不同AMF接种两种湿地植物的生长效应研究

莫惠芝,曾宪军,何新杰,裴福云,许建新

(深圳市铁汉生态环境股份有限公司,广东 深圳 518040)

人工湿地被广泛应用于工业及生活废水的处理,主要依靠湿地中基质、微生物及植物的相互作用实现污水的净化[1]。植物是湿地生态系统中重要的组成部分,具有美化湿地生态景观,吸收氮磷、重金属,改善水体微生物生境,抑藻等功能[2]。植物种类不同,其生态功能差异性较大,开展优势植物的筛选及提高植物抗性和生长效应的技术研究,从而增强植物对污染物质的吸收能力,对人工湿地生态功能的强化具有重要意义。

丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi)简称AMF,广泛分布于土壤中,是一类专性活体营养共生菌[3],能够与地球上绝大多数植物形成菌根。AMF在改变土壤酶及植物根际微生物活性,提高植物群落的稳定性和生产力方面起着重要的生态作用,同时能促进植物抗病、抗盐、抗重金属、抗寒,促进植物生长发育,增强植物对氮、磷及重金属的吸收[1]。AMF是湿地植物主要共生菌,在湿地生态系统中具有重要的作用[4]。菌根技术与植物吸附相结合可以有效缓解人工湿地中植物生长周期过长、单一植物对富营养化水体氮磷吸收有限及多种植物搭配种植造成生态位竞争等问题,是污染水体生态修复新的研究方向[5]。

翠芦莉(Ruelliabrittoniana)和蓝花鸢尾(Iristectorum)观赏特性佳，生长适应性强,常被用于人工湿地的景观绿化。本研究对翠芦莉、蓝花鸢尾接种不同的AMF,比较了两种湿地植物的生长效应,筛选出最优的AMF-植物共生组合,为湿地植物的高效育苗及强化人工湿地的生态功能提供了一种生物学技术手段。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试植物为翠芦莉、蓝花鸢尾。先使用1% NaClO溶液浸泡供试植物的种子30 min,再用无菌水清洗种子，最后于灭菌基质中催芽，所得大小一致的幼苗。

供试基质为泥炭土、陶粒、珍珠岩按2∶1∶1比例混合的基质。采用全自动灭菌锅121 ℃灭菌2 h；灭菌结束后，于阴凉无菌环境处自然晾干至少4 d，备用。

供试菌种:摩西球囊霉(Glomusmosseae, A菌)、根内球囊霉(Glomusintraradices, B菌)、幼套球囊霉(Glomusetunicatum, C菌)。这3种真菌均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,用盆栽沙培法扩繁获得菌种。

供试栽培花盆:边长为12 cm的正方形花盆,用0.3% KMnO4溶液浸泡30 min,杀死表面真菌,再用清水冲洗干净后使用。

1.2 试验设计

将A、B、C三种AMF进行排列组合,得到A、B、C、AB、AC、BC、ABC共7个菌种组合处理(多个菌种按重量比1∶1进行混合)；另设空白对照CK。将灭菌基质装在灭菌花盆中,保证每盆基质的重量一致。接菌处理每花盆加入30 g菌种,对照组加入30 g灭菌基质；每个处理5次重复。在植物长出4片真叶后，选取长势一致的幼苗移栽于试验花盆中。苗木常规管理3个月,观察并记录植物的生长状况,测量植物的株高、叶片数量、地上及地下部分生物量、菌根侵染率、叶片叶绿素含量及光合参数。

1.3 指标测定与分析

生物量:洗净植物根系,分开地上、地下部分，装于牛皮信封袋中，在105 ℃下杀青30 min，然后在80 ℃下烘至恒重,称量地上、地下生物量,计算总生物量。

菌根侵染率:选取细小根段(直径小于2 mm)，将其装入100 mL宽口塑料瓶中,用50%乙醇固定根系；带回实验室后取出根样,剪成1 cm左右长度的根段,在流水下洗净泥沙颗粒,用10%KOH溶液于70 ℃下脱色，直至根样为无色透明为止；将其再次洗净，然后用2%HCl溶液酸化15 min,用派克墨水在温室下染色1 h;用乳酸甘油作载浮剂,将根段整齐地摆放在载玻片上,用盖玻片封片,在显微镜下检测菌根侵染情况。镜检及菌根侵染率的计算参考王幼珊等[3]的方法。

叶绿素含量:使用SPAD-502叶绿素仪测定从顶芽顺数第3及第4片叶子的叶绿素含量,每片叶子均匀测量5个位置,计算并记录每株植物的平均叶绿素含量,每处理测量5株植物。

