王续富 郝龙飞 郝嘉鑫 郝文颖 包会嘎 白淑兰*

（1. 内蒙古农业大学林学院，呼和浩特 010019；2. 乌海市湿地管理局，乌海 016000）

氮是植物生长的必需元素，也是植物体内众多化合物的组成元素［1］。氮素在植物生长过程中起着重要作用，以往研究发现，外源氮的进入能促进氮素缺乏地区的植物生长，抑制氮素富集地区植物生长，并直接影响该地区的生态系统多样性［2～4］。氮沉降是地球生态系统的氮素沉降到地表的过程［5］，氮沉降的加剧会造成微生物多样性降低、土壤酸化和植物多样性退化等生态问题［6］。有研究预测，到2030 年全球氮沉降总量将会达到50～80 Tg·a-1［7］。目前，我国已成为继欧美的第三大氮沉降区，近年来，欧洲和美国的大气氮沉降已基本得到控制，而我国氮沉降形势依然严重［8～9］；相关研究表明，在2010 年我国华北平原大部分发达地区氮沉降量已高达30 kg·N·hm-1·a-1以上，在东北、华中和四川盆地等地区氮沉降也处于15～30 kg·N·hm-1·a-1的较高水平，且氮沉降量均有快速增加趋势［10］。

根系是植物吸收养分的主要器官，根系形态和结构的变化直接影响着植物吸收氮素的效率，并对植物生长产生重要影响［11］。大多数植物对氮素的响应较为敏感，氮素进入土壤影响根系细根根尖变化，从而决定植物根系的死亡率和养分吸收能力；适量的氮素能促进植物根系的发育，而过量的氮素则会抑制其发育，同时氮素增加还会抑制细根根系分解，使得氮素滞留于土壤中［12～13］。较氮素对植物根系影响而言，外生菌根真菌（ecto⁃mycorrhizal fungi，ECMF）侵染植物根系形成的菌根以及其外延菌丝，会提高宿主植物根系对氮、磷等营养元素的吸收能力，并扩大根系的吸收范围，同时植物也能通过菌根共生体与其他分解体竞争吸收土壤中的有效氮［14～15］。研究发现，氮素形态及土壤氮含量显著影响菌根真菌侵染根系的能力［16］，铵态氮对欧洲赤松（Pinus sylvestris）外生菌根侵染率的影响显著高于硝态氮［17］，而土壤氮含量的增加能够提高缺氮地区菌根侵染率，降低氮富集地区的菌根侵染率［18～19］。外源氮添加对菌根的形成和功能产生一定抑制作用，过量的氮添加会减弱菌根真菌侵染植物根系的能力，进而影响寄主植物生长和氮、磷营养的吸收与利用［20］，同时氮含量增加还会降低植物根系比根长，并增加根系平均直径［16］。

樟子松（Pinus sylvestris var. mongolica）是我国北方主要造林树种，也是一种典型的外生菌根依赖型树种［21］。那么氮素对苗木生长、根系构型、以及菌根侵染率产生哪些影响？尤其在氮沉降背景下，探究不同氮浓度对樟子松菌根苗与非菌根苗生长、生物量分配、菌根侵染率以及根系形态的影响，从而探讨氮沉降量增加对菌根苗木的作用机理，为全球变化背景下苗木生长响应提供参考依据。

1 研究材料与方法

1.1 实验材料

1.1.1试供菌种

试供菌种为：褐环粘盖牛肝菌（Suillus luteus）、厚环粘盖牛肝菌（Suillus grevillea）、黄褐口蘑（Tri⁃choloma fulvum）、浅 灰 小 牛 肝 菌（Boletinus grisellus）、乳牛肝菌（Suillus bovinus）、球根白丝膜菌（Leucocortinarius bulbiger）、浅黄根须腹菌（Rhi⁃zopogon luteolus）、彩色豆马勃（Pisolithus tinctori⁃us），菌剂采用MMN 培养液与纯蛭石制作固体培养基，对以上8个菌种进行菌剂制备。

