长期施肥对丛枝菌根真菌的影响研究进展

高伟勤 王 鹏

（浙江省柑橘研究所 台州 318026）

丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF）作为土壤中的一类有益微生物，其菌丝体可以侵入陆地上90%以上植物根系细胞组织内部，在皮层细胞中产生泡囊、丛枝等结构，与其形成共生体——丛枝菌根（Arbuscular mycorrhizas，AM）。植物将部分光合产物以碳源的形式输送给AM真菌，而AM真菌借助其发达的菌丝网以及菌丝桥结构为植物吸收并提供更多的水分和养分，同时还能提高寄主植物对环境胁迫的抗逆性[1]，即AM真菌与寄主植物形成一种互惠共生的关系。菌根是大多数高等植物进行营养吸收必需利用的方式[2]，实际上，菌根的生态系统功能已被广泛认可，其在营养元素循环、土壤碳固持以及生态系统稳定性等方面都起到了极其重要的作用[3]。AM真菌通常被认为在低投入或有机农业中具有重要作用[4]，而高投入和精细化的农业管理水平往往会导致AM真菌类群的丰富度和多样性水平被降低，进一步阻碍了AM真菌的发育[5,6]。

迄今为止，施肥处理对AM真菌发育的研究被逐步开展，不同施肥处理与用量对AM真菌的影响有显著的差异。本文从农业生产中常用的氮肥、磷肥、无机肥及有机肥角度，归纳总结了不同施肥处理对AM真菌的及其多样性的影响，以期为土壤AM真菌对肥料投入的响应研究及利用菌根生物技术修复受损土壤生态系统提供理论依据。

1 我国长期施肥现状

我国是一个农业大国，国内化肥年使用量占据世界化肥年使用量的三分之一，是世界上化肥使用量最大的国家[7]，占世界总消费量的35%，其中氮肥施用量增长到46.6×1012t[8]。

2015年调查结果显示，我国主产区柑橘园氮、磷、钾肥年平均用量分别为494、364和397 kg/hm2，而国外柑橘推荐氮磷钾用量仅分别为150～250、100～150和150～200 kg/hm2[9]。我国水稻、小麦的氮肥利用率分别为32.3%和28.8%，设施番茄更低，只有8.5%。而东南亚地区水稻和印度小麦的氮肥利用率都在40%左右，一般发达国家可高达到40%～60%[10]。我国有30%左右茶园存在化肥施用过量问题，各省茶区的 N、P2O5、K2O年均养分投入量为分别为281～745、72～485、76～961 kg/hm2，其中以山东、湖北、湖南、江西、四川、福建等地较为突出[11]。

2015年，浙江省平均化肥用量为19.4kg/667 m2左右，大大高于发达国家的15.0kg/667 m2[12]。过量的肥料投入会加剧土壤养分失衡，不仅不利于增产提质，还会降低养分利用率、增加生产成本，又会造成环境和大气污染。

2 长期施用氮肥对AM真菌发育的影响

氮是植物生长的必需元素，能够提高土壤的净初级生产能力，提高作物产量和品质。我国多数地区的氮肥施用量要远高于北美及欧洲[13]，大量的氮肥在提高产量的同时也带来环境问题，如土壤酸化[14]、板结[15]等。土壤中的大多数氮素主要以高分子复合体形态存在的有机氮，而真正能够被植物所吸收利用的主要氮素类型为无机氮，因此土壤微生物通过分解有机物质，释放出无机氮的过程显得尤为重要[16]。

研究表明，AM真菌共生体不仅可以促进土壤有机物质的分解，而且AM真菌侵入植物根系后，向内形成根内菌丝，通过菌丝传递增强植物对氮的吸收，向外形成根外菌丝在根系无法到达的区域独立扩展，吸收更多数量的氮素[17,18]。然而，也有学者认为，土壤氮素资源丰富时，会抑制AM真菌的发育。随施氮量的增加，豌豆和春小麦根系AM真菌侵染率均表现出先升高后降低的趋势[19]。贺学礼等[20]发现过高的氮抑制了AM真菌对黄芪根系的侵染，王淼焱等[21]发现长期定位施用氮肥降低了AM真菌对寄主植物的根系侵染率、丛枝着生率、单位根长泡囊数和侵入点数。

另一种观点认为，氮肥可以增强土壤肥力，调节土壤结构，增强土壤的透气性、保水性以及微生物的活性，从而有利于AM真菌的生长发育。罗佳佳[22]的研究表明氮肥的适量施用提高了AM真菌的侵染率以及垂穗披碱草对菌根依赖性；郝杰等[23]发现不同的施氮水平会显著影响小麦根际AM真菌群落结构，氮肥投入，显著提高了小麦根际AM真菌的多样性。

还有一种观点认为，氮肥的施用对土壤AM真菌的发育没有直接的影响。王庆峰[24]研究表明，长期单施氮肥对黑土中AM真菌的多样性没有显著影响；侯宇虹[25]等发现，氮肥的施用对百合根际AM真菌的孢子数量没有显著的改变。

