（环境科学与工程专业论文）菌根技术在控制稻田氮磷流失中的应用.pdf

国内图书分类号：x5 学校代码：10213 国际图书分类号：579 密级：公开 工学工学硕士硕士学位论文学位论文 菌根技术在控制稻田氮磷流失中的应用 硕 士 研 究 生 ： 张雪 导 师 ： 王立 副教授 副导师 ： 马放 教授 申 请学位 ： 工学硕士 学科 ： 环境科学与工程 所 在 单 位 ： 市政环境工程学院 答 辩 日 期 ： 2011 年 6 月 授予学位单位 ： 哈尔滨工业大学 classified index: x5 u.d.c: 579 dissertation for the master degree in engineering application of mycorrhizal technology in the control of nitrogen and phosphorus loss in paddy candidate： xue zhang supervisor： vice supervisor: associate prof.li wang prof.fang ma academic degree applied for： master of engineering speciality： environmental sci. mycorrhizal technology; nitrogen and phosphorus loss; non-point source pollution; source reduction 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 目 录 摘 要 . i abstract . ii 第 1 章 绪 论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.1.1 课题来源 . 1 1.1.2 课题研究目的和意义 . 1 1.2 菌根技术概述 . 2 1.2.1 共生机制 . 2 1.2.2 共生条件 . 3 1.3 菌根技术在控制农业面源污染中的应用 . 5 1.3.1 农业清洁生产 . 6 1.3.2 面源污染控制 . 9 1.3.3 菌根真菌对农业土壤的修复 . 11 1.4 稻田中菌根功能的条件优化 . 12 1.5 主要研究内容 . 13 第 2 章 材料与方法 . 15 2.1 试验材料与设备 . 15 2.1.1 试验材料 . 15 2.1.2 实验仪器 . 15 2.2 水稻-菌根真菌共生系统的构建 . 15 2.3 实验方法 . 18 2.3.1 水质指标 . 18 2.3.2 土壤指标 . 19 2.3.3 植物指标 . 22 第 3 章 菌根对稻田氮磷时空动态的影响 . 23 3.1 稻田表层水中氮磷元素的季节动态 . 23 3.1.1 稻田表层水中 n 的季节动态 . 23 3.1.2 稻田表层水中 p 的季节动态 . 25 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - 3.2 植物体内氮磷元素的时空变化规律 . 26 3.2.1 植物体内 n 的时空变化 . 26 3.2.2 植物体内 p 的时空变化 . 28 3.3 土壤中氮磷的时空变化规律 . 30 3.3.1 土壤中 n 的时空动态 . 30 3.3.2 土壤中 p 的时空动态 . 31 3.4 本章结论 . 32 第 4 章 菌根的促生效果 . 34 4.1 amf 与植物的共生效果 . 34 4.1.1 amf 对植物的响应 . 34 4.1.2 植物对菌根的依赖性 . 35 4.2 菌根接种对水稻营养生长的促进 . 37 4.2.1 植株高度 . 37 4.2.2 净生物产量 . 38 4.3 菌根接种对水稻生理活性的影响 . 39 4.4 菌根接种对水稻产量的促进 . 