1.1.2种子处理及苗木培育

樟子松种子用2%的KMnO4溶液消毒30 min，然后用无菌水冲洗4～5 次；在25℃恒温光照培养箱中催芽，待种子萌发后播入装有经高温高压灭菌基质（蛭石与土体积比为1∶1）的育苗盆中（d=15 cm），并置于人工气候室培养（温度25℃，最大湿度60%，最大光照强度10 000 lx）。

1.2 试验设计

1.2.1接种处理设计

研究采用盆栽试验，设置2 个接种处理和1 个对照处理，分别为：不接种处理（CK）、单接种乳牛肝菌处理（SB）、8 个菌种混合接种处理（HJ）。将上述培育2个月生长良好的幼苗进行接种；幼苗接种时，在育苗盆底部放入适量灭菌基质，然后选取长势良好的菌剂均匀平铺于灭菌基质上（基质同上处理）；将幼苗栽于其上并使根系尽量与菌剂充分接触，每盆接种量30 g（混合接种时先取等量的各菌种菌剂均匀混合，然后进行接种）；每盆栽植5株幼苗，覆灭菌基质，每盆共重1.0 kg；对照处理加入经灭菌的等量相同固体菌剂，同样方法进行幼苗栽植。

1.2.2模拟氮沉降处理设置

幼苗接种培养3 个月后，进行菌根侵染率测定，确定菌根形成后，将不同接种处理的育苗盆随机排布，于2018年9月30日开始模拟氮沉降处理。根据试验区氮沉降背景值34.3 kg·N·hm-1·a-1［8］，设置3组氮浓度处理：①未施氮处理（CKN，0 kg·N·hm-1·a-1）；②1 倍氮浓度处理（CN，30 kg·N·hm-1·a-1）；③2 倍氮浓度处理（2CN，60 kg·N·hm-1·a-1）。用自来水溶解NH4Cl和NaNO3（氮元素质量比1∶1）作为氮添加溶液，每盆15 d定量浇氮添加溶液150 mL，共施氮10 次。每组处理设置15 个重复，置于人工气候室中，每盆5 d 定量浇水150 mL，每盆15 d 浇10%的Hogland营养液150 mL。

1.3 苗木各指标测定

1.3.1菌根侵染率测定

各处理苗木随机选取3盆苗木，从每个盆中取1 株幼苗，将其根系清洗干净后剪成1 cm 长的根段，共取50个根段，放入盛有少量去离子水的培养皿（d=90 cm）中，将培养皿置于体视显微镜下，采用观测统计法测定菌根侵染率。

1.3.2幼苗生长指标测定

在试验结束后，从各处理中取5 株幼苗，用游标卡尺测定株高和地径，采用烘干法测定幼苗的地上和地下生物量。

1.3.3根系形态结构测定

最后施氮结束15 d 后，从各处理中取长势较一致的樟子松幼苗3株，用去离子水清洗根系附着杂物后进行根系形态结构的测定。用Epson 数字化扫描仪Expression 10000XL 进行根系形态扫描，并用Win RHIZO 根系图像分析软件对各处理根系形态结构进行定量分析，测定根系平均直径、总根长、总表面积和总分叉数。

1.4 数据整理与分析

利用SPSS 24.0 对菌根侵染率进行单因素方差分析，对幼苗生长指标和根系形态分别进行单因素和双因素方差分析，采用sigmaplot 10.0作图。

2 结果与分析

2.1 模拟氮沉降对不同接种处理幼苗菌根侵染率的影响

施氮前分别测定CK、SB 和HJ 处理的菌根侵染率，其中CK 处理未形成菌根，SB和HJ处理菌根侵染率分别为：31.55%，75.38%。施氮结束后测定CK 处理中的3 组氮浓度处理也均未形成菌根，HJ处理下各氮浓度菌根侵染率均显著高于SB 处理下各氮浓度菌根侵染率。SB 和HJ 处理的菌根侵染率均随氮浓度的增加而降低，且SB和HJ处理下CN 和2CN 间菌根侵染率无显著差异；SB 处理下CN 和2CN 较CKN 处理分别显著降低71.47%和71.47%（P<0.05），HJ处理下CN和2CN较CKN处理分别显著降低13.33%和14.00%（P<0.05）（见图1）。