因此，长期施用氮肥对AM真菌的发育影响结果不同，相关机制有待进一步研究。

3 长期施用磷肥对AM发育的影响

土壤中的有效磷被认为是影响植物生长及提高产量的关键因素之一[26]，然而土壤矿物对磷具有强烈的吸附固定作用，造成土壤磷移动性差，最终降低了土壤中磷的有效性。相关研究表明，约80%的植物磷素是通过AM真菌进行吸收[27]。同样，磷肥对AM真菌的发育以及多样性也有着重要的影响，通常伴随着磷肥的施用而逐渐降低[28]。

高磷条件下，冬小麦的菌根侵染率要低于低磷处理[29]；Lin等[30]的研究结果表明，连续20年长期施用磷肥，AM真菌的多样性显著降低。这可能是因为植物体内磷营养水平的提高，降低了植物根皮层细胞的质膜透性，使得植物传递给AM真菌的碳水化合物减少，限制了AM真菌的发育。也有学者认为植物在磷素充足的条件下，无需借助AM真菌便可以吸收生长所需的全部磷素，而AM真菌无法获得维持自身生长发育的光合产物，从而表现出侵染率下降和多样性降低的现象[31]。

此外，土壤中磷素含量较低时，反而有利于AM真菌的发育。有研究表明，低浓度的磷素形态有利于AM真菌对羊草的侵染，显著增加了地下部的吸磷量和植株的生物量[32]。在玉米根际土中添加50 mg/kg的磷素提高了AM真菌的侵染，有利于菌根效应的发挥，促进了玉米的生长[33]，这可能是因为在土壤中的磷浓度较低时，植物无法仅靠自身根系吸收土壤中的磷，必须借助AM真菌，形成共生体，从而满足对磷的需求。从中可以发现，似乎低浓度的磷含量更有利于AM真菌的发育，而高浓度的磷含量则限制了AM真菌的生长。

4 长期施用无机肥对AM真菌发育的影响

复合肥具有养分含量高、副成分少且物理性状好等优点，对于平衡施肥、提高肥料利用率、促进作物高产稳产有着十分重要的作用。复合养分对AM真菌发育的影响也已经被研究，如王庆峰等[24]人发现长期施用无机肥会引起东北黑土地土壤理化性质发生改变，降低氮磷利用率，从而引起的土壤pH降低和有效磷含量的降低，导致土壤中AM真菌群落结构变差。Lin等人[30]发现，长期的氮磷钾平衡施肥降低了中国北方沙壤土中AM真菌的丰富度水平以及多样性。李登武等[34]认为，在氮肥和磷肥均衡施用的条件下，中低量的钾肥显著促进了AM真菌的侵染，高量的钾肥则会产生抑制作用。Cheng等人[35]发现长期施用氮肥和钾肥（90年）而不施用磷肥会显著增加AM真菌多样性，但短期内施用磷肥也会显著增加AM真菌的多样性。还有研究表明，氮肥对AM真菌群落的影响受土壤中有效磷的影响，氮肥在磷缺乏时能够提高土壤中AM真菌丰富度和多样性，而在磷丰富时，氮肥反而降低了AM真菌生物量、丰富度和多样性[35,36]。

由于土壤中养分复杂，Johnson等[37]人提出了一个交易平衡模型，认为通常情况下植物与AM真菌互利共生，若只施氮肥，则增强植物对磷的需求，从而使共生关系加强，促进AM真菌生长发育；但同时施入氮肥和磷肥后，土壤有效养分含量的增加，将会降低植物对AM真菌的依赖，进一步高氮和高磷的投入导致过高的有效养分含量则使得植物不再依赖AM真菌，从而共生变成寄生关系，不利于AM真菌的生长发育，降低AM真菌多度，最终削弱AM真菌的生理生态功能。

5 长期施用有机肥对AM真菌发育的影响

有机肥中含有较多的营养元素，能为作物提供养分，促进作物的生长，提高农产品的品质。有机肥能够促进土壤中微生物的活动[38]，充分利用土壤微生物内生态的自我稳定机制，不仅维持了作物的产量以及土壤肥力，也进一步减少了有机资源利用不足对环境造成的污染。而施用有机肥对AM真菌发育的研究相对较少。一些研究显示，有机肥的施用可以提高AM真菌的侵染水平以及土壤中的孢子密度[39]及生长发育[40]。长期施用有机肥降低了黄土高原农田系统中AM真菌的丰富度，增加了土壤中AM真菌的孢子密度和真菌多样性[41]，在设施番茄上的研究也报道称有机肥的施用可以提高AM真菌的侵染率，有利于AM真菌的生长和繁殖[42]。有机肥被视为绿色肥料，对AM菌根的发育同样表现出积极的促进作用。

6 总结与展望

目前，有关施肥对AM真菌发育的影响还存在较大的争议，无论是氮肥、磷肥、无机肥或是有机肥得到的结果都有一定的差入。然而多数的研究结果指向了适量或中低量的施肥有助于AM真菌的发育，而大量的施用阻碍了AM真菌与植物根系共生体的形成。而关于施肥影响AM真菌发育的机制也不是很清楚，部分学者开始认为AM真菌与植物之间的共生关系应该明确定义为从寄生到互利共生的连续体。虽然AM真菌对作物生长积极的促进作用已经被众多学者所接受，但是有关AM真菌在农田管理中如何响应施肥处理的机制还有待进一步研究。