種植方式和菌根類型對吸收根性狀的影響

梁佳芳，任鑫華，夏 蕾，劉碧桃

(山西農業大學林學院，山西 太谷 030801)

近三十年，植物多樣性與生產力的關系受到非常大的重視，研究二者的關系，有助于更好地保護和恢復生態系統穩定性[1]。目前植物多樣性-生產力關系的研究主要關注的是地上生產力的提高及其驅動機制[2]，例如，混交林的地上生產力顯著高于純林，這符合生態位互補假說[3-4]。而植物多樣性對根生物量的影響還沒有統一定論[5]，可能與植物根性狀或菌根類型有關，但缺乏相關證據。

在植物根系中，細根（直徑＜2.0 mm）對植物的生長發育起著決定性的作用。根據細根結構與功能的關系，將其分為吸收根（即位于根系末端非木質化的具有較厚皮層細胞，執行土壤資源獲取功能的根系）和運輸根（即具有明顯次生結構且木質化程度較高，執行土壤資源運輸功能的根系）[6]。陸地上90%以上的植物會與土壤真菌形成共生關系，稱之為菌根[7]。目前分布最廣研究較多的兩種菌根類型主要是叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza,AM)和外生菌根(ectomycorrhiza, EM)，但這兩種類型菌根由于其進化歷史和侵染根的方式不同，使其侵染植物的根性狀有所不同[8]。其中，AM 真菌早在4 億年前就已經出現[9]，而且其主要侵染根的皮層，所以根直徑粗、皮層厚，有利于AM 真菌侵染；而EM 真菌則是在AM 真菌之后，主要是在白堊紀期間隨著土壤礦質風化程度增加而出現的，其菌絲不進入根細胞內，主要在根表皮周圍包裹菌絲形成菌絲鞘，所以其侵染的植物根直徑通常較細[10]。此外，之前的研究發現根形態性狀（如根直徑、比根長）和構型性狀（如根分支強度和分支比）對環境變化的響應程度不同[11]。然而，植物多樣性是否以及如何影響不同菌根植物的根性狀變化仍不清楚。

盡管有研究表明，植物多樣性能夠通過改變吸收根性狀的變化來增加植物獲取土壤資源的能力和效率，然而，實證研究報道了根性狀對植物多樣性有不同的響應趨勢[12]。例如，植物多樣性增大能增加比根長[13]，因為單位生物量成本下，比根長的增加能提高植物對土壤資源獲取的有效性[14]。但是也有研究表明，植物多樣性增大對比根長沒有顯著影響[15]或者有負效應[16]。同樣地，植物多樣性增大對根直徑、根長密度和根氮濃度的影響也有不同的趨勢[11]。造成不同研究結果的可能原因，之前的研究只考慮了物種豐富度、立地環境或生態類型，并未考慮植物菌根類型的影響。

為深入理解菌根類型和植物多樣性對吸收根功能性狀的影響，本研究在江西省新崗山選擇8 種樹種，包括楓香(Liquidambar formosanaHance.)、南酸棗(Choerospondias axillaris(Roxb.) B. L.Burtt & A. W. Hill)、無患子(Sapindus saponariaLinn.)、藍果樹(Nyssa sinensisOliv.)、烏桕(Triadica sebifera(Linnaeus) Roxb.)、 錐栗 (Castanea henryi(Skan) Rehder & E. H. Wilson)、短柄枹櫟(Quercus serratavar. brevipetiolata (A.DC.)Nakai.,Qs)和 苦 櫧 (Castanopsis sclerophylla(Lindl.) Schottky)，對8 種樹種分別進行單獨種植(單種)和所有樹種混合種植(混種)處理，通過測定吸收根(前兩級根)的7 個功能性狀，包括：(i)形態性狀：根直徑(RD)、單根長度(IRL)、比根長(SRL)和根組織密度(RTD)；(ii)構型性狀：根分支強度(BrI)和分支比(BrR)；(iii)菌根真菌侵染率(MC)，旨在解決以下科學問題：(1)菌根類型和種植方式對不同根性狀有何影響？(2)不同菌根樹種根性狀對種植方式的響應趨勢是否一致？(3)混種如何影響不同菌根樹種吸收根功能性狀的可塑性變化？

1 材料與方法

1.1 研究區概況

研究區位于江西省德興市新崗山鎮(27°48'～29°42' N，116°13'～118°29' E)，該區域屬典型亞熱帶季風性濕潤氣候，自然植被以亞熱帶常綠落葉闊葉混交林為主。年均溫為16.7 ℃，最冷月1 月的均溫為0.4 ℃，最熱月7 月的均溫為34.2 ℃，年均降水量為1 821 mm，海拔為105～275 m[17-18]。

