生态学报  2017, Vol. 37 Issue (16): 5418-5427

文章信息

于浩, 陈展, 尚鹤, 曹吉鑫
YU Hao, CHEN Zhan, SHANG He, CAO Jixin.
野外模拟酸雨胁迫下接种外生菌根真菌对马尾松幼苗的缓解作用
Effects of ectomycorrhizal fungi on seedlings of Pinus massoniana under simulated acid rain
生态学报. 2017, 37(16): 5418-5427
Acta Ecologica Sinica. 2017, 37(16): 5418-5427
http://dx.doi.org/10.5846/stxb201605230987

文章历史

收稿日期: 2016-05-23
网络出版日期: 2017-03-25
野外模拟酸雨胁迫下接种外生菌根真菌对马尾松幼苗的缓解作用
于浩 , 陈展 , 尚鹤 , 曹吉鑫     
中国林业科学研究院森林生态环境与保护研究所, 国家林业局森林生态环境重点实验室, 北京 100091
摘要: 外生菌根真菌能够提高宿主植物对外界环境胁迫的抵抗力。主要探讨野外条件下外生菌根真菌对酸雨胁迫下马尾松(Pinus massoniana)幼苗生长、养分元素以及表层土壤的影响,以期为酸雨严重区马尾松林恢复提供科学依据。以2年生马尾松幼苗为材料,采用原位试验,共设置6个处理:pH5.6(对照)处理未接种、对照处理接种、pH4.5酸雨处理未接种、pH4.5酸雨处理接种、pH3.5酸雨处理未接种、pH3.5酸雨处理接种。研究表明:(1)酸雨处理与对照处理相比显著降低了非菌根苗总生物量及各部位生物量(根、茎、叶),对株高无显著影响,接种外生菌根真菌可以缓解酸雨对马尾松幼苗生长的不利影响;(2)与对照处理相比,酸雨处理的非菌根苗的针叶中N、P、Ca含量升高,Mg含量降低,根系中N、P、Ca含量降低,Mg含量随pH的降低先升高后降低。接种外生菌根真菌显著提高了pH3.5酸雨处理的马尾松幼苗根系中N、P、Ca、Mg含量,而对针叶中N、P、Ca、Mg含量无显著影响。(3)在非菌根土壤中,pH3.5酸雨处理与对照处理相比显著降低了土壤中有机质、速效磷、速效钾、可溶性碳、可溶性氮、铵态氮、硝态氮含量,而接种外生菌根真菌显著提高了上述指标。酸雨对土壤阳离子交换量无显著影响。总而言之,接种外生菌根真菌促进了酸雨处理的马尾松幼苗生长、缓解了酸雨对马尾松幼苗养分元素和表层土壤的不利影响,由此可见接种外生菌根真菌是减轻酸雨对马尾松危害的一个重要途径。
关键词: 外生菌根真菌     酸雨     马尾松幼苗     生长     养分元素    
Effects of ectomycorrhizal fungi on seedlings of Pinus massoniana under simulated acid rain
YU Hao , CHEN Zhan , SHANG He , CAO Jixin     
Research Institute of Forest Ecology, Environment and Protection, Chinese Academy of Forestry, Key Laboratory of Forest Ecology and Environment of State Forestry Administration, Beijing 100091, China
Abstract: Many tree species in forest ecosystems have symbiotic relationships with ectomycorrhizal fungi (ECM), which protects their hosts from environmental stress. Effects of ECM on growth, elemental nutrients, and rhizosphere soil of Pinus massoniana seedlings under simulated acid rain were analyzed in this study to provide a scientific basis for restoration of P. massoniana in an area with severe acid rain in China. Two-year-old seedlings of P. massoniana were grown in forest soil from one of six treatments, including pH 5.6 (CK) inoculated with ECM, CK without ECM, pH 4.5 inoculated with ECM, pH 4.5 without ECM, pH 3.5 inoculated with ECM, and pH 3.5 without ECM. The results showed that:(1) For the P. massoniana seedlings grown in soil not inoculated with ECM, the acid rain treatments significantly reduced leaf area, total biomass, and biomass of roots, stems, and needles, whereas plant height did not differ from that of plants grown in CK. Inoculation with ECM removed the negative effects of acid rain on growth. (2) For the P. massoniana seedlings grown in soil without ECM, the N, P, and Ca content was higher in needles and decreased in roots in the acid rain treatments than those of plants grown in CK. The content of Mg decreased in needles in acid rain treatments, whereas it increased at first and then decreased in roots with a decrease in pH with respect to that of plants grown in CK. Inoculation with ECM significantly increased N, P, Ca, and Mg content of roots; however, there was no effect on N, P, Ca, and Mg content of the needles in the pH 3.5 treatment. (3) For plants grown in soil without ECM, pH 3.5 treatment decreased the content of soil organic matter, available P, available K, soluble carbon, soluble nitrogen, nitrate nitrogen, and ammonium nitrogen, but inoculation with ECM improved soil quality. Acid rain treatments did not significantly affect the cation exchange capacity. These results indicated that inoculation with ECM could stimulate growth of P. massoniana seedlings and effectively alleviate adverse effects on nutrients and rhizosphere soil of P. massoniana seedlings caused by acid rain. Therefore, inoculation with ECM could be an effective way to decrease the hazard of acid rain to Pinus massoniana.
Key words: ectomycorrhizal fungi     acid rain     Pinus massoniana seedlings     growth     nutrient elements    

