大气氮沉降提高低磷土壤条件下马尾松菌根共生和磷效率的原因

庞 丽, 周志春, 张 一, 丰忠平

(1中国林业科学研究院亚热带林业研究所, 浙江省林木育种技术研究重点实验室，国家林业局马尾松工程技术研究中心，浙江富阳 311400; 2安顺学院，贵州安顺 561000; 3 浙江省淳安县姥山林场，浙江淳安 311700)



大气氮沉降提高低磷土壤条件下马尾松菌根共生和磷效率的原因

庞 丽1,2, 周志春1*, 张 一1, 丰忠平3

(1中国林业科学研究院亚热带林业研究所, 浙江省林木育种技术研究重点实验室，国家林业局马尾松工程技术研究中心，浙江富阳 311400; 2安顺学院，贵州安顺 561000; 3 浙江省淳安县姥山林场，浙江淳安 311700)

【目的】菌根共生是提高植物磷(P)营养高效利用的重要机制之一。近年来大气氮(N)沉降的增加，导致森林土壤有效氮含量增加、N/P比发生改变，将影响菌根共生植物的生长和磷效率。【方法】以马尾松优良家系作为试验材料，NH4NO3作为外加氮源，设置模拟氮沉降与同质低磷(介质表层与深层均缺磷)、 异质低磷 (介质表层磷丰富、 深层缺磷)耦合条件下马尾松外生菌根共生的盆栽实验，系统研究模拟氮沉降对低磷胁迫下马尾松家系菌根化苗生长和磷效率的影响。【结果】 1)模拟氮沉降对马尾松菌根共生的影响与土壤磷素环境有关。在表层和深层磷素均极为匮乏的同质低磷条件下，氮沉降降低了苗木菌根侵染率和侵染程度，然而提高了菌根共生对马尾松生长和磷效率作用的有效性，马尾松的生长量和生物量均显著增加。在表层磷丰富、 深层缺磷的异质低磷条件下，菌根共生对马尾松苗木生长有抑制作用，然而氮沉降降低了其抑制程度，高氮较低氮处理对菌根侵染苗木和菌根化苗生物量积累的抑制程度小; 2)同质低磷下，模拟氮沉降显著降低了菌根化苗的根系生长，但增加了根系APase活性和有机酸分泌量，尤其是有机酸分泌量增加了近3倍。相关性分析表明，有机酸分泌对菌根化苗生长的贡献显著高于APase，这是氮沉降促进马尾松生长的主要原因之一。异质低磷下，模拟氮沉降处理后苗木深层菌根的生长发育程度较表层好，深层根的根尖数显著增加。有机酸分泌的增加提高了苗木的磷效率，促进了菌根化苗木的生长; 3)不同低磷环境下，氮沉降的增加均降低了土壤磷的相对有效性，菌根通过增加马尾松苗木对土壤磷的吸收和利用, 从而改善磷素营养促进马尾松生长发育。两种磷素环境下，马尾松菌根化苗生长对模拟氮沉降均较敏感; 4)马尾松菌根化苗生长对模拟氮沉降的响应存在显著的家系差异。【结论】大气氮沉降可改善马尾松的氮素营养，增加菌根作用的有效性，从而促进马尾松对磷的吸收，进而促进了林木的生长。不同马尾松品种对氮沉降的反应有差异，筛选高氮-低磷环境下菌根共生能力强的马尾松基因型，将成为提高土壤磷素生物学利用效率的重要途径。关键词: 马尾松; 家系; 低磷胁迫; 氮沉降; 菌根共生; 磷效率

土壤有效磷(P)匮乏是世界范围内植物生产力的主要限制因素之一。我国南方酸性红壤有效磷匮乏尤为严重，成为限制热带和亚热带区域植物生长发育和生产力的主要因素[1-3]。研究表明，菌根共生在植物适应和忍耐低磷胁迫方面起着重要作用，是提高植物磷营养高效利用的重要机制之一[4]。菌丝通过扩大根系养分吸收范围，促进对磷素的吸收，进而显著地促进宿主植物的生长[5]。菌根还可以通过分泌有机酸和酸性磷酸酶等活化难溶态磷素，提高植物对磷的吸收效率[6]。许多针叶树种的外生菌根可取代吸收根，成为根系获取土壤资源的主要器官。土壤磷的有效性影响着菌根真菌对植物的侵染，有效磷过低或过高都不利于菌根的形成[7]。

