丛枝菌根对羊草的综合效应及其对退化羊草草原植被 修复的研究展望

钱洁鑫， 吴 澜， 乌音嘎， 乌 恩

(内蒙古农业大学草原与资源环境学院， 内蒙古 呼和浩特 010011)

丛枝菌根(arbuscular mycorrhizal，简称AM)是土壤真菌中的一类接合菌侵入高等植物根的皮层而形成的植物与真菌的共生体，其中植物为丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhiza fungi，简称AMF)提供其生长繁殖所需的光合产物，而AMF运送土壤中矿质元素、水分到植物根部供植物吸收利用[1-2]。AMF对宿主植物的上述作用对植物的养分吸收、水分吸收、抗胁迫性、生长发育都具有重要保障作用[2-6]。陆地上80%以上的植物为菌根植物[7]，AMF的宿主植物主要为草本植物，还有一部分木本植物。对以草本植物为主的草原植被来说，绝大多数为菌根植物，因此，丛枝菌根在草地生态系统中占有重要地位。

羊草(LeymuschinensisTzvel.)草原是以羊草为建群种或优势种，并伴生其他草本类植物为特征的草原类型，广泛分布在我国东北及内蒙古东部，是在森林草原带与典型草原带的偏湿润地区、半农半牧区分布面积最广、质量最好的草原类型之一。其优势种羊草具有产量高、耐干旱、耐贫瘠、耐牧性好、营养价值高等特点，是禾本科牧草中首屈一指的优良牧草之一。因此，羊草被誉为内蒙古草原最好的牧草，羊草草原也被誉为内蒙古最好的草原[8]，在改善我国北方草原生态环境和盐渍化土地治理方面具有重大利用价值。然而，近年来由于对羊草草原的过度利用，导致羊草草原退化速度不断加快，退化面积逐年扩大[9]，目前已有90%以上羊草草原发生了不同程度的退化，给草原畜牧业发展和生态环境带来了严重问题，如何遏制其进一步退化和及时治理已退化的羊草草原是羊草和羊草草原研究的重中之重。有关羊草草原退化与恢复方面的研究很多[9-13]，但对于土壤微生物，特别是AMF在恢复过程中的作用方面研究报道很少。这与菌根在草地生态系统中的重要地位和作用极不相符，需要加强相关研究。

1 羊草的菌根共生性

包玉英[14]通过对内蒙古草原调查发现，典型草原的羊草菌根侵染率高达41%。而张义飞等[15]对吉林西部草地羊草菌根侵染率的调查发现，羊草菌根侵染率更是高达53%之多。由此可见，羊草具有良好的菌根共生性。曹丽霞[16]等对野外播种羊草接种菌根剂后，当年的侵染率就可以达到21.6%，乌恩[17]等的研究结果显示，羊草典型草原未退化地段6-9月羊草平均菌根侵染率达到35.8%。在毕琪[18]的研究中，无盐胁迫条件下，羊草的菌根侵染率高达80.9%，在3 g·kg-1NaCl浓度盐胁迫条件下，菌根侵染率依然可达到56.5%。随着NaCl浓度的增加，羊草对AM真菌的依赖性逐渐增强，在3 g·kg-1NaCl浓度条件下，羊草的菌根依赖性能够达到无胁迫条件下的8倍之多。因此，羊草与AMF有良好的共生关系，这种关系对羊草具有十分重要的意义。

