不同菌根类型植物叶片灰分含量及其对气候变化响应的差异

2020-02-21卢世川石兆勇张梦歌杨梅王旭刚徐晓峰

生态环境学报 2020年1期

卢世川，石兆勇, ，张梦歌，杨梅，王旭刚，徐晓峰

1. 河南科技大学农学院，河南洛阳 471000；2. 洛阳市共生微生物与绿色发展重点实验室，河南洛阳 471000；3. 北京大学地表过程分析与模拟教育部重点实验室，北京 100871

叶片灰分是植物叶片充分燃烧后所遗留的包括各种矿物质的氧化物，因此，叶片灰分含量经常被作为衡量叶片矿质营养元素含量的综合指标。此外，叶片灰分与植物热值有着密切的关系，林恬等（2018）测定并分析中亚热带常绿阔叶林生态系统中不同层次优势种的叶片灰分含量、干重热值以及去灰分热值，试验结果显示所有优势植物的叶片干重热值与叶片灰分含量呈现显著的负相关，并且叶片干重热值、灰分含量、去灰分热值具有一致的季节变化趋势。由于植物热值能反映叶片对太阳能的转化效率，所以叶片灰分含量通常被用作研究植物第一性生产力的重要指标（官丽莉等，2005）。因此，植物叶片灰分含量及其变化引起了研究者的关注，潘贤强（2011）对毛竹的叶片灰分、干重热值以及去灰分热值的月动态变化情况进行研究，结果显示毛竹老叶灰分含量、干重热值和去灰分热值的月动态变化趋势与成熟叶相似，并且老叶的干重热值与毛竹叶片灰分含量有显著的线性负相关。Glenn et al.（2015）通过对13年的桃树栽培试验的数据分析，探究了不同栽培年限和环境变化对植物叶片灰分含量影响，试验中发现植物水分利用率对植物叶片灰分含量具有一定的影响。Han et al.（2012）研究了中国陆地植物叶片灰分含量随纬度、降水、气温以及土壤pH的变化状况，试验结果显示叶片灰分含量与纬度和土壤pH存在显著的线性正相关，与降水量存在显著的线性负相关，气温与叶片灰分含量存在二次函数关系。可见，对于植物叶片灰分含量及其影响因素的研究，逐渐成为研究的热点科学问题。

菌根作为植物根系与土壤真菌形成的互惠共生体，广布于各种生态系统中，存在于绝大多数植物根系（Smith et al.，2008），在植物营养、植物叶片特性和植物生产力方面都发挥着至关重要的作用（Smith et al.，2008）。自然界中，存在7种不同类型的菌根，研究表明，菌根类型不同，其生态功能也存在着差异。Averill et al.（2014）分别分析了以丛枝菌根（AM）类型植物为优势种和以外生菌根（ECM）类型植物为优势种的生态系统土壤碳储存量，研究发现以 ECM 类型植物为优势种的生态系统土壤碳储量是AM类型的1.5倍。Vargas et al.（2010）发现陆地AM类型和ECM类型生态系统中CO2通量存在着差异，并且以AM类型植物为优势种的生态系统，CO2通量主要受到年降水量的控制，而以ECM类型植物为优势种的生态系统，CO2通量则更易受到年平均气温的影响。石兆勇等（2012；2014；2017）针对于不同菌根类型对森林生产力及其对温度和降水响应影响进行了研究，研究表明AM类型森林的总初级生产力比ECM类型森林高，并存在显著的差异，但是 ECM 类型森林净初级生产力随着温度升高和降水增加而增加，而AM类型森林净初级生产力与温度和降水没有显著的关系。可见，AM和ECM在生态系统中具有不同的生态功能，并且影响着生态系统对环境和气候变化的响应。