近年来，因大气污染而不断增加的大气氮沉降量，加速了土壤酸化，导致土壤有效氮含量增加、N/P比发生改变，这将影响森林植物生长发育。有研究认为，大部分植物对氮素较为敏感，适量或过量的氮素，可分别促进或抑制植物的根系发育、 光合作用和生物量积累，进而可能影响植物对磷素的吸收和利用[8]。氮增加对菌根的形成和功能产生抑制作用，过量氮沉降能减弱菌根真菌侵染植物根系的能力，进而影响寄主植物生长和氮、 磷营养的吸收及利用[9]。菌根效应受多种因素综合作用的影响[10]，然而，目前有关氮沉降对菌根化植物忍耐低磷胁迫及磷效率影响的研究较少。

与耕作土壤相比，森林土壤缺乏精耕细作，其低磷胁迫的形式更为复杂，胁迫程度也往往更为严重。例如在阔叶林或针阔混交林中,凋落物分解较为迅速，导致表层土壤磷素较为丰富，深层土壤磷素匮乏而表现为异质低磷胁迫。在较差森林立地或针叶纯林中, 由于凋落物分解慢、 养分周转存在滞后性，常导致表层和深层土壤均严重缺磷，形成同质低磷胁迫[11-12]。这两种类型的磷素环境，在开展林木营养学研究时均应引起重视[13]。

马尾松(Pinus massoniana)是我国南方重要的用材树种，也是典型的外生菌根树种，能适应多种生态环境，是荒山造林的先锋树种。由于南方亚热带多为贫瘠的酸性红壤，缺磷成为马尾松生长的主要限制因子。已有研究揭示，菌根共生在马尾松磷素的吸收、 累积和转运方面起着重要作用[14-16]。然而，大气氮沉降不断增加背景下,土壤中有效氮含量增加、N-P计量比变化，将以何种机制及模式影响、 调控低磷胁迫下马尾松菌根共生及磷效率，目前知之甚少。鉴于此，本研究设置了模拟氮沉降与同质低磷、 异质低磷耦合的模拟盆栽试验，用以揭示氮素对低磷胁迫下马尾松菌根共生和磷效率的影响及调控机制，其结果有助于我们掌握影响马尾松菌根效应的因素并进行有效调控,以充分发挥菌根潜力，提高苗木对土壤氮磷养分的利用效率，从而为在大气氮沉降背景下以菌根共生为突破口，开展马尾松磷效率的遗传改良提供理论依据。

1　材料与方法

1.1试验材料

以马尾松二代育种群体内控制授粉产生的3个优良全同胞家系FS4、FS5和FS6作为试验材料，在浙江省淳安县姥山林场试验大棚内设置马尾松模拟盆栽试验。盆栽容器采用上端内径16cm，下端内径13.5cm，高18cm的盆，每盆装土约3kg。基质为浙江省淳安县千岛湖的贫瘠酸性红壤，其有机质含量为6.4g/kg，全氮和全磷含量分别为0.47和0.34g/kg，水解氮、 速效钾和有效磷含量分别为16.2、 37.9和1.08mg/kg，pH5.07。菌根真菌为彩色豆马勃[Pisolithus tinctorius (Pers.)CokeretCouch]，RG310菌株，由中国林科院林业研究所提供。

1.2试验设计

本试验为磷、 氮、 菌根三因素试验，每个因素2个水平，共8个处理。首先，设置同质低磷和异质低磷两种磷素环境。具体设计如下: 将盆栽基质自上而下分为2层，第1层为表层，第2层为深层，表层占盆栽基质的1/3，深层占2/3。同质低磷处理两层均采用有效磷含量极低(1.08mg/kg)的贫瘠酸性红壤作为盆栽基质，模拟立地衰退、 肥力较差的森林土壤磷环境。异质低磷处理深层为贫瘠的酸性红壤，表层每千克土壤加入1.0gCa(H2PO4)2(相当于有效磷含量约80mg/kg)。总体上，异质低磷处理有效磷含量为27.4mg/kg，相当于中度低磷胁迫。从而模拟立地条件良好、 表层养分丰富的森林土壤磷的自然分布状况。

另外，设置低氮和高氮两个水平的氮素处理。基于文献中报道的我国长江中下游大气氮沉降数据[17-18]，设置高氮处理。按照30kg/(hm2·a)的氮沉降量，根据南方降水规律及马尾松生长特性，分别在降水量较大、 马尾松生长旺盛的4月、 6月和7月每月初对盆栽苗木全株喷施一次硝酸铵，每次的喷施量为1g/m2，低氮处理喷施相同量的水。综上，实验包含同质低磷-低氮(LP-LN)、 同质低磷-高氮(LP-HN)、 异质低磷-低氮(HP-LN)和异质低磷-高氮(HP-HN)共4个N-P耦合处理。每个N、P耦合处理又分别设置接种外生菌根菌(M+)和对照(M-)处理。接种菌根菌处理按照将基质土与菌根剂10 ∶1混匀后装盆，对照处理加入相同量的灭菌的菌剂。