酸雨指pH低于5.6的大气降水, 是全球重要的生态环境问题之一。其形成机理是化石燃料低效率地大量燃烧导致了酸雨的形成[1]。随着人口增加和工业化迅速发展, 我国的酸雨污染范围及程度不断增加, 已成为继欧洲、北美之后世界第三大酸雨区[2]。目前我国酸雨区主要分布在东北地区东南部、华北大部、西南和华南沿海地区及新疆北部地区, 其中长江以南地区是全球强酸雨中心[3]。2014年, 我国监测降水的城市(区、县)中, 降水pH年均值低于5.6(酸雨)、低于5.0(较重酸雨)和低于4.5(重酸雨)的城市比例分别为29.8%、14.9%和1.9%[4]

酸雨沉降到植物表面会直接伤害叶片, 降低叶片的光合作用和叶绿素含量, 并引起叶片褪绿和坏死[5]。酸雨沉降到地面后, 会导致地表水和土壤酸化, 从而加重土壤养分的流失以及增加有毒重金属的活性, 如Al, 而土壤中过量的Al会降低根毛对水分和养分的吸收能力[6], 从而间接抑制了植物的正常生长[7], 进一步改变了植物的种群结构, 最终对群落功能产生影响[8]。间接影响是酸雨影响植物最主要的途径。降水酸度的增加会影响植物的生理活动[9], 降低农作物的产量和质量[10], 抑制豆科植物的根瘤菌结瘤和固氮能力[11]。在模拟酸雨的实验中, 马尾松(Pinus massoniana)幼苗的生物量、株高、叶面积受到一定的抑制[12], 木瓜(Carica papaya)和蓖麻(Ricinus communis)幼苗在pH5.5、5.0、4.5处理下生物量显著降低[13]。研究表明, 酸雨会促进植物组织中养分元素的流失, 由此导致植物发育不良, 增加植物对其他环境胁迫的敏感性[14-16]

外生菌根在森林生态系统中具有重要的作用, 可改善根际环境, 促进养分吸收, 利于植物生长, 增加植物对环境胁迫的耐性, 如提高植物的耐旱性、抗病性以及缓解重金属毒害的能力。冯宗炜认为, 在酸雨危害严重的地区, 人工接种优良的外生菌根真菌是保证森林正常生长和植树造林最有效的对策[17]。外生菌根可以提高造林时苗木的成活率[18-19]。张英伟等研究表明接种外生菌根真菌促进了植物分泌耐热蛋白, 加强了根系对重金属的固持能力, 从而减少了过量重金属的生物有效性[20]。樟子松(Pinus sylvestris)在干旱胁迫下接种菌种厚环乳牛肝菌(Suillus grevillei)和点柄乳牛肝菌(Suillus granulatus)后, 苗木生长量以及各项生理指标均显著优于未接种的苗木[21]。播种时接种外生菌根真菌可以提高松树种子的出苗率并缩短出苗周期, 后期还可以提高松树苗的苗高、地径、侧根数和干重[22]