42 4.4.1 水稻生殖生长资源分配对菌根的响应 . 42 4.4.2 菌根对水稻产量的影响 . 44 4.5 本章结论 . 45 第 5 章 菌根在环境改良中的功能分析 . 47 5.1 amf 对土壤物理性质的改造 . 47 5.1.1 amf 对土壤容重的影响 . 47 5.1.2 amf 对土壤含水量的影响 . 47 5.1.3 amf 对土壤孔隙度的影响 . 49 5.2 amf 对土壤化学性质的改造 . 50 5.2.1 amf 对土壤有机质的影响 . 50 5.2.2 amf 对土壤 ph 值的影响 . 51 5.3 amf 对根际微生物群落结构的影响 . 52 5.3.1 amf 对微生物分布的影响 . 52 5.3.2 amf 对微生物活性的影响 . 52 5.3.3 菌根对土壤呼吸作用强度的影响 . 54 5.4 面源污染源头减量核算 . 55 5.5 本章结论 . 55 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - vi - 结 论 . 57 参考文献 . 59 攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果 . 66 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 67 致 谢 . 68 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪 论 1.1 课题背景 依据排放方式的不同，环境水体污染通常分为点源污染和非点源污染（即 面源污染）1。点源污染的管理及控制相对简单，通过处理能够在源头得到控 制，近年来点源污染已得到了较为有效的控制；但是面源污染问题则日益突 出，已成为全世界关注的焦点，而其中最严重的则是农业面源污染。面源污染 的主要问题是过量的 n、p 元素进入水体，造成水体富营养化，导致鱼虾等水 生动物因缺氧而大量死亡，水质不断恶化。据 1996 年美国环保署调查，在美 国，富营养化水体占据污染湖泊面积的 50%，污染河段的 60%，而早在 1990 年其面源污染就已达到三分之二的总污染量，其中有 68%83%源于农业面源 污染2。随着人口增长以及对粮食需求的增加，我国自 20 世纪 80 年代初开始 大范围推广农用化学品的施用，但是农药和化肥的利用率均偏低，究其原因， 是落后的灌溉技术以及不合理的传统施肥方式所致。据调查，对于氮肥，作物 仅能达到 30%的单季利用效率，而农药对于农作物的有效施加量仅为 10%20%，其他部分均通过不同的途径损失，最终进入环境，使农业面源污 染现象不断恶化。 1.1.1 课题来源 国家自然科学基金资助项目(50809020)；城市水资源与水环境国家重点实 验室基金资助项目(hc200816,2010dx09)；国家创新研究群体科学基金资助项 目(50821002)。 1.1.2 课题研究目的和意义 在农业生产活动中，过量的化肥和动物产生的有机肥超过植物生长所需， 导致氮磷营养元素过剩而在土壤中累积，部分氮磷元素经由地表径流通过缓冲 带，从道路生活区或农田汇入受纳水体，同时氮元素在土壤中具有移动性，经 潜层渗流方式能够进入地下水体，部分氮化合物还能以气态方式挥发进入大气 中，但是经过再沉积作用最终仍进入水生生态系统3，造成面源污染。 针对上述过程，防治面源污染有两个重要的突破口，一是通过采用高效的 生物技术达到面源污染的源头减量，另一个是通过提高缓冲带的截留净化效 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 率，在面源污染产生的过程中对污染物进行控制，从而减少其进入环境水体的 量。这两种方案配合能够有效落实对面源污染全流程的防治工作。