1.3试验方法

1.3.2 根系分泌性酸性磷酸酶(APase)活性和有机酸分泌量测定采用Mclachlan[20]方法测定APase活性。取2mL根系收集液，加入2mL0.2mol/L(pH5.8)的醋酸-醋酸钠缓冲液中(含有5mmol/L对硝基苯磷酸二钠)，充分混匀，37℃下黑暗反应1h。加入0.4mL1mol/LNaOH溶液，充分混合反应液终止酶促反应，于405nm波长条件下测定溶液的吸光值(OD值)。根系酶活性以单位时间内单位干质量根水解pNPP生成NPP的量表示，即μg/(g·min),rootDW。同时做空白对照和NPP浓度标准曲线。

参考俞乐等[21]的方法，取2mL根系分泌物，利用WATERS2695型高效液相色谱仪测定有机酸分泌量。HPLC测定条件为: 色谱柱，SymmetryC18柱，4.6×250mm，5μm; 柱温，30℃; 进样量 5μL，流速 1mL/min; 检测器PAD; 检测波长 210nm; 流动相 0.5%磷酸二氢钾(pH2.1)。1.3.3 根系形态参数测定用根系扫描仪分别对苗木根系进行扫描，利用根系图像分析软件WinRHIZOProSTD1600+(加拿大RegentInstruments公司)对根系扫描图进行分析，得到的根系形态参数包括根长，根表面积和根体积等，并对获得的数据进行统计分析。

1.3.5 植株氮、 磷含量测定将收获的苗木分成根、 茎、 叶3部分，于烘箱中105℃杀青30min，60℃烘干至恒重，以获得苗木各部分的干物质量。用H2SO4H2O2消煮后测定苗木不同器官含磷量和含氮量，含磷量用钼锑抗比色法测定，含氮量利用凯氏定氮法测定。

1.4数据计算和统计分析

元素吸收效率 = 整株吸收量(mg/plant);

元素利用效率 = 干物质积累量/植株元素吸收量(g/mg)[24]。

利用SAS软件的ANOVA程序进行性状方差分析，采用LSD法进行多重比较(P=0.05)，以检验菌根处理、 家系及其交互作用的显著性。采用简单相关分析，估算马尾松菌根侵染率、 菌根化苗磷效率与其子性状的相关性。

2　结果与分析

2.1模拟氮沉降对菌根共生下马尾松生长性状的影响

由表1可知，马尾松主要生长性状和根系性状，包括根系参数和根系分泌存在显著的菌根处理效应。

表1　马尾松主要生长性状、 根系参数和磷效率的方差分析Table 1　ANOVA results of main growth traits, root parameters and P efficiency of Pinus massoniana

注(Note): 数据为方差分析F 值DatainthetableareFvaluesfromANOVA; *—P< 0.05; **—P< 0.01; ***—P< 0.001.

表2表明，同质低磷-低氮下，接种菌根菌后马尾松苗高和地径变化不显著，但生物量显著增加，提高了26.4%。与同质低磷-低氮相比，同质低磷-高氮下接种真菌显著降低了菌根浸染率和侵染程度，但是对马尾松生长的促进作用更大，苗高、 地径和生物量均显著提高，分别增加了27.1%、 37.3%和107.0%。说明模拟氮沉降能显著增加菌根共生对同质低磷胁迫下马尾松生长的促进作用。

然而，异质低磷-低氮和异质低磷-高氮下菌根共生对马尾松生长和生物量积累均产生抑制作用(表2)。异质低磷-低氮和异质低磷-高氮下，接种菌根菌后各家系苗高、 地茎和干物质积累量均降低，但是高氮处理较低氮处理各指标降低幅度小。异质低磷-低氮下，接种真菌后马尾松苗高、 地径和生物量较对照(M-)分别减少了16.2%、 28.1% 和 49.3%。异质低磷-高氮下，接种真菌后马尾松苗高和生物量分别比未接种菌根时减小了13.3% 和 22.1%。说明模拟氮沉降处理降低了异质低磷下菌根共生对马尾松生长的抑制作用。