马尾松是我国西南地区的主要树种之一, 具有分布广、生长快、用途多、适应性强等特点, 在林业建设中具有重要地位。马尾松对酸雨比较敏感[23], 其主要分布区域酸雨危害较严重。在重庆南海岸地区, 受酸雨影响的马尾松针叶林面积达2320 hm2, 其造成马尾松年材积损失约为3370.206 m3/a, 直接经济损失为303.32万元/a[23]。马尾松是一种外生菌根树种, 对外生菌根的依赖性很强。研究表明, 在室内盆栽试验中, 接种外生菌根真菌能有效缓解模拟酸雨对马尾松幼苗的影响, 接种外生菌根真菌能提高酸雨胁迫下马尾松生物量[24]、提高土壤pH值、增加土壤养分、降低根系Al含量[25]、提高土壤微生物活性和多样性[26-27]。外生菌根目前主要用于温室育苗以及小苗移植时接种菌根真菌, 菌根苗确实能提高植株的耐酸铝能力[28-29]。而关于野外接种外生菌根真菌是否能提高马尾松对酸雨的抵抗能力的研究还鲜见报道。正如上文所述, 酸雨的危害包括对植物的直接损伤, 以及通过改变土壤理化和生物性质的间接影响, 而间接影响是酸雨影响植物最主要的方面。在间接影响方面, 酸雨通过改变土壤性质间接影响了植物对土壤中营养物质的吸收利用, 而这必然对植物的生长产生影响。因此, 本研究拟通过野外原位种植马尾松幼苗, 研究接种外生菌根真菌对模拟酸雨胁迫下马尾松幼苗生长、养分元素以及表层土壤基本性质的影响, 考察野外应用外生菌根真菌提高马尾松幼苗抵抗酸雨的可行性, 以期为酸雨严重区马尾松的生长提供科学依据。

1 材料与方法 1.1 试验设计

本研究采用原位试验的方法, 研究接种外生菌根真菌对模拟酸雨胁迫下马尾松幼苗生长、养分元素以及表层土壤基本性质的影响。原位试验在湖南省长沙县完成, 设置了3种不同pH的模拟酸雨强度, 分别为pH5.6(对照)、pH4.5和pH3.5, 每个酸雨处理下设有接种外生菌根真菌处理和未接种外生菌根真菌处理, 共计6个试验处理。每个处理设置3块样地(3m*2m/样地), 每块样地栽种6×5=30株马尾松幼苗(行距约0.5m, 列距约0.6m), 共有6个处理×3个样地(重复)×30株=540株幼苗。南方酸雨的类型为硫酸型酸雨, 采用当地地下水逐步稀释配制模拟酸雨, 用分析纯浓H2SO4和浓HNO3配制成摩尔比为4:1的酸雨母液。然后将适量母液用地下水稀释至pH值分别为3. 5、4. 5和5. 6预定水平的酸雨供试液。

试验前土壤pH值为6.16, 有机质20.28 g/kg, 总氮0.13%, 速效磷28.59 mg/kg, 速效钾31.5 mg/kg, 全磷0.53 g/kg, 全钾33.9 g/kg。试验采用的外生菌根真菌种为中国林业科学研究院林业研究所提供的彩色豆马勃(Pisolithus tinctorius)固体菌剂, 该菌剂原种彩色豆马勃菌株分离自四川马尾松林下。移栽马尾松幼苗时每株树苗接种50mL固体菌剂。同时将一部分固体菌剂在121℃下高压灭菌, 以杀死其中的外生菌根真菌, 而保留固体菌剂中其他固有成分, 移栽幼苗时同样接种50mL已灭菌的固体菌剂。2年生的马尾松幼苗由井冈山市三益森林苗圃有限公司提供, 马尾松树苗于2015年3月移栽于样地中, 并分别接种彩色豆马勃固体菌剂和灭菌后的菌剂。2015年4月开始每周喷淋一次模拟酸雨。试验于2015年11月中旬结束。每次喷淋时用20L的喷雾器对叶片进行喷淋, 每个处理的3块样地(90株幼苗)喷淋一喷壶配置好的酸雨溶液。