对面源污染 截留净化的缓冲带技术在19世纪的欧洲就已成型，至今该技术日趋成熟，但是 从源头减量的生物技术仍比较薄弱。近年来，随着菌根的作用逐渐被认识，以 植物-菌根真菌共生体系为主体的生物修复技术正引起研究者的广泛关注，这 种新型生物技术在面源污染的源头减量及过程控制中能够发挥重要作用。 在土壤中，真菌与植物的根系相互作用、相互依赖而形成菌根共生体系， 这一共生体系的存在能够提高植物的抗逆性及抗病虫害能力，有效增强植物对 营养物质的吸收利用效率，从而减少农药化肥的施入，此外，菌根在降解转化 污染物方面也有一定作用，最终实现农业面源污染的源头减量及过程截留目 的。虽然有关菌根真菌的研究已有很多并取得了一些成就，但是目前在面源污 染的防治工作中，利用该技术还难以实现大规模的工程应用。据调查，菌根接 种效果在实验室中通常较好，而大田试验效果欠佳，因此将实验室的成果成功 应用于田间试验的实例还较少。因此，本实验拟将人工制备的生物菌剂投加到 湿生稻田中，结合水稻生长和丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, amf)的侵染情况，考察不同化肥施加量下菌根对水稻的促生效果以及菌根对 氮磷等营养物质随时空变化的影响情况，并进一步对菌根共生体系的作用机理 做初步探索，为菌根技术在控制面源污染的工程应用方面提供参考。 1.2 菌根技术概述 1.2.1 共生机制 在所有菌根的分类中，丛枝菌根分布广泛，在热带、温带和北极地区4都 发现有丛枝菌根真菌的存在，并且它能与大于80%的陆生植物5和某些水生植 物形成共生体系。在丛枝菌根真菌中，球囊霉属在全世界分布最广泛，尤其是 g.intraradices和g.mosseae等出现频率较高6。 amf在与宿主形成共生系统前，会经历孢子萌发、宿主识别和宿主侵染 三个阶段7。amf与宿主的识别以及一系列共生编码的启动被称作真菌与植物 的兼容性，该兼容性由基因决定8。宿主植物分泌启动因子刺激真菌的代谢活 性9刺激由孢子萌发的菌丝产生高度分枝的菌丝体10的菌丝又能向根部分泌扩 散的信号，从而刺激菌根内部可控制的特定共生编码程序的形成，包括相关共 生基因的表达11物根内部，真菌菌丝生长在细胞间隙，当它们遇到内皮层时就 会穿过皮层细胞壁并且形成特有的胞内菌丝结构12丛枝结构，amf还能够产 生泡囊，泡囊是一种储存物质。在amf的生命周期中，真菌还会从根内部长 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 出来，形成根外菌丝和孢子，分布在土壤中8。从真菌在根皮层的定殖到新生 孢子的形成，在宿主和真菌的共生体系中存在信号物质的交换13。根据菌丝 在根系的定殖部位不同，菌根有内生和外生两种类型。外生菌根的菌丝分布在 宿主根部的皮层细胞之间，并且在根的外部形成真菌鞘；内生菌根的菌丝分布 在根部的皮层细胞内14。内生和外生菌根真菌的菌丝能够扩展至土壤中，极 大地扩展了水分和营养元素的吸收面积。 在菌根共生体系中，amf能够改善土壤环境的物理性质，丛枝菌根真菌 的菌丝网络能够通过其对土壤有机质和团聚体稳定性的重要作用改善土壤物理 性状。amf的菌丝和孢子能产生一种细胞表面蛋白-球囊霉素15，研究发现， 除了碳酸盐含量较高的土壤中，土壤团聚体稳定性依赖于碳酸盐16，在一般 土壤中，团聚体稳定性依赖于土壤有机质，此时球囊霉素与土壤团聚体稳定性 密切相关。在土壤中球囊霉素因不易被降解而积累，是土壤中重要的有机物质 源。amf能够形成庞大的菌丝网络，具有很快的循环速率，因此产生的球囊 霉素能够避开微生物对新鲜有机质的作用过程，作为土壤稳定的有机质库 23。此外，菌根能够向植物提供可利用的有效氮源等营养元素促进其生长， 保护植物免受土著病原体的侵害。然而，amf并不利用土壤中的有机质作为 生长的碳源和能源，而是依赖植物的供给，amf需要宿主提供10%-20%的净光 合产物17以维持菌根结构并发挥其功能，amf对宿主光合产物的消耗能够通 过其对植物生长的促进和土壤性质的改良得到补偿。 