氮和生物炭添加对毛竹林AMF侵染率和孢子密度的影响

史雪荣　黄宏亮　季杭翔等

关键词：毛竹；氮沉降；生物炭；丛枝菌根真菌；侵染率

中图分类号：S718.81 文献标识码：A 文章编号：1001-1498（2023）04-0165-08

丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）能够增强植物根系对养分的获取能力，而植物为其提供生长所需的碳源，两者形成互惠共生的丛枝菌根。研究表明，AMF能与90%的维管植物形成丛枝菌根，其中AMF侵染率和孢子密度被用作表征共生关系的紧密程度。AMF的定殖和产孢与营养元素和地下生物量存在密切的关系。此外，AMF侵染率和孢子密度也可以一定程度反映AMF对生存策略的选择，对了解寄主植物的生长发育状况具有重要意义。以往研究主要集中在农田生态系统中，如冬小麦（Triticum aestivum Linn.）、蚕豆（Vicia faba Linn.）等。由于森林根系较复杂，目前对森林生态系统的研究较少。

毛竹（Phyllostachys edulis （Carriere）J.Houz.）是我国亚热带地区分布最为广泛的竹种，其面积为467.8万hm²，占我国竹大面积的73.0%，且有不断增加的趋势。毛竹具有独特复杂的根鞭系统，根冠比（0.37～0.50）远高于其他森林生态系统，这可能导致毛竹林土壤AMF特征与其他森林存在差异。因此，亟需加强对毛竹林土壤AMF特征的研究。此外，毛竹林分布区是我国氮沉降最严重的地区之一（30.7 kg·hm^-2·yr^-1），大量的氮输入会导致土壤pH、有机质含量和C：N降低，势必会影响AMF的特征。然而，关于氮添加对AMF侵染率和孢子密度影响的研究存在争议。例如，陈良华等发现施氮显著降低了杉木（Cunninghamia lanceo/ata （Lamb.） Hook.）AMF侵染率，而汪鹞雄等发现氮添加会显著提高杉木AMF侵染率，Wang等发现长期施氮显著降低了玉米（Zea mays Linn.）和小麦的AMF侵染率和孢子密度。目前，氮添加对毛竹林AMF的影响知之甚少。

生物炭是由生物质在缺氧条件下热裂解而成的芳香类化合物，具有多孔道、表面积巨大的特性。生物炭作为一种土壤添加剂，已被广泛用于农业生态系统中。研究表明，施用生物炭提高了土壤的孔隙度、pH和含水率，同时增加土壤中营养物质的含量，尤其是氮、磷含量。王策等研究发现添加生物炭可以有效提高土壤中有机质含量，改善土壤团粒结构和微生物群落结构。然而，在大气氮沉降导致的土壤酸化和养分失衡背景下，添加生物炭对毛竹林土壤AMF的影响及其调控机制尚不清楚，相关研究亟待开展。本文以毛竹林为研究对象，探讨了不同水平的氮和生物炭添加对毛竹林AMF侵染率和孢子密度以及土壤理化性质的影响，以期从AMF共生关系角度为全球变化背景下毛竹林的可持续经营提供科学参考。

1.3样品采集和测定

2020年5月，采用土钻法在每个样地0～20cm土层随机取10钻土，采集毛竹根际土和根系样品。用抖根法收集根系表面的土壤，将根系和根际土样品分别置于无菌袋内用4℃便携式恒温箱带回实验室。剔除土壤样品中的石块、枯叶等杂物后，过2mm土筛，一部分鲜土放置在4℃冰箱内低温保存，用于测定土壤微生物量碳（MBC）、可溶性有机氮（DON）和含水率（SWC），另一部分自然风干后测定AMF孢子密度和其他土壤理化性质。根系样品用于测定AMF侵染率。

采用改良的酸性品红染色法染色后用网格交叉法测定AMF侵染率；采用湿筛倾析-蔗糖离心法测定孢子密度。采用氯仿熏蒸-K₂SO₄浸提法测定MBC含量；采用TOC分析仪测定DON含量；采用烘干法测定SWC；土壤pH测定采用1：2.5土水质量比，使用pH计（FE20；MettlerToledo，Switzerland）测定；土壤有效氮（AN）含量经过碱性溶液水解后用扩散法测定；采用盐酸氟化胺浸提，钼锑抗比色法测定土壤有效磷（AP）含量。