1.2 采样及分析

试验结束后, 每个样地随机取3株植物进行采样, 为了避免采样过程中根系的损失, 以茎底端(接触地面)为中心, 挖取长、宽约0.3m, 深0.5m的土块, 将植物移出土壤。分析马尾松幼苗生长、养分元素。在每块样地上用内径为34mm的土钻取表层20cm土壤, 每块样地取三钻土壤混合均匀, 用于土壤基本性质的测定。

叶面积测定采用排水法测定, 计算公式[30]

式中, A为叶面积;V为针叶体积(排水法测定);n为每束针叶数;L为针叶长度

株高测定:测量植物根颈部到顶部之间的距离。

生物量测定:植物收获后, 用自来水把根系冲洗干净, 并用去离子水冲洗几遍, 用滤纸吸干水分, 植物样品按叶、茎、根分开收集, 75℃烘干至恒质量, 测定植物各部分干重。

植物养分元素测定:植物N含量采用凯氏定氮法分析, 植物P、K、Al、Ca、Mg含量采用等离子发射光谱法测定。

土壤交换性阳离子:采用等离子发射光谱法测定。

土壤养分的测定:有机质采用重铬酸钾氧化-外加热法测定;土壤可溶性氮采用碱解-扩散法测定;土壤有效磷和速效钾采用等离子发射光谱法测定;土壤铵态氮采用靛酚蓝比色法测定;土壤硝态氮采用镀铜镉还原-重氮化耦合比色法测定;土壤可溶性碳采用TOC仪进行测定。

1.3 统计分析

利用SPSS PASW Statistics 18对叶面积、株高、生物量、土壤养分和植物养分进行双因素分析, 考察外生菌根真菌、酸雨处理对马尾松幼苗的影响。同时对不同处理进行ANOVA分析, 进一步分析外生菌根真菌和酸雨对马尾松生长的影响。

2 结果与分析 2.1 生长

与对照相比, pH3.5和pH4.5酸雨处理显著降低了非菌根苗的叶面积, 接种外生菌根真菌增加了叶面积。酸雨和外生菌根真菌分别对马尾松幼苗叶面积有显著影响, 且二者之间存在显著的交互作用。各个处理对马尾松幼苗株高均无显著影响。与对照相比, pH3.5和pH4.5酸雨处理显著降低了非菌根苗的总生物量及各部位生物量(根、茎、叶)。接种外生菌根真菌显著提高了pH4.5酸雨处理的马尾松幼苗根、叶干重, pH3.5酸雨处理的叶干重。酸雨对马尾松幼苗各部位生物量均有显著影响(除根外), 外生菌根真菌对马尾松幼苗各部位生物量的影响均不显著, 这二者之间的交互作用均显著(除茎外)。与对照相比, pH3.5酸雨处理显著提高了非菌根苗的根冠比。

表 1 不同pH值酸雨处理下接种外生菌根真菌对马尾松幼苗生长的影响 Table1 Effect of acid rain and ectomycorrhizae fungi on growth
酸处理
Acid treatment
外生菌根真菌
Ectomycorrhizal
fungi
叶面积/cm2
Leaf aera
株高/cm
Plant hight
生物量干重Dry biomass/g根冠比
Root-shoot ratio
总Total 根Root 茎Stem 叶Leaf
pH3.5 接种Inoculate 190.40±9.50b 92.00±2.00 56.40±0.32c 8.02±0.51bc 22.03±1.08c 27.57±0.55b 0.162±0.010ab
未接Noninoculate 177.80±12.43b 84.33±2.96 53.40±0.44c 7.98±0.19bc 23.66±1.67bc 23.25±1.72c 0.170±0.002a
pH4.5 接种Inoculate 245.01±12.55a 86.33±5.36 58.16±1.89c 9.95±1.17ab 27.03±2.99bc 28.07±0.64b 0.180±0.014a
未接Noninoculate 182.07±6.36b 85.00±2.89 57.97±0.28c 6.92±0.47c 28.45±1.15b 21.42±1.49c 0.138±0.007b
CK 接种Inoculate 234.06±10.65a 92.67±2.67 79.54±4.06b 6.69±0.59c 42.08±3.13a 30.77±1.16b 0.092±0.004c
未接Noninoculate 237.87±8.20a 97.00±6.24 94.90±4.02a 12.13±1.05a 42.30±0.89a 43.97±1.46a 0.141±0.013b
酸处理Acid treatment *** ns *** ns *** *** ***
外生菌根真菌
Ectomycorrhizal fungi
* ns ns ns ns ns ns
酸处理×外生菌根真菌
Acid treatment ×
Ectomycorrhizal fungi
* ns ** *** ns *** **
 同列数值后不同字母表示差异达显著水平(P<0. 05), ***在0.001水平下差异显著;**在0.01水平下差异显著;*在0.05水平下差异显著;ns:无显著性差
2.2 针叶元素

