接种丛枝菌根真菌对云南石漠化土壤呼吸的影响

赵 爽,王邵军,2,*,杨 波,张昆凤,张路路,樊宇翔

1 西南林业大学生态与环境学院,昆明 650224

2 南京林业大学南方现代林业协同创新中心,南京 210037

近几十年来,人类活动导致大气CO2等温室气体排放剧增,从而显著影响全球气候变暖的进程[1],其中土壤释放的CO2增加量已达过去2个世纪来因人类活动释放总量的1/2,因此,探明土壤呼吸动态及影响机制已成为全球气候变化研究的热点科学问题[2]。目前,关于土壤呼吸调控机制的研究主要集中于土壤非生物因素的影响,而关于土壤生物对土壤呼吸的影响却缺乏相关研究。

丛枝菌根(Arbuscular mycorrhiza,AM)真菌能与80%—90%陆地植物种类形成共生体[3],是退化生态系统恢复与重建的重要生物调节者[4]。云南是我国岩溶石漠化面积的第二大省份,石漠化面积为8.15万km2,占云南省国土总面积的20%[2]。石漠化导致地表植被严重破坏、土壤侵蚀严重、基岩大面积裸露、土壤生物缺乏、生产力严重下降[5]。将AM菌根技术运用于石漠化退化生态系统恢复,通过“菌丝-根系-土壤-植物”之间的耦合,不仅能够影响植物水分吸收与利用、植物生理生化过程、种内与种间竞争,而且能够影响土壤理化性质、球囊霉素相关蛋白分泌及C/N/P等养分循环,并直接或间接调控植物生长及与植被演替[6—8],从而引起石漠化土壤根系、土壤微生物及土壤动物等呼吸组分的变化,最终引起大气CO2浓度及土壤碳库动态的显著变化。目前,关于丛枝菌根的研究主要集中于其对石漠化植被与土壤恢复的影响[4—6],而关于AM真菌引起植被与土壤环境变化对土壤呼吸过程的影响研究,却十分缺乏,严重制约人们关于土壤呼吸过程及微生物调控机制的理解。因此,探明云南石漠化地区“AM真菌-植被与土壤变化-土壤呼吸动态”之间的相互关系,是西南石漠化生态恢复与重建及全球气候变化研究的关键科学问题。

云南弥勒是轻中度石漠化类型的典型分布区域,是研究AM真菌共生对土壤呼吸影响机制的理想场所。以国家林业局石漠化治理弥勒推广示范基地为实验区,选择圆柏(Sabinachinensis)群落为研究对象,设置摩西斗管囊霉(Funneliformismosseae,FM)、根内根孢囊霉(Rhizophagusintraradices,RI)及对照(不加菌种)3种野外试验处理,采用LI- 6400-09便携式土壤呼吸室对土壤呼吸时间动态进行连续定位观测,揭示AM真菌共生处理下土壤呼吸变化与植物生长(树高、胸径、根系生物量)、土壤性质(微生物生物量、温湿度、容重、pH、有机质、硝态氮、铵态氮、全磷、有效磷、速效钾等)之间的相互关系,从而探明AM真菌与植物耦合对土壤呼吸速率动态的影响,研究结果有助于阐明云南石漠化恢复过程中土壤CO2释放规律,为量化土壤微生物介导石漠化恢复对土壤呼吸的贡献提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 样地概况

研究区位于云南弥勒市西一镇(103°17′E,24°17 ′N),地处北亚热带季风气候区,属典型的喀斯特地质地貌高寒山区[9]。年平均气温15℃,年降雨量900—1000 mm,年日照数2055小时,全年无霜期240 d,光照充足、有效温期长,霜雪日短。多石山碎布,间有成林的乔灌木；土壤以红壤和砂壤土为主,耕地多散布于谷地和平坝中。

