库布齐沙漠白沙蒿根际丛枝菌根及其球囊霉素的时空异质性

山宝琴，李杉，李珂，马旭喆，邓晨阳

延安大学石油工程与环境工程学院，延安 716000

0 前言

球囊霉素(Glomalin)是含金属离子的多糖类碳水化合物，是目前发现的唯一一种由丛枝菌根(Arbuscular mycorrhizal AM)真菌分泌的糖蛋白[1]，在各种土壤生态系统中广泛分布，并深达十几米以下的土层[2]。球囊霉素由丛枝菌根真菌分泌进入土壤后，是土壤有机碳库的重要来源[3-4]，可以提高土壤团聚体形成，改善土壤的透气性和排水性能[5]，并增强宿主植物的抗侵蚀力，球囊霉素对维护 AM真菌本身和宿主植物的生长极为重要。尤其在降水稀少、流沙肆虐和温差显著的沙漠环境，宿主植物与AM真菌的共生性有助于提高对不良环境的抵抗，是植物逆境调节的主要方法之一[6]。

由于在土壤肥力指示及土壤改良方面所具有的潜力，丛枝菌根真菌分泌的球囊霉素越来越受到生态学研究领域的关注。Wright等[3]和Rillin等[5]系统研究了若干生态系统中球囊霉素的含量范围及其随时间积累的变化规律，分析了球囊霉素对土壤养分循环和土壤结构形成的贡献。Roldan等[7]针对农耕地的不同土层研究了球囊霉素含量的纵向分布趋势，Curaqueo等[8]研究了人为耕作方式对球囊霉素含量的影响，阙弘等[9]则对不同土地利用方式中球囊霉素含量和剖面分布规律进行了调查。土壤球囊霉素的含量受到气候条件、土壤利用方式、CO2含量等多种因素的影响，尤其是不同土壤类型地表植被的差异，直接影响到丛枝菌根真菌种群特异性，从而导致其分解释放球囊霉素的速度也不同。因此，沙漠先峰植物根际丛枝菌根真菌的分布特点，球囊霉素的含量范围，以及两者间的相关性迄待深入的研究。

白沙蒿(Artemistia sphaerocephala)属于菊科蒿属植物，是库布齐沙漠广泛分布的典型荒漠灌丛，作为高大沙山迎风坡面的先峰物种，对防风固沙有着极其重要的作用[10]。目前，针对于白沙蒿生态分布、抗旱性和根际土壤有效养分等内容均有研究[11-12]，但尚未见其根际土壤中丛枝菌根真菌产球囊霉素含量的相关报道。基于球囊霉素对荒漠植物生存及生态稳定所具有的潜在价值，研究库布齐沙漠流动沙地上的白沙蒿根际丛枝菌根真菌特性及相关的球囊霉素空间分布异质性，对研究极端环境中沙地植物生态对策和白沙蒿群落的生态稳定性，丰富荒漠生态学理论均具有重要的科学意义。

1 材料与方法

1.1 研究样点简况

研究地点位于内蒙古自治区鄂尔多斯市准格尔旗，位于库布齐沙漠东南缘，地理坐标为 111°02′21″ E，40°10′35″ N。该区属于中温带大陆性季风气候，年平均气温 6—7 ℃，年平均降水量约 350—380 mm，最高气温 39.1 ℃，最低气温 -32.8 ℃，无霜期 145 d。土壤类型为风沙土。库布齐沙漠流动沙地的优势种为白沙蒿。伴生种有沙鞭(Psammochloa villosa)、蓼子朴(Inula salsoloides)、杨柴(Hedysarum mongolicum)、刺木蓼(Atraphaxis spinosa)、沙蓬(Agriophyllum squarrosum)等。