与对照相比, pH4.5酸雨处理显著提高了非菌根苗针叶中N、P、Ca含量, 显著降低了Mg含量, pH3.5酸雨处理显著提高了非菌根苗针叶中P、Ca含量。接种外生菌根真菌显著降低了pH4.5酸雨处理的马尾松幼苗针叶中N、P含量, 而对pH3.5酸雨处理的马尾松幼苗针叶中N、P、K、Ca、Mg含量无显著影响。双因子方差分析结果表明, 酸雨处理对马尾松幼苗针叶中N、P、Ca含量有显著影响, 外生菌根真菌对马尾松幼苗针叶中N、P、K、Ca、Mg含量均无显著影响, 酸雨处理和外生菌根真菌对马尾松幼苗针叶中N、P含量有显著的交互作用, 说明外生菌根真菌的存在改变了酸雨处理对马尾松幼苗针叶中N、P含量的影响。

图 1 不同pH值酸雨处理下接种外生菌根真菌对马尾松幼苗针叶元素的影响 Fig. 1 Effect of acid rain and ectomycorrhizae fungi on needle nutrient 图中不同字母表示差异达显著水平(P<0. 05),***在0.001水平下差异显著;**在0.01水平下差异显著;*在0.05水平下差异显著;ns:无显著性差异
2.3 根系元素

pH3.5酸雨处理的非菌根苗根系中N含量最低, 而接种外生菌根真菌显著升高了根系中N含量。与对照相比, pH4.5酸雨处理显著降低了非菌根苗根系中P含量, 而接种外生菌根真菌显著提高了根系中P含量。马尾松幼苗根系中K含量在不同处理间无显著变化。与对照相比, pH3.5和pH4.5酸雨处理显著降低了非菌根苗根系中Ca含量, 而接种外生菌根真菌显著提高了根系中Ca含量。双因子方差分析结果表明, 酸雨处理对马尾松幼苗根系中P、Ca含量有显著影响, 外生菌根真菌对马尾松幼苗根系中各元素含量无显著影响(P除外), 酸雨处理和外生菌根真菌对马尾松幼苗根系中N、P、Ca含量有显著的交互作用, 说明外生菌根真菌的存在改变了酸雨处理对马尾松幼苗根系中N、P、Ca含量的影响。

表 2 不同pH值酸雨处理下接种外生菌根真菌对土壤养分的影响 Table2 Effect of acid rain and ectomycorrhizae fungi on soil nutrient
酸处理
Acid treatment
外生菌根真菌
Ectomycorrhizal
fungi
有机质
Organic matter/
(g/kg)
速效磷
Available P/
(mg/kg)
速效钾
Available K/
(mg/kg)
可溶性碳
Soluble carbon/
(mg/kg)
可溶性氮
Soluble nitrogen/
(mg/kg)
NH4-N/
(mg/kg)
NO3-N/
(mg/kg)
pH3.5 接种Inoculate 17.75±0.20b 9.00±0.31cd 193.33±6.36ab 523.61±21.52a 793.71±15.34b 7.92±0.58a 239.78±5.20b
未接Noninoculate 11.82±0.17d 6.00±0.20d 160.33±13.57c 419.81±6.64b 550.24±8.59e 1.97±0.15c 118.50±0.88d
pH4.5 接种Inoculate 13.23±0.60c 9.83±1.54bc 163.67±5.24c 425.98±8.57b 624.90±10.36d 3.73±0.11b 153.78±5.54c
未接Noninoculate 19.94±0.60a 11.83±1.19b 205.33±12.17a 554.88±13.22a 893.05±8.59a 3.98±0.39b 275.33±4.08a
CK 接种Inoculate 13.06±0.27cd 7.03±0.28d 169.33±0.67bc 444.58±13.96b 451.41±9.34f 1.84±0.22c 56.26±3.35e
未接Noninoculate 20.50±0.20a 14.45±0.46a 207.67±2.60a 562.45±19.81a 722.04±18.80c 3.58±0.32b 180.32±26.02c
酸处理Acid treatment *** ** ns ns *** *** ***
外生菌根真菌Ectomycorrhizal fungi *** ** * ** ** *** ***
酸处理×外生菌根真菌
Acid treatment ×Ectomycorrhizal fungi
*** *** *** *** *** *** ***