在国家林业局石漠化治理技术弥勒推广示范基地实验区内,选择圆柏(S.chinensis)群落作为研究样地。样地基本情况如下：海拔1700 m,土壤类型为砂质红壤,上覆盖枯枝落叶0—0.5 cm。主要树种有圆柏(S.chinensis)、白枪杆(Fraxinusmalacophylla)、车桑子(Dodonaeaviscosa)、紫茎泽兰(EupatoriumadenophoraSpreng)、长波叶山蚂蝗(DesmodiumsequaxWall)、胡枝子(LespedezabicolorTurcz)、地果(FicustikouaBur)、艾纳草(Blumeabalsamifera)等。

1.2 研究方法

本研究采用野外接种AM真菌菌种试验,选择圆柏(S.chinensis)作为供试植物,分别随机设置3个重复样地(40 m × 40 m,相距500 m),并对样地中所有圆柏植株分别接种摩西斗管囊霉(F.mosseae,FM)、根内根孢囊霉(R.intraradices,RI),以不接种样地作为对照。每种菌剂接种量为每株圆柏40 g菌种(孢子数约为144个/g),供试AM菌种均购置于北京市农林科学院的植物营养与资源研究所BGC菌种库[10]。于2017年6月(湿季)及12月(干季)分别进行接种处理,实验处理2年后的2020年6月开始测定分析,研究区干湿季变化明显,故选择湿季(6月、9月)及干季(12月及2021年3月)进行呼吸测定及土壤取样(频率为每3月一次)。

1.3 土壤呼吸测定

采用LI- 6400-09土壤呼吸叶室连接LI- 6400便携式光合作用测量系统(LI-COR公司)连续性观测土壤呼吸速率[11]。测定时,将PVC管提前24 h镶嵌入土壤中,以尽量避免底座的嵌入对土壤造成扰动[12]。于2020年6月、9月、12月及2021年3月各月,选择晴朗无风的稳定天气条件下进行测定,随机选择2种菌种接种的圆柏各6株并于接种区附近进行呼吸测定,同时测定对照处理的土壤呼吸,各测定点重复测定3次,测定时段为9：00—12：00[13]。采用便捷式土壤水分温度测量仪(SINTN8)同步测量0—5 cm及 ≥5—10 cm的土层温度。测定土壤呼吸的同时,采集各土层的土壤样品,做好标签且用自封袋密封保存好,带回实验室内供土壤指标分析。

1.4 土壤指标测定

土壤样品剔除根系、土壤动物及石块等杂物及时带回实验室,同时尽量保持原有的湿度,分别进行风干和冷藏备用。根据《土壤学实验指导教程》[14]微生物生物量(MBC)采用氯仿熏蒸-K2SO4提取-碳自动分析法测定；有机质(SOM)K2Cr2O7外加热法测定；硝态氮和铵态氮全自动流动分析仪测定；全氮和全磷连续流动注射分析法测定；速效钾乙酸铵浸提-火焰光度法测定；有效磷碳酸氢钠浸提一钼锑抗比色法测定；土壤容重环刀法测定；土壤pH电位法(土水比1∶2.5)测定；圆柏根系生物量采用根钻取样-烘干称重法测定[15]。

1.5 数据处理

将所采集的数据(圆柏树高、胸径、根系生物量；土壤微生物生物量碳、有机质、硝态氮、铵态氮、全磷、有效磷、速效钾、容重、pH等)用Execl进行统计且用SPSS 23.0软件进行分析,数据分析前进行正态性及方差齐性检验,采用单因素方差分析(one-way ANOVA)检验土壤呼吸速率季节动态的显著性：采用指数(Rs=aeβTs)回归模型分析土壤呼吸速率与土壤温度之间的关系。其中,Rs为土壤呼吸速率(μmol m-2s-1),Ts为土壤温度(℃),a代表土壤温度为0℃时的土壤呼吸速率,β为土壤呼吸与温度间指数模型中的温度反应系数；Q10是指土壤呼吸对温度的敏感程度[16],即温度每升高10℃时土壤呼吸速率增加的倍数。Q10值采用指数模型进行计算(Q10=e10β),采用Linear(Rs=aW+b)、Quadratic(Rs=aW2+bW+c)和Exponential(Rs=aeb W)水分回归模型分析土壤呼吸速率与土壤水分(W,%)之间关系(a, b, c为回归系数)；采用Canoco 5.0多元统计分析土壤理化指标与土壤呼吸速率的关系。使用SigmaPlot 13.0作图。