1.2 样品的采集及预处理

为确保研究样点的代表性，本试验通过野外踏查后选取白沙蒿灌丛典型分布区为研究中心，于2017年分春、夏和秋三个季节采样。在研究样地采用X形布点的方式设立5个白沙蒿样点，选取冠幅直径约100 cm 的白沙蒿灌丛，在距白沙蒿根际30 cm以内挖土壤垂直剖面，分 0—10 cm，10 —20 cm，20—30 cm，30—40 cm 和 40—50 cm 采集土壤，每个土层采集4份土样，共计300份样品。将采集的土壤样品(不少于 500 g)装入塑料袋密封，附标签，记录地点、海拔等信息。缩分后的土样经自然风干后，除去土样中石子和动植物残体等异物，用木棒研磨至全部通过100 目(孔径0.149 mm)尼龙筛，混匀后备用。

1.3 研究方法

AM 真菌球囊霉素分为总球囊霉素(TG)和易提取球囊霉素(EEG)，根据David等人的方法测定[13]。收集白沙蒿须根，采用参考文献[14]的方法测定组织内菌丝的侵染发育状况。孢子密度测定取10 g风干土壤，用湿筛倾析蔗糖离心法分离[15]，于定量滤纸上划线分格，体视镜下计数，以每克风干土中的孢子数量记为孢子密度。

土壤酶活性测定:采用改进的 Tabatabai&Brimner 法测定土壤磷酸酶[16]。酸性磷酸酶用0.1 mol·L-1pH5.2的醋酸缓冲液；碱性磷酸酶用 0.5 mol·L-1pH 8.5的NaHCO3作缓冲液。酶活性单位(Eu)为每min每 g土水解 1μmol 对硝基苯磷酸二钠(pNPP)的值。加勒斯江法测定土壤蛋白酶活性，以24 h后每g土壤中氨基酸的毫克数表示。靛酚比色法测定土壤脲酶活性[17]，以每 h每g土壤中NH4+-N的毫克数表示。土壤总微生物活性采用 Green[18]优化后的FDA水解酶法测定。

1.4 数据处理

用Excel处理实验数据并绘图，用SPSS18.0生物统计软件进行单因素方差(One-Way ANOVA)分析和两两相关(Pearson)分析。

2 结果与分析

2.1 白沙蒿根际土壤理化性质

分析白沙蒿根际0—50 cm土壤理化因子(表1)，土壤有机质、速效磷和速效氮含量都是0—10 cm表层土有最大值，并随土层加深而显著减小。沙地土壤pH值呈碱性，随土层加深而增大，最大值往往出现在40—50 cm土层，但层间差异并不显著。pH首先影响土壤中离子浓度，进而影响营养元素的有效性。白沙蒿根际较干旱，土壤湿度范围只有0.621—1.676%，且在不同土层间有波动，可能受到采样期雨水的影响，降雨是库布齐沙地水份的主要来源。春季土壤湿度最大值出现在30—40 cm土层，夏季土壤湿度最大值则出现在 20—30 cm土层，这两个季节不同土层间湿度有显著差异。土壤温度在春、夏两季都是0—10 cm表层土温度最高，后随土层加深而降低，不同土层间差异显著，秋季例外。

随季节变换的不同，土壤速效氮含量在夏、秋季显著高于春季；土壤湿度最大出现在春季，并显著高于夏秋两季；土壤温度夏季＞秋季＞春季，且差异显著；其它理化因子随季节变换无显著规律性。

2.2 白沙蒿根际土壤酶活性

在同一土壤生态系统内，土壤酶是表征土壤中物质循环和能量代谢的一个重要生物指标。脲酶活性反映土壤的供氮能力与水平。土壤磷酸酶对土壤磷素的循环至关重要，能促进有机磷化合物分解，增强植物对土壤有机磷的吸收。土壤蛋白酶活性与土壤中蛋白类物质的酶促分解，氮转化及三磷酸腺苷(ATP)等微生物生物量指标有显著的相关性。FDA水解酶则能很好的反应土壤中微生物的活性。因此，本研究选择了5种土壤酶作为样地土壤养分的评价指标。

表1 不同季节白沙蒿根际土壤理化性质Table 1 Analysis of soil properties in the rhizosphere of A.sphaerocephala in different seasons