叶片灰分含量作为植物叶片的重要特性，是反映植物对矿物质元素的吸收、积累及植物叶片光合作用效率和生产力情况的重要指标。近几年关于AM和ECM两种类型菌根对植物叶片特性的影响有众多报道，如叶片C含量、N含量、P含量和生产力等都有所涉及（Cornelissen et al.，2001；Shi et al.，2012；2013），但其对叶片灰分含量及其对气候变化响应的影响，就我们的知识而言，还未见报道。因此，本文研究了AM和ECM对中国陆生植物叶片灰分含量影响的差异，并在此基础上，结合环境因素，分析了AM和ECM植物叶片灰分含量随纬度、气温、降水和土壤pH变化响应的影响。旨在揭示生态系统中，分布最广泛的两种不同菌根类型的功能的差异，从而更好的解释植物对气候变化影响的不同，并丰富菌根生态功能的理论。

1 材料与方法

1.1 数据来源与编辑

本研究基于Han et al.（2012）发表的中国陆地植物叶片灰分含量的数据库（数据库来源：https://doi.org/10.1111/j.1466-8238.2011.00677.x），根据数据库中的植物种类，查阅了大量现已发表的文献，并参照Vargas et al.（2010）和Cornelissen et al.（2001）对植物菌根类型的确定方法，确定了每种植物的菌根类型，提取数据库中AM类型和ECM类型2种优势菌根类型的植物数据，建立了“我国陆地植物叶片灰分含量菌根类型数据库”。数据库中包含植物叶片灰分含量，以及该植物生长的经纬度、气温、降水量和土壤pH等环境因素的数据。将数据库中全部植物定义为“总体植物”，共有1097个植物分布于中国北纬18°—49°之间，包含603个草本植物和494个木本植物。AM类型植物共有987个，其中有601个草根植物和386个木本植物。ECM类型植物共有110个，其中有2个草本植物和108个木本植物。在此基础上，分析了2类优势菌根类型AM和ECM植物叶片灰分含量及其对气候变化响应的差异。数据库中的植物样本的纬度、年降水量、年平均气温和土壤pH等数据均采用Han et al.（2012）原数据库。

1.2 数据分析

将植物叶片灰分含量和年降水量数据进行了对数转化。对AM类型、ECM类型以及总体植物的叶片灰分含量进行单因素方差分析和置换检验，比较其之间的差异显著性。对不同菌根类型植物叶片灰分含量随纬度、年降水量、年平均气温和土壤pH的变化，则采用回归分析进行模拟。

2 结果分析

2.1 AM和ECM植物叶片灰分含量的差异

对AM类型和ECM类型以及总体植物的叶片灰分含量（Total）进行单因素方差分析，表明AM类型植物叶片灰分含量与总体植物叶片灰分含量均高于ECM类型植物叶片灰分含量（图1）。对于AM 类型植物而言，其叶片灰分含量变化范围为17.7011 — 550.0473 mg·g-1，平均为 127.8792 mg·g-1。而ECM类型植物叶片灰分含量的变化范围为 13.3999—186.8960 mg·g-1，平均为 55.3223 mg·g-1。通过置换检验分析表明，AM 类型植物叶片灰分含量显著高于ECM类型植物。进一步分析了草本植物和木本植物AM和ECM植物叶片灰分的含量（图2），表明在草本植物中，绝大多数，601个样本为AM而ECM样本仅2个，且二者的叶片灰分含量差一步显著。对于木本植物，AM叶片灰分含量（86.58 mg·g-1），极显著 ECM 植物叶片的76.7487 mg·g-1。

图1 不同菌根类型植物的叶片灰分含量Fig. 1 Ash content in leaves of different mycorrhizal type

图2 不同植物类群AM和ECM植物叶片灰分含量Fig. 2 leaf ash between AM and ECM in herbaceous and woody plants

2.2 AM和ECM植物叶片灰分含量随纬度的变化差异

总体植物叶片灰分含量随着纬的增加有极显著的增长趋势（图3，P=2.600×10-14），纬度每增加1°，叶片灰分含量增加1.0400 mg·g-1。AM和ECM植物叶片灰分含量随纬度的变化而存在明显的差异（图4，PAM=7.320×10-14，R2AM=0.1741；PECM=0.060，R2ECM=0.0325）。AM类型植物的叶片灰分含量随纬度的增加而显著增加，纬度每增加1°，叶片灰分含量增加1.0390 mg·g-1。而ECM类型植物的叶片灰分含量与纬度不具有线性回归关系。