图 2 不同pH值酸雨处理下接种外生菌根真菌对马尾松幼苗根系元素的影响 Fig. 2 Effect of acid rain and ectomycorrhizae fungi on root nutrient
2.4 土壤养分

与对照相比, 在非菌根土壤中, pH4.5酸雨处理显著降低了速效磷含量, 显著升高了可溶性氮和硝态氮含量, pH3.5酸雨处理显著降低了所有测定的养分含量。接种外生菌根真菌显著提高了pH3.5酸雨处理的土壤中所有测定的养分含量(速效磷除外), 但却显著降低了pH4.5酸雨处理的土壤中上述养分含量。除酸雨处理对土壤速效钾和可溶性碳无显著影响外, 酸雨、外生菌根真菌均对上述指标影响显著, 且酸雨和外生菌根真菌的交互作用对上述指标均有显著影响。

表 3 不同pH值酸雨处理下接种外生菌根真菌对土壤阳离子的影响/(cmol/kg) Table3 Effect of acid rain and ectomycorrhizae fungi on cation
酸处理
Acid treatment
外生菌根真菌
Ectomycorrhizal fungi
K Na Ca Mg CEC
pH3.5 接种Inoculate 0.93±0.08a 1.00±0.12a 6.42±0.24b 0.42±0.03d 7.08±0.98
未接Noninoculate 0.72±0.15bc 0.75±0.06b 5.57±0.28bcd 0.90±0.03b 7.69±0.08
pH4.5 接种Inoculate 0.58±0.05c 0.67±0.04bc 4.42±0.13d 1.25±0.06a 8.54±0.43
未接Noninoculate 0.92±0.07a 0.74±0.04b 8.22±1.68a 0.44±0.02d 8.49±0.41
CK 接种Inoculate 0.65±0.03c 0.73±0.06b 4.95±0.17cd 0.57±0.01c 8.30±1.35
未接Noninoculate 0.82±0.08ab 0.60±0.02c 5.76±0.53bc 0.39±0.02d 7.76±0.77
酸处理Acid treatment ns *** ns *** ns
外生菌根真菌Ectomycorrhizal fungi * ** ** *** ns
酸处理×外生菌根真菌
Acid treatment ×Ectomycorrhizal fungi
* ** ** *** ns
2.5 土壤交换性阳离子

根据双因子方差分析结果可知酸雨和外生菌根真菌对土壤阳离子交换量(CEC)均无显著影响, 且二者之间的交互作用不显著。与对照相比, 在非菌根土壤中, pH4.5酸雨处理显著提高了Na+、Ca2+含量, pH3.5酸雨处理显著提高了Na+、Mg2+含量。接种外生菌根真菌显著提高了CK处理的土壤中Na+、Mg2+含量, 显著降低了K+含量;显著提高了pH4.5酸雨处理的土壤中Mg2+含量, 显著降低了Ca2+、K+含量;显著提高了pH3.5酸雨处理的土壤中Na+、K+含量, 显著降低了Mg2+含量。双因子方差分析结果表明, 酸雨处理对土壤中Na+、Mg2+含量有显著影响, 外生菌根真菌对土壤中Ca2+、K+、Na+、Mg2+有显著影响, 且酸雨和外生菌根真菌对以上四种阳离子存在显著的交互作用。