不同N、P耦合环境下，马尾松家系对菌根共生的响应存在显著遗传差异(图1)。同质低磷-低氮和同质低磷-高氮环境下，家系FS5和FS6对菌根共生敏感，接种菌根菌后苗高、 地茎和生物量均增加，其中高氮下FS5各指标分别增加了11.2%、 45.3%和 95.1%，FS6各指标分别增加了64.0%、 57.3%和119.2%。家系FS4对菌根共生的敏感性与氮素环境有关，其在低磷-低氮下对接种菌根菌不敏感，而低磷-高氮下敏感，接种菌根后各指标分别增加了16.3%、 11.3%和114.2%。异质低磷下，模拟氮沉降抑制了家系FS4、FS5和FS6菌根化苗的生长，苗高分别降低了7.2%、 23.1%和8.2%，生物量分别降低了14.0%、 26.2%和26.3%。

表2　不同N、 P耦合环境下接种菌根菌后马尾松主要生长性状Table 2　The main growth traits of Pinus massoniana mycorrhizal seedlings under different N and P coupling conditions

注(Note):LP—低磷lowP;LN—低氮LowN;HP—高磷HighP;HN—高氮HighN;M—菌根Mycorrhizal. 数据后不同小写字母表示相同磷水平不同氮和菌根处理间差异显著(P<0.05)ValuesfollowedbydifferentsmalllettersaresignificantdifferentamongdifferenttreatmentsinthesamePtreatmentat5%level.

图1　马尾松家系苗高和生物量对不同N、 P耦合环境下接种菌根菌的响应Fig.1　Response of height and biomass of Pinus massoniana families to mycorrhizal inoculation and NP levels

2.2模拟氮沉降对菌根共生下马尾松根系参数和根系分泌的影响

同质低磷-低氮和同质低磷-高氮下，接种菌根菌后马尾松表层土中的根长、 表面积、 根体积和根尖数均显著增加，深层根变化不显著(表3)。另外，同质低磷-低氮下，接种菌根菌后根系分泌性APase活性和有机酸分泌量显著减小。模拟氮沉降处理下，菌根化苗根干重和有机酸分泌量显著增加，而APase活性显著降低(表4)。同质低磷下，无论是否接种菌根菌，模拟氮沉降处理均显著降低了马尾松菌根化苗根系的生长，但增加了根系APase活性和有机酸分泌量，尤其是有机酸分泌量增加了近3倍。

异质低磷环境下，无论低氮还是高氮处理，接种菌根菌均抑制了表层和深层根系的生长，根系生物量降低。高氮与低氮处理相比，马尾松菌根化苗表层根系的生长降低，深层根系的生长增加。根系APase活性和有机酸分泌量，低氮处理下分别增加了30.2%和61.3%，高氮处理下分别降低了18.4%和51.8%。

不同N-P耦合处理对马尾松家系菌根共生苗根系生长的影响存在显著的遗传差异(图2)。同质低磷下，家系FS5和FS6接种菌根后根系干物质积累量均增加，其中高氮处理下分别增加了63.6%和220.0%。而家系FS4在低氮下接种菌根菌后根系生物量降低了40.2%，高氮下接种菌根后根系生物量增加了1倍。另外，同质低磷下，模拟氮沉降降低了家系FS5和FS6 菌根化苗根系分泌性APase活性，增加了根系有机酸分泌量。而家系FS4根系APase活性和根系分泌有机酸均降低。异质低磷下，接种菌根菌后家系FS4、FS5和FS6根长、 根系干物质积累量均降低。在菌根共生条件下，与低氮处理相比，氮沉降增加了根系参数和根系生物量，其中3个家系根长分别增加了87.9%、 38.9%和139.8%，根系生物量分别增加了41.2%、 136.0%和63.2%。

表3　不同N、 P耦合环境下马尾松菌根化苗主要根系参数Table 3　The main root parameters of Pinus massoniana mycorrhizal seedlings under different N and P coupling conditions

注(Note):LP—低磷lowP;LN—低氮LowN;HP—高磷HighP;HN—高氮HighN;M—菌根Mycorrhizal. 不同小写字母表示相同磷水平不同N和菌根处理间差异显著(P<0.05)DifferentsmalllettersindicatesignificantdifferencesamongdifferenttreatmentsinthesamePtreatmentat5%level.

表4　不同N、 P耦合环境下马尾松菌根化苗根系 分泌APase活性和有机酸分泌量Table 4　The root secreted APase activity and organicacids secretion of Pinus massoniana mycorrhizal seedlingsunder different N and P coupling conditions

注(Note):LP—低磷lowP;LN—低氮LowN;HP—高磷HighP;HN—高氮HighN;M—菌根Mycorrhizal. 不同小写字母表示相同磷水平不同氮和菌根处理间差异显著(P<0.05)DifferentsmalllettersindicatesignificantdifferencesamongdifferenttreatmentsinthesamePtreatmentat5%level.