在土壤中，amf能够形成庞大的菌丝网络，有报道称，每克土中所含丛 枝菌根真菌的菌丝长度能长达30m18，菌丝体占植物根部重量的320%19，菌 丝网络能在表层土壤和植物群落之间的营养分配中发挥重要的作用。通过菌丝 网络，大量的碳被固定于土壤中，从而影响土壤碳素的积累，进而影响土壤微 生物。 1.2.2 共生条件 (1) amf对宿主的选择 尽管amf能够与大部分宿主植物形成共生关系，但是对不同的宿主响应 程度不同。通常，amf对豆科植物的侵染效果较好，如紫云英、大豆、白三 叶草和苜蓿等均为分离培养amf的良好宿主20，此外，一些禾本科植物如高 梁，玉米等对amf的侵染也较敏感。沈廷厚等21用glomuscitricolum对白三叶 草进行接种，第120天检测时，观察到宿主根系全部被amf侵染。对于同一种 植物其不同品种对amf的响应也有较大差别，刘润进等22在观察5种大田梨树 菌根形态时发现，茬梨和黄县长把梨的菌根侵染率明显高于其它三种品种。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 宿主植物从两个方面决定了amf 的生长和功能23。首先，不同的植物种 类对amf的生长发育有特殊影响，并且植物种类在很大程度上决定了土壤中 amf的优势种群构成24。某些amf甚至对一些植物种有抵抗性并且不能繁殖 25。这说明作物种类也会影响邻近作物土壤中amf种群质量。其次，植物的 基因型也能影响该植物与特定菌根真菌的响应。liul研究发现，三种杂交玉米 对一种amf的侵染，表现出不同的响应26。stewart在一个高磷营养水平的田 间种植不同的草莓品种，也发现对于菌根真菌的响应，草莓表现出较大的种内 差异，有的品种接种amf生长的到了促进，另一些则被抑制27。 此外，植物基因型还能够间接改变土壤物理性质或者病害爆发的风险，从 而影响amf的发展及群落组成。植物、菌根真菌和土壤在同一个系统中相互 影响，在该系统中，植物基因型通过直接或间接改变土壤环境而对土壤性质有 重要影响。植被是一个重要的土壤构成因素28，植物对土壤的直接影响源于 它是土壤中重要的代谢活性中心和有机碳源，同时其对土壤水分也有影响 23。 (2) 土壤物理性质对amf的影响 丛枝菌根真菌的生长需要有氧环境，因此土壤通气度和含水量对amf的 生长有重要影响。研究表明，在20%60%的土壤田间持水量变化范围内，随 着含水量的递增，amf侵染率呈现升高趋势。在百分之八十的田间持水量条 件下，amf的侵染呈下降趋势 29。miller研究表明，互花米草( panicum hemi tomon )根系的菌根真菌侵染率随着土壤含水量的增加而减少30。研究发 现，土壤水势越低amf的定殖率越高31。然而，也存在土壤含水量与菌根侵 染程度不相关的报道，有研究显示，两种湿地中的紫菀，被海水每天浸没不同 时间，分别为94分钟和9分钟，其根系侵染率仅相差4%32。当然，土壤含水量 过低，也不利于amf的生长，通常情况下，随着根系在土壤深层的分布，am 的活性降低 33 。对于菌根，最适宜的含水量为土壤田间最大持水量的 50%60% 34。 (3) 土壤化学性质对amf的影响 土壤ph值是影响amf的重要环境因素，过高或过低均会抑制丛枝菌根真 菌的生长发育以及菌根功能的发挥。不同种属的amf适宜生存的ph值范围有 差异，如球囊霉属适宜在中性至微碱性土壤中生存，gigaspora属在ph值为 5.56.0的范围出现频度较高，scutellospora属则在ph值为6.07.0的土壤中分 布较多29。 angela等研究表明,在有机质含量较高的土壤中，amf的菌丝生长更快， 有利于am的生长35。