马铃薯在赤峰农牧科学研究院果园试验地于2017年5月16日播种，试验采用随机区组设计，一次性施入农家肥30 000 kg/hm2做底肥进行翻地，规格为深翻50 cm，旋耕后播种，随播种施入史丹利复合肥1 200 kg/hm2（15-15-15）。种植方式为覆膜滴灌双垄栽培，垄距1.1 m，行长10.0 m，小行距0.4 m，株距 0.3 m，每个小区种3垄，小区面积33 m2，3次重复，环田设保护行。采用机器开沟后，人工用喷雾器喷施50%莠去津4.5 L/hm2，对喷施莠去津除草剂的土壤喷施缓解剂，各不同缓解剂处理如表1所示。

光合参数:选择晴朗天气,采用Li-6400便携式光合作用测量仪测量不同处理的植物叶片在1000 PAR光照强度下的净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度以及蒸腾速率。

菌根依赖性(MD):菌根依赖性=菌根植株干物质/非菌根植株干质量。MD≤100%表示植物对菌根的依赖性较弱或没有依赖性；100%300%表示植物对菌根的依赖性较强[6]。

1.4 数据处理与分析

采用Excel软件对试验数据进行处理和制图；采用SPSS 19.0软件对不同处理的相关指标进行差异显著性检验。

2 结果与分析

2.1 接种不同AMF对2种湿地植物菌根侵染率的影响

对2种湿地植物菌根侵染率的检测发现,受实验环境影响,未接菌处理的基质受到少量外来AMF污染,部分根段中检测到少量AMF侵染结构,但侵染率不高,翠芦莉CK组菌根侵染率为0.56%,蓝花鸢尾CK组菌根侵染率为2.33%。

AMF具有特异性,不同菌种对不同植物的侵染性不一样,菌种与菌种之间也存在互利关系或竞争关系。比较2种植物各接菌处理的菌根侵染率,发现翠芦莉的菌根侵染率较低,所有接菌处理的菌根侵染率均在30%以下，其中A菌处理的菌根侵染率最高,为28.44%;其次是AB菌处理,菌根侵染率为25.67%;AC菌处理第三,菌根侵染率为22.78%;ABC菌处理的菌根侵染率较低,仅为17.33%。蓝花鸢尾各接菌处理的菌根侵染率高于翠芦莉,为23.11%～42.33%，其中A菌处理的菌根侵染率最高,为42.33%;其次是ABC菌处理,为38.89%; BC菌处理第三,为34.67%; AB菌处理的菌根侵染率最低,为23.11%(图1)。

2.2 接种不同AMF对2种湿地植物生长量及生物量的影响

对接种不同AMF的植物常规管理3个月后,2种湿地植物的生长量及生物量均出现了不同程度的差异。

不同处理翠芦莉的株高差异在0.05水平下不显著。与CK对比,接种AMF的翠芦莉的叶片数量均有所增加，除接种BC菌的处理外,其他接菌处理的叶片数量与CK的差异均达到了显著水平(P<0.05)；其中以接种A菌处理的叶片数量最多,平均每株植物的叶片数比CK多17片;其次是接种AC菌处理,平均每株植物的叶片数比CK多14片。与CK组对比,接种不同AMF均能提高蓝花鸢尾的株高和叶片数量，其中接种A菌处理和C菌处理蓝花鸢尾的株高显著(P<0.05)高于CK的,这两个处理植株的平均株高均为30.30 cm；除接种B菌处理外,其他接菌处理蓝花鸢尾的叶片数量与CK的差异均达到了显著水平，以接种C菌处理的叶片数量最多,平均每株植物有9片叶片;其次是A菌和BC菌处理,平均每株植物有8.25片叶片(表1)。

注：同列数据后附不同小写字母表示在不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。

生物量是能直观地反映接种AMF对植物生长影响的重要指标。AM真菌与植物根系的结合能促进植物营养代谢,增加植物的生物量[7]。由表2可见,接种不同AMF均能不同程度地增加翠芦莉的生物量，其中单独接种A菌、B菌及C菌翠芦莉地上部分的生物量及总生物量均显著高于CK的；单独接种A菌植株的地下部分生物量显著高于CK的；单独接种B菌及C菌植株的地下部分生物量也高于CK的,但差异不显著。比较不同接菌处理的翠芦莉的生物量,以单独接种A菌处理的地上部分生物量、地下部分生物量及总生物量最高。

