丛枝菌根(Arbuscular Mycorrhiza，AM) 真菌在自然界中的分布极为广泛，能与绝大多数的陆生植物形成共生体系^[1]。大量文献指出丛枝菌根真菌对植物生长、矿质养分的吸收(特别土壤中移动性差的P素)及抗逆性、抗病性等^[2]许多方面的生理机能起着重要作用。以往认为AM真菌作为一种活体营养微生物，完全依赖于宿主植物提供碳源，能汲取约20%的宿主植物光合产物^[3]，而不能分解利用死亡的植物残体^[4]。但近年有研究发现AM真菌具有直接分解植物残体的能力^[5]，并证实AM真菌能在一定程度上加快正在降解的植物残体中氮素的转移，这一效应对氮素循环有重要意义^[6]。植物残体作为生态系统中养分的基本载体，是生态系统物质循环的主要途径^[7]，因而AM真菌在生态系统中可能具有更广泛的作用。已有研究表明，AM真菌侵染宿主建立共生体系后，菌根际能释放出多种酶和分泌物等^[8]，并形成明显有别于根际的微生物区系^[9]。土壤微生物和酶可能直接或间接的参与到植物残体的降解过程。据此推测，在植物残体降解过程中，AM真菌可直接导致土壤微环境的优化。因此，近年来关于AM真菌影响植物残体降解这方面的研究受到越来越多的关注^{[10, 11]}。

本试验采用4室分根装置，将植物的根系、菌根以及根外菌丝隔开，通过分别比较其对玉米秸秆降解的影响，以及土壤中微生物和酶活性的变化动态，旨在植物生长状况相同的前提下，对植物根系、菌根和菌丝及根外菌丝降解玉米秸秆的作用进行量化比较。对深入理解AM真菌在生态系统物质循环中的意义，也为进一步阐述其在生态系统中的作用提供理论依据。

试验在西南大学资源环境学院网室中进行。供试土壤为酸性紫色土，其基本理化性状为：pH5.7、有机质21.5 g/kg、全氮0.6 g/kg、全磷1.0 g/kg、全钾15.4 g/kg、碱解氮84.2 mg/kg、有效磷27.6 mg/kg、速效钾73.0 mg/kg。土壤经湿热灭菌处理，风干后备用。

供试植物：玉米(Zea mays L.)“精科糯2000”，种子以10%H₂O₂表面消毒10 min，去离子水浸泡5 h，于25 ℃暗室催芽30 h后，在盛有石英砂的培养盆中育苗，随时补充水分和养分，待根系长出8—10 cm时进行分根。

供试AM真菌菌种：Glomus mosseae(G. m)，来自中国农业大学资源环境学院。菌种预先经三叶草、玉米盆栽繁殖，接种剂含有AM真菌孢子、根外菌丝和侵染的根段，每克菌剂含有20—30个孢子。

玉米秸秆尼龙网袋制备：试验材料为秋季农田中的玉米地上部。用去离子水漂洗，于60 ℃下烘干至恒量，磨碎后过筛，使粒径为0.5—2 mm。称取2.00 g材料分别装入孔径为200目，长9 cm宽5 cm的尼龙网袋中。封口后称整个网袋重量，用万分之一天平精确到小数点后4位。其初始元素含量为：全碳427.0 g/kg、全氮7.72 g/kg、碳氮比55.41。

本试验所用装置参照彭思利的4室隔板分室系统^[12]，如图 1所示。试验设置1个接种处理，共计15盆。每盆土重共计3.6 kg，每室盛土0.9 kg，分别称之为非根际土壤室(S)、根室(R)、菌根室(M)、菌丝室(H)。先分别向中间两室加0.20 kg灭菌土壤，在两室外侧相对称位置分别竖放置一个尼龙网袋，然后在M室加入与接种剂均匀混合的0.5 kg土壤，接种量为10%，R室则加入等量灭菌的菌种与土壤混合，以保持土壤理化性质一致。将植物根系平均分为两份置于中间两室中，每盆定植2株玉米，上面再覆盖0.20 kg灭菌土壤。S室与H室加入的土壤与R室相同。试验过程中采用称重法且合理分配到各室，使每室土壤含水量保持在田间持水量的60%—70%。