2 结果与分析

2.1 AM真菌接种处理下土壤呼吸及其时间动态

研究表明,相较于对照(CK),接种摩西斗管囊霉(FM)和根内根孢囊霉(RI)均显著促进了土壤呼吸(P<0.01,图1)。不同实验处理下土壤呼吸速率大小顺序为：RI(1.55—9.10 μmol m-2s-1)>FM(1.62—8.29 μmol m-2s-1)>CK(1.23—4.46 μmol m-2s-1)。不同处理土壤呼吸速率均呈明显的季节波动,其中最大值均出现在9月,最小值在12月。除2021年3月外,其余月份2种菌种处理下土壤呼吸速率均高于空白对照。经方差分析,2种菌种接种处理下土壤呼吸速率湿季(6月、9月)差异显著(P<0.05),干季(12月、3月)差异不显著。

图1 不同实验处理下土壤呼吸速率的季节动态

2种菌种接种处理下土壤呼吸与土壤温度均呈湿季相反、干季相同的季节变化趋势,两者最小值均出现在12月份；而对照样地土壤呼吸与土壤温度呈相类似的季节变化(图2)。其中平均土壤温度大小顺序为：CK(22.52℃)>RI(20.43℃)>FM(20.01℃),经方差分析,不同处理下土壤温度差异性显著(P<0.01或0.05)。

不同处理下土壤呼吸与土壤水分季节动态在湿季呈现相类似的变化,但干季却相反(图2),两者最大值均出现在9月份,平均土壤含水量大小顺序为：RI(7.30%)>FM(5.35%)>CK(5.01%)。经方差分析,2种AM菌剂处理增加了土壤含水量(P<0.05),从而显著促进土壤呼吸速率(P<0.01)。

图2 不同实验处理下土壤温度与水分的季节动态

2.2 AM真菌接种处理下土壤呼吸速率与温度、水分的关系

2.2.1 与土壤温度的关系

采用拟合程度最好的指数模型Rs=aeβTs,分别对不同菌种接种处理下(0—5 cm及≥5—10 cm)土层温度与土壤呼吸速率进行回归分析,结果表明2种菌种接种处理下土壤呼吸速率均随各土层温度增加呈显著非线性上升趋势(P<0.05或0.01),而空白对照样地呈不显著非线性上升趋势(图3,P>0.05)。0—5 cm、≥5—10 cm土层温度对土壤呼吸的解释量大小顺序为：RI(44.35%—45.32%)>FM(12.78%—21.57%)>CK(2.36%—2.96%)。土壤呼吸对土壤温度的敏感性(Q10值)表现为根内根孢囊霉接种处理(2.18、2.38)显著高于摩西斗管囊霉处理(1.50、1.79)。

图3 不同实验处理下土壤呼吸速率与不同土层温度的相互关系

2.2.2 与土壤水分的关系

采用Linear、Quadratic和Exponential回归模型,分别对不同处理下0—5 cm及≥5—10 cm土层水分与土壤呼吸速率进行回归分析(表1)。结果显示,2种菌种接种处理下土壤呼吸速率均随各土层土壤水分增加呈显著非线性上升趋势(P<0.01或0.05),其中,采用Linear模型拟合,摩西斗管囊(FM)接种处理在≥5—10 cm土层水分二者拟合度最高,土壤水分可解释50.70%的土壤呼吸变化(P<0.01)；采用Quadratic模型拟合,根内根孢囊霉(RI)接种处理在≥5—10 cm土层水分拟合度最高,土壤水分可解释71.10%的土壤呼吸变化(P<0.01)；采用Exponential模型拟合,根内根孢囊霉(RI)接种处理在≥5—10 cm土层水分拟合度最高,土壤水分可解释50.10%的土壤呼吸变化(P<0.01)。但采用3种模型拟合,对照处理中各土层水分对土壤呼吸的解释量均较小。