2 丛枝菌根对羊草的综合效应

2.1 AM可促进羊草对矿质元素的吸收

菌根通过扩大根际的范围、提高养分空间有效性、改善根际环境、从紧实的土壤中吸收养分这些途径来增加植物对养分和水分的吸收。其中，显著促进植物对土壤磷的吸收是菌根的最大功效，即便土壤温度降低、植物生长和磷吸收受抑的情况下，依旧可增加植物体内磷含量[19-22]。除此之外，很多报道证实丛枝菌根能够促进植物对大、中量元素和多种植物必需微量元素的吸收，如：氮、钾、钙、镁、硫等[5,23-25]。羊草与AMF的良好共生关系可以促进其对磷的吸收，甄莉娜等对不同施磷水平下AM对羊草生长的研究发现，接菌处理能够显著增加羊草地下部全磷含量[26]。石伟琦的研究同样证明了AM菌根的存在能够增加羊草植株的含磷量和吸磷量[27]。孟根花[28]等通过盆栽模拟盐碱条件下对羊草的菌根接种试验显示，接种Glomusetunicatum能够显著增加羊草的含氮量，接种Glomusmosseae、Glomustortuosum能够显著增加羊草的含磷量。内蒙古草原全区四大地带性草原类型和三大非地带性沙地植被均处于低磷或缺磷状态，在调查的45个旗县草原中，39个为低磷或缺磷草地，占所有调查草原的86.7%，与土壤缺磷的比例相一致,说明土壤缺磷是草地(牧草)缺磷的主要原因[29]。伴随羊草草原的退化，羊草体内磷含量水平从20世纪60年代的0.36%下降到20世纪80年代的0.23%，降幅为0.13%。这说明内蒙古草原缺磷是个普遍存在的问题，而羊草体内磷含量水平下降极可能与其菌根共生的衰退有关。

2.2 AM促进羊草对水分的吸收

春季的北方草原地区干旱少雨，导致羊草返青难，从而影响羊草整个生长期的产量和质量。然而有研究表明菌根菌丝的生长发育并不受限，尤其是在干旱条件下AMF能够增加生长素、赤霉素和细胞分裂素类物质的含量而降低脱落酸的含量[30]，AMF这种逆境反馈机制对于干旱区草原植被水分代谢非常重要。Dakessian等[31]在对土壤水分状况与菌根植物生长之间的关系研究后发现，AM能够增加土壤束缚水的含量进而促进植物生长，AM能够在低于土壤永久萎蔫系数的水势下从土壤中吸收束缚水。由此可知，菌根能够帮助羊草获取更多水分。有关研究也证明了这一点，曹丽霞[16]等的研究结果表明，菌根对羊草根围土壤含水量的贡献率为负值，则推测菌根的存在促进了羊草对水分的吸收，降低了土壤含水量。

2.3 AM提高羊草的抗逆性

AM真菌除了通过改善宿主植物自身的营养和健康状况外，也能提高其抗逆性[32-34]。然而AM提高植物抗逆性的有关机理尚不明确，目前存在几种观点：(1)AM真菌能够分泌一些小分子物质改变根际微环境，抑制病原微生物的生长和对宿主植物的侵入[35]；(2)AM真菌侵染能够诱导宿主植物产生一些与防御相关的化学物质，或者直接诱使宿主植物根部形态结构发生变化，以达到物理或化学防御的目的[36]；(3)AM表面存在着根内菌丝与根外菌丝组成的庞大菌丝网络系统，能够阻止病原体的入侵，通过与病原真菌在侵染中进行活力竞争，以此提高植物抗病性[37]；(4)AM真菌产生的各种生长刺激物质，能够在菌根形成之前刺激植物根系的生长发育，具有促进植物生根、萌发和生长的效果；(5)菌根共生体的形成导致根形态发生改变，增大了根系与土壤的接触面积，增加了根系活性[38]；(6)增加脯氨酸、可溶性糖等渗透调节物质[39]，以抵抗水、盐胁迫；(7)丛枝菌根真菌能够在干旱条件下降低植株叶片水势，提高酶活性，改变激素平衡，以增强植株抗旱性[40]。脯氨酸具有保持原生质与环境的渗透平衡，增加蛋白质可溶性，保证膜结构完整的作用，是植物在逆境胁迫下积累的最有效的无毒渗透调节物质，逆境条件下其积累量高表明该植物调节能力强，抗逆性强。可溶性还原糖的大量积累能够降低细胞水势，增大细胞内外渗透势差，使得外界水分有利于向细胞内扩增，贾振宇[39]等对接种AMF的羊草抗旱性的研究表明，未接种AMF羊草叶片脯氨酸含量和可溶性糖含量显著低于接种处理，说明在缺水条件下，接种AMF能够增强羊草的抗旱性。张义飞等对不同强度盐胁迫下的羊草进行菌根接种处理，研究结果发现，逆境中接种AM菌根能够促进羊草对N、P等营养元素的吸收，而Na+和Cl-的浓度一直维持在较低水平，说明接种了AM菌根的羊草在盐胁迫条件下，能够改善细胞渗透势，维持较高的P/Na+、K+/Na+，进而提高植株的耐盐能力[41]。