图 1 分根装置示意图 Fig.1 Split-root system S、R、M、H分别为处理

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根据AM真菌侵染规律，将取样时间分别设定在移栽后第20、30、40、50、60天时，每处理收获3盆，根室与菌根室中根系分开收获，取洗净、混匀的鲜根1 g用于侵染率的测定，取出的尼龙网袋于40℃烘干至恒重，用万分之一天平称重。土壤风干后待测。

每个尼龙网袋单独测定；降解量=B₀－B_t；B₀为玉米秸秆初始重量，B_t为玉米秸秆剩余重量；网袋内 剩余玉米秸秆的C含量测定方法为重铬酸钾-硫酸 法，N含量测定方法为凯氏定氮法^[13]；C释放量与N释放量参照申艳等人的方法计算^[14]； 应用Olson的指数模型B_t／B₀ =e^-kt计算玉米秸秆的降解系数k值^[15]。玉米根系的菌根侵染率采用方格交叉法测定^[16]；土壤菌丝密度按照Abbott等人^[17]的方法进行。

土壤过氧化氢酶活性测定采用高锰酸钾滴定法，活性单位以30 min后1 g土壤消耗0.1 mol/L KMnO₄的毫升数表示(U)；蛋白酶活性测定采用茚三酮比色法，活性单位以24 h后1 g土壤中氨基氮的毫克数表示(U)^[18]；酸性磷酸酶活性测定采用磷酸苯二钠比色法，活性单位以3 h后100 g土壤中酚的毫克数表示(U)^[19]；土壤呼吸强度测定采用碱吸收法；微生物量碳、氮测定采用氯仿熏蒸-K₂SO₄浸提法^[20]。

原始数据在Excel中进行标准化处理，应用SAS软件(Version 9.13; SAS Institute,Cary,NC)对试验数据进行二因素方差分析，5%水平下LSD多重比较检验各处理平均值之间的差异显著性。

从表 1可以看出，接种G. m的M室形成了良好的菌根共生体，并且随着时间的延长，侵染率和菌丝密度不断增加，根系侵染率在60 d时为83.76%，而不接种的R室均未形成菌根共生体。由于AM真菌根外菌丝可以通过M室和H室之间的尼龙网到达H室，在M室和H室均有大量的菌丝，60 d时菌丝密度在67.47—96.17 cm/g之间，M室最高，R室和S室没有菌丝存在。M和R室根系生物量除60 d时差异均不显著。

如表 3所示，各室降解量随着培养时间的增加而增加(P<0.001)。在相同取样时间，各室的玉米秸秆降解量有显著差异(P<0.001)，且均表现为：M室＞R室＞H室＞S室，即同一宿主植物条件下，与根系相比，菌根系土壤环境对玉米秸秆的降解有明显优势；60 d时，与S室相比，R室、M室和H室玉米秸秆降解量分别提高了18.49%、27.72%和8.07%。由此可见，接种G. m的M室不仅显著提高玉米秸秆的降解，而且当一定数量的根外菌丝进入到H室后，也能加快玉米秸秆降解，但菌丝的作用仍不及根系。

降解系数是衡量分解速率的一个指标，降解系数越大其分解速度就越快^[15]。由图 2可以看出，各室玉米秸秆的降解系数随时间的增加逐渐减小，即玉米秸秆的降解速度到后期越来越缓慢；且同一取样时期，各室降解系数均为：M室＞R室＞H室＞S室；植物生长到60 d时，R室、M室和H室的降解系数比S室分别高出24.82%、38.32%和10.58%。说明接种AM真菌能加快玉米秸秆的降解速度，并带动菌丝的作用，但根系的影响却不容忽视，这与表 3中接种AM真菌处理增加玉米秸秆降解量结果相一致。

图 2 接种AM真菌对玉米秸秆降解系数的影响 Fig.2 Effect of AMF inoculation on degradation coefficient of maize straw

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如表 4所示，各室玉米秸秆中碳素随时间延长表现为净释放特性，即C释放量不断增加；60 d时，各室C释放量累计占初始量的31.91%—45.42%，以M室为最高；对于C释放量，同一取样时期4室均表现出相同的趋势：M室＞R室＞H室＞S室。在整个培养过程中，氮素释放规律表现不一。60 d时，各室N释放量占到初始量的37.14%—44.91%，以R室为最高。S室与R室N释放量表现为随时间累计增加，而接种G. m的M室，在40 d时则有一个N释放减缓的过程。同一取样时期4室均表现出相同的趋势：R室＞M室＞S室＞H室。。由此可见，接种AM真菌对玉米秸秆中C、N释放有很大影响，尤其是改变了N释放规律。