分析表2可知，测定的5种土壤酶活性均表现出显著的表层土富集性。土壤脲酶活性无论在哪个季节都是在0—10 cm土层最大，显著高于其它土层，并随土层加深而降低；春季的酸性磷酸酶活性在各土层间差异显著，0—10 cm土层显著高于10—30 cm土层，10—30 cm又显著高于30—50 cm土层，夏秋两季则是0—20 cm土层显著高于20—30 cm土层，30—50 cm土层值最小；碱性磷酸酶活性在春季是0—10 cm表层土最大，其次是10—30 cm土层，最小为30—50 cm土层，随土层加深而减小的差异很显著。夏季和秋季都是0—20 cm土层值最大，显著高于其它土层；蛋白酶在各个季节都是0—20 cm土层有最大活性，显著高于其它土层，后随土层加深而递减；3个季节的FDA水解酶活性在不同土层间差异最为显著，0—10 cm土层显著高于10—20 cm土层，后随土层深度增加显著减小。

白沙蒿根际5种土壤酶活性随季节变化有明显的波动，土壤脲酶和蛋白酶的活性都是夏、秋两季显著高于春季；酸性磷酸酶、碱性磷酸酶和FDA水解酶活性都是最大值出现在夏季，其次是秋季，春季最小，不同季节间差异显著。

2.3 白沙蒿根际AM真菌菌丝侵染率和孢子密度

由图1可知，白沙蒿和AM真菌有良好的共生关系，春季AM真菌菌丝侵染率最大值出现在10—20 cm土层为90.55%，在0—30 cm土层都较高，平均达 86.51%，30—50 cm 土层较低，平均为60.62%。夏季和秋季则在0—50 cm土层都呈现较高的侵染率，但最大值出现在20—30 cm土层。夏季0—50 cm土层平均为89.75%，秋季达到92.37%。

AM 真菌孢子密度为 1.21—12.31 个·g·土-1，最大值出现在夏季的0—10 cm土层。在各季节都是0—10 cm土层有最大值，后随土层加深而递减，明显呈倒 J形，尤其是夏季不同土层间的孢子密度差异显著。不同季节间相比较，白沙蒿根际孢子密度在夏季最大，显著高于秋季，春季最小。相关分析表明，AM 真菌孢子密度与土壤 pH呈显著负相关(R2=-0.491*，ρ＜0.05)。

2.4 白沙蒿根际球囊霉素时空分布

丛枝菌根产球囊霉素糖蛋白主要包括两个指标:总球囊霉素代表土壤长期积累的总浓度值，易提取球囊霉素代表丛枝菌根真菌分泌的近年糖蛋白浓度。分析图2可知，白沙蒿根际土壤中总球囊霉素含量范围为 0.37—1.27 mg·g-1，易提取球囊霉素含量范围为 0.19—0.81 mg·g-1，两者在各季节最大值都出现在0—10 cm土层，并随着土层加深而逐渐减少，变化趋势一致，呈现明显的表层土富集性。总球囊霉素和易提取球囊霉素含量都是夏、秋季略大于春季，但是差异未达显著性。

两两相关分析表明(表3)，白沙蒿根际总球囊霉素的含量与土壤有机质、速效磷、碱性磷酸酶和FDA水解酶呈显著正相关，与土壤速效氮、酸性磷酸酶和孢子密度呈极显著正相关；易提取球囊霉素与土壤有机质、速效磷、速效氮、脲酶和FDA水解酶呈显著正相关，与孢子密度呈极显著正相关。

图2 白沙蒿根际球囊霉素时空分布Figure 2 Concentration of AMF glomalin

表3 球囊霉素与土壤因子相关性分析表Table 3 Correlation analysis between AMF glomin concentration and soil factors

3 讨论

库布齐沙漠模卧在鄂而多斯高原北部，其中约60%以上为流动沙地[19]。作为流动沙丘中先锋植物群聚，白沙蒿根际土壤养分贫瘠，且随土层加深显著减小。表层土壤由于植物残体和枯枝落叶腐殖质化以及好氧性微生物代谢活动，土壤养份显著高于其他土层，有明显的“沃岛聚表效应”[20]。库布齐沙漠气候干冷，白沙蒿根际土壤湿度范围只有0.621—1.676%，有研究表明白沙蒿可以通过减少不饱和脂肪酸的过氧化作用和提升渗透性保护物质的含量，以减弱水胁迫对细胞膜系统的伤害[12]，是白沙蒿对沙漠干旱环境的一种进化适应。