2.4 促进羊草的生长发育

AM促进植物的生长发育表现在促进宿主植物地上部的生长发育、增加地上与地下生物量的比值，其机理是AM真菌通过扩大牧草对土壤中营养元素和离子的吸收范围、改善牧草的根际环境，促进植物对养分的吸收利用，AM通过自身合成或刺激宿主植物产生一些次生代谢物质和内源激素对宿主体内的激素水平进行调节[2,42]。有研究结果表明[43]，侵染AMF的黑麦草具有更强的根系活力，同时，AMF增加了叶片中叶绿素含量，导致叶片膜质的过氧化程度减轻，叶片光合速率和气孔导度增加，这可能是AMF促进植物生长的一条重要机理。刘慧等研究发现在对羊草接种Glomusmosseae后，发现能够显著促进植株的地上、地下和总生物量，表明该种丛枝菌根对羊草生长有一定的促进作用[44]；孟根花[28]等的研究显示，接种Glomusetunicatum、Glomusmosseae和Glomustortuosum的羊草生物量平均增加20.2%，与侵染率的相关性均为显著或极显著。毕琪[18]等的研究结果表明不同 NaCl浓度下丛枝菌根的存在均能有效的提高羊草的生物量，同时，随着NaCl水平的升高，羊草的菌根依赖性逐渐增加。AMF通过调节生物量在地上部分和地下部分的分配来响应外界环境的变化。张义飞等对不同强度盐胁迫下的羊草进行菌根接种处理，研究结果发现，菌根化羊草的根茎比随NaCl浓度的增加而减小，AM真菌对羊草根茎比的影响达极显著水平，菌根化羊草的根茎比高于非菌根羊草，菌根化羊草重新分配根茎比可能是AM促进其生长的一条重要途径[15]。