玉米秸秆中碳素与氮素释放量的不同必然引起C/N比的变化。图 3反映了玉米秸秆降解过程中C/N比的变化动态。可以看出，整个降解过程中，C/N比始终表现为S室＞H室＞R室＞M室，且S室、H室和R室的玉米秸秆C/N比随时间非但没有下降反而较初始值有所增加；接种G. m的M室中玉米秸秆C/N比却逐渐降低，60 d时与其初始值相比，降幅达8.72%。

图 3 接种AM真菌对玉米秸秆碳氮比的影响 Fig.3 Effect of AMF inoculation on C/N ratio of maize straw

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图 4分别为土壤中酸性磷酸酶、蛋白酶和过氧化氢酶的活性。首先，AM真菌菌丝能通过与细菌的协同作用来提高磷酸酶活性^[21]，促进有机磷化合物的水解，以活化植物通常不能直接利用的有机磷源。从图 4可以看出，整个过程中各处理的酸性磷酸酶活性均表现为先升高后下降的趋势，以40 d时M室为最高；在相同取样时期，4室均表现一致，M室＞R室＞H室＞S室。

图 4 分根装置中接种AM真菌对土壤酶活性的影响 Fig.4 Effect of AMF inoculation on soil enzymatic activity in the split-root device

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蛋白酶是水解酶类的一种，它参与土壤中氨基酸、蛋白质及含氮有机化台物的酶解，可将蛋白质水解为肽，最终形成氨基酸为植物提供氮源。如图 4所示，蛋白酶活性总体表现为波浪式变化，且在60 d时均有一定程度下降；但在相同取样时期，4室均表现为相同的趋势，M室＞R室＞H室＞S室。

过氧化氢酶能解除由生物呼吸和生物化学反应而产生的过氧化氢的毒害，参与土壤中物质和能量转化，其活性表示土壤腐质化强度大小和有机质积累程度^[22]。图 4可以看出，对于过氧化氢酶活性，在相同取样时期4室的均表现为相同的趋势，M室＞R室＞H室＞S室。

综上所述，接种G. m的M室相对于R室显著提高了土壤中酸性磷酸酶、蛋白酶和过氧化氢酶活性，且H室的相对于S室酶活性也有所提高，这些酶可能参与玉米秸秆的降解过程，进而影响了秸秆的降解。

表 5数据可以看出，接种与否对土壤微生物量碳、氮产生很大影响。整个培养过程中，同一时期4室的微生物量碳均表现为M室最高，60 d时比S室、R室和H室分别高出34.87%、18.93%和26.33%。微生物量氮也是如此，以60 d时接种G. m的M室最高，比S室、R室和H室分别高出119.79%、31.84%和41.40%。

土壤呼吸是评价土壤基质中碳稳定性的重要指标，同时也反映了土壤微生物的活性^[23]。表 6数据表明，同一取样时间下，接种G. m的M室土壤呼吸总是最高，且4室均表现为相同的趋势：M室＞R室＞H室＞S室。因此可以认为，接种AM真菌相对提高了土壤中的微生物活性。

本试验采用4室分根装置，利用网袋法研究了接种AM真菌后对玉米秸秆降解的影响。在同一宿主植物的前提下，通过比较非根际土壤室、根际土壤室、菌根际土壤室和菌丝际土壤室中玉米秸秆降解的情况，并测定土壤酶活性、微生物量碳、氮以及土壤呼吸的变化动态，明确AM真菌促进玉米秸秆降解可能原因。

结果表明，接种G. m的M室与S室、R室和H室相比，显著促进了玉米秸秆的降解(表 3)。Schdler也认为AM真菌侵染后，会引起植物残体降解速率发生变化^[24]。在本试验为期60 d的试验过程中，根室的降解作用均高于接种AM真菌的H室，但显著低于M室，在一定程度上说明根系在植物残体降解过程中的作用超过了单独的菌丝作用，但还是小于菌丝和根系共同的作用(图 2)。