1.2 試驗設計

本試驗基于中國亞熱帶森林生物多樣性與生態系統功能研究平臺，實驗地主要分兩個樣地（樣地A 和樣地B）。樣地A 建于2009 年，以667 m2(25.8 m × 25.8 m)為樣方進行幼苗種植，每個樣方的株行距均為1.29 m，相當于400 株·(667 m2)-1(20 行 × 20 列)幼苗的密度[19]。本研究從樣地A 選擇了8 個樹種的單獨種植(簡稱“單種”)和8 個樹種全部隨機混合種植(簡稱“混種”)的處理樣方，共9 個處理，每個處理設置3 個重復；對混種的樣方來說，每個樹種種植50 株幼苗，8 種樹種共400株幼苗。本研究選擇的8 個樹種根據Soudzilovskaia等[20]判定所選的8 種樹種中5 種為AM 樹種（楓香、南酸棗、無患子、藍果樹、烏桕），3 種為EM 樹種(錐栗、短柄枹櫟和苦櫧)。

1.3 根樣品采集及性狀測定

2018 年8 月，在9 個樣方根據Guo 等[21]的方法采集根系樣品。每個樣地內的每個樹種隨機選擇4 棵樹，主要在表層土(0～20 cm)沿著樹木根基部仔細地挖掘細根，每棵樹的根樣品挑選5～8 個完整根系，小心清理掉根表面土壤和雜質，裝入自封袋貼上標簽，24 h 內運回實驗室后放在冰柜-20 ℃保存，用于測定根性狀。

在實驗室內，將采集的根系樣品用去離子水仔細清洗干凈，按照Pregitzer 等[22]根系分級方法進行根系分級。本研究主要關注的是1、2 級根，將其統稱為吸收根[6]，因為以前的研究表明，樹種的前兩級根主要被菌根真菌侵染，主要執行資源獲取的功能[21-22]。

根性狀的測定：將1、2 級根分別平鋪在裝有蒸餾水的透明塑料盤，用愛普生掃描儀(Epson Expression 10 000 XL desktop scanner, Suwa,Japan)在400 dpi 分辨率下掃描，掃描后的圖片用根系分析軟件WinRHIZO (Regent Instruments, 加拿大魁北克)分別獲得1、2 級根的平均直徑/mm、根體積/cm3、根數量和總根長度/m，之后根樣品在60 °C 下烘干至質量恒定，獲取各級根的干質量/g。分別計算各級根的比根長(對應根級的總根長度除以其總干質量)/(m·g-1)、根組織密度(對應根級的總干質量除以其體積)/(g·m-3)和單根長度(對應根級的總根長度除以其根數量)/cm；所有1、2 級根的這些根性狀的平均值為吸收根對應的根性狀值。根分支強度為1 級根的數量除以2 級根的單根長度；根分支比為2 級根的數量除以1 級根的數量。

叢枝菌根真菌侵染率的測定：吸收根樣品浸泡于10%(質量/體積)的氫氧化鉀溶液中在90 ℃下軟化50 min 后，在室溫下用2%的鹽酸酸化5 min，再用0.05%的酸性品紅(1.2 g 品紅溶于體積比為1∶1∶1 的甘油、10%的乳酸和去離子水混合溶液中)染色，染色完成的根段，隨機選取100 條1～2 級根系在顯微鏡下用十字交叉法(lineintersect)來測定叢枝菌根真菌侵染率，觀測到的叢枝、囊泡以及沒有格的粉色菌絲，均被認為有叢枝菌根真菌侵染，其侵染率計算為侵染的吸收根數量除以觀測的總根數量[23-24]。

外生菌根真菌侵染率的測定：每個處理隨機選擇100～150 個吸收根樣品，在顯微鏡下觀察是否被外生菌根真菌侵染，被侵染的根樣品呈現出黃褐色到金黃色的腫脹形態，其侵染率計算為被侵染的根數量除以觀測的總根數量[25]。

1.4 數據處理與分析

用SPSS (版本23.0, SPSS, Chicago, USA)的雙因素方差分析比較樹種種植方式、菌根類型及其交互作用對根性狀的影響。用獨立樣本T檢驗分別比較根性狀在單種與混種間、AM 和EM 樹種間的差異。采用單因素方差分析比較每個樹種在單種和混種下的根性狀差異。采用Pearson 相關性分析檢驗不同根性狀及侵染率之間的關系。計算每個樹種在單種和混種下不同根性狀的可塑性指數(plasticity index,PI)[26]。

