天然草原球囊霉素相关土壤蛋白及其影响因素研究进展

鲁国庆，丁 莉，白皓天，张建军，杨 鑫,2*

(1.宁夏大学农学院，宁夏银川 750021；2.宁夏草牧业工程技术研究中心，宁夏银川 750021)

球囊霉素相关土壤蛋白(glomalin-related soil protein,GRSP)是丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)产生的一种含有热稳定、黏性和疏水性的糖蛋白[1-2]，它主要由AMF的根外菌丝产生，当根外菌丝死亡后GRSP从菌丝表面脱落进入土壤[3]。 GRSP的主要功能体现：①在AMF根外菌丝形成保护层，以防止菌丝内养分损失和抵抗土壤原生动物的侵袭[4]；②起到“土壤胶水”的作用，黏结土壤颗粒，利于土壤团聚体形成[1,5]，改善土壤结构；③GRSP自身碳(carbon,C)较高，利于土壤碳固持[4]；④络合土壤中镉(cadmium,Cd)、铅(plumbum,Pb)等元素，缓解土壤重金属离子富集[1,6-7]。

近年来，GRSP在草原、森林生态系统土壤碳固持[8-9]、脆弱生态系统水土保持[10-11]、耕地质量提升[12-14]方面发挥着重要作用，已逐渐成为当前草原生态学、土壤学与水土保持和荒漠化防治研究的热点[14-15]。现有研究发现，土壤GRSP含量受到降雨、土壤肥力、土壤pH等非生物因子，以及放牧、刈割、AMF种类与植物种类等生物因子的影响[4]。目前对于天然草原球囊霉素相关土壤蛋白及其影响因素缺乏清晰理解。因此，该研究系统梳理生物因子、非生物因子及其二者交互作用对天然草原GRSP含量及分布格局的影响，以期明晰天然草原生态系统GRSP含量的变化与调控过程。

1 影响球囊霉素相关土壤蛋白的生物因子

1.1 AMF种类土壤GRSP(图1)的积累和组成受多种生态环境因子的影响，如气候条件、植被类型、土壤特性、AM真菌组成等[17]。研究证明，不同AMF种类能影响总球囊霉素(total glomalin-related soil protein,TG)与易提取球囊霉素(easily extracted glomalin-related soil protein,EEG)的含量[3]。Wright等[18]发现,在极大巨孢囊霉(Gigasporagigantea)、根内根孢囊霉(Glomusintraradices)和幼套近明球囊霉(Glomusetunicatum)分泌的GRSP含量存在显著差异；极大巨孢囊霉(G.gigantea)中GRSP含量显著高于其他AMF物种。Lovelock等[19]通过比较AMF种类对GRSP含量的影响，发现GRSP的分泌量：毛氏无梗囊霉(Acaulosporamorrowiae) > 玫瑰红巨孢囊霉(Gigasporarosea) > 幼套近明球囊霉(Glomusetunicatum) > 根内根孢囊霉(Glomusintraradices)，不同AMF种类根外菌丝产量的差异是影响GRSP含量的主要因素。Saidi等[20]分析9种AMF种类的GRSP分泌量时发现，疣突斗管囊霉(Glomusverruculosum)和变形球囊霉(Glomusversiforme)GRSP分泌量分别为1.29和1.17 mg/g，而细凹无梗囊霉(AcaulosporaScrobiculata)分泌量仅为0.17 mg/g，GRSP分泌量的显著差异可能来自AMF自身活性及对环境胁迫的响应。不同AMF种类共同构成天然草原土壤AMF群落，原位条件下AMF种类及多度变化可能是影响GRSP含量的潜在驱动因子。

图1 丛枝菌根真菌根外菌丝表面球囊霉素相关土壤蛋白特征[16]Fig.1 Glomalin-related soil protein in extraradical hypha of arbuscular mycorrhizal fungi[16]

1.2 植物种类不同植物种类因其自身光合特征(C3途径与C4途径)和根系构型(直根系与须根系)对AMF存在分异响应。Meta分析的研究结果发现，非固氮阔叶类草(non-N-fixing forbs)、C4禾草(C4grasses)与木本植物(woody plants)的菌根生长响应高于C3禾草(C3grasses)与固氮植物(N-fixing plants)[21]。高菌根依赖性植物通常为AMF供给更多的C源，为GRSP形成提供潜在物质基础。已有研究发现，植物种类能够有效调控GRSP分泌量[22]，不同植物根际GRSP含量呈现显著差异(表1)。此外，Violi等[31]研究发现，宿主植物的生长发育速率及营养情况与GRSP分泌量呈正相关关系。许伟等[29,32]研究我国西北地区荒漠植物GRSP含量时发现，草本植物种类与土层深度是影响易提取球囊霉素(EE-GRSP)与总球囊霉素(T-GRSP)含量的主要因素。徐道龙[27]研究6种珍稀濒危植物时发现，木本植物种类是影响植物根际EE-GRSP与T-GRSP的主要原因。

