从枝菌根真菌在青藏高原路域植被恢复中的应用

王新军，陈学平，陈济丁，杨艳刚，刘 欢，姚 拓

（1.交通运输部科学研究院 环境保护与水土保持研究中心，北京 100029；2.甘肃农业大学 草业学院，甘肃 兰州 730070；3.草业生态系统教育部重点实验室，甘肃 兰州 730070）

0 引言

青藏高原海拔高、气候寒冷干旱，土壤盐碱化严重，植物生长期短、生长缓慢，生态环境脆弱敏感，一旦遭到破坏，恢复与重建相当困难[1-2]。以青藏公路为例，在建和历次整治改建遗留的人为干扰地植被长期未得有效恢复，远低于天然植被覆盖度[3]。虽然通过人工植草提升了青藏高原公路沿线植被恢复效果，但恢复与演替过程十分缓慢[4]。因此，通过技术手段加速植被生长以促进青藏高原路域植被恢复，对于有效保护青藏高原地区敏感脆弱的生态环境具有重要的意义。

丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi,AMF）是广泛存在于自然陆地生态系统中的植物共生真菌，由于其有助于植物吸收磷、钾等矿质元素，促进植物生长，提高植物抗寒、抗旱、耐盐碱等抗逆性能及抗病害能力[5-6]，其在农作物和园艺作物生产等可持续农业发展中的应用受到国内外学者的广泛关注[6-12]。对于丛枝菌根技术方面的研究，国外重点关注AMF在生态工程中的作用及其商业化应用，如Asmelash等研究表明AMF能促进退化土壤的改良[13]；Bender 等详细阐述了AMF 对农业生态系统稳定性的影响[6]；Vosátka 等探讨了AMF在菌剂生产、应用模式等方面商业化应用现状[7]。整体上，AMF 在国外农业生态系统中的应用较为成熟，但就其在路域生态系统中的应用研究较为缺乏。

国内对AMF在生态工程中的应用研究日益增多，如张艳等指出AMF 在草地、沙地、盐碱地等立地条件下的应用将成为研究热点[14]；王茜等研究了AMF 对青藏高原高寒草原垂穗披碱草的促生效应[15]；石伟琦等研究了AMF 对内蒙古草原优势物种羊草生物量、品质的影响[16]；王力华等揭示了AMF 对沙地植被的促生作用[17]；陈飞研究了AMF 对松嫩平原盐碱地的生态作用[18]；毕银丽对AMF 在煤矿区沉陷地生态修复中的应用进行了研究评述[19]；陈保冬等详细介绍了丛枝菌根技术在重金属污染土壤修复方面的应用[20]。然而，对于高寒高海拔地区干旱盐碱等困难立地条件，有关AMF 在植被恢复中的应用还鲜有研究与实践。

为了科学回答能否利用AMF解决高寒高海拔地区路域植被快速恢复的问题，本研究以广泛用于青藏公路边坡植被恢复中的星星草[21]为供试植物，同时选取3 种AMF 就其对植被生长影响开展室内盆栽实验研究，同时在青藏高原进行野外实验观测，以期明确AMF在青藏高原路域植被恢复中应用的可行性。

1 实验材料与实验方法

1.1 实验材料

星星草（Puccinellia tenuiflora）购自青海省西宁市种子公司。供试菌种摩西球囊霉（Glomus mosseae,GM）、幼套球囊霉（Glomus etunicatum,GE）、缩球囊霉（Glomus constrictum,GC）由北京市农林科学院植物营养与资源研究所“丛枝菌根真菌种质资源库（BGC）”提供。盆栽土壤过2mm 网筛后，湿热灭菌2h，采用70%乙醇对盆栽花盆（18cm×20cm×14cm）进行消毒。

1.2 实验方法

1.2.1 实验现场条件

室内盆栽实验在甘肃农业大学温室进行，实验温度为（25±4）℃，光照14～15h。供试土壤pH值为7.51，全氮含量为89mg/kg，速效氮含量为8.2mg/kg，全磷含量为392.6mg/kg，速效磷含量为7.21mg/kg。野外实验于2015年8月布设于交通运输部多年冻土区公路建设与养护技术交通行业重点实验室青海研究观测基地，其土壤pH 值为8.4，全氮含量为325mg/kg，速效磷含量为4.11mg/kg，速效钾含量为80mg/kg。按照公路边坡植被恢复正常的管理养护措施对实验小区进行养护。

1.2.2 实验设计

本研究分别设置星星草与GM,GC 和GE 接菌处理及不接种菌剂的对照处理（Control Check,CK），每个处理重复4 次。挑选饱满、大小均一的星星草种子，使用有效氯成分小于10%的次氯酸钠溶液消毒，经无菌水多次冲洗后置于内含滤纸的培养皿中，在培养箱中培养发芽后移至花盆。播种时，每个花盆装2.5kg 灭菌土，然后平铺15g 菌剂（每克菌剂约含70 个孢子），再均匀覆盖0.5kg 灭菌土。CK 处理除每盆放入15g 湿热灭菌后的菌剂外，其余均与接菌处理一致。花盆随机摆放，为保证星星草正常生长，采用隔天浇水养护方式。