图3 植物叶片灰分含量随纬度的变化Fig. 3 The variation of ash content in plant leaves with latitude

2.3 AM和ECM植物叶片灰分含量随年平均降水量的变化

总体植物叶片灰分含量随年平均降水量有极显著的减少趋势（图 5，R²=0.2853，P=6.342×10-82），年平均降水量每增加1 mm，植物叶片灰分含量减少2.3067 mg·g-1。AM和ECM植物叶片灰分含量随年降水量的变化具有相同的响应（图 6，PAM=8.700×10-72，R2AM=0.2782）。AM 类型植物的叶片灰分含量随年平均降水量有显著的减少趋势，年平均降水量每增加1 mm，植物叶片灰分含量减少2.1913 mg·g-1；而ECM类型植物叶片灰分含量与年降水有显著的减少趋势（PECM=0.019，R2ECM=0.05），但没有 AM类型植物敏感，年平均降水量每增加 1 mm，植物叶片灰分含量减少1.6270 mg·g-1。

图4 AM和ECM植物叶片灰分含量随纬度的变化Fig. 4 Ash content in leaves of AM and ECM plants varied with latitude

图5 植物叶片灰分含量随年平均降水量的变化图Fig. 5 Changes of ash content in plant leaves with annual average precipitation

图6 AM和ECM植物叶片灰分含量随年平均降水量的变化Fig. 6 Changes of ash content in leaves of AM and ECM plants with annual plants with annual average precipitation

2.4 AM和ECM植物叶片灰分含量随年平均气温的变化

总体植物叶片灰分含量随年平均气温的变化有显著的线性关系又有显著的二次函数关系（图 7，R²Q=0.1715，PQ=2.013×10-45；R²L=0.0538，PL=7.347×10-15），二次关系具有较好的拟合度。年平均气温在 7.9 ℃时具有最高的叶片灰分含量。AM和ECM植物叶片灰分含量随年平均温度变化有明显的差异（图8）。AM类型植物（RAM2=0.1953，PAM=3.759×10-47）叶片灰分含量与年平均气温有极显著的二次关系，并且年平均气温在8.2 ℃时具有最高的叶片灰分含量。而ECM类型植物与年平均气温之间没有显著的二次回归关系（PECM=0.086）。

图7 植物叶片灰分含量随年平均气温的Fig. 7 Ash content of plant leaves with annual average temperature

图8 AM和ECM植物叶片灰分含量随年平均气温的变化Fig. 8 Changes of ash content in leaves of AM and ECM plants with annual average temperature

2.5 AM和ECM植物叶片灰分含量随土壤pH的变化

总体叶片灰分含量随土壤pH的变化有显著地增长趋势（图 9，P=2.400×10-33，R2=0.4455），土壤pH每增加1，叶片灰分含量增加1.4355 mg·g-1。AM和ECM植物叶片灰分含量随土壤pH的变化均具显著增加的趋势（图 10，PAM=1.535×10-33，R2AM=0.4743；PECM=0.001，R2ECM=0.4744）。AM类型植物土壤 pH每增加 1叶片灰分含量增加1.4246 mg·g-1；ECM类型植物土壤pH每增加1，叶片灰分含量增加1.5606 mg·g-1；AM类型植物叶片灰分含量随土壤pH变化比ECM类型更为敏感。

图9 植物叶片灰分含量随土壤pH的变化Fig. 9 Ash content of plant leaves changes with soil pH

图10 AM和ECM植物叶片灰分含量随土壤pH的变化Fig. 10 Ash content of AM and ECM leaves varied with soil pH

3 讨论

众多研究表明，AM和ECM在生态系统中扮演着重要的角色和功能（石兆勇等，2012；Averill et al.，2014；石兆勇等，2014；Vargas et al.，2010；石兆勇等，2017）。而本研究是针对中国陆生植物叶片灰分含量来探究AM和ECM功能上不同的研究。