由表3可见,接种不同AMF同样能不同程度地增加蓝花鸢尾的生物量。具体来说：接种A菌、C菌及AC混合菌的蓝花鸢尾地上部分生物量显著高于CK的;接种C菌植株的地下部分生物量显著高于CK的;接种A菌、C菌植株的总生物量显著高于CK的。比较不同接菌处理的蓝花鸢尾的生物量,以单独接种C菌植株的地上部分生物量、地下部分生物量及总生物量最高。除A菌及AC菌处理外,接种C菌蓝花鸢尾植株的地上部分生物量显著高于其他接菌处理的；除A菌处理外,接种C菌蓝花鸢尾植株的总生物量显著高于其他接菌处理的。由此表明接种C菌对增加蓝花鸢尾生物量的效果最好。

2.3 接种不同AMF对2种湿地植物叶片叶绿素含量的影响

对2种湿地植物叶片中叶绿素含量测定的结果(图2)表明:翠芦莉叶片叶绿素含量高于蓝花鸢尾的,接种AMF对翠芦莉叶片叶绿素含量的影响不大，接菌处理的叶绿素含量与CK的差异不显著,而各接菌处理相互间的差异也不显著。所有接菌处理的蓝花鸢尾叶片的叶绿素含量均不同程度地高于CK的,其中A菌处理及C菌处理的叶片叶绿素含量显著高于CK的,以C菌处理的叶片叶绿素含量最高。

表2翠芦莉不同处理间生物量比较g

处理地上部分生物量地下部分生物量总生物量A11.54±2.42 a5.39±0.69 a16.93±3.09 aB11.19±1.48 a5.29±1.02 ab16.48±2.29 aC11.24±1.48 a5.12±1.02 ab16.36±2.16 aAB10.96±0.66 ab5.21±0.39 ab16.17±0.51 abAC10.76±1.79 ab4.78±0.66 ab15.54±2.35 abBC10.89±1.20 ab4.93±0.45 ab15.83±1.52 abABC11.09±0.57 ab4.91±0.39 ab16.01±0.66 abCK9.28±0.81 b4.46±0.66 b13.74±1.27 b

表3蓝花鸢尾不同处理间生物量比较g

处理地上部分生物量地下部分生物量总生物量A2.10±0.71 ab0.68±0.31 ab2.79±1.01 abB1.12±0.92 bc0.53±0.54 ab1.65±1.40 bcC2.42±0.33 a0.90±0.13 a3.31±0.38 aAB1.46±0.55 bc0.33±0.17 ab1.80±0.68 bcAC1.63±0.45 ab0.47±0.32 ab2.09±0.64 bcBC1.46±0.70 bc0.64±0.40 ab2.10±0.42 bcABC1.50±0.60 bc0.60±0.29 ab2.10±0.86 bcCK0.68±0.17 c0.25±0.11 b0.93±0.26 c

图2 2种湿地植物不同处理的叶片叶绿素含量比较

2.4 接种不同AMF对2种湿地植物叶片光合参数的影响

光合作用是影响植物生长的最主要因素,而光合参数能反映植物生长的活跃程度。分别对不同处理的2种湿地植物开展光合参数(净光合速率、气孔导度、胞间CO2浓度、蒸腾速率)的测定,结果表明:接种不同AMF对2种湿地植物的光合参数产生了不同程度的影响。

由表4可见：除ABC菌处理外,经其他接菌处理的翠芦莉的净光合速率均高于CK的,其中A菌处理植株的净光合速率最高,显著高于CK的；其次是B菌处理。A、B、C及AC菌处理植株的气孔导度均高于CK的,其中A菌处理的气孔导度最大,AB、BC及ABC处理植株的气孔导度与CK相同。B菌及ABC菌处理的胞间CO2浓度高于CK的,其余接菌处理的胞间CO2浓度均低于CK的,以A菌处理的胞间CO2浓度最低。接种AMF处理能够提高翠芦莉的蒸腾速率,以A菌处理的蒸腾速率最大,其次是C菌处理。综合比较各光合参数,接种A菌能够显著提高翠芦莉的净光合速率和蒸腾速率,增大气孔导度,并在一定程度上降低胞间CO2浓度,表明经A菌处理后，翠芦莉植株的生长最活跃,植株最健壮。

从表5可以看出，接种AMF对蓝花鸢尾的光合参数也产生了显著影响,提高了其净光合速率，增大了气孔导度,并降低了胞间CO2浓度。除ABC菌处理外,不同接菌处理蓝花鸢尾的蒸腾速率均高于CK的。在所有接菌处理中,以C菌处理的蓝花鸢尾的净光合效率、气孔导度及蒸腾速率最大,表明经C菌处理后蓝花鸢尾的生长最活跃,植物最健壮。AC菌处理的净光合速率和气孔导度仅次于C菌处理的,蒸腾速率居第3位,表明接种AC菌也能较好地促进蓝花鸢尾的生长。