野外实验每个供试小区长1.5m，宽1m。供试植物、菌剂与室内实验一致，每个供试小区对应1 个处理，每个处理重复3 次，种子使用量为16g/m2，菌剂使用量为600g/m2。

1.2.3 样品处理与测试分析

盆栽实验第60d，收获星星草植株，处理根段，采用刘欢等[22]的研究方法测定菌根侵染率并计算菌根效应；用无菌水冲洗植株后，测定株高；植株经杀青、烘干至恒重后，分别对地上部分和地下部分称重；植株地上部经研磨处理后测氮（N）、磷（P）、钾（K）含量，同时取盆栽土壤样品经处理后测定土壤含水量与N,P,K 含量[23]。由于野外实验为长期观测实验，因此并未对植物样品进行破坏性取样，于2016 年7 月分别测定了株高和植被覆盖度。

1.3 数据分析方法

为分析菌根对植物的侵染作用，分别计算菌根侵染率和菌根效应[22]：

采用Excel 2010 统计菌根侵染率和株高，统计值用“平均值±标准误”表示，同时对不同接菌处理结果制图；采用SPSS 19.0 计算矿物元素含量、生物量的统计值，并用“平均值±标准误”表示，然后对结果进行Ducan′s 单因素方差多重比较分析，对侵染率、菌根效应、生物量、株高、矿物元素含量等指标进行主成分分析。

2 实验结果及分析

2.1 不同处理的菌根侵染率分析

不同菌剂的星星草侵染率如图1 所示，图中CK 为未接种对照。可以看出，菌剂GM 侵染能力最强，侵染率达41.5%；菌剂GC 的侵染能力次之，侵染率为36.25%；侵染率最低的是菌剂GE，为34.25%。方差分析表明，GM 的菌根侵染率显著高于GE和GC（P＜0.05），GE与GC之间差异不显著（P＞0.05）。不同AMF 对星星草根系的侵染能力不同也间接反映出AMF 对植物亲和力的高低。

图1 不同AMF的星星草菌根侵染率

2.2 不同AMF对星星草生长的影响

2.2.1 不同AMF对星星草株高的影响

不同AMF 对星星草株高的影响如图2 所示。可以看出，与CK 相比，接种AMF 之后，星星草株高均显著增加（P＜0.05），增幅为54.30%～70.95%。其中GC 促进效果最好，GM 次之，GE最差。菌剂GM 和GC 对星星草株高的促进作用显著高于菌剂GE（P＜0.05），GM 和GC 之间也存在显著差异（P＜0.05）。

图2 不同AMF对星星草株高的影响

2.2.2 不同AMF对星星草地上部分N,P,K含量的影响

不同AMF 对星星草地上部分N,P,K 含量的影响见表1。可以看出，与CK 相比，接菌处理分别使星星草地上部分N 含量增加了27.74%,9.85%和26.01%，GM 和GC 的作用达到显著水平（P＜0.05），GE 作用不显著。不同AMF 对星星草地上部分P含量的增加效果明显，与CK相比分别增加了100%,33.33%和61.90%，GM 和GC 的作用达到显著水平（P＜0.05），但GM 和GC 相比差异不显著（P＞0.05）。不同AMF 对星星草地上部分K含量的增加效果与对N,P 含量的增加变化相一致，其中GM 表现最好，GC次之，GE表现最差。GE 不同程度上增加了星星草地上部分N,P,K 含量，但变化不显著。

表1 不同AMF对星星草地上部分N,P,K含量的影响

2.2.3 不同AMF对星星草生物量的影响

不同AMF 对星星草生物量的影响见表2。可以看出，与CK 相比，不同AMF 提高了星星草的地上生物量，增幅为43.98%～84.23%，而且差异显著（P＜0.05），其中GM 与GC 对星星草生物量的促进作用显著高于GE，但GM 与GC 之间差异不显著（P＞0.05）。星星草地下生物量变化趋势与地上生物量变化基本一致，3 种AMF 均与CK有显著差异（P＜0.05），但不同AMF 间差异不显著（P＞0.05），其中GM 表现最好，与CK 相比，对星星草地下生物量的增幅达44.77%。虽然GE表现较弱，但与CK 相比，还是提高了星星草地下生物量，增幅达27.43%。与CK 相比，3 种AMF 都显著提高了星星草的总生物量，其中菌剂GM,GC 表现最佳，但二者之间无显著差异（P＞0.05）。尽管GE 处理表现较弱，仍比CK 增加38.09%。AMF 对星星草生物量的影响结果表明了菌根效应的存在。