但是，并不是有机质含量越高对amf的定殖越有利，研 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 究表明，土壤有机质含量在1.0%2.0%以内时，amf的出现频率随有机质含量 的增加而增大29。 土壤中磷含量对amf的影响最大，冯海艳等 36研究发现，高施磷水平 下，土壤中根外菌丝密度和amf中碱性磷酸酶活性明显降低，说明磷的含量 过高会抑制amf的生长以及代谢活性。当然，磷含量过低同样不利于丛枝菌 根的发展，中低浓度对amf的定殖以菌根功能的发挥较为适宜33。 土壤中的氮含量对amf的影响与磷相似，随着土壤有效氮的增加，根外 菌丝的数量将减小，amf对氮素的矿化受植物需氮量的调控37。 (4) amf与土壤微生物的兼容性 土壤中的微生物与amf的关系复杂，有些微生物对菌根共生系统有促进 作用，还有一些对amf的定殖产生抑制，如病原微生物。许多研究表明， amf与土壤中的根瘤菌、固氮菌以及溶磷细菌等微生物能够协同促进植物生 长。 根外菌丝影响土壤生物环境，因而影响土壤生物化学过程和土壤病害的发 生。根际微生物需要 amf 提供氨基酸和生长因子，因此它们的数量随着 amf 菌丝在土壤中的周转速率而波动。marschner 等38研究发现 amf 对土壤微生 物群落结构有重要影响。此外，一些内生细菌可能会以 amf 的细胞为宿主， 尤其是植物根际的促生微生物 pgpr(plant growth-promoting rhizobacteria)。一 些证据表明，pgpr 能够刺激 amf 孢子的萌发39，并且参与三方共生体系的 物质交换40。 1.3 菌根技术在控制农业面源污染中的应用 丛枝菌根真菌能够有效促进植物吸收水分及营养元素，增强植物对病虫害 尤其是土传病害的抵抗能力，稳固土壤团粒结构以及改善土壤理化性状，因此 将amf作为生物肥料应用于农业生产中，可以促进农作物产量同时增强作物 的抗病性，从而减少农药化肥的施入量，具有广泛的应用潜力。以菌根技术为 基础，替代传统的农业生产技术，发展环境友好型技术为今后农业技术的发展 指明了新方向。此外，菌根还具有络合重金属元素、改善土壤质量的能力，随 着环境污染问题的加剧，菌根在修复土壤等环境方面的重要作用越来越突出。 菌根真菌在提高宿主植物的抗逆性、促进植物根系吸收矿质元素以及与植物共 代谢而加速环境有机污染物降解方面的作用，在受污染环境的生态修复中具有 广阔的应用潜力，是应对当前复杂环境问题的有效手段。在面源污染的源头减 量与过程控制的污染防治实践中，充分利用并发挥菌根真菌在促进植物生长以 及修复环境污染中的功能，将具有生态和农业的双重意义。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 1.3.1 农业清洁生产 菌根真菌对植物氮素利用效率的促进 土壤的有机质中贮存了大量的氮元素，然而植物通常只能吸收nh4+和 no3-等无机形态的氮以及微生物从有机质中矿化的氮。一些植物通过进化具有 直接利用简单可溶性有机氮化合物的能力4142，而另一些植物能够依靠特殊的 共生关系获得有机氮源43。amf与宿主的菌根共生关系就是其中的一种，菌根 形成的菌丝网能够吸收远离根表面的低移动性离子提供给植物利用，从而增加 对氮素的吸收及利用效率，提高植物体内的含氮水平，改善植物营养状况。 15n示踪技术表明am菌丝能够将n从土壤中运输到植物根部4445。amf 能够利用有机物，土壤有机颗粒释放的矿质元素46以及氨基酸类47而进行繁 殖。aristiz bal等48在对杨梅腐叶中amf的菌丝和泡囊进行观察中发现，amf 通过脉管组织进入腐烂的叶子中，使微生物分解释放的矿质营养有效循环。 a.atul-nayyar等49在研究中发现，在有机残余物中的amf菌丝能够使氮素的 矿化增加到228%，其中25%的矿化氮素24周后，在宿主植物体内出现。hodge 等50在实验中也得到过相似的结论，仅42天后车前草中所含矿化氮素已有15% 的提升。