3 讨论

叶面积是研究植物方面的一个重要指标, 通常认为叶面积越大, 越有利于植物进行光合作用, 本研究中非菌根苗的叶面积随酸雨处理的pH降低而逐渐减小。齐泽民等研究也表明了pH3.5—2.5酸雨处理减小了杜仲(Eucommia ulmoides)幼苗叶面积[31]。叶面积的减小会降低植株的光合作用, 从而影响生物量的积累。在本研究中, 接种外生菌根真菌可有效缓解酸雨对马尾松幼苗叶面积的不利影响。酸雨对植物的影响最终将反映到生长上, 植物生物量是植物生长的重要指标。黄益宗等研究表明, pH5、pH4、pH3酸雨处理4个月后导致尾叶桉(Eucalyptus urophylla)幼苗生物量分别降低10.79%、19.21%和27.25%, 马尾松幼苗生物量分别降低12.78%、22.98%和28.70%[12]。接种双色蜡蘑(Laccaria bicolor)可有效缓解铝对马尾松幼苗生物量的负作用, 使生物量提高50%以上[32]。而本研究结果也表明了外生菌根真菌可以在一定程度上缓解酸雨对马尾松幼苗生物量的不利影响。黄益宗等在野外试验中发现, 酸雨污染区域的马尾松和尾叶桉根系生物量占总生物量的比例要高于清洁区[33]。这与本研究中pH3.5酸雨处理的马尾松幼苗根冠比变化趋势相同。造成这种现象的原因一方面可能是由于酸雨对地上部分的影响大于根系, 另一方面可能是由于为了获取更多的养分, 土壤酸化贫瘠刺激了根系的生长, 从而抵消了部分负效应。

酸雨会影响植物对养分元素的吸收利用, 且对植物不同组织的养分元素影响不同。N、P是植物体中众多重要化合物的组成成分, 在植物的生长过程中发挥着重要的作用。本研究中, pH3.5和pH4.5酸雨处理均提高了非菌根苗针叶中的N、P含量。出现该结果的原因一方面可能是由于含有硝酸成分的酸雨对苗木产生了“N肥效应”, 另一方面可能是由于植物为了抵御酸雨的伤害, 根系会分泌较多的有机酸, 而有机酸促进了土壤中难溶养分的溶解, 从而有利于植物对土壤养分的吸收利用[25]。黄智勇的研究也发现了相似的结果[34]。K, Ca, Mg是土壤和植物中重要的养分元素。研究结果表明, 在非菌根苗针叶中, pH4.5和pH3.5酸雨处理的Ca含量显著升高, pH4.5酸雨处理的Mg含量显著降低;在非菌根苗根系中, pH4.5酸雨处理显著降低了Ca含量, 提高了Mg含量, pH3.5酸雨处理显著降低了Ca、Mg含量。田大伦等对樟树(Cinnamomum camphora)幼苗的研究表明, 酸雨处理提高了叶片中N、P、Ca、Mg含量, 降低了叶片中K含量[35]。黄益宗等对尾叶桉幼苗的研究表明, 酸雨处理提高了根、茎、叶中P、Ca含量, 降低了叶中Mg含量, 对N、K含量影响不显著[12]。造成酸雨对植物不同组织中养分元素的不同影响的原因可能是酸雨改变了土壤中的矿质元素, 进而影响了植物的养分元素代谢。

接种外生菌根真菌有利于根系对养分元素的吸收, 可显著提高植物体内养分元素的含量[36]。王艺等对马尾松幼苗的研究表明, 接种外生菌根真菌可提高植株对K、P的吸收能力, 而对N的吸收能力无显著影响[37]。外生菌根真菌也可以提高马尾松幼苗对干旱胁迫的抵抗力, 促进植株对N、P、K的吸收[38]。在辜夕容的研究中, 接种外生菌根真菌可降低植物根际土壤中活性铝的含量, 且改善铝胁迫下苗木的生长。原因可能是外生菌根真菌的分泌物与铝形成稳定的结构, 从而降铝的活性[39]。pH3.5酸雨处理下, 接种外生菌根真菌显著提高了马尾松幼苗根系中N、P、Ca、Mg含量, 而对马尾松幼苗针叶中上述元素含量无显著影响。陈展等对马尾松幼苗的盆栽试验中与本研究相同的是接种外生菌根真菌同样提高了马尾松根系中N, P, K, Mg的含量[25]。总之, 外生菌根真菌可在宿主植物根系上形成复杂庞大的菌丝群, 这样可促进植株对土壤中矿质元素的吸收。