表2 AMF对星星草地上生物量、地下生物量、总生物量、菌根依赖性的影响

2.3 不同AMF对星星草的作用分析

将菌剂的侵染率、菌根效应、地上和地下生物量、总生物量、株高及地上部分N,P,K 含量9个指标作为自变量，进行主成分分析和综合分析，结果见表3，其中第1 个因子贡献率为95.392%，远高于其他8 个因子。结果表明，GM 得分最高，对星星草促生作用最好；除CK 外，GE 得分最低，作用表现较弱。

表3 星星草主成分得分及综合得分

2.4 不同AMF对土壤质量的影响

不同AMF 对土壤质量的影响如表4 所示。可以看出，与CK 相比，不同AMF 均提高了土壤含水量和土壤N,P,K 含量，但GM 对土壤K 含量增加不显著，其余差异显著（P＜0.05）。可见，AMF 不仅促进了星星草的生长，而且有效地改良了土壤质量。

表4 不同AMF对土壤质量的影响

2.5 不同AMF对星星草生长的野外实验观测

在野外实验中，不同AMF对星星草株高和覆盖度的影响如表5 所示。可以看出，接种不同AMF 的星星草株高平均值均高于CK（P＞0.05），平均增幅为9.5%～24.8%。其中GC促进效果最好，GE 次之，GM 最差。同时，不同菌剂也显著提高了星星草的覆盖度（P＜0.05），增幅达75%～266.5%，其中GC 作用下的覆盖度最高，显著高于GM 和GE（P＜0.05），但GM 和GE 二者之间差异不显著（P＞0.05）。

表5 不同AMF对星星草株高和覆盖度的影响

3 AMF对星星草的促生作用分析

3.1 AMF对星星草的菌根侵染率分析

菌根侵染率是表征AMF和植物共生体系的关键指标之一，也是菌根对植物抗逆性影响的先决条件[5,24]。一般认为菌根侵染率越高，菌根化程度越高，对促进植物生长、提升抗逆境能力效果也越明显。植物与AMF之间的互惠互利关系是自然界最为广泛的共生形式，但不同植物对AMF的依赖性差异明显[9]。本研究发现，星星草接种AMF之后，侵染率达到34.25%～41.5%，一方面表明星星草可与GM,GC,GE形成良好的共生关系，另一方面也说明星星草对不同的AMF 响应不同。Liu等[25]研究表明，GM,GE 对星星草侵染率为9.7%～60.8%，而且随着盐碱胁迫增大，菌根侵染率显著降低；张良等[26]研究表明，随盐碱胁迫浓度的升高，GM 对星星草的侵染率显著下降，而根内球囊霉（Glomus Intraradices）对星星草的侵染率先升高后降低。因此，今后在AFM 对路域植被恢复作用的研究中不仅要考虑菌根真菌的种类，还需关注胁迫条件的影响。

3.2 AMF对星星草的作用及应用分析

丛枝菌根真菌既可以通过根外菌丝从外界环境中摄取水分和养分，直接促进植物生长，也可以通过增强植株抗性[27-28]和重金属污染[29]等逆境胁迫能力，从而间接促进植物生长。近年来，国内外学者就不同AMF菌剂对牧草、蔬菜等植物的作用进行了大量研究，研究结果均表明接种AMF后，不仅提高了植物N,P 等养分的吸收，而且促进了植物生长，对农业生产具有重要作用[8,11,12,30]。本研究发现，不同AMF均显著促进了星星草地上部分对N,P,K 的吸收，增加了星星草的株高和生物量，且提高了土壤水分和养分含量，达到了改善土壤质量的目的。野外实验更是表明，AMF 不仅促进了星星草的生长，植被覆盖度也显著增加。因此，本研究为丛枝菌根真菌在青藏高原路域植被恢复中的应用提供了直接证据，也表明菌根真菌具有较大的应用潜力。但是，野外实验尚未进行破坏性取样，仅限观测数据，缺乏实验测试数据支撑。同时，相关用量、用法等应用技术和菌根真菌对星星草促生等作用机理还有待深入研究。此外，由于受菌根真菌基础研究进展的限制，菌根应用还存在一定的技术瓶颈，如何提升菌剂的生产质量和实现菌剂的产业化而加速大规模的应用也是亟待解决的问题[20]。

4 结语

本文针对3 种不同的AMF 对星星草生长的影响开展了室内和野外实验研究，结果表明AMF对星星草具有良好的侵染能力，并与其形成了共生关系，显著提高了星星草的株高和生物量等指标，促进了星星草的生长。该研究结果为丛枝菌根真菌在青藏高原路域植被恢复中的应用提供了直接证据，为解决高寒高海拔地区困难立地条件下植被快速恢复的难题提供了路径。然而受野外实验结果的限制，丛植菌根真菌对星星草促生作用机理、应用技术还有待进一步探究。