2.5 AM对羊草根围土壤的效应

AM作为陆地生态系统的重要组成部分，在改善植物根际土壤环境方面具有重要作用。彭思利[45]等在盆栽模拟条件下，对比不接种菌根处理后发现，丛枝菌根真菌能够显著增加土壤中有机质含量，并且显著增加了土壤水稳性大团聚体的数量，起到土壤结构改良的重要作用。曹丽霞[16]等在对羊草接种AM真菌处理的研究发现，接种AM真菌能够增加土壤中有机碳、碱解氮以及有效磷的含量。许多研究表明，AM能够提高根际土壤中球囊霉素含量。曹丽霞[46]等比较接种与不接种丛枝菌根的羊草后发现，菌根对易提取球囊霉素和总球囊霉素的总贡献率分别为19.65%，24.24%。吴胜强[47]等对白三叶(Trifoliumrepens)接种AM真菌的试验结果表明，接种AM真菌处理的土壤易提取球囊霉素和总球囊霉素含量均显著高于不接种(灭菌)处理，且易提取球囊霉素和总球囊霉素与菌根真菌侵染率间有显著或极显著的正相关关系。大量研究表明，接种丛枝菌根能够促进土壤中多环芳烃的降解[48]，有学者推测，这可能与AMF菌丝分泌的球囊霉素有关[49]。杨振亚[50]的试验结果表明，土壤中菲残留含量与球囊霉素含量呈极显著负相关关系，土壤中球囊霉素含量越高，对菲的去除效果越好。随着接种AMF时间的增长，AMF菌丝密度增加，AMF所产生的球囊霉素也不断增加，土壤中PAHs(多环芳烃)去除率与AMF菌丝密度和球囊霉素含量呈极显著正相关关系，在AMF作用下良好的菌根环境提高了土壤微生物对PAHs的降解作用[51]。球囊霉素作为土壤有机质的重要组成部分，是土壤碳库的重要组分，其含量是腐殖质的2～24倍之多[49]。球囊霉素等分泌物能够改变土壤微域环境，为土壤中有益微生物提供生活场所，刺激土壤放线菌等微生物的繁殖。进而影响土壤微生物量碳的变化[52]。未来，球囊霉素可能成为检测土壤退化和土地沙漠化的重要指标[53]。据报道，AM真菌的根外菌丝和球囊霉素对草地生态有机碳源的贡献高达15%[54]。土壤中球囊霉素含量与土壤团聚体水稳定性呈现正相关关系[55]。促进了土壤团聚体的形成。因此，AMF在修复退化生态系统中具有重要潜能。

2.6 AMF对羊草种间关系的效应

生物多样性在生态系统中具有极其重要的意义，生物多样性控制着生态系统稳定性、养分动态、生产力和侵入可能性等重要因素[56]。首先，菌根植物的竞争力要远远大于非菌根植物。张宇亭[57]等在对菌根植物玉米(Zeamays)和非菌根植物油菜(Brassicanapus)进行接种AMF之后发现，与不接种相比，接种处理在提高玉米地上部生物量的同时有降低油菜地上部生物量的趋势，并且，相比较不接种处理，AMF大大的提高了玉米对油菜的竞争力，进而推断接种AMF可以促进菌根植物的生长，同时抑制非菌根植物的生长。其次，同样是菌根植物，它们对菌根的依赖性不同，菌根依赖性强的植物与AM相互促进生长，生长量远远高于其他依赖性较低的植物，因而有利于依赖性高的菌根植物的生存、生长与繁殖。乔旭[58]等的研究显示，同样是菌根植物，狗尾草(Setariaviridis)单独播种时，AMF能够促进其生长，但在狗尾草与作物混种的条件下，AMF促进了作物生长的同时，显著抑制了狗尾草的生长，可能是由于接种AMF后，作物的快速生长及养分吸收利用加剧了土壤养分耗竭，进而抑制了狗尾草的生长。Fitter[59]在对黑麦草(Loliumperenne)和绒毛草(Holcuslanatus)是否接种AM真菌的研究中发现，无AM真菌条件下，两者竞争力相似，而当AM存在时，前者受到后者的严重抑制。说明，丛枝菌根植物在竞争中占有优势位置。李立青[60]等人在对外来植物紫茎泽兰(Eupatoriumadenophorum)与本地植物间的竞争效应研究发现，紫茎泽兰的菌根依赖性高于本地植物，并且紫茎泽兰和本地植物在竞争时，会降低本地植物的菌根依赖性。这种条件下，AMF显著增加了入侵植物对本地植物的竞争优势，从而改变了当地的植物群落环境[61]。乌恩[62]等的研究发现，在酸性环境中菌根共生受土壤酸化影响小的黄花茅(Anthoxanthumodoratum)对受土壤酸化影响大的鸭茅(Dactylisglomerata)在磷吸收、生长发育方面占优势，有利于其入侵和扩展。最后，菌根共生没有宿主特异性，一株植物上形成的菌根其外生菌丝在土壤中不断伸展和侵染其它植物，将同种植物与不同种植物间的根系联系在一起[1]，形成庞大的地下菌丝网络。菌丝网络具有资源的再分配功能，能够将土壤中植物难以吸收的水分、养分大量吸收并进行再分配，从而改变植物间的养分、光合产物等资源的再分配，对植物种间关系产生重要调节效应[63-67]。雷垚通过对羊草和其他植物进行混播接种土著菌根，研究结果证实土著菌根真菌能够影响草原优势植物羊草的生长，同时其能够平衡植物种间的竞争，进而协调各植物种间的相互关系[68]。张义飞[15]在对盐碱化梯度草原群落的调查结果显示AM真菌对羊草根系的侵染率和侵染强度与群落多样性呈现负相关关系，说明当AM真菌与羊草形成良好的共生关系时，植物群落的多样性指数越低，即能与羊草共存的物种数量越少，对于该物种恢复其竞争优势具有积极的促进作用。