2.2 模拟氮沉降对不同接种处理幼苗生长及生物量的影响

通过幼苗生长指标及生物量进行双因素方差分析，接种对樟子松幼苗的苗高、地径、地上生物量和地下生物量均达到极显著影响（P<0.01），氮浓度处理对幼苗的苗高、地径无显著影响，但对地上生物量和地下生物量影响达到极显著和显著水平，接种和氮浓度处理对苗高和地下生物量无交互作用，而对地上生物量和地径交互作用达到极显著和显著水平（见表1）。从接种处理分析：同一氮浓度处理，SB和HJ处理中2CN 浓度处理下幼苗苗高显著高于CK 处理，HJ 处理中CKN 和CN 浓度处理下地径均显著高于CK 处理，不同接种处理下各氮浓度地上和地下生物量均为：HJ>SB>CK。从氮浓度分析：CK、SB 和HJ 处理各氮浓度幼苗的苗高和地下生物量均无显著差异；CK 处理下地径和地上生物量均随氮浓度增加而增加，SB和HJ处理下地上生物量均随氮浓度增加有降低趋势（见表1）。说明接种显著影响樟子松幼苗生长，而短期的氮浓度对幼苗地上生物量影响最大。

2.3 模拟氮沉降对不同接种处理幼苗根系形态结构的影响

表1 不同处理对樟子松幼苗生长及生物量的影响（13月龄）Table 1 Growth and biomass of P.sylvestris var.mongolica seedlings under different treatments（13 months old）

通过对幼苗根系形态结构进行双因素方差分析表明，接种和氮浓度处理，以及两者交互作用对幼苗的根系平均直径、总根长、总表面积和总分叉数均达到极显著影响（P<0.01）（见表2）。从接种处理分析：HJ 处理幼苗根系的平均直径、总根长、总表面积和总分叉数均在CKN 浓度下显著高于SB 和CK 处 理；SB 和HJ 处理幼苗 根 系的平均直径、总根长和总表面积在CN 浓度下均显著高于CK 处理，总分叉数无显著差异；CK 处理下2CN 浓度根系的平均直径显著高于SB 和HJ 处理，SB 处理根系的总根长和总表面积在2CN 浓度下显著高于CK 和HJ 处理。从施氮浓度分析：幼苗根系CK和SB 的根系平均直径、总根长和总表面积均随氮浓度增加而增加，SB 的总分叉数在CN 浓度最大，且与2CN 浓度无显著差异；HJ 幼苗根系的平均直径和总分叉数均随氮浓度增加而减小，总根长和总表面积在CN 浓度最大（见表2）。由上可得，氮浓度增加能显著增加CK 和SB 处理的根系形态结构，而对HJ处理产生抑制作用。

表2 不同处理对樟子松幼苗根系形态的影响Table 2 Root morphology of P. sylvestris var. mongolica seedlings under different treatments

3 讨论

3.1 模拟氮沉降对不同接种处理幼苗菌根侵染率的影响

以往研究表明，菌根侵染率随土壤氮有效性的增加而降低［22］，也有研究发现，植物的菌根侵染率随着土壤氮有效性的增加，其菌根侵染率不变或者增加［23～24］。本研究发现，SB 和HJ 处理下CN和2CN 浓度较CKN 浓度菌根侵染率均显著降低，该结果符合成本—效益理论，即随土壤氮有效性的增加，植物根系对菌根的依赖性降低，从而导致菌根真菌侵染率下降［25］；而CN 和2CN 浓度的菌根侵染率无显著差异，以成本—效益理论分析，其原因可能是人工气候室光照条件仅达到植物在CN浓度前的光合碳同化能力；随氮浓度进一步增加，植物无法获取更多的碳元素与从菌根获得的氮元素形成有机物；进而导致光合产物限制了菌根侵染，而氮添加对菌根真菌的侵染产生限制作用。