白沙蒿根际菌丝侵染率在夏季、秋季均高达90%左右，白沙蒿根系沙埋后萌芽力极强，有纤细簇状而且数量庞大的次生根，恰好为丛枝菌根真菌提供了适宜的生境。尤其是在近沙面20—30 cm沙层中白沙蒿有最为丰富的须根，而其根际菌丝侵染率最大值也出现在此土层。恶劣的沙生环境中，AM真菌可以通过菌丝的延伸，在土壤与植物根系之间，植物与植物之间构建起菌丝网，起着信息传递和物质运输的作用[21]。

丛枝菌根产球囊霉素是土壤有机碳的重要来源，约占到土壤有机碳库的7.0—33.0%[22]。不同生态系统中土壤球囊霉素的含量差异显著，本研究中白沙蒿根际土壤总球囊霉素的含量为0.37—1.27 mg·g-1，远低于森林[23]、果园、农田[9，24]和水稻土[25]等生态系统中报道的范围( 1.41—14.8 mg·g-1)，甚至低于荒漠黑沙蒿根际的含量(0.42 —2.55 mg·g-1)[26]。土壤球囊霉素的分布受到植被类型、土壤特性和微生物群落多样性等多种因素的影响。黑沙蒿作为半固定和固定沙地的优势植物，其根际土壤养分和真菌多样性均优于白沙蒿[6]。白沙蒿是库布齐沙漠流动沙地的单优群落，本研究样地处于缓坡背风面，区域环境均一，白沙蒿种群的分布格局为均匀分布，由于植被单一而且相互间距远，AM真菌孢子密度相对较低，流沙碱性土壤也会抑制喜酸环境的 AM 真菌活性，因而随着真菌分泌及菌丝分解进入土壤的易提取球囊霉素含量有限，相关性分析也表明球囊霉素与孢子密度极显著正相关。灌丛根围土壤养分贫瘠，土壤酶活性较低，表土易被风力剥离或流沙覆盖等特点，又使得总球囊霉素积累缓慢。白沙蒿作为流动沙地的先峰植物，抗风蚀、聚流沙能力尤为突出，沙埋后能通过根蘖繁殖产生新的分株，研究表明丛枝菌根真菌能促进宿主植物根系的形成，提高植物的适宜性，随菌丝分解进入土壤的“超级胶水”球囊霉素则有利于微团聚体的形成，能改善土壤水稳性并促进土壤碳的贮存[22]，推动沙地生态系统的演替，并为后续植物入侵提供条件。因此，白沙蒿与丛枝菌根的共生是沙化土壤中植被重建的关键环节，球囊霉素在退化土壤修复中的生物潜能值得深入研究。

4 结论

(1)白沙蒿是典型的丛枝菌根植物，其根际菌丝侵染率夏季0—50 cm土层中平均达89.75%，秋季0—50 cm土层平均达到92.37%。

(2)白沙蒿根际丛根菌根孢子密度约为 1.21-12.31 个·g土-1，最大值出现在夏季的 0—10 cm 土层，各季都随土层加深而递减。孢子密度和土壤酶活性随降水和气温的季节变化呈现出明显的波动，水温条件较好的夏季往往有最高值，这也与白沙蒿的物候期相一致。

(3)白沙蒿根际土壤球囊霉素的含量偏低。白沙蒿根际土壤中总球囊霉素含量范围为0.37—1.27 mg·g-1，易提取球囊霉素含量范围为 0.19—0.81 mg·g-1，两者在各季节最大值都出现在0—10 cm土层，呈现明显的表层土富集性，但是并没有像真菌孢子密度一样表现出明显的季节性。

(4)球囊霉素来源于丛枝菌根真菌，首先受到土壤中真菌孢子密度的显著影响，并和土壤养分以及大多土壤酶活性呈显著正相关，同时都表现出表层土富集性。土壤总球囊霉素和易提取球囊霉素能综合反映土壤发育水平、养分状况和微生物群落特性等，可作为评价土壤丛枝菌根真菌活性和土壤肥力的重要指标。