2.5 2种湿地植物对不同AMF的菌根依赖性

对2种植物菌根依赖性的计算结果(图3)表明,2种试验植物对AMF均具有不同程度的菌根依赖性,其中蓝花鸢尾对AMF的菌根依赖性显著高于翠芦莉的。不同接菌处理翠芦莉的菌根依赖性差异不显著,在100%～150%之间,属中等强度的依赖性。不同接菌处理蓝花鸢尾的菌根依赖性差异较大,在177%～356%之间。蓝花鸢尾对C菌的菌根依赖性为356%(MD>300%),属较强菌根依赖性；蓝花鸢尾对A菌的菌根依赖性为300%(100%

3 结论与讨论

3.1 不同AMF接种翠芦莉的生长效应

翠芦莉具有较强耐旱、耐湿、耐贫瘠、耐盐碱的特性,既可用于生态修复,也可用于景观美化[8],是优良的湿地植物。翠芦莉自身具有较强的抗性,能耐受多种恶劣生境,对AMF的依赖性不高,介于100%～150%之间,属中等强度依赖性。但是接种AMF仍能有效地促进翠芦莉的生长,无论是生长量、生物量还是净光合速率均显著高于未接菌翠芦莉的。单独接种摩西球囊霉、根内球囊霉和幼套球囊霉促进翠芦莉生长的效果均优于混合接种此3种菌种的任意组合的,这可能是因为不同菌种的混合使用会使菌种间产生竞争,从而削弱了AMF的促生能力。单独接种摩西球囊霉对翠芦莉的促生效果好于单独接种根内球囊霉和幼套球囊霉的,因此,对于翠芦莉的菌根化育苗,使用摩西球囊霉是最佳的选择。

表4 翠芦莉不同处理间光合参数比较

表5 蓝花鸢尾不同处理间光合参数比较

图3 2种湿地植物对不同AMF的菌根依赖性

3.2 不同AMF接种蓝花鸢尾的生长效应

接种AMF对蓝花鸢尾的促生作用非常显著。蓝花鸢尾对AMF具有较强的菌根依赖性,根系中菌根侵染率也高。陈媛等[5]的研究结果表明AMF对水生植物鸢尾具有较好的促进生长作用,主要体现在地上及地下部分,其中地下部分通过利用庞大的菌丝网络吸收土壤中的营养物质,进而促进鸢尾的生长,地上部分通过加强叶片气孔导度的开启来调控植物净光合速率与蒸腾速率之间的平衡,进而提高鸢尾对水资源的利用率,加快植物的新陈代谢,最终促进植物的生长发育；但其仅比较了摩西球囊霉与根内球囊霉的接种效果,并证明摩西球囊霉的促进生长作用强于根内球囊霉的。本研究结果表明，单独接种幼套球囊霉对蓝花鸢尾的促生效果最佳,优于单独接种摩西球囊霉和根内球囊霉的。

3.3 AMF-植物共生体技术应用于人工湿地污水净化的前景

AMF对寄主植物没有表现出严格的专一性,但对寄主植物有一定的选择性。不同寄主植物的根系形态、生理代谢等不同,会影响AMF的生长、发育、繁殖、定殖与扩展[9]。AMF生长状态的不同会影响植物的生长,AMF与宿主植物间存在特异性,特定的AMF与特定的植物结合才会发挥出最大的互利共生作用。Bever等[10]的研究结果表明，由多种AMF构成的群落(混合菌株)往往能协同发挥作用,具有较高的侵染优势,常表现出比单一菌种更好的效果。郭绍霞等[11]和何跃军等[12]的研究也表明混合接种AMF的植物侵染率更高,生物量更大,抗寒性更高。然而本研究结果显示,接种单一菌种与混合菌种在侵染率上的差异并不显著,但单一菌种对翠芦莉和蓝花鸢尾的促生效果优于混合菌种,这与前人的研究结果不一致。本研究发现,摩西球囊霉-翠芦莉组合最佳,幼套球囊霉-蓝花鸢尾组合最佳。

植物是人工湿地重要的组成部分,植物具有吸收氮磷及重金属等能力。氮磷的积累会导致水体富营养化。有研究发现,当植物生长迅速时,其生物量增加,对磷的吸收加快,污水中磷含量明显减少[13]。人工湿地中植物单位面积的氮吸收量与地上氮吸收量/地下氮吸收量、植物体内氮含量并不相关,而是受到生物量的影响,若生物量大,则植物单位面积的氮吸收量就大[14]。因此利用植物提高人工湿地的去污能力,最有效的办法就是增加植物的生物量。接种AMF 能够显著促进植物的生长,增加植物的生物量,并且较多研究已证明,AMF能够提高植物的抗盐能力和抗污染能力[4,15-16],因此,AMF-植物共生体技术在人工湿地去污方面具有良好的应用前景。