红松人工林生物群落与根朽病发生的相互关系

张 平，解光强，田 桢，刘志华，王立海

（1.东北林业大学 森林持续经营与环境微生物工程黑龙江省重点实验室，黑龙江 哈尔滨 150040；2.沈阳农业大学 林学院，辽宁 沈阳 110866）

红松Pinus koraiensis为我国重要的濒危树种，以优质的木材经济学价值而闻名中外，也是世界上最耐火的树种之一，在涵养水源、保持水土流失和物种多样性等方面发挥着重要的生态学功能[1-2]。但是在全球气候环境变化下，红松病虫害发生日益严重，已知报道的有红松根朽病Armillaria ostoyae、立枯病Rhizoctonia solani、疱锈病Cronartium ribicola和烂皮病Cytospora chrysosperma等[3-5]。其中最为严重的是根朽病，发病植株地上部表现为树势衰弱，叶片变小、稀疏和发黄；地下部根腐烂，皮层内可见白色扇形菌膜，发病严重时可导致整个树干基部皮层开裂、脱落。感病红松根部的边材和心材被病原菌侵染后，菌丝延伸到树干基部，在树干基部和近地面部位生长出子实体，该病主要由奥氏蜜环菌Armillaria ostoyae侵染引起[6]。因此，对病害发生地的红松进行调查，用于指导该病的防治任务迫在眉睫。

生物群落能反映在相同时间、同一区域环境下个体树与群体间的相互作用关系，立地的群落因子与病害的发生关系密切[7-9]，在林木病害中，冠幅的大小与病原孢子的传播密切相关，胡瑞瑞等[10]通过对赤松Pinus densiflora纯林赤枯病Pestalotiopsis funerea的调查中发现赤松冠幅越大，病情指数和发病率越低。王静等[11]研究发现杨树溃疡病Botryosphaeria ribis与胸径和树高呈负相关，并且在不同指标中，个体优势度之间存在差异。张茜等[12]研究发现不同管理措施对降香黄檀Dalbergia odorifera叶部病害发生影响极显著。因此，营造合理的立地结构对于树木的生长发育和提高抗病能力至关重要。董莉莉等[13]通过对蒙古栎Quercus mongolica中度和弱度的间伐，发现间伐能够促进树木胸径的生长，进而减少病害导致的枯死率。当林分结构某一主导因子发生改变时，减少了物种多样性与种内之间的竞争，加剧了寄主之间对林内有限资源的利用，导致病害的发生[14-16]。叶建仁等[17]还通过对林分结构与叶部病害的发生建立回归模型分析，用于指导实践工作。

课题组在之前的研究中指出，影响红松干基腐朽的发生与土壤理化性质相关，土壤含水率和土壤有机质含量越高，红松干基腐朽发生程度越高。其次是与土壤全N，土壤pH 值、容重、时效P 和水解N 含量相关[18]。徐华东等[19]通过对红松根际土壤培养的微生物进行人工分离，发现根部土壤优势菌主要为细菌，其次是放线菌和真菌，并且真菌和放线菌数量与红松干基腐朽的发生程度呈正相关，但坡向和海拔高度与腐朽率相关性差异不显著。Michael 等[20]研究发现导致挪威云杉Picea abies的干基腐朽与林地肥力，林分年龄，土壤有机质含量和林地温度有关。而与降水，地块坡度，地块纵横比，沟渠，林分密度和海拔高度无关。在林地的实际调查中发现，影响红松干基腐朽的病原菌主要为奥氏蜜环菌，对于该菌引起的病害防治通常是使用化学药剂（30%高效多菌灵）进行灌根处理，而相关文献缺乏生物群落与根朽病发生关系的调查报道。本研究以红松根朽病为为研究对象，分别以平均林分密度、树高、树龄、胸径、草本盖度、冠幅、子实体个数、伤口个数等8 个生物群落指标，探究与该病害发生的相互关系，以期为该病防治提供一定的参考依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究地点为黑河市林场，该地区位于黑龙江省小兴安岭北部山麓（125°33′～129°09′E，47°12′～49°36′N），属于寒温带大陆性季风气候，全年降水量500～550 mm，有效积温1 950～2 300℃，无霜期90～120 d，土壤类型以草甸土和黑土为主，黑土层深度在30 cm 左右。林分类型有针混林、人工纯林、阔混林、天然林，主要树种为红松、兴安落叶松Larix gmelinii、白桦Betula platyphylla等，该地也是中国红松林分布的最北端。主要病害有红松根朽病、立枯病、疱锈病和烂皮病，其中，发病最为严重的是根朽病。调查时间为2018年7—10月，选取坡向一致，林相相对整齐的红松人工纯林，共设立35 个样地，每块样地大小100 m×100 m,各生物群落的主要特征如表1所示。