2.3模拟氮沉降对菌根共生下马尾松磷效率的影响

马尾松苗木氮、 磷吸收和利用效率均存在显著的菌根和家系效应，同时存在显著的氮素×磷素互作效应(表1)。同质低磷-低氮下，接种菌根菌后针叶和整株磷素吸收效率分别增加了48.9%和42.9%，氮素吸收效率变化不显著(表5)。说明磷素吸收效率的增加应是促使低磷-低氮下马尾松菌根化苗生物量增加的原因。同质低磷-高氮下，马尾松菌根化苗磷和氮吸收效率均较低氮下增加幅度更大，分别增加了32.2%和55.2%。说明同质低磷下模拟氮沉降促进了菌根化苗对氮和磷的吸收，其中对氮素吸收的增加更明显，从而增加了植株的N、P比。异质低磷环境下，无论低氮还是高氮处理下，接种菌根菌均降低了马尾松磷和氮的吸收效率。然而，与低氮下相比，模拟氮沉降增加了菌根化苗磷和氮的吸收效率，分别增加了45.8%和154.0%。

同质低磷-低氮和同质低磷-高氮处理下，家系FS5和FS6对接种菌根菌反应敏感，植株磷吸收效率和氮吸收效率显著增加，其中磷素吸收效率较氮素吸收效率增加幅度更大。与低氮处理相比，高氮处理下接种菌根菌对苗木磷素、 氮素吸收效率的促进作用更明显，家系FS5菌根化苗磷素、 氮素吸收效率分别增加了174%和47%，FS6分别增加了230%和53%(图3)。同质低磷-低氮下，家系FS4菌根化苗磷和氮吸收效率变化不显著，同质低磷-高氮处理下则显著增加，分别增加了144%和74%。异质低磷环境下，无论低氮还是高氮处理下，3个马尾松家系菌根化苗磷和氮吸收效率均变化不显著。然而，与低氮处理相比，氮沉降处理下3个马尾松家系磷和氮吸收效率均增加。

图2　不同马尾松家系主要根系参数和根系分泌对不同N、 P耦合环境的响应Fig.2　Response of main root parameters and root exudates of different Pinus massoniana families to different N and P coupling conditions

处理Treatment磷吸收量Pabsorption(mg/plant)根Root叶Leaf总Total磷利用效率Pefficiency(g/mg)氮吸收量Nabsorption(mg/plant)氮利用效率Nefficiency(g/mg)N/PLP-LNM-0.08±0.03b0.45±0.11c0.63±0.13c3.48±0.79ab8.24±1.55b0.27±0.04b13.08bM+0.08±0.03b0.67±0.22b0.90±0.26b3.28±1.05bc8.97±3.15b0.18±0.03c9.97dLP-HNM-0.05±0.02c0.28±0.09d0.42±0.12d3.88±0.80a8.22±2.05b0.30±0.05a19.57aM+0.16±0.08a0.83±0.30a1.19±0.44a2.89±0.77c13.92±3.97a0.26±0.03b11.70cHP-LNM-0.34±0.11b1.75±0.39b2.51±0.39b2.56±0.82ab19.46±5.85c0.30±0.03b7.75bM+0.25±0.08c1.00±0.32d1.53±0.38d2.13±0.74b9.63±3.59d0.23±0.03c6.29bHP-HNM-0.52±0.13a1.85±0.36a2.92±0.42a2.52±0.52ab32.48±8.63a0.32±0.04a11.12aM+0.30±0.08b1.58±0.25c2.23±0.31c2.73±0.47a24.44±3.69b0.24±0.02c10.96a

注(Note):LP—低磷lowP;LN—低氮LowN;HP—高磷HighP;HN—高氮HighN;M—菌根Mycorrhizal. 不同小写字母表示相同磷水平不同N和菌根处理间差异显著(P<0.05)DifferentsmalllettersindicatesignificantdifferencesamongdifferenttreatmentsinthesamePtreatmentat5%level.

2.4不同N、P耦合环境下马尾松菌根化苗主要生长指标的表型相关

同质低磷环境下，马尾松菌根侵染率与根系干物质积累量、 整株生物量和磷吸收量呈显著性正相关，与根APase活性、 氮利用效率呈显著性负相关(表6)。根系和整株干物质积累量与APase活性呈显著性负相关，与氮、 磷吸收量呈显著性正相关; 根系干物质积累量还与有机酸分泌量呈显著性正相关(表6)。根长与氮吸收量、 生物量呈显著性正相关。APase活性与磷吸收量、 苗高、 根系干物质积累量和整株生物量呈显著性负相关。有机酸分泌量与磷吸收量、 根系干物质积累量呈显著性正相关，与氮和磷利用效率呈显著性负相关。氮吸收量与根长、 磷吸收量呈显著正相关。