其中，Traitmono是單種下樹種的根性狀，Traitmix是混種下樹種的根性狀。

2 結果與分析

2.1 菌根類型和樹種種植方式對根性狀的影響

雙因素方差分析結果表明，種植方式對根組織密度和根構型性狀(根分支強度和根分支比)有顯著影響(p＜ 0.05)，對其他根性狀和菌根侵染率無顯著影響。而菌根類型對所有根性狀均有顯著影響，但是種植方式和菌根類型對所有根性狀均沒有交互影響(表1)。

表1 種植方式和菌根類型對根性狀影響的雙因素方差分析 Table 1 Results of two-way ANOVA for the effects of planting method and mycorrhizal type on root traits

具體而言，無論單種還是混種條件下，AM 樹種的根直徑顯著高于EM 樹種，而比根長、根組織密度、根分支強度均顯著低于EM 樹種(圖1)。菌根侵染率則是單種下AM 樹種顯著高于EM 樹種，而混種下兩類菌根樹種間無顯著差異(圖1e)。此外，與單種相比，混種下AM 樹種根分支強度顯著增加(圖1d)，其他根性狀則無顯著變化；混種下EM 樹種則只有根組織密度顯著降低(圖1c)。

圖1 種植方式和菌根類型對根性狀的影響Fig. 1 The effect of planting methods and mycorrhizal type on root traits

相對于單種下，AM 樹種在混種的變化趨勢不同，但EM 樹種在混種下的根性狀都呈現上升趨勢（根組織密度除外）。

2.2 不同菌根樹種種內根性狀對種植方式的響應

與單種相比，混種下AM 樹種中烏桕和藍果樹的根直徑分別降低21%和32%(圖2a)；比根長是藍果樹和EM 樹種中錐栗分別增加53%和17%(圖2b)；根組織密度是AM 樹種中楓香和EM 樹種中錐栗分別降低31%和33%(圖2c)。根分支強度是AM 樹種中南酸棗、無患子，以及EM 樹種中錐栗分別增加40%、48%和47%(圖2d)。不同樹種的菌根侵染率在單種和混種下變異趨勢有所不同，盡管相比較單種，大多數樹種在混種下菌根侵染率有降低趨勢，但是AM 樹種的南酸棗和EM 樹種的短柄枹櫟卻是混種下分別顯著增加46%和73%(圖2e)。

圖2 叢枝菌根和外生菌根樹種在單種和混種下的根性狀變化Fig. 2 The changes in root traits between monoculture and mixture for arbuscular mycorrhizal (AM) and ectomycorrhizal (EM) tree species

綜上所述，AM 樹種主要通過增加根分支來適應共生環境，而EM 通過增加根直徑來適應共生環境。

2.3 種間根性狀的關系

通過對樹種的不同根性狀及菌根侵染率進行相關性分析，結果表明：除混種外，其他條件下AM 樹種的根性狀間相關性程度均比EM 樹種高(圖3)；且AM 所有樹種和EM 所有樹種的單根長度和比根長都成顯著負相關(圖3a、d)，且在單種情況下呈現相同的趨勢(圖3b、e)。在混種情況下，根分支強度與單根長度均是顯著負相關，但與根分支比是正相關(圖3c、f)。AM 樹種不管在所有種、單種還是混種情況下，根組織密度與其他根性狀都沒有顯著性關系；單根長度與根分支比呈顯著負相關(圖3a～c)。在EM 單種和混種情況下，根分支強度與根分支比呈顯著正相關，但在所有種下沒有相關性；同時，比EM 所有種下的相關性強度大(圖3d～f)。菌根侵染率與不同根性狀的相關性在不同條件下差異較大，在AM 單種和混種情況下都沒有相關性，但在所有種下只與比根長呈負相關(圖3a)；在EM 所有種和單種下，菌根侵染率與單根長度呈正相關，但在混種下只與根分支比呈負相關(圖3d～f)。

圖3 不同根性狀間的相關性Fig. 3 The correlation of different root traits

2.4 不同菌根樹種在單種和混種下根性狀的可塑性變化

AM 樹種的根直徑和單根長度的可塑性指數均是混種低于單種，而EM 樹種則是相反的趨勢。相比較單種，混種下AM 樹種的比根長、根分支強度和根分支比的可塑性指數均增加，EM 樹種在混種下則是根分支比增加，根組織密度降低。對于菌根侵染率，AM 樹種在混種下降低，EM 樹種在混種下升高。(圖4)。