氮素矿化的促进和植物体内矿化氮素的提高，揭示了amf在调控土 壤中有效氮循环中的作用，amf是植物需氮量和氮素矿化的纽带。 amf可从几个方面对植物氮资源利用率起到促进：一是amf能够直接吸 收氮并将其运转到植物体内。cuenca51在以刺桐为研究对象，并向其提供单 一的no3-源时发现，接种amf的宿主其氮含量比不进行接种处理的有所提 高，同时其生物量也明显提高，展现了菌根在促进no3-吸收中的作用。同时， 在菌根根系定殖的根内菌丝和根外菌丝都能够帮助宿主吸收运载养分，尤其是 在菌根表面的外生菌丝能够形成庞大的网络，从而使宿主根系的吸收范围得到 极大的扩展，吸收植物根系分布范围外的有效氮素，例如nh4+-n52，外生菌 丝的这种延伸作用有效地控制了根系以外氮素的流失，在一定程度上避免了其 对地下水的污染。许多研究表明：amf不但能利用nh4+-n，而且对其吸收量 要比no3-n大5354。彭思利55等人在以紫色中性土壤为供试基质，研究amf 的根外菌丝利用土壤中氮素情况时发现：根外菌丝主要利用无机态的氮素，与 不接种处理相比，接种glomus intraradices同时提高了玉米根系和地上部分的 氮素；同时根外菌丝对宿主根系氮素吸收范围的延伸至少能达到5cm。其次菌 根真菌可以对施入土壤中的有机氮肥起到促进其分解的作用，为作物提供有效 氮源。nayyar56以俄国野生黑麦为宿主，对其分别接种根内球囊霉(glomus intraradices)、明球囊霉(glomus clarum)以及近明球囊霉(glomus claroideum)， 结果发现，与不接种处理相比，接种上述三种菌根真菌均能使有机氮的矿化速 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 率得到提高。对于豆科植物而言，因其可自生固氮，这一促进过程更为明显。 菌根真菌与豆科固氮根瘤菌不但可以兼容，而且能够相互促进、协同发挥作 用，豆科植物自然条件下常能形成植物-菌根真菌-固氮细菌三重共生体的有效 联合。已有研究结果表明，am真菌能够侵染大多数的豆科植物，形成菌根的 豆科植物其固氮能力、结瘤数和产量方面均有显著提高，且相比于非菌根植 物，菌根植物含有更高的氮浓度。在贫瘠的土壤中，am真菌与根瘤细菌的结 合所发挥的优势更加突出。根瘤菌在与豆科植物的共生体系中，能够对大气中 的氮气进行固定，从而提高宿主的氮素营养水平；而菌根真菌与豆科植物共 生，能够使宿主对磷、铜和锌等元素的利用率提高、固氮酶的活性得以维持、 根瘤形成得到促进、根瘤固氮效率得到提高，进而使植物的矿质营养得到改 善。因此对豆科植物进行双接种时，宿主体内的氮磷含量、植物生长量以及根 瘤活性相对于单接种均会得到显著提高。对于固氮细菌-植物-菌根真菌三重共 生体系，许多研究者分别在解剖结构、物质代谢与循环和分子机理等不同角度 和层面上对其展开了研究和探讨。最新的研究结果表明，在形成共生关系的过 程中，根瘤菌-植物、菌根真菌-植物它们拥有部分相同的相互识别的分子信 号，即有部分信号转导途径是两种共生关系共同享有的。这表明豆科植物、菌 根真菌和根瘤细菌三者之间在确立共生关系方面具有相互选择及亲和性。因 此，筛选对宿主双亲和及高效的根瘤细菌和am真菌菌株，探索am真菌、宿 主植物和根瘤固氮菌的三方共生机理，开发有效的实践应用技术，对于菌根技 术的成熟应用具有重要的理论价值和应用前景。 菌根真菌对植物磷素利用效率的促进 众所周知，磷能够通过地表径流方式进入水体，导致水体的富营养化现 象，农业生产活动是水体环境中磷污染的主要来源，丛枝菌根能够有效促进植 物对磷营养的吸收，从而减少农田径流水中的磷含量，同时可以减少土壤磷素 的积累，阻止其随淋溶作用下渗污染地下水体，因此在控制农田磷素流失中具 有重要作用。 