表1 样地生物群落特征Table 1 Characteristics of the site forest factors in study plots

1.2 调查方法

对样地内的全部红松采用迂回式逐棵调查，根据公式计算发病率，公式为：发病率=发病棵数/总棵数×100%。使用直径5.15 mm 生长锥对红松干部距离地面1 m 处打孔取样。根据木芯的色变长度计算色变率，公式为：色变率=色变木芯长度/总长度×100%。结合树皮外观特征对红松根朽病病害进行分级后（表2），并计算病情指数，公式为：病情指数=S(病级株数×代表值)/(总株数×最高病级代表值)×100%，并根据木芯的年轮数统计树龄。取样后木芯再次放入取样口，并注射2 mL 浓度30%高效多菌灵稀释液，防止伤口被病原菌侵染和昆虫蛀害。调查的伤口选择断面直径大于1 cm，选取树木的平均密度、树高、树龄、胸径、草本盖度、冠幅、子实体个数、伤口个数等8 个常见生物群落指标，通过样地内调查的所有样本计算而来。

1.3 数据分析

通过Excel 2019 软件对数据进行整理，使用Origin 2020（学习版）软件对所有统计数据进行单因素方差分析（ANOVA）和Doocon 对处理组和对照组进行多重比较，并制作双轴柱图和散点图。使用Canoco 5.0 软件对所有生物群落进行冗余分析。

表2 红松根朽病分级标准Table 2 The Armillaria ostoyae root rot disease grading standards of the P.koraiensis

2 结果与分析

2.1 红松根朽病分布特征和生物群落的筛选条件

本研究选取林分密度、树高、树龄、胸径、草本盖度、冠幅、子实体个数、伤口个数等8 个生物群落，作为影响红松根朽病的发生指标，以发病率和和病情指数作为评判标准，共调查了35块样地。由表3得出，红松根朽病发病样地占总样地85%，其中发病率在0＜DI≤15 的样地为14 块，占调查总样地数的40%。所有调查样地中，红松根朽病病情指数在0＜DSI≤20 区间的样地为14 块，占调查总样地数40%。

表3 红松根朽病分布特征Table 3 Distribution characteristics of the Armillaria ostoyae root rot disease of P.koraiensis

2.2 林分密度和冠幅对红松根朽病发病率和病情指数的影响

将林分密度分为4 个组，由图1A 得出，发病率和病情指数随着林分密度的增加呈现上升趋势，差异显著（P＜0.05）。其中，高密度林（657～900株·hm-2）的发病率和病情指数达到最大平均值，分别为26.88%和69.45%。相关性结果表明（图2A—B），发病率和病情指数与林分密度呈正相关，二者方程分别为y=12.42+0.78x（R2=0.19，P＜0.05）和y=38.2+2.07x（R2=0.18，P＜0.05）。由图1B 得出，冠幅的大小与发病率和病情指数整体呈现下降趋势，差异显著（P＜0.05），冠幅在10.72～14.28 m 间达到最小平均值，发病率和病情指数分别为10.23%和18.89%。发病率和病情指数与冠幅的大小呈负相关，差异显著（P＜0.05），二者的方程分别为y=34.89-0.96x（R2=0.26，P＜0.01）和y=15.38-0.47x（R2=0.05，P＜0.05）。

图1 红松根朽病在各生物群落中的分布状况Fig.1 The distribution of P.koraiensis Armillaria ostoyae root rot disease in biocenosis

续图1Continuation of Fig.1

2.3 树高和胸径对红松根朽病发病率和病情指数的影响

由图1C 得出，不同树高在发病率和病情指数上差异显著，树高在24.4～32.55 m 间达到最大平均值，分别为23.21%和32.15%。相关性分析结果得出（图3A—B），树高与发病率和病情指数呈正相关，二者的方程分别为y=14.85+1.36x（R2=0.99，P＜0.05）和y=13.30+1.99x（R2=0.13，P＜0.05）。由图1D 得出，胸径与发病率在55～81、82～108 cm 间差异不显著，在20～27、55～81 cm 间差异显著，而胸径和病情指数在82～108 cm 中达到最大平均值为42.45%，差异显著。相关性分析结果表明（图3C—D），发病率和病情指数与胸径呈现正相关，二者的方程分别为y=10.53+1.43x（R2=0.14，P＜0.05）和y=21.76+2.05x（R2=0.17，P＜0.05）。