1.4统计分析

利用SPSS 25软件进行统计分析。利用单因素方差分析（One-way ANOVA）和最小显著差法（LSD）分析不同处理下土壤理化性质、AMF侵染率和孢子密度的差异显著性。可重复双因素方差分析氮和生物炭添加及其交互作用对土壤理化性质、AMF侵染率和孢子密度的影响。利用Pearson相关系数分析土壤理化性质与AMF侵染率和孢子密度的相关性。图由Origin 2019软件制作。图表中数据为平均值±标准差。

2结果与分析

2.1土壤理化性质

与对照相比，氮添加显著提高了土壤微生物量碳（38.5%～1 10.3%）、有效磷（75.2%～144.5%）和有效氮（27.9%～66.7%）含量，显著降低了土壤含水率（5.6%～15.2%）和pH（7.6%～11.0%）（P<0.05，表1）。生物炭添加（BC20和BC40）显著提高了土壤pH和有效磷含量，显著降低了可溶性有机氮、微生物量碳和有效氮含量（P<0.05）。在氮添加处理下，生物炭添加显著提高了土壤含水率（2.6%～18.5%）和pH（2.6%～11.0%），显著降低了土壤有效氮（2.4%～22.5%）含量（P<0.05）。可重复双因素方差分析表明氮和生物炭添加及其交互作用均显著影响土壤含水率、pH、可溶性有机氮、微生物量碳、有效磷和有效氮（表2，P<0.05）。

2.2 AMF侵染率

与对照相比，氮和高生物炭添加均显著降低了AMF侵染率（P<0.05，图2）。在N30处理下，BC40处理显著提高了AMF侵染率（108.2%，P<0.05）。在N60和N90处理下，BC20和BC40处理对AMF侵染率没有显著影响（P>0.05）。可重复双因素方差分析表明氮和生物炭添加及其交互作用均显著影响毛竹林土壤AMF侵染率（表2，P<0.05）。

2.3 AMF孢子密度

与对照相比，氮和生物炭添加提高了AMF孢子密度，尤其是N30和BC40处理，达到了统计意义上的显著性水平（P<0.05，图3）。在N30处理下，BC20处理显著提高了孢子密度（23.7%，P<0.05）。在N60和N90处理下，BC20和BC40处理对孢子密度没有显著影响（P>0.05）。可重复双因素方差分析表明氮和生物炭添加及其交互作用均极显著影响毛竹林土壤AMF孢子密度（表2，P<0.01）。

2.4 AMF侵染率和孢子密度与土壤理化性质的相关性

Pearson相关性分析表明，AMF侵染率与土壤pH呈极显著正相关关系（P<0.01），与AP和AN呈显著负相关关系（P<0.05）；孢子密度与pH和AP呈极显著正相关关系（P<0.01），与可溶性有机氮（DON）呈显著负相关关系（P<0.05）（表3）。

3讨论

3.1氮添加对AMF的影响

本研究发现，自然状态下毛竹林土壤AMF侵染率为29.0%，孢子密度为2.0个·g^-1。在夏季，牛利敏调查发现毛竹AMF侵染率为46.8%，孢子密度为3.3个·g^-1。这表明毛竹AMF侵染率和孢子密度存在季节变化。研究表明，与其他季节相比，夏季的AMF的侵染率和孢子密度最高。这可能是因为夏季是植物的生长季，植物需要从土壤中获取大量的营养物质，从而导致根系与AMF的共生关系更加紧密。此外，研究发现柠条（Caragana korshinskii kom）、杉木和水杉（Metasequoia glyptostroboides Hu&W.C.Cheng）的AMF侵染率分别为92.4%、78.9%和70.0%。上述结果说明毛竹AMF侵染率低于其他森林类型，这可能是与毛竹林有独特发达的根鞭系统从而对AMF的依赖较小有关。