由于在自然土壤中，多数无机磷酸盐处于难溶状态，因此土壤溶液中溶解 的供植物有效吸收利用的磷很少；此外，多数土壤对磷素的吸附及固定能力都 很强，导致土壤磷素对植物的有效性极大地降低。因此，与氮素相比，有效磷 资源在自然条件下通常都处于相对亏缺的状态，am 真菌在提高土壤磷的有效 性方面的功能因此而倍受关注。很多实验证实，菌根真菌能使难溶状态的磷矿 化，使磷素转化为有效磷，促进植物生长，尤其是当土壤中有效磷资源较亏缺 时，菌根对植物生长的促进效果更加明显。 菌根真菌能够促进植物对磷资源的利用率，其原因有以下几方面：(1) 与 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 植物根系的根毛相比，amf的菌丝直径非常小，所以对于宿主根系无法触及 的土壤间隙，amf却可以伸展到其中57，从而吸收土壤溶液中的有效磷，提 高了磷吸收的空间有效性。有证据表明，菌根能够将其吸收有效磷素的范围扩 展到根际以外27cm处 58；(2) 植物根系能够分泌某些特殊物质，如低分子有 机酸、磷酸酶和h+，它们可以促进土壤中难溶性磷酸盐和有机磷等向有效磷状 态的转化，从而为植物提供有效养分供其吸收，amf能够促进根系分泌物的 产生，从而间接提高有效磷利用率，减少磷的损失，避免造成对地表水和地下 水体的污染。刘进法59通过实验发现，将amf接种于枳根系，二者形成的菌 根对菌丝以及枳根系分泌的磷酸酶量有较大的促进作用，磷酸酶能够促进难溶 性磷酸盐的分解，同时am真菌还能够促进枳的根系对苹果酸、草酸以及柠檬 酸等有机酸类物质的分泌，它们能够将难溶性磷酸盐活化，从而利于植物吸 收；(3) 由于am菌丝贮存的磷量比宿主根系多，这为植物连续不断地有磷向 其供应69提供了重要保障，根外菌丝吸收磷后，能够将其快速运转给根内的 丛枝，其速率比根内运输高出9倍60，此外，菌丝还能促进其分解为可利用的 无机磷形式，提供给寄主植物61。(4) 由于丛枝菌根真菌可以同时侵染不同的 宿主植物，即amf不具有严格的寄主专一性，当它在土壤中遇到其它受体植 物的根系时，可对其进行侵染，在植株间形成菌丝桥62，从而通过菌丝桥将 磷素从衰亡的根系中转移向活体植物34。 此外，amf 可以与 pgpr 协同作用，共同促进作物生长。如溶磷细菌具 有溶解磷的作用，菌根真菌能够有效地吸收磷，二者相互促进，对其进行双接 种实验的结果表明，二者联合作用于宿主根系，作物的吸磷状况以及生长状况 相对于单独接种处理，均得到明显改善。之所以会取得协同促进的效果，是由 于菌根真菌能够向土壤中其他微生物供给自身分泌的营养物质，从而促进溶磷 细菌的生长和繁殖，增强其对宿主的作用效果。关于菌根真菌、植物以及溶磷 细菌他们三者之间的最优组合，及其对磷的活化机制还有待深入研究。 菌根真菌对植物微量元素利用效率的促进 许多矿质营养元素如铜、铁、锌等能够通过菌根真菌的直接或间接作用， 而被植物有效地吸收和利用，进而促进植物的生长，因此菌根真菌有“生物肥 料”之称。amf 的应用能够提高稻谷对 zn 的吸收这一事实早有报道，调查显 示，amf 对水稻根部的侵染使水稻在吸收 zn 方面更加活跃63，zn 对土壤胶 体的强烈吸附导致其在土壤中很难移动，研究表明对水稻接种 amf，稻草和 谷物中的 zn 浓度得到较大的提高，显著增强了 zn 的移动性及水稻对 zn 的吸 收64。尤其是当土壤环境中某种营养元素缺乏时，am 真菌能够对植物的营养 缺乏症状进行有效的改善。在生物化学循环的过程中，由于世界范围内元素分 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 配具有异质性，导致某些地区的土壤中缺乏特定的营养元素如微量元素或痕量 元素，这将成为作物生长的限制因子，甚至将进一步成为人类及动物生存的限 制因素，因此，菌根真菌在改善植物营养胁迫症状，促进植物对特定微量元素 吸收方面的功能显得至关重要。 