圖4 不同叢枝菌根（AM）和外生菌根（EM）樹種在單種和混種下吸收根性狀的可塑性指數Fig. 4 Plasticity index ( ± SE) for absorptive root traits of different arbuscular mycorrhizal (AM) and ectomycorrhizal (EM) tree species across tree diversity

3 討論

3.1 不同菌根樹種吸收根性狀的變化

本研究表明，樹種的菌根類型對不同根性狀均有顯著影響(表1)，其中，AM 樹種的根直徑顯著高于EM 樹種，比根長則相反(圖1)，這與之前的很多研究結果一致[10,27-28]。一方面是因為不同菌根真菌侵染根的方式不同，例如，AM 真菌主要侵染根的皮層細胞，在細胞內形成叢枝或泡囊結構，因此根直徑粗、皮層較厚，有助于AM 真菌侵染；而EM 真菌主要在根尖周圍包裹菌絲，形成菌絲鞘或哈氏網，而且EM 真菌外延菌絲能增加根系的吸收面積和范圍，因此植物不需要花費高的成本來構造直徑粗的根[29]。另一方面是因為不同菌根真菌進化時間不同，例如，AM 真菌早在真正的根出現之前就已經存在，所以更傾向于侵染進化早期樹種的根直徑，而研究也表明進化早期樹種的根直徑更粗；EM 真菌則是在AM 真菌出現后，隨著環境條件的改善而出現，所以更傾向于侵染進化晚期樹種的根直徑，而進化晚期樹種的根直徑則較細[9,30]。此外，與AM 樹種對比，EM 樹種的根組織密度較高，這可能是因為EM 樹種的根直徑較細，皮層較薄，相應的維管束的比例較大，從而導致根組織密度較大[10]。

另外，本研究發現，EM 樹種的根分支強度和分支比均顯著高于AM 樹種(圖1)，這可能是因為EM 真菌主要侵染根尖，因此，根分支強度和分支比高，相對應的根尖數量多，有利于EM 真菌侵染；而且之前的研究也表明EM 樹種的養分獲取策略更多的是依賴菌根真菌，也就是“菌絲生長策略”[28]。相反，AM 樹種則主要依賴根生長來獲取土壤資源，即“根生長策略”[28,31]，正如本研究結果表明的AM 樹種的比根長與根分支強度和分支比均有顯著的正相關關系(圖3c)，可見此類菌根樹種增加根生長可能是通過增加根分支和根數量來實現；而且有研究也表明根分支強度和分支比對土壤養分環境變化的響應更為敏感[24]。另外，之前的研究發現不同AM 樹種在利用吸收根和菌根真菌獲取土壤資源時，存在權衡策略，即吸收根直徑更細的樹種傾向于利用吸收根獲取土壤資源，而吸收根直徑更粗的樹種則傾向于利用菌根真菌獲取土壤資源[31,24]。同樣地，我們的研究結果也表明AM 樹種的比根長與菌根真菌侵染率呈現顯著負相關關系(圖3)。此外，相比較AM 樹種，EM 樹種的根性狀變異程度和性狀間的相關性均較低(圖3)。這也側面反應了EM 樹種可能更多地依賴共生真菌獲取土壤資源，從而減弱了自身根性狀的變異及其聯系。盡管本研究的3 個EM 樹種均來自殼斗科，可能會影響EM 樹種根性狀的變異度；但是Kong等[10]對96 個亞熱帶森林樹種進行研究，發現直徑最細的鼎湖血桐（Macaranga sampsoniiHance）和直徑最粗的黃桐（Endospermum chinenseBenth.）均來自大戟科（Euphorbiaceae），但其直徑相差約14 倍，可見，同一個科的樹種其根性狀也可能存在巨大差異。