除此之外，玉米秸秆内在元素也发生一定变化。虽然目前没有证据表明AM真菌能直接利用植物残体中的碳素^[5]，但菌根际特有的多种伴生菌群的存在^[25]，大大增加碳水化合物的消耗，Lei等^[26]在其研究中也指出AM真菌对土壤中有机碳的分解有显著促进作用。本研究结果中，菌根相对根系、菌丝在C释放量上也有显著作用(表 4)。目前，已有研究表明AM真菌可能通过影响土壤中的自养微生物群体对N循环起作用^[27]，使植物残体的氮矿化速率平均增加228%^[6]，并从中获取氮素^[5]。值得注意的是一方面，宿主植物对氮素(铵态氮)的需求对AM真菌影响植物残体降解具有一定的驱动作用，土壤中铵态氮含量高则可能会降低这种效应^[26]，菌丝将植物残体降解释放的铵态氮保存起来，不仅能够避免土壤铵态氮含量升高，同时也可以减轻其他腐食性生物的代谢压力^[28]；另一方面AM真菌仅将获取氮素的3%供给宿主植物，其余大部分仍存在共生体的真菌结构中，尤其菌丝的氮含量可高达5%^[29]，加之AM真菌在有机质斑块中富集生长的特性^[30]，随时间的延长，大量根外菌丝不断在尼龙网袋内积累，这可能是引起M室后期氮释放减缓甚至减少的重要原因(表 4)，也是H室氮释放低于S室的可能原因。

秸秆中碳素与氮素不同程度释放，进而影响了秸秆C/N的变化。一般认为，较低的C/N比有利于玉米秸秆中矿质态养分的释放，其值越高玉米秸秆越不易降解^[31]。虽然试验中各室玉米秸秆C/N比均高于30(图 3)，但随着降解的进行，接种AM真菌的M室显著降低了玉米秸秆C/N比，使其更易于降解。

AM真菌促进玉米秸秆降解，可能是AM真菌的直接降解作用，以及通过改变土壤酶活性，影响根际微生物共同作用的结果。土壤酶主要来自土壤微生物的代谢，还有部分来自动植物分泌^{[32, 33]}。Nayyar等^[5]认为，AM真菌的根外菌丝也可以分泌多种酶类对植物残体的降解产生作用。本研究数据表明，接种AM真菌后，土壤酸性磷酸酶、蛋白酶和过氧化氢酶活性比其他3室均有显著提高(图 4)。另外，M室的作用虽低于R室，但却显著高于S室。作为土壤中生化反应的调控者，土壤酶为土壤氮素循环和有机质的形成扮演着重要角色^[34]，影响土壤中的各种代谢过程和能量转化，并能参与土壤中有机物质的分解和转化，对解释菌根加快降解植物残体提供依据。

除了AM真菌自身的作用，它还促使某些腐生微生物在植物残体附近快速繁殖^[35]，并缓慢释放易利用的有机碳辅助其生长^[3]。因此接种AM真菌会引起土壤微生物量、区系组成以及代谢过程发生变化^[9]。M室微生物量碳、氮(表 5)和土壤呼吸(表 6)相对于其他3室均有增加。且H室相比S室，微生物量的大小和活性均有提高，可能成为玉米秸秆降解加快的重要驱动力。

本研究结果表明菌根能够显著加快玉米秸秆降解，并影响玉米秸秆碳素和氮素的释放，致使秸秆碳氮比降低，利于其进一步降解；根系在植物残体降解过程中的作用超过了单独的菌丝作用，但还是小于菌丝和根系共同的作用。在本试验条件下，菌根际提高了土壤中酸性磷酸酶、蛋白酶、过氧化氢酶活性，并形成活跃的明显有别于根际的微生物区系。另外，土壤中微生物与酶活性都反映出直接或间接地参与了玉米秸秆的降解过程。据此可以推断，AM真菌和宿主植物形成共生体系后，可能是通过提高土壤酶活性、增加微生物量的大小和活性来作用于玉米秸秆的降解过程，成为导致玉米秸秆降解加快的重要原因；另外需要说明的是菌丝际对玉米秸秆的降解作用虽不及根际，但对于非根际而言，其作用也不容忽视。