2.4 草本盖度和树龄对红松根朽病发病率和病情指数的影响

由图1E 得出，草本盖度与发病率差异显著，在110.74%～147.64% 间达到最大平均值18.61%，而草本盖度和病情指数在36.92%～73.82%、73.83%～110.73% 间差异不显著。相关性分析结果表明（图4A—B），发病率和病情指数与草本盖度呈现正相关，二者的方程分别为y=8.24+0.39x（R2=0.48，P＜0.01） 和y=13.19+0.46x（R2=0.13，P＜0.05）。由（图1F）得出，树龄与发病率差异显著，树龄越大，发病率和病情指数越大，其中，树龄在37～50 a 分别达到最大平均值为43.21%和68.23%。相关性分析结果表明（图4C—D），树龄与发病率和病情指数呈正相关，二者的方程分别为y=8.55+1.54x（R2=0.34，P＜0.05）和y=16.24+2.05x（R2=0.27，P＜0.05）。

2.5 子实体和伤口个数对红松根朽病发病率和病情指数的影响

由图1G 得出，伤口个数与发病率差异显著，伤口个数在140～185 个达到最大平均值为40.36%，而伤口个数和病情指数在平均值47～92个、93～139 个间差异不显著。相关性分析结果表明（图5C—D），树龄与发病率和病情指数呈正相关，二者的方程分别为y=8.77+1.50x（R2=0.26，P＜0.01）和y=12.09+2.45x（R2=0.54，P＜0.05）。由图1H 得出，子实体个数与发病率差异显著，在66～91 个达到最大平均值34.11%，而子实体个数和病情指数在23～44 个、45～65 个差异不显著。相关性分析结果表明（图5A—B），发病率和病情指数与子实体个数呈现正相关，二者的方程分别为y=8.84+0.74x（R2=0.85，P＜0.01）和y=19.73+0.69x（R2=0.56，P＜0.05）。

图2 林分密度和冠幅对红松根朽病发病率和病情指数的影响Fig.2 Disease incidence and disease severity of Armillaria ostoyae root rot in response to P.koraiensis tree stand density and crown cover

图3 树高和胸径对红松根朽病发病率和病情指数的影响Fig.3 Disease incidence and disease severity of Armillaria ostoyae root rot of P.koraiensis in response to tree height and diameter at breast height

图4 草本盖度和树龄对红松根朽病发病率和病情指数的影响Fig.4 Disease incidence and disease severity of Armillaria ostoyae root rot in response to P.koraiensis tree herb cover grade and stand age classification

图5 子实体个数和伤口数量对红松根朽病发病率和病情指数的影响Fig.5 Disease incidence and disease severity of Armillaria ostoyae root rot of P.koraiensis tree in response to fruiting body and wound number

2.6 RDA 筛选重要因子

从图6可以得出，轴1（F=13.65，P=0.02）和所有轴（F=8.81，P=0.01）差异显著，表明排序结果能反映生物群落对红松根朽病发病率和病情指数的影响。其中，对红松根朽病发病率影响最大的生物群落为子实体个数，差异显著，呈正相关，子实体越多，发病率越大；冠幅与发病率呈负相关，差异显著，冠幅越小，发病率越大。其次，对病情指数影响最大的生物群落为伤口个数，差异显著，呈正相关，伤口个数越多，病情指数越大；冠幅与病情指数呈现负相关，差异显著，冠幅越小，病情指数越大。

图6 生物群落对发病率和病情指数RDA 排序图Fig.6 RDA sequence diagram of forestation factor on disease incidence and disease severity

3 结论与讨论

3.1 讨 论

本研究选取林分密度、树高、树龄、胸径、草本盖度、冠幅、子实体个数、伤口个数等8 个生物群落进行分析，发现这些指标影响红松根朽病的发病率和病情指数。其中林分密度会影响根朽病发病率和病情指数，而且差异显著，整体呈现上升趋势。原因主要包括以下3 个方面：