酸雨可造成土壤的pH值降低, 导致营养阳离子析出、营养阴离子增加、养分物质的含量发生变化, 长时间的酸雨淋洗会造成土壤的养分贫瘠[17, 40]。土壤中的N部分来源于固氮微生物的生物固氮作用, 此类微生物一般适合在中性环境中活动, 在酸雨的影响下, 固氮活性会降低, 甚至停止[41]。而这可能是本研究中pH3.5酸雨处理的非菌根土壤中可溶性氮、铵态氮、硝态氮含量降低的原因。接种外生菌根真菌可显著提高pH3.5酸雨处理的土壤中氮含量, 原因可能是外生菌根真菌在一定程度上缓解了酸雨对土壤pH的不利影响。辜夕容的研究也发现接种外生菌根真菌显著提高了马尾松根际土壤的有效氮含量[39]。pH3.5酸雨处理显著降低了非菌根土壤中有机质和可溶性碳的含量。其原因可能是酸雨活化了土壤中的有毒金属(铝、锰、铁等)[42], 这些有毒金属对土壤中的微生物产生了抑制作用[43], 进而降低了可溶性碳和有机质的积累。而菌根菌丝体分泌的有机酸可与土壤中的有毒金属产生络合作用, 从而达到缓解或者降低金属毒性的作用[44]

酸雨淋溶下, 土壤通过释放盐基离子以中和土壤溶液中的酸度, 但随着酸雨淋溶的持续, 土壤中阳离子交换量和盐基饱和度会降低, 造成盐基离子K+、Na+、Ca2+、Mg2+等淋失[45-46]。张俊平采用室内淋溶的方法研究了模拟酸雨对果园土壤可交换性K+、Na+、Ca2+、Mg2+的影响, 发现上述离子随着酸雨淋溶液pH的降低而降低[47]。在本研究中, pH3.5酸雨处理降低了非菌根土壤中Ca2+、K+的含量, 但不显著, 接种外生菌根真菌缓解了这种不利影响, 主要表现为接种外生菌根真菌提高了pH3.5酸雨处理的Ca2+、K+的含量。陈展等对马尾松幼苗的盆栽试验也发现, 接种外生菌根真菌明显提高了酸雨处理的土壤中交换性阳离子的含量, 如Ca2+、K+、Mg2+[25]。研究结果显示, 在非菌根土壤中, pH3.5酸雨处理提高了Na+、Mg2+的含量, pH4.5酸雨处理提高了Na+、Ca2+的含量。造成这种结果的原因, 一方面可能是由于土壤胶体对这部分盐基离子的吸附, 另一方面可能是由于土壤中某些矿物经酸雨淋溶后发生了一定程度的风化, 导致相应的盐基离子释放, 其中一部分随淋溶液流失, 而另一部分被土壤胶体吸附, 使得部分土壤盐基离子含量在短期内相对增加, 用以维持土壤的缓冲能力。

本研究中, pH3.5(强酸雨)处理对土壤养分产生了不利影响, 具体表现为土壤中有机质、速效磷、速效钾、可溶性碳、可溶性氮、铵态氮、硝态氮的含量降低。酸雨的直接淋洗和对土壤理化性质的改变分别是酸雨对植物的直接影响和间接影响。在这两种因素的共同作用下, 马尾松各部分养分元素的正常代谢受到了扰乱, 最终影响到植株的生长。酸雨胁迫下, 接种外生菌根真菌可有效改善土壤养分, 提高马尾松根系中养分元素的含量, 进而促进了马尾松幼苗的生长。因此, 在酸雨危害严重的区域, 接种外生菌根真菌可作为改善马尾松生长的一个有效的途径。

4 结论

(1) 强酸雨处理降低了土壤中有机质、速效磷、速效钾、可溶性碳、可溶性氮、铵态氮、硝态氮含量, 接种外生菌根真菌可明显改善强酸雨处理的土壤指标;

(2) 酸雨处理抑制了马尾松幼苗的生长, 具体表现为叶面积的减小和生物量的降低, 接种外生菌根真菌可有效缓解酸雨处理对马尾松幼苗生长的不利影响;

(3) 接种外生菌根真菌提高了强酸雨处理的马尾松幼苗根系中N、P、Ca、Mg含量, 而对马尾松幼苗针叶中N、P、Ca、Mg含量无影响;

(4) 接种外生菌根真菌在一定程度上可以缓解酸雨胁迫对马尾松幼苗生长、养分元素以及土壤的不利影响。

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