氮添加抑制了AMF侵染率，且随着氮添加水平增加这种抑制作用变强，这与陈良华的研究结果相似。黄园园等对高寒草甸植物的研究，表明随着土壤有效氮含量的增加，植物吸收氮素的成本降低，对AMF的依赖性减弱，从而导致AMF侵染率降低。有研究也发现施氮导致土壤有效氮含量升高，土壤中的NO₃^-被还原为NO₂^-并在根系附近积累后对宿主植物造成伤害，进而降低AMF侵染率。在本研究中，土壤AN的含量与AMF侵染率呈显著负相关关系（表3），且氮添加显著增加了土壤AN的含量（表1），支持了上述观点。此外，我们发现土壤pH与AMF侵染率呈显著正相关关系。氮添加通过降低土壤pH，从而抑制了AMF侵染率，原因可能是低的pH抑制了AMF和根系的活性。研究表明，长期氮添加会改变微生物群落结构，减少土壤真菌生物量，这也可能是AMF侵染率下降的原因。

本研究中，N30处理显著增加了孢子密度。这与马俊卿等对多种C3、C4植物的研究结论不一致。这可能是因为宿主不同，其根系的AMF种类和群落结构也不完全一致。不同的AMF种类对外界环境的响应不同，在孢子萌发和侵染根系等方面所需的环境因素条件也有所差异。本试验中N30处理下土壤AP显著增加，削弱了植物对AMF的依赖性，植物因而减少对AMF的碳供应，侵染率下降。而孢子是AMF的一种繁殖和幸存体，同时也是重要的磷库，此时产生更多的孢子可能是AMF对生存策略的选择。在本研究中，土壤AP的含量与AMF侵染率呈显著负相关关系，与孢子密度呈显著正相关关系（表3），且氮添加显著增加了土壤AP的含量（表1），支持了上述观点。然而在N60和N90梯度下，孢子密度的降低可以抑制真菌的无性繁殖，降低能量消耗，有助于AMF在逆境中生存。

3.2氮和生物炭添加对AMF的影响

生物炭（40t·hm^-2）添加显著降低了AMF侵染率，但提高了孢子密度，这与高粱（Sorghumbicolor （L.） Moench）和辣椒（Capsicum annuum Linn.）对生物炭添加的响应相似。原因是生物炭添加增加了土壤AP（表1），毛竹吸收磷元素的成本降低，从而使其对AMF的依赖性减弱，导致AMF侵染率降低。研究发现生物炭较大的孔隙度和表面积增加了土壤孔隙度，改善了土壤酸度和微生物群落结构，促进了AMF的繁殖。然而，Zhang等对冬小麦施用生物炭的研究结果表明添加生物炭可以增加AMF的生长繁殖，提高侵染率和孢子密度，并且随着用量增加，效果更明显。AMF侵染率和孢子密度对生物炭添加的响应不一致的原因可能是生物炭施加量、植物类型、季节等不同。

在氮添加处理下，生物炭添加提高了AMF侵染率和孢子密度，主要归因于氮和生物炭的复合作用显著降低了土壤AN含量（表1），从而导致了AMF侵染率增加。此外，氮和生物炭添加的复合作用促进了毛竹的光合速率，提高了生物量，导致了大量的光合产物转移到根系，进而为AMF提供了更多的碳水化合物，促进AMF的繁殖，产生了更多的孢子。

4结论

氮和生物炭添加提高了土壤养分含量，降低了毛竹AMF侵染率，增加了孢子密度，削弱了毛竹与AMF的共生关系。在氮沉降背景下，生物炭添加提高了AMF侵染率，增强了毛竹与AMF的共生关系紧密程度，表明添加生物炭可以缓解氮沉降对AMF定殖和产孢造成的负面影响，为应对氮沉降背景下亚热带毛竹林可持续经营提供参考和科学依据。在将来的研究中我们可以探讨AMF定殖和产孢特性以及群落结构的年际变化，以便于更好地理解氮和生物炭添加背景下毛竹与AMF的共生关系及其调控机制。