综上所述，菌根提高羊草养分和水分吸收，增强抗逆性，促进生长发育，改善土壤环境，增强生长竞争力的诸多效应，在羊草草原的恢复过程中发挥不可估量的重要作用。

3 丛枝菌根对退化羊草草原植被修复的研究展望

3.1 退化羊草草原菌根修复研究的迫切性

Skujin等早在1986年就呼吁用菌根来修复受损或退化土地[69]，Turnau[70]等于2002年指出丛枝菌根真菌是退化生态系统恢复的必需要素，Allen把菌根真菌比喻为干旱土壤中水分和养分运输的高速公路，并建议开展菌根功能的野外原位研究[6]。Matthias[71]等也特别强调菌根与植物根系的复杂关系对土壤团聚体和种质资源库形成的巨大作用和草原生态系统恢复中的决定性作用。因此，利用菌根生物技术修复退化草原生态系统是适合我国西部地区特点的生态建设主要思路和手段。日趋恶化的生态环境问题使得利用菌根生物技术修复退化生态系统和污染土壤逐渐得到国内外菌根研究者关注的热点问题[72-75]。

在严重退化草地，菌根菌种类和数量极度匮乏或消失，植被恢复变得极其困难[76-78]。乌恩等的研究发现，随着羊草草原的退化，羊草的侵染率和根围孢子数量逐渐下降，菌根共生潜力和利益随之削弱[17,67]。在干旱贫瘠的土壤环境中，苗期的养分吸收和水分吸收是抓苗、定植的关键，从菌根对羊草的诸多有利效应可以推断，播种羊草并接种菌根真菌，以菌根的功能来保障苗期羊草的养分和水分吸收是羊草抓苗、定植的关键措施。张菲[79]等发现干旱条件下，AM真菌能够增加枳(Poncirustrifoliate)叶片内源脱落酸、吲哚乙酸、赤霉素、油菜素内酯、茉莉酸甲酯、玉米素核苷和一氧化氮含量，推测AMF通过改变植物内源激素的平衡状况，进而诱导相关激素信号传导进程，增强植物抗旱性。因此，导入菌根是恢复干旱地区严重退化草地的最佳选择[67,80]。