首先，林分密度大，植株相对集中，通风性差，不利于林间和土壤水分的散失，水分过多，根呼吸受阻，细胞产生毒害，红松抗病能力下降，导致红松根朽病的发生。在先前的研究中也证实了土壤含水量的大小与该病的发生呈正相关[21]，Van der PAS[22]同样证实在对新西兰辐射松Pinups radiata根朽病的发病率与土壤含水率密切相关，也是造成各地区根朽病病情差异的原因。

其次，推测在风等外界因素影响下，与红松枝叶之间的相互摩擦有关，病原菌更容易从伤口部位侵入。为了验证这一推测，我们对子实体和伤口个数做了调查，研究发现子实体个数对红松根朽病的发病率和病情指数差异显著，呈现整体上升趋势。子实体为真菌产孢的生殖体，其个数的多少影响孢子的浓度，孢子浓度的大小直接影响病害的发生程度[23]。在一些类似的报道中，闫征远等[24]证实感病小麦Triticum aestivumL.病情指数与孢子的浓度呈正相关。而伤口个数的多少影响病原菌孢子入侵的机会，本研究中发现随着伤口个数的增加，发病率与病情指数呈现上升趋势，说明伤口对于根朽病的发生很关键，这一结果与Kim 等[25]的研究结果类似。在枝干病害的类似研究中还发现，通过采取不同方式对猕猴桃溃疡病Pseudomonas syringaepv.actinidiae，Psa 病原菌进行人工接种，发现直接从伤口接种的发病率最高，达到100%[26]，该结果与本调查推测的结果一致。

除此之外，林分密度的加大，导致生境内生物之间竞争加大，使红松抗病能力降低，导致该病害发生[27]。为了验证这一推测，对草本盖度做了调查，研究结果表明，病情指数在草本盖度（36.92%～73.82%、73.83%～110.73%）间差异不显著，但整体呈上升趋势。一些研究表明，海南降香黄檀主要叶部病害病原为胶孢炭疽菌Glomerella cingulata，能够寄生在林下草本、灌木叶片中，草本盖度越丰富则病原菌繁殖能力越强，病害发生越严重[28-29]。但对于枝干病害而言，在实际调查中发现，一些草本植物在死亡后，植株上也会长出子实体，根部表面可见白色菌膜。推测草本盖度的增加可能会提高根朽病的发生率。其中根朽病的传播途径有两种，一种是病原菌通过风、昆虫等媒介传播后，从伤口、气孔等部位侵染，另一种通过地下交错的根进行传播并侵染。染病的草本植物间接对健康红松根部进行了侵染，进而导致红松根朽病的发生，但这一结论需要进一步深入研究证实。

在自然条件下，各个生物群落因子与病害的发生是相互作用，相互协调的，且任意的两个因子存在高度相关性，RDA 冗余分析可以进一步去除相互影响的成分[30]。本研究结果表明子实体个数越大，发病率越高，伤口个数越多，红松根朽病发病越严重。二者对于红松根朽病的诊断与预防至关重要，一方面，根朽病通常最初在根部发病，逐步蔓延到干基内，通过外观形态我们不容易进行判断。虽然可以通过阻抗仪、X 射线等仪器检测，但有一定局限性，容易受含水率、气候的影响，并且需要相关技术人员操作。而通过子实体个数来判断根朽病发病程度更为方便和准确。另一方面，提醒林业工作者要对红松修枝、自然灾害和人畜破坏等造成的伤口加以保护，防止病原菌的侵染。值得注意的是，应加大松塔采集机械的研发力度，通过人工打枝采集，间接也会对红松枝干造成伤口，导致病害的发生。虽然子实体数量与红松根朽病病害的发生有一定相关性，但这个指标只能对中晚期发病红松进行判断，早期发病红松往往无子实体产生。在下一步研究中，我们将开发环介导等温扩增技术用于早期红松根朽病的检测。

3.2 结 论

本研究对黑河林区红松根朽病进行了调查，发现该病普遍发生，个别样地发病较重。其发病率和病情指数在林分密度、树高、树龄、胸径、草本盖度、冠幅、子实体个数、伤口个数等指标中存在差异。相关性分析表明，冠幅与发病率和病情指数呈负相关，其余生物群落指数为正相关。通过从整体上对红松根朽病发生的因子进行排序，结果表明：冠幅、子实体个数和伤口个数贡献值最大，建议林业工作者对红松进行合理间伐和修枝的同时，应对修枝的伤口加以保护，并通过对子实体的个数预测红松根朽病的发病程度。