3.2 種植方式對不同菌根樹種吸收根性狀的影響

本研究結果表明盡管根性狀變異度在單種和混種間的趨勢基本一致，但種植方式對根組織密度和根構型性狀有顯著影響(表1)，這可能是因為根組織密度表征植物根系的投資成本和生長策略[32]，根構型性狀則對環境變化的響應更為敏感[24]，因此，混交林植物種間作用主要是調整根組織密度和構型性狀來作出響應。另外，本研究也發現種植方式對AM 和EM 樹種的根性狀有不同的影響(圖1、2)。例如，相比較單一栽培種植，混交林顯著降低EM 樹種的根組織密度(圖1c)，同時顯著增加AM 樹種的根分支強度(圖1d)。這可能是因為不管是AM 樹種還是EM 樹種，相比較純林，混交林選擇將更多的碳分配到地上部分，提高地上部分生產力[33-34]，而地下部分仍有較高的養分獲取效率來維持地上部分對養分和水分的需求[35]，但是不同菌根樹種地下部分獲取土壤資源的策略不同[28]。

本研究表明單種下AM 樹種的菌根侵染率顯著高于EM 樹種，但是混種下兩類菌根樹種的菌根侵染率則無顯著差異(圖1e)，可見，混種下EM 樹種可能更多地依賴菌根真菌獲取土壤資源。正如本研究發現混種下EM 樹種的根組織密度顯著低于單種(圖1c)，可能是因為混種下EM 樹種選擇降低根構造的碳投入，而是將碳成本投資在菌根真菌上來獲取土壤資源，之前的研究也表明植物在根和菌根真菌的碳投資上存在權衡策略[7]。AM 樹種由于種間根性狀和菌根侵染率變化趨勢不同，因此具有多樣性的地下資源獲取策略。例如本研究的藍果樹在混交林下根直徑顯著降低，比根長顯著增加，菌根侵染率則無顯著變化(圖2)，可能該樹種主要是利用根生長策略來獲取土壤資源；而南酸棗在混交林下根形態性狀無顯著變化，根分支強度和菌根侵染率則是顯著增加(圖2)，可能該樹種主要是利用菌根策略獲取土壤資源。

對于AM 樹種來說，單種和混種均會降低樹種根性狀之間的相關性，尤其是混種降低幅度更大（圖3a～c）；與之相反的是，單種和混種均會增加EM 樹種根性狀之間的相關性(圖3d～e)。這可能是因為正如前面所討論的，細根樹種和粗根樹種的土壤資源獲取策略不同，所以AM 樹種混交林表現出根形態性狀間無相關性(圖3c)。而EM 物種在根尖周圍形成了菌絲膜，限制了皮質組織的發育，增加了根枝數量，使得根形態性狀發生改變，因此EM 樹種單種和混種表現出更多的根形態性狀間的相關性。本研究也發現，不管是AM 樹種還是EM 樹種，與單種相比，混種能降低且改變樹種根性狀間的相關性(圖3c、f)。這可能是因為有菌絲覆蓋物的EM 根，根系分泌物的量較多，且EM 樹種的根系分泌物與直徑、比根長之間存在顯著相關性；但AM 在樹種中不顯著。因此，AM 樹種和EM 樹種在混種情況下，可能會相互影響，導致在混種時根形態性狀間的相關性降低，且在單種和混種時的相關性存在差異[36]。

本研究結果表明，AM 樹種的根直徑和單根長度均是混種顯著低于單種，而EM 樹種則是相反的趨勢(圖4)。這可能是混種時存在EM 樹種和AM 樹種相互影響的情況，在高度多樣化的生態系統中，養分競爭加劇，AM 樹可能更多地依賴快速凋落物分解來獲得無機養分[37]，同時，EM 樹通常比AM 樹具有更高的木質素濃度，產生更多的頑固凋落物，導致凋落物分解和養分礦化較慢，但土壤有機質積累較高[38]，因此在混種下AM 樹種的根長和單根長度都比單種下低；而EM 真菌雖保留了了來自其腐生祖先的降解酶[36,39]，但由于EM 真菌的分解能力低于腐生真菌[40]，EM 植物可能不得不依賴其他養分保存策略，如養分再吸收，以確保其養分需求[41]。

4 結論

本研究通過對5 種AM 樹種(楓香、南酸棗、無患子、烏桕、藍果樹)和3 種EM 樹種(短柄枹櫟、錐栗、苦櫧)為研究對象，結果發現AM 樹種和EM 樹種的菌根類型會極顯著影響吸收根間的功能性狀，但種植方式不會。AM 和EM 樹種的根形態和構型性狀均有顯著差異，但同一菌根類型樹種在不同種植方式下普遍沒有顯著差異?；旆N對AM 和EM 樹種根性狀的可塑性有不同程度的影響，主要增大AM 樹種的分支強度，降低EM 樹種的根組織密度?？梢?，不同菌根樹種可以通過調節不同根性狀變化來實現物種共存。