3.2 模拟氮沉降对不同接种处理幼苗生长及生物量的影响

本研究发现，接种较CK 处理均能显著促进幼苗的地上和地下生物量，且HJ 处理对幼苗的促进作用最大，与以往关于植物接种菌根真菌后能够显著促进植物生长研究结果一致［26］。本研究中，接种较CK 处理均能显著增加幼苗地径，说明接种对幼苗有较好的促生效果，而对苗高基本无显著影响。吴小芹等研究发现幼苗接种后显著增加黑松（Pinus thunbergii）幼苗的苗高和地径生长［27］，本实验中苗高无显著差异，可能与光照条件成为幼苗生长的限制因素有关。以往关于氮浓度对菌根与非菌根植物的研究发现，一定范围的氮添加能够促进非菌根苗地上生物量的积累并对地下生物量产生一定的抑制作用；但是氮添加对菌根植物的总生物量有一定抑制作用［17，28］，该结果与本研究中氮添加对不同接种处理研究的结果一致。随着氮浓度的增加CK 处理的幼苗地上生物量显著增加，而接种处理的地上生物量则显著降低，原因可能是植物的生物量的积累在一定程度上由植物根系提供的氮素所决定。氮添加后，接种处理CN 和2CN 浓度的植物菌根侵染率较CKN 浓度显著降低，因此CN 和2CN 浓度的植物根系吸收氮素能力较CKN 浓度有显著降低，所以植物根系供给植物的氮素成为植物生物量积累的限制因子，使得接种处理的CN和2CN地上生物量显著下降。

3.3 模拟氮沉降对不同接种处理幼苗根系形态结构的影响

根系是植物从土壤吸收养分和水分的重要器官［29］。研究中通常将根系的平均直径、总根长、总根表面积以及分叉数等，作为评价根系养分吸收能力的重要指标。本研究中，与CK 和SB 处理下CKN 浓度相比，HJ 处理下根的平均直径、总根长、总表面积和总分叉数均有显著增加；祁金玉等［26］研究中也得出了类似结论，但本研究中，SB 与CK处理下CKN 浓度相比，并未显著增加幼苗根系形态结构各项指标，可能是因为SB 处理下的菌根侵染率不高所致。氮浓度对植物根系的影响中，CK和SB 处理各氮浓度中，幼苗根系的平均直径、总根长、总表面积随着氮浓度的增加均显著增加，说明当外界土壤氮素含量较高时，非菌根苗以及菌根侵染率低的菌根苗木根系会通过优化形态结构增加平均直径、总表面积等，以增加根系养分运输的能力［30～31］。在菌根侵染率高的HJ 处理中，2CN浓度下根系的平均直径、总根长、总表面积和总分叉数较CKN 浓度显著下降。其原因可能是：根系菌根侵染率较高时，在外界氮进入土壤后，根系对外生菌根的依赖性降低，使得菌根共生体发生退化；因此HJ 处理中与CKN 和CN 浓度相比，2CN 浓度降低了幼苗根系各形态结构指标。

4 结论

（1）接种乳牛肝和混合接种处理，随氮浓度的增加，苗木菌根侵染率呈下降趋势，其中2 种氮浓度处理下菌根侵染率分别显著低于对照，而2种氮浓度处理间无显著差异。

（2）接种能显著促进樟子松幼苗的生长。但随着氮浓度的增加，对非菌根苗地上生物量有促进作用，而对菌根苗地上生物量的积累有抑制作用。接种和氮浓度对幼苗苗高和地下生物量无交互作用，对地径和地上生物量交互作用达到显著和极显著差异。

（3）土壤氮有效性增加能够促进非菌根苗和侵染率较低的苗木根的平均直径、总根长和总表面积，但是对于侵染率较高的菌根苗则会产生抑制作用。接种和氮浓度对幼苗根系平均直径、总根长、总表面积和总分叉数交互作用均达到极显著差异。