本研究采用了Han et al.（2012）中国陆地植物叶片灰分含量数据库，从中提取了1097个AM类型和ECM类型的优势植物叶片灰分含量数据跨越中国北纬18°—49°。总体植物叶片灰分含量的平均值为120.5869 mg·g-1，与源数据库中植物叶片灰分含量平均值122.4898 mg·g-1相似，并且总体植物叶片灰分含量随纬度、气温、降水以及土壤pH的变化的响应也与Han et al.（2012）的研究结果一致。由此可见，本研究使用的菌根类型植物叶片灰分含量数据库与Han采用的中国陆地植物叶片灰分含量数据库基本一致，并且具有一定的代表性，进而证明了 Han使用的数据库中植物以 AM 类型植物和ECM类型植物为主。

结果显示，AM类型植物叶片灰分含量远高于ECM类型，这可能是由于两种菌根对植物吸收矿物质元素以及向叶片运输积累存在差异。AM真菌不仅能够促进植物对锌、硒、磷、钾、钙和铜等矿物质元素的吸收（苗秀妍，2019），还能促进向地上部分运输，提高植物叶片中矿质元素的积累量，也能够提高植物净光合速率（宋亚利，2015）。虽然ECM 真菌能够风化矿物提高土壤中的营养成分促进植物对营养物质的吸收（魏松坡等，2014），但是ECM真菌没有促进营养物质向地上部分运输以及积累，所以ECM类型植物的叶片灰分含量低于AM类型。也有可能是ECM类型植物叶片灰分含量数据所占比重较少，这是由于菌根类型植物分布有关，在陆生植物中有80%以上的植物能与AM真菌形成互惠共生关系（Smith et al.，2008），而ECM真菌只能与少量的宿主植物结合（Allen et al.，1995）。本研究数据库中有 987个 AM 类型和 110个ECM类型，基本符合AM和ECM在生态系统的分布情况，并且进一步表明包括总体植物叶片灰分含量数据与AM类型没有显著差异，而与ECM类型有显著差异。

AM类型植物叶片含量随纬度的升高而增加，而ECM类型植物叶片灰分含量与纬度变化没有显著的关系。有研究表明，AM真菌的分布存在着地理分布格局（杨海水，2018），所以 AM 类型植物叶片灰分含量可能受到相应的影响产生随纬度变化现象。本研究中，AM类型植物叶片灰分含量随纬度变化的趋势与Han et al.（2012）研究结果中叶片灰分含量随纬度的变化趋势相近似。由于植物叶片灰分含量随纬度变化关系的研究较少，具体的原因需要进一步的探究。

石兆勇等（2012；2014；2017）研究表明，AM类型和ECM类型植物净初级生产力随着年降水量和气温的变化的响应不同，并且对植物不同部位净初级成产力响应也不同，其中AM类型植物叶片净初级生产力随降水的变化比ECM类型植物更为敏感，ECM类型植物叶片净初级生产力随气温的增加而增加，而与AM没有明显规律。不同菌根类型植物叶片的总初级生产力关于气温和降水变化响应也有所不同。以上研究均表明，不同菌根类型植物叶片特征随气候变化响应均有不同。叶片灰分含量作为植物叶片特征之一，本研究也证明了不同菌根类型植物叶片灰分含量随气温和降水的变化响应不同。由于本研究是第一次探究，具体原因有待以后研究。

AM类型植物和ECM类型植物叶片灰分含量随土壤pH的升高均出现升高的现象。这种现象可能是由于土壤pH影响菌根的生长，进而影响到植物对矿质元素的吸收以及向叶片的转运和积累。研究表明，根际土壤的pH对于菌根的生长有一定的影响（温祝桂等，2012），并且菌根真菌的侵染率与pH呈直接负效应（方燕等，2010），贺学礼等（2011）研究也表明菌丝的侵染率也与土壤pH显著负相关。菌根真菌侵染率和菌丝侵染率影响菌根的生长，进而影响植物对于矿质元素的吸收、转运和积累。