异质低磷环境下，马尾松菌根侵染率与根长、 有机酸分泌、 根系干物质积累量、 整株生物量呈显著性正相关(表7)。整株生物量与菌根侵染率、 有机酸分泌、 磷吸收量、 氮利用效率呈显著性正相关，与氮吸收量呈显著负相关。马尾松磷吸收量与有机酸分泌呈显著性正相关，氮吸收量与有机酸分泌、 磷吸收量呈显著性负相关。

图3　马尾松不同家系氮、 磷效率对不同N、 P耦合环境下接种菌根菌的响应Fig.3　Response of N and P efficiencies of different Pinus massoniana families to inoculation mycorrhiza fungi under different N and P coupling conditions

处理Treatment侵染率Infectionrate根长RootlengthAPase活性APaseactivity有机酸分泌量Organicacidsecretion吸收量(mg/plant)Absorption利用率(g/mg)EfficiencyPNPN磷吸收量Pefficiency0.5779*0.2594-0.3696*0.3523*氮吸收量Nefficiency0.24580.3330*-0.21820.17260.7899**磷利用率Pefficiency-0.30830.00960.203-0.3720*-0.6794**0.3819*氮利用率Nefficiency-0.7058**0.2420.146-0.3474*-0.2383-0.22260.4199*苗高Height0.33690.2043-0.4119*0.27060.6354**0.3753*-0.3973*-0.1805地茎Diameter0.37660.1167-0.24320.25760.7398**0.6263**-0.3252-0.1507根系干重Rootdrybio-mass0.4257*0.2913-0.3299*0.3335*0.7949**0.6832**-0.4224*-0.1232生物量Biomass0.4767*0.3606*-0.3715*0.18600.8471**0.8246**-0.3146-0.1120侵染率Infectionrate-0.1958-0.4993*-0.2484

注(Note): *—P< 0.05; **—P< 0.01; ***—P< 0.001.

3　讨论和结论

3.1模拟氮沉降对不同磷胁迫下马尾松菌根化苗生长和菌根侵染率的影响

研究表明，外生菌根真菌能改善植物的磷营养状况，其效应大小在一定程度上取决于土壤的基础肥力状况，尤其是土壤有效磷水平[10]。本试验中，在表层和深层均极为匮乏的同质低磷环境中，马尾松主根生长性状和根系性状均存在显著的菌根处理效应，接种真菌均显著增加了菌根浸染率和侵染程度，同时显著增加了磷素吸收效率、 植株生长量和生物量，这与已有的大量研究结果较为一致[25]。已有研究表明，在土壤磷素较为丰富时，植物可通过自身根系获得较多的磷营养，而菌根真菌的生长受到抑制，侵染率大大降低，菌根对植物磷营养的贡献也减少[10, 26]。本实验中，在表层土壤富磷、 深层土壤缺磷下异质低磷环境下，菌根真菌对马尾松生长促进效应较小，甚至产生了抑制效应，可能是由于磷素抑制了根外菌丝的生长或伸展速率，降低了真菌的活性。此外，根据成本效益理论，植物在氮、 磷供应充足时，减少了分配到菌根中的光合产物[27]，这也可能是异质低磷较同质低磷菌根侵染率低的原因。

研究发现，氮有效性提高则外生菌根侵染率下降[28]。本试验揭示，模拟氮沉降对菌根侵染及马尾松菌根化苗生长的影响与不同的土壤磷素环境有关。在表层、 深层土壤均极度缺磷的同质低磷环境下，大气氮沉降降低了菌根侵染率和侵染程度，但增强了菌根共生对马尾松生长和磷效率的促进作用，马尾松的生长和生物量积累显著增加。在异质低磷下，模拟氮沉降增加了苗木菌根侵染率，显著降低了菌根共生对马尾松生长的抑制程度。究其原因，模拟氮沉降增加了土壤有效氮含量，从而进一步增加了土壤磷素的相对匮乏程度，这可能是氮沉降较低氮处理能够促进菌根菌对根系的侵染，从而促进马尾松菌根化苗生长的根本原因。

表7　异质低磷下马尾松菌根化苗主要生长指标表型相关性系数Table 7　Correlation coefficients between main grow traits of Pinus massoniana mycorrhizalfungi seedlings under heterogeneous low P condition

注(Note): *—P< 0.05; **—P< 0.01; ***—P< 0.001.

