)植物生長。全K與速效K含量隨林齡增加而增加,這與張社奇等[30]在刺槐林中的研究結(jié)果相同,原因可能是隨著林齡增加,植物根系數(shù)量以及土壤微生物量增加,促進(jìn)了難溶礦物態(tài)鉀向水溶性、交換態(tài)鉀轉(zhuǎn)化,AMF的增加也促進(jìn)了K的積累,另外,張遠(yuǎn)等[31]在對鵝掌楸的研究中發(fā)現(xiàn),植物生長幼年期對速效K的需求量較大,這也可能是造成幼齡林中K含量較少的原因之一。而尹永強等[32]人的研究中,土壤酸化會降低鹽基離子的含量,與本研究結(jié)果不一致,分析原因可能是AMF促進(jìn)養(yǎng)分積累能力高于土壤酸化對土壤中鹽基離子的影響。

4.2 AMF侵染狀況及孢子密度隨林齡的變化

國內(nèi)外已有許多專家學(xué)者對林齡與二者的關(guān)系進(jìn)行了研究,如Cheng等[33]研究加拿大魁北克市糖楓(Acer saccharum)的菌根侵染率與林齡呈負(fù)相關(guān),劉振坤等[13]研究我國黃土高原地區(qū)刺槐的菌根侵染率和孢子密度隨林齡先增大后減小,但本研究發(fā)現(xiàn)AMF侵染率和孢子密度與林齡極顯著正相關(guān)。分析原因,AMF的生長與結(jié)構(gòu)受到植被類型和pH影響[34],杉木林凋落物分解速率相對較慢[35],隨著林齡增加,其凋落物歸還量增大,促進(jìn)土壤有機質(zhì)積累,有利于AMF的繁殖生長,另一方面,研究證明,pH通過影響孢子的萌發(fā)、芽管菌絲的生長和菌絲對宿主植物根系的侵染等影響AMF的產(chǎn)孢量,一般情況下,AMF更適應(yīng)酸性條件下產(chǎn)孢,菌根侵染率和孢子密度與pH呈負(fù)相關(guān)[36-38],這與本研究結(jié)果一致,另外該地區(qū)是典型的低效林區(qū),需要AMF促進(jìn)植物吸收養(yǎng)分。

4.3 不同林齡杉木人工林生長狀況的影響因素

本研究發(fā)現(xiàn),林齡是影響杉木人工林生長狀況的重要因素,菌根侵染率、孢子密度、pH與林齡呈極顯著相關(guān),速效K含量與林齡顯著正相關(guān),杉木不同生長階段土壤狀況不同,分析原因主要是不同生長階段植物的吸收與歸還不同。杉木通過AMF促進(jìn)難溶性元素和水分的吸收利用[39],幫助自身生長。本研究結(jié)果顯示,菌根侵染率與速效P呈微弱的負(fù)相關(guān),與前人的研究結(jié)果相似,Tawaraya等[40]研究證明速效P和AMF的關(guān)系最為密切,李蓉等[41]人的研究中,杉木根際土中存在一定的溶磷細(xì)菌,并且溶磷細(xì)菌與AMF之間存在協(xié)同作用,二者共同促進(jìn)P的吸收和作物生長[42-43],另外,由于杉木長期處于缺磷環(huán)境中,溶磷菌含量較高,實驗證明,溶磷菌會產(chǎn)生致酸物質(zhì)[41],降低土壤pH。也有相關(guān)研究表明,光照強度與菌根的形成具有顯著的相關(guān)性[44]。還有學(xué)者研究表明,日照長短會影響AMF孢子的發(fā)育[45],但是在本研究中,三種林分郁閉度相似,因此,光照并不是影響AMF的主要因素。具體來說,10a杉木正處于生長旺盛期,對養(yǎng)分、水分需求量大,此時土壤養(yǎng)分充足,足以通過根系被植物吸收,因此,AMF作用不明顯；25a杉木人工林干才快速發(fā)育,林分密度增加,林內(nèi)競爭較大,此時的杉木根系向土層深處伸長,汲取更深層的養(yǎng)分,同時給AMF提供了更多生長的場所,而隨著AMF侵染植物根部的比率增大,增強了植物對于土壤中水分與養(yǎng)分的吸收,二者形成互利共生的關(guān)系,此時是AMF充分發(fā)揮作用的階段；45a杉木人工林屬于成熟林,木材生長相對緩慢,對光照、養(yǎng)分等條件的需求量相對減少,植物根系錯綜復(fù)雜,形成根系網(wǎng),而此時的菌根也形成菌根網(wǎng)[46],但是,養(yǎng)分含量并不是該階段主要的限制因子,植物根系優(yōu)先吸收,AMF作用相對降低。

4.4 結(jié)論

本研究得出了杉木人工林不同林齡下土壤養(yǎng)分含量、菌根侵染率、孢子密度會發(fā)生顯著變化,這些都是杉木生長過程中重要的影響因子,隨林齡的增加菌根侵染率、孢子密度和速效K都呈現(xiàn)增加的趨勢；林齡增加,土壤酸性增強,在pH和AMF交互作用下,土壤中全P和速效P先減少后增加,這為改良土壤酸堿性、提高土壤地力提供了方向。對于AMF不同林齡杉木林的具體影響機理還有待深入研究。