表1 不同菌种处理下土壤呼吸与各土层含水量间关系的模型参数

2.3 土壤呼吸速率与土壤性质与植物生长的关系

研究表明,2种菌种接种对土壤微生物量及理化性质产生了显著影响。其中,接种根内根孢囊处理下土壤微生物生物量、水分、铵态氮、有机质等理化性质显著高于摩西斗管囊霉接种处理和空白对照样地(表2)。不同实验处理下土壤呼吸速率和土壤理化性质的相关性分析表明(表3),根内根孢囊接种处理下土壤呼吸速率与土壤有机质、硝态氮、铵态氮、全氮、速效钾、容重、温度、水分、树高、胸径及根系生物量达到显著或极显著正相关(P<0.01或0.05),与pH呈极显著负相关关系(P<0.01),与微生物生物量、易氧化有机碳、全磷及有效磷未达到显著性水平(P>0.05)；摩西斗管囊霉接种处理下土壤呼吸速率与土壤有机质、易氧化有机碳、硝态氮、全氮、速效钾、温度、水分、树高、胸径及根系生物量达到显著或极显著正相关水平(P<0.01或0.05),与pH达到显著或极显著负相关关系(P<0.01或0.05),与全磷、容重未达到显著性水平(P>0.05),与微生物生物量、铵态氮及有效磷呈现负相关关系；不加菌种处理土壤呼吸速率pH达到显著负相关水平(P<0.05),与其它土壤理化指标未达到显著性水平。

表2 不同试验处理土壤理化性质及植物生长生理指标大小

表3 不同菌种处理下土壤呼吸速率与植物生长及土壤性质的相关性

主成分分析结果表明,植物生长及土壤理化性质变化对土壤呼吸产生了重要影响(图4)。其中,第一坐标轴对土壤呼吸速率速率贡献率最大(85.33%),第二坐标轴的贡献率(23.99%)较小。同时按箭头夹角大小来看,土壤温度和水分、硝态氮、铵态氮、有机质、易氧化有机碳、速效钾、全氮及对土壤呼吸速率的贡献最大,而全磷、速效磷、树高、胸径、微生物生物量、根系生物量及pH次之。

图4 不同处理下植物及土壤性质变化对土壤呼吸速率影响的主成分分析

3 讨论

3.1 AM真菌接种处理下土壤呼吸及其时间变化特征

AM真菌与植物耦合能够导致土壤温湿度、养分及微生物等非生物与生物因素的显著改变,从而调控土壤呼吸速率及其时间动态[17]。本研究中,2种丛枝真菌处理的土壤呼吸速率月均值显著高于对照,表明AM真菌接种显著促进了土壤呼吸。这可能与AM真菌接种处理具有较高的土壤水分、铵态氮、微生物生物量、有机质、易氧化有机碳及根系生物量等含量密切相关。一些研究表明,AM真菌接种能够提高土壤水分与碳氮等养分的可利用性、促进土壤水稳定团聚体的形成[18],刺激根系及土壤微生物的活性与呼吸。因此,AM真菌能够通过调节土壤理化状况而调控土壤呼吸动态。

不同实验处理土壤呼吸速率具有显著的季节变化,其中湿季(6月、9月)显著高于干季(12月、3月),这与湿季具有较高的土壤水分含量密切相关[19]。同时,2种AM真菌处理具有较高的土壤呼吸变幅(对照的1.41—1.62倍),这可能是由AM真菌与根系耦合对土壤温度与水分的调节作用所致。炎热季节时,AM真菌接种能够通过降低土壤高温而促进土壤呼吸各组分的排放,本研究中接种AM真菌可能降低高温胁迫对圆柏植株根系及根际微生物的伤害[20]。干季时,AM真菌接种通过刺激土壤水分的可利用性及根系活力,进而刺激土壤呼吸速率[21]。