3.2 退化羊草草原菌根修复的研究展望

AM作为陆地生态系统的重要组成部分，具有改善植物的养分状况，促进植物生长发育，提高宿主的多种抗逆境能力，改良土壤结构，维持生态系统物种多样性和稳定性的重要作用。利用菌根生物技术修复退化生态系统已经成为近年国内外的发展趋势，就当前国内外AM对退化生态系统恢复与重建作用研究的现状及存在的问题来看，AM对退化生态系统恢复作用的研究应着眼于以下几个方面：(1)在不同退化生态系统分离和筛选出适应性强的AM真菌的单一菌种或群落，建立不同退化生态系统相应的菌种或群落资源库。王幼珊[81]等人以高粱(Sorghum)为宿主植物，采用诱导培养、单孢培养和扩繁培养分离出我国大陆45个地区50余种宿主植物的丛枝菌根并鉴定，共分离出丛枝菌根真菌135株，隶属于23个种，并对AM进行收集保存，为今后优势菌种的筛选提供资源。(2)根据AM真菌对羊草的亲和力和发挥的效应筛选优势菌种。对退化生态系统进行生态恢复重建时，AM真菌的选择尤为重要，必须考虑土壤中现存的AM真菌是否与植物相匹配，应当加强优势菌种的筛选，根据不同寄主植株与菌种之间亲和力的差异，选育出高效、专用的组合类型。何跃军[82]等在对喀斯特地区不同恢复阶段土壤中AMF组成及多样性的调查显示，在分离出的68个AMF菌种中，球囊酶属是所有AMF属中的优势属，广泛存在于花江、织金和花溪典型喀斯特地段。球囊酶属的AMF能够较好抵御喀斯特严酷的生境，对维持喀斯特生态系统的稳定性以及植被恢复具有重要意义。有研究表明，与豆科植物相比，禾本科植物对重金属复合逆境胁迫的耐受能力更强，而不同的菌种对同一植物品种的侵染效力不同。因此，在草原生态系统类型的铁尾矿废弃地植被恢复与重建中选用披碱草(Elymusdahuricus)和地表球囊酶(Glomusversiforme)菌剂作为优势组合[83]。(3)加强AM真菌群落结构与功能的研究，充分利用土著菌根的优越性。接种土著AM真菌往往能发挥更好的作用，维持所修复生态系统的稳定性。曹丽霞[16]等通过对退化羊草草甸导入土著菌根真菌对退化羊草草原进行修复，研究发现，AM能够增加羊草群落的高度、盖度和地上生物量，并在一定程度上增加群落中植物种的丰富程度。(4)加强AM真菌与其他有益土壤微生物之间的协同作用研究，开发具有显著作用的修复菌剂。寇书萌[84]等以呼伦贝尔退化草场为研究对象，利用AM真菌对退化草场进行改良，选用粒径小于0.3 mm 的草炭作为植物根际促生菌(plant growth-promoting rhizobacteria，简称PGPR)橘黄假单胞菌(Pseudomonasaurantiaca‘JD37’)的载体，联合AM真菌和腐殖酸研制出适用于退化草场土壤的微生物改良剂，然后分别施用于禁牧区和放牧区。实验结果显示，放牧区施加大剂量改良剂后修复效果较理想，禁牧区施用小剂量改良剂已具有理想修复效果，均不同程度的提高了土壤理化性质、酶活性和土壤微生物数量。(5)利用植物对AM真菌的依赖程度调控群落演替的速度和退化方向，并加强菌根植物共生体系对退化土壤修复的应用研究。极端退化环境下人工植被的演替和重建过程中，菌根真菌的作用尤为重要, 在遭受严重干扰的土壤里，由于菌根真菌的繁殖体也受到严重了破坏，依赖菌根营养的植物种类难以侵入和成活，要使系统恢复到受干扰前的状态是十分缓慢的，接种菌根则可以加快植被的恢复与重建。赵仁鑫[85]等发现AM能够促进玉米在煤矸石地的生长，证明AM真菌对于草原生态系统煤矸石废弃地的植被重建具有潜在的应用价值。黄寿臣[86]等模拟松嫩平原盐碱土条件下接种AM对白花三叶草生长的影响，发现AM真菌与白花三叶草形成共生关系后能够显著改善盐碱胁迫下白花三叶草的生长状况，建议在盐碱地园林绿化区域对白花三叶草接种AM真菌，达到美化和修复景观区的效果。但目前绝大多数研究都停留在室内盆栽模拟实验，真正运用到实际退化生态系统中的报道较少。基于前人研究的基础上，在后续研究工作中，应加大推广试验规模，在实际改良应用中寻找更为科学的成套退化草原修复技术，使AMF在退化生态系统恢复中发挥更大的作用。