表1 不同植物种类根际土球囊霉素相关蛋白含量统计Table 1 The content of glomalin-related soil protein (GRSP) in rhizosphere in different kinds of plant species

1.3 草原类型与土层深度草原类型因其优势种的菌根依赖性与植物物种多样性的差异，能够强烈改变AMF群落组成与多度[33]。目前，针对不同草原类型研究对象为EE-GRSP与T-GRSP(表2)，发现草原类型之间存在明显差异。气候湿润且净初级生产力较高的温性草甸草原土壤表层(0～10 cm)EE-GRSP与T-GRSP含量分别为2.06、2.43 g/kg[34]，然而荒漠生态系统土壤表层EE-GRSP与T-GRSP含量分别为0.25、0.34 g/kg[27]。此外，由表2可知，EE-GRSP与T-GRSP含量及其占 SOC的比例随土层加深下降明显[39]。陈颖等[40]在荒漠油蒿根围土壤发现，T-GRSP含量在0～20 cm土层含量最高，随土层深度增加而剧烈递减，且EE-GRSP含量随土层深度增加波动较大。曹丽霞等[9]、阙弘等[41]、Liang[42]均证实EE-GRSP与T-GRSP含量随土层深度递减的规律。贺学礼等[32]研究发现，除SOC与EE-GRSP和T-GRSP含量显著相关外，pH、电导率、碱解氮、磷、速效磷、钾、速效钾可能是影响EE-GRSP和T-GRSP含量的非生物因素。

表2 不同草原类型土层深度土壤球囊霉素相关土壤蛋白含量Table 2 The content of Glomalin-related soil protein (GRSP) in soil depth in different grassland types

1.4 放牧放牧是天然草原主要的管理措施之一，放牧强度、放牧时间及其与降雨、氮沉降等非生物因子互作能够强烈影响植物与AMF的共生关系[43]，是影响草原土壤EE-GRSP与T-GRSP含量的重要生物因子[44]。已有研究发现，与禁牧处理相比，过度放牧显著降低植物根系侵染率、孢子密度和菌丝长度[44]。温性典型草原调查研究指出，放牧强度能够显著影响该类型草原土壤中GRSP含量；坡地系统中T-GRSP含量随放牧强度的增加而降低；平地系统中T-GRSP含量对放牧强度的响应存在阈值(放牧强度4.5只羊/hm2)，即T-GRSP含量随放牧强度的增加呈“先升后降”趋势[45]。贺海升[46]研究发现，适度放牧(放牧强度为1.5只羊/hm2)有利于土壤EE-GRSP产生和T-GRSP、土壤有机碳、有机氮的积累，保证草原土壤养分的持续供应，这样不仅可以提高T-GRSP含量，又能充分发挥球囊霉素生态功能。若放牧强度过大，放牧采食造成植物向地下C分配降低，进而可能削弱AMF分泌GRSP的能力[47]。贺海升[46]进一步发现，放牧强度与土层深度对GRSP含量具有显著交互作用；不同放牧强度样地的表层土壤GRSP含量显著高于深层，且表层土壤GRSP含量对放牧强度更敏感。

2 影响球囊霉素相关土壤蛋白的非生物因子

2.1 土壤含水量天然草原土壤含水量是EE-GRSP与T-GRSP产生和分解的重要参数[48]。王启[49]对温性典型草原的研究发现，EE-GRSP与T-GRSP含量与土壤含水量呈显著正相关。然而，其他研究结果发现，一定程度干旱胁迫有助于AMF分泌GRSP[50]。其潜在过程是，一定程度干旱胁迫有助于增加植物向AMF的C分配，进而刺激GRSP的产生[51]。张娇阳等[11]通过比较不同坡向土壤GRSP含量时发现，土壤含水量呈现阳坡 > 半阳坡 > 阴坡，不同坡向土壤GRSP含量与土壤含水量变化规律基本一致[52]，Lutgen等[53]进一步指出，EE-GRSP与T-GRSP含量对土壤含水量的响应存在分异性：T-GRSP含量和土壤含水量呈负相关关系，而EE-GRSP含量与土壤含水量呈正相关关系。可见，土壤含水量变化对草原GRSP含量的影响尚无清晰规律，有待于进一步探究。