3.2 AM真菌接种处理下植物生长变化对土壤呼吸的影响

AM真菌能够与高等植物形成共生关系,通过促进植物生长及光合产物向土壤的输入[4,22—23],从而刺激土壤生物的呼吸作用。本研究中,2种菌种接种处理显著促进了植物的地上生长(平均树高、胸径)及地下生长(根系生物量),并显著促进土壤呼吸。可能由于接种AM真菌通过提高植株的水分渗透调节、抗氧化能力及养分代谢效率,并调节植物内源激素平衡而促进寄主植株的营养生长[24],从而刺激植物根系活及根际微生物的活动。一些研究表明,AM真菌与圆柏根系共生可能形成发达的菌丝网络体系,增大了植物与土壤的接触面积,通过提高植物根系对营养和水分的吸收[25],进而促进根系的呼吸。同时,AM真菌从圆柏植物体中获取碳水化合物,相应地促进了根系微生物对矿质营养的吸收[26—29],从而刺激了微生物的呼吸。研究还发现,AM真菌接种处理下土壤N、P、K含量显著增多[30],提高其有效性和利用率,从而促进植物根系及微生物的活动,进而刺激了土壤呼吸。因此,AM真菌与植物耦合能够通过刺激植物地上与地下生长而直接或间接地调控土壤呼吸动态。

3.3 AM真菌接种处理下土壤理化性质变化对土壤呼吸的影响

AM真菌与植物耦合能够通过影响土壤理化性质而对土壤呼吸产生重要调控作用[31—33]。本研究中,AM真菌接种处理通过影响植物根系及微生物栖息的土壤理化环境而对土壤呼吸产生重要影响[34]。2种AM真菌通过降低土壤pH而对土壤呼吸产生促进作用,这与郭晗铃等[35]的研究结果相类似,AM真菌与植物耦合形成强大的菌丝网络系统,分泌有机酸,降低土壤pH,刺激土壤微生物活性,从而促进土壤微生物的呼吸。

土壤碳库(如总有机碳、易氧化有机碳)、氮库(如硝态氮、铵态氮)组分含量及磷与钾养分状况变化是影响土壤呼吸的另一个重要因素。本研究中,AM真菌与植物耦合显著提高土壤有机质含量,增加了土壤呼吸底物的供应,进而刺激土壤呼吸[36]；AM真菌与植物耦合显著提高土壤易氧化有机碳的含量,通过刺激根系与微生物活动而促进土壤呼吸[10, 37]；AM真菌与植物耦合增加土壤无机氮(硝氮、铵氮)供应,刺激了植物根系生长,进而促进土壤呼吸[38]。特别是铵氮能够被植物直接吸收[39],刺激植物生长、土壤酶活性及微生物活动,从而提高土壤呼吸各组分的强度。菌种处理下显著增加土壤速效钾的供应,刺激球囊霉相关蛋白的分泌,可能促进根系和根际微生物的活动,进而提高土壤呼吸速率[40]。另外,AM真菌通过改善土壤通气性、酸碱性促进土壤养分可利用性,从而调控土壤呼吸及动态变化。

综上,AM真菌通过与圆柏植株根系耦合改善土壤温湿度条件,提高土壤通气性,调控土壤酸碱性,增加土壤碳库(如易氧化有机碳)与氮库(如铵态氮)组分含量的积累,提高氮、磷与钾养分的可利用性,并刺激植物地上与地下生长,从而显著刺激了土壤呼吸过程中的CO2排放。研究结果有助于理解AM真菌与植物耦合对石漠化土壤呼吸的影响,为准确评估石漠化土壤生物学修复对全球变化的影响提供基础数据。