1.3.2 面源污染控制 菌根真菌对面源污染的截留与缓冲带功能强化建设 缓冲带在截留及阻断面源污染进入水体环境中所发挥的关键作用应当被充 分给予重视。利用植被对土壤养分及水分的吸收固持能力，将林带和草地过滤 带等建在农田和环境水体之间，可以对农业面源污染物进行截留、过滤及净 化，将在很大程度上减轻农田地表径流和地下渗流造成的面源污染问题。目前 该方法的研究和推广已经引起发达国家的充分重视。美国于 1997 年 4 月通过 nrcs 最早向公众发起倡议，推荐采用植被过滤缓冲带技术保护环境水体。在 农田退水排入天然水体之前，利用构建于农田和水体之间以及道路两侧的缓冲 带体系对其中的氮磷污染物进行截留、初步净化，以此缓解农业面源污染问题 已经成为发展环保型社会的趋势。2008 年初，我国在开展保护全国饮用水源 地的环境规划工作中指出，工作重点将落到减少面源污染负荷上，主要采取污 染缓冲带建设的工程方法实现输移路径控制和末端控制。 传统净化技术主要是利用缓冲带中植物的自然功能对农田退水水质进行修 复。近年来随着菌根的功能逐渐被认识，菌根技术的优势开始被研究者试图从 农业生产领域扩展到环境修复领域当中。许多证据表明，菌根能够通过促进植 物根系对矿质元素如磷、锌、铜和镉等的吸收，促进植物生长，提高植物生物 量从而提高其对污染物质的富集能力；同时，通过与植物的共代谢作用菌根系 统能够加速土壤中有机污染物的降解，进而实现对污染环境的生态修复。此 外，菌根真菌还能够通过改善土壤理化性质实现对面源污染的缓冲与截留作 用。研究表明，丛枝菌根能够产生一种多糖类物质的分泌物，它的粘性较高， 因此能够与土壤颗粒相互作用，促进土壤形成微团聚体结构65，从而使土壤 结构得到改良，团聚体稳定性有所提高，提高对雨水冲刷土壤的抵抗能力，减 少水土流失以及污染物质的地表径流量，进而对面源污染物进行有效的吸附、 截留和净化。在面源污染控制技术中，由于多种根际生物组分的互慧共生以及 根际生态系统的平衡稳定均由菌根来实现，因此菌根是这一过程中最关键的控 制界面。因此，构建植物-菌根共生体系，同时联合根际其他功能微生物，使 它们协同发展，形成稳定的共生系统，从而使植物-菌根复合系统高效运转， 通过提高对污染物质的截留、降解和转化能力来强化缓冲带功能，控制面源污 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 染的扩散，从而实现对面源污染的全流程控制。 菌根在末端净化中的作用 人工湿地是用于污水处理的一种人工强化设施，它是模拟自然湿地所建立 的。人工湿地由基质、植物和微生物构成，这三者有效结合，协同发挥作用， 共同完成对污水的净化任务。由于它投资省、效率高，对来自农田中的固体颗 粒及氮磷等具有截留能力66，有效去除氮磷等面源污染物，近年来被广泛应 用于控制面源污染的工程中。但是，由于人工湿地系统生物多样性低，组成单 一，结构过于简单，致使其在稳定性以及对污染负荷的抗冲击能力方面尚存在 不足。丛枝菌根真菌是可以和湿地植物共生67，形成植物-菌根真菌共生系 统，从而促进湿地植物的养分吸收、改善其生长发育状况、提高湿地植物的抗 盐胁迫能力以及抗污染能力，但是amf在自然的湿生条件下侵染率较低，需 要人工强化，因此，可以对人工湿地中的植物接种amf来强化这一系统，提 高其稳定性及抵抗面源污染负荷冲击的能力，从而使人工湿地在面源污染末端 净化中长期稳定地发挥效能。菌根在湿地系统中主要有以下几方面作用： (1) 促进湿地植物的养分吸收和生长发育 人工湿地能够通过基质-植物-微生物系统对氮磷等物质进行吸附截留、吸 收和转化作用，从而去除部分面源污染物，但是该系统的去除效率较低。对湿 地植物接种amf，形成菌根共生体系后则能够促进植物进一步吸收周围水体 的氮磷等物质，对水体起到净化的作用。研究发现，水稻在同时接种摩西球囊 霉和蓝藻后，其组织中的氮磷含量明显得到了提高68，说明菌根能够促进湿 生