2.2 土壤肥力土壤肥力，特别是土壤有效P水平，影响着天然草原土壤AMF的多度和多样性[54]。原位控制试验的证据表明，P肥田间有效降低草原植物根系AMF侵染率[55]与土壤中EE-GRSP含量[21]。王启[34]在草甸草原的研究中也发现土壤有效磷与GRSP含量显著相关。除土壤速效磷外，土壤有机碳、全氮也是影响GRSP含量的重要因素。王诚煜等[56]通过系统调查内蒙古3种草原类型(温性草甸草原、温性典型草原与荒漠草原)EE-GRSP与T-GRSP含量及分布特征后，发现GRSP含量与土壤有机碳、全氮含量和土壤C/N呈显著正相关。此外，荒漠生态系统中，优势植物沙打旺(Astragalusadsurgens)根际GRSP含量与土壤SOC含量呈显著正相关关系[30]。天然草原生态系统通常存在N限制，AMF具有比植物更低的C∶N，因而AMF对N的需求比植物更高[57]。青藏高原高寒草甸的控制试验结果发现，添加10 g/m2N后土壤GRSP含量显著升高[38]。

2.3 土壤pH过量施肥诱导的天然草原土壤酸化现象，已成为当前草地生态学研究的热点之一[58-59]。已有证据表明，除土壤有效P外，土壤pH是影响土壤AMF多度及群落组成的重要非生物因子[60]。来自我国松嫩草地的样带调查发现，EE-GRSP与T-GRSP含量与土壤pH呈显著负相关；土壤pH越低，EE-GRSP与T-GRSP含量越高[61]。产生上述结果的原因为：土壤酸化诱导铁(Fe)、铝(Al)氧化物增加，进而使GRSP分解速率降低，更利于土壤中GRSP累积[4]。

2.4 土壤质地与结构Rillig等[62]证明，土壤质地能够影响AMF分泌GRSP的能力。T-GRSP和EE-GRSP含量随土壤体积密度的增加而降低[63]。团聚良好的土壤通常具有较低的容重，能够利于AMF生长及根外菌丝延长，GRSP含量通常较高[64]。毕银丽[65]研究发现，GRSP含量与土壤容重呈负相关关系，土壤紧实度增加能够抑制植物的菌根侵染率和菌丝密度，进而造成土壤中GRSP含量降低。此外，张丛[66]通过研究温性典型草原不同退化梯度草地(未退化、轻度退化、中度退化、重度退化)时发现，草地退化显著降低土壤T-GRSP含量；退化对粒径> 2 mm和0.250～0.053 mm土壤团聚体中EE-GRSP含量影响较大，对粒径2.00～0.25 mm和< 0.053 mm土壤团聚体中T-GRSP含量影响较大。

4 展望

近年来， GRSP结构与功能的研究已取得长足的进步，对人们进一步认识AMF的“非营养”功能提供大量证据。然而，深入理解和认识天然草原GRSP含量、分布特征及变化过程，还存在较大困难，未来需要草学、生态学、水土保持与荒漠化防治学者的关注和探究。

4.1 全球变化(增温、降雨、氮沉降、CO2等)多因子互作对GRSP含量的影响工业革命以来，全球气候变化与人类不合理土地利用已强烈影响草原生态系统结构与功能[67-68]。全球变暖会使土壤有机碳分解加剧，进而不利于草原土壤碳固持；GRSP作为土壤碳库的重要组成部分，其形成与分解过程对增温的响应依然鲜见报道。放牧、施肥和围封等草原管理措施均会影响GRSP含量与分布特征，以往研究结果多集中于单因子控制试验。然而，全球变化因子与草原管理措施是否对GRSP含量具有互作效应，还缺乏清晰认识。因此，开展多因子交互试验，有助于进一步认识和理解天然草原生态系统GRSP含量的动态变化过程。

4.2 生物和非生物因子在不同土层深度对GRSP含量影响过程尚不明确已有大量报道发现，GRSP随土壤深度而逐渐降低[30，56]。然而，关于T-GRSP含量、T-GRSP/SOC以及其对生物与非生物因子的响应多集中在天然草原生态系统表层土壤，深层土壤的GRSP含量及其与植物根系、AMF特征、土壤养分的内在联系缺乏深入和系统的研究。未来的GRSP相关研究，需要充分考虑其垂直分布格局以及与土壤性质和气候变化有关的潜在调节机制。

4.3 GRSP与土壤团聚体的关系GRSP能够起到“土壤胶水”的作用，能够将土壤颗粒紧密连接，形成土壤团聚体[8]。迄今，关于天然草原生态系统土壤团聚体组成与GRSP协同变化的研究还相对较少。草原进展植被演替过程中，GRSP在各级团聚体的积累和分配过程，尚不清楚[69]。未来应着手探究土壤团聚体与GRSP含量的关系，进一步理解GRSP在形成土壤团聚体过程中的作用，为我国退化草原修复与功能提升，受损生态系统水土保持与荒漠化防治提供理论指导与试验依据。