3.2模拟氮沉降对低磷和菌根共生下马尾松根系形态参数和根系分泌的影响

外生菌根真菌侵染植株根系后，可通过改变根系形态，增加植株根系吸收养分的表面积，促进植物营养吸收和生长[29]。但有关氮沉降对菌根共生条件下植物根系形态和根系化学分泌的影响，目前知之甚少。本研究结果表明，同质低磷下，模拟氮沉降显著降低了马尾松菌根化苗根系的生长，但增加了根系APase活性和有机酸分泌量，尤其是有机酸分泌量增加了近3倍。相关性分析表明，同质低磷下，根系干物质量与APase活性呈显著性负相关，与有机酸分泌呈显著性正相关。说明有机酸分泌对菌根化苗生长的贡献显著高于APase，这是氮沉降增加了菌根共生对植物生长促进作用的主要原因之一。

薛小平等[30]研究发现，中磷条件下外生菌根真菌的生长最好，无磷或高磷对它们的生长产生抑制作用。本研究表明，异质低磷下，模拟氮沉降显著降低了马尾松菌根浸染率，增加了根系生物量和有机酸分泌量，说明异质低磷下，表层中较高的氮、 磷环境不利于菌根真菌对根系的侵染，但有利于马尾松根系吸收氮、 磷营养，因此增加了根系干物质量的积累。相关分析表明，整株生物量与有机酸分泌、 磷吸收效率呈显著性正相关，与氮吸收效率呈显著负相关。说明异质低磷下，有机酸分泌的增加对苗木的生长有促进作用。然而在磷素含量相对贫瘠的土壤深层，菌根的生长发育程度较表层好，深层根的根尖数显著增加。

3.3模拟氮沉降对低磷胁迫下马尾松菌根化苗磷效率的影响

对生长于低磷酸性土壤上的植株，氮素的大量供给可引发整株信号机制来调控生长，增加植株对磷素的吸收、 平衡体内N/P比[31]。本研究结果表明，同质低磷下菌根共生增加了马尾松磷吸收效率，而模拟氮沉降下菌根共生对磷和氮吸收效率的增加幅度更大。在表层富磷的异质低磷环境下，模拟氮沉降较低氮处理增加了马尾松菌根化苗氮和磷的吸收效率。这些结果共同说明，在菌根共生时，氮沉降的增加可降低土壤磷的相对有效性，诱发菌根通过增加宿主植物对土壤磷的吸收和利用, 从而改善植物磷素营养而促进其生长发育。

植株N/P化学计量比可以用来衡量苗木体内氮和磷的丰缺程度。N/P在一定阈值范围内，氮、 磷同时限制或都不限制生长; 当N/P低于这一阈值时，植物生长受氮限制，植物对氮素敏感，增加氮素可促进生长; 当N/P高于阈值时，生长受磷限制，施加磷素可促进苗木生长[32]。本研究结果表明，同质低磷环境下，未接种菌根菌时马尾松生长受磷限制，而接种菌根后马尾松磷素吸收效率增加，马尾松菌根化苗N/P比为9.97，生长受氮、 磷共同限制，苗木对模拟氮沉降敏感。模拟氮沉降处理显著促进了苗木氮和磷的吸收，增加了苗木生物量的积累。异质低磷下，模拟氮沉降显著促进了苗木氮和磷的吸收，增加了苗木生物量的积累，说明异质低磷下，马尾松菌根化苗生长对模拟氮沉降较敏感，土壤有效性氮的增加促进了马尾松接种菌根菌苗木的生长。

3.4马尾松不同家系菌根化苗响应模拟氮沉降的遗传差异

本研究表明，低磷下马尾松菌根化苗生长对模拟氮沉降的响应存在显著的家系差异。低磷-低氮下，家系FS5和FS6对菌根共生敏感，接种菌根菌后苗木苗高、 地径和生物量均增加，而家系FS4对菌根共生不敏感。模拟氮沉降进一步促进了3个家系菌根化苗的生长，说明模拟氮沉降增加了土壤N-P比和磷素匮乏程度，从而增加了菌根共生对马尾松幼苗生长的促进程度。异质低磷处理抑制了3个家系菌根化苗的生长，模拟氮沉降下各家系生长指标均较低氮处理下增加，整株干物质积累量FS4>FS5>FS6。

基于本研究结果，在有效磷严重匮乏的较差森林立地上，育种早期可以对马尾松苗木进行接种外生菌根真菌处理，菌根共生对于幼苗磷素吸收及生长的促进作用显著。一定的氮沉降范围内，氮素增加可以提高菌根共生对苗木生长发育的促进程度。而在表层土壤磷素较为丰富，立地条件相对较好的环境下，菌根共生对马尾松苗木生长的促进效应较小，甚至产生了抑制效应。氮素的增加降低了该抑制程度，提高了菌根作用的有效性。此外，鉴于低磷下马尾松菌根共生对氮沉降的响应存在显著的家系差异，筛选高氮-低磷环境下与菌根共生能力强的马尾松基因型，提高菌根作用的有效性，将成为提高土壤磷素生物学利用效率，挖掘植物营养高效遗传潜力的重要途径。

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EffectsofatmosphericNsedimentationongrowthandPefficiencyofPinusMassonianamycorrhizalseedlingsunderlowPstress

PANGLi1, 2,ZHOUZhi-chun1*,ZHANGYi1,FENGZhong-ping3

(1 Research Institute of Subtropical Forestry CAF, Chinese Academy of Forestry/Zhejiang Provincial Key Laboratory of Tree Breeding/Engineering Research Conter of Masson Pine of State Forestry Administration, Fuyang, Zhejiang 311400, China;2 Anshun College, Anshun, Guizhou 561000, China; 3 Laoshan Forest Farm of Chun’an County of Zhejiang Province,Chun’an， Zhejiang 311700, China)

【Objectives】TheincreasedatmosphericNsedimentationinrecentyearshasbroughttheincreasedNavailabilityandN/Pratioinforestsoils,whichwouldimpactgrowthandPefficiencyofmycorrhizalsymbiosisplant.【Methods】TakingbreedingpopulationofPinus massonianaastestmaterials,apotexperimentwasconductedtosimulatetwoPconditions,i.e.homogeneouslowPavailabilityvs.heterogeneouslowPamongsoillayers,incombinationwithtwoNsedimentationlevelsongrowthandPefficiencyofPinus massonianamycorrhizalseedlings.【Results】 1)TheeffectsofthesimulatedNsedimentationongrowthofmycorrhizalseedlingsarerelevanttothesoilPenvironment.UnderthehomogeneouslowPcondition,Nsedimentationreducesthedegreeofmycorrhizalcolonizationandinfectionrates,andsignificantlyincreasesgrowthandbiomassofPinus massoniana.UndertheheterogeneouslowPcondition,theNdepositionimprovesrootinfectionbymycorrhizalfungi,andreducestheinhibitoryeffectofmycorrhizalsymbiosisongrowthofPinus massoniana; 2)UnderthehomogeneouslowPcondition,thesimulatedNdepositionsignificantlyreducestherootgrowthofmycorrhizalseedlings,andincreasestherootAPaseactivityandthesecretionoforganicacids,especiallyorganicacidssecretion(increasednearlythree-fold).CorrelationanalysisshowsthatorganicacidsecretioncontributiontothegrowthofmycorrhizalseedlingsissignificantlyhigherthanAPaseactivity.UndertheheterogeneouslowPcondition,thedevelopmentdegreeoftheunderlyingrootsofmycorrhizalisgreaterthanthatofthesurfaceroots.Theincreasedsecretionoforganicacidspromotesgrowthofmycorrhizalseedlings; 3)UnderdifferentlowPenvironments,theincreasedNsedimentationdecreasestheeffectivenessofsoilP.MycorrhizalincreasethePabsorptionandutilizationandfurtherpromotegrowthofPinus massoniana; 4)SignificantvariationsamongfamiliesingrowthresponseofPinus massonianamycorrhizalseedlingstothesimulatedNdepositionareobserved.【Conclusion】AtmosphericNsedimentationisabletoimprovethenutritionofNformycorrhizalseedlings,andstimulatethedegreeofmycorrhizalcolonizationandinfectionrates,resultinginmoreabsorptionofPfromsoilsandtheincreaseofbiomass.TherearedifferencestotheresponseofNsedimentationamongthedifferentmycorrhizalcultivars,screeningofhighmycorrhizalsymbiosisabilityofPinus massonianagenotypeswillbeanefficientwaytoimprovesoilPbiologicalutilizationefficiency.

Pinus massoniana;family;lowPstress;Ndeposition;mycorrhizalsymbiosis;Pefficiency

“十二五”国家科技支撑计划项目(2012BAD01B02); 国家自然科学基金项目(31370671); 浙江省农业新品种选育重大科技专项竹木育种协作组重点项目(2012C12908-12); 贵州省科学技术厅、 安顺市人民政府、 安顺学院联合科技基金项目[黔科合LH字(2014)7497]资助。作者简介: 庞丽 (1979—)，女，河南焦作人，博士，主要从事林木营养遗传研究。E-mail:pangli4286@163.com

E-mail:zczhou_risf@163.com

S719.248;S714.8文件标识码:A

1008-505X(2016)01-0225-11

交稿日期: 2014-06-26接受日期: 2014-09-17网络出版日期: 2015-05-13