丛枝菌根真菌定植调控棉花根系特性与土壤碳经济策略：氮减施下的协同增效机制

本研究针对氮肥减施背景下丛枝菌根真菌（AMF）调控土壤碳经济策略的机制不明问题，通过双因素盆栽实验探讨AMF定植对棉花根系特性、氮素获取及产量的影响。结果表明：AMF定植通过优化比根面积（SRA）和根分枝强度（RBI），协调叶片与根系氮代谢，调整土壤有机碳（SOC）的获取-保守策略权衡，显著提升低氮条件下棉花产量。该研究为农田生态系统的可持续氮管理及碳固存提供了新视角。

　　

在农业生态系统中，土壤碳经济策略如同植物的“生存密码”，决定了资源利用效率与生态系统韧性。土壤碳经济策略（Carbon Economic Strategies）指植物通过碳分配响应资源环境，形成“获取型”（加速碳周转）与“保守型”（增强碳固存）的生存权衡，深刻影响着养分循环与作物生产力。然而，丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi, AMF）作为80%陆生植物的“地下盟友”，其定植如何通过根系特性（Root Traits）调控这一策略，进而影响棉花等经济作物产量，仍是未解之谜。尤其在氮肥减施的全球趋势下，传统高氮农业面临资源浪费与环境污染的双重压力，但AMF-根系共生能否在低氮条件下“激活”土壤碳的智能调控，成为农业可持续发展的关键瓶颈。

为破解这一难题，石河子大学的研究团队以棉花（Gossypium hirsutum L.）为模型，在《BMC Plant Biology》发表了一项开创性研究。他们设计了一项双因素盆栽实验：因素一为氮水平（1.5、1.0、0.5 g·kg^-1），模拟从常规到减量50%的梯度；因素二为AMF处理（定植 vs. 非定植），通过杀菌剂苯菌灵抑制AMF形成对比组。实验在新疆典型气候区开展，土壤样本取自棉田表层（0–15 cm），棉花品种为“新陆早84”。技术方法聚焦四大核心：

1. 根系形态扫描：使用EPSON根扫描仪结合WinRHIZO软件量化根长（RL）、根直径（RD）、根尖数（RTC）、根交叉数（RIC）、比根长（SRL）、比根面积（SRA）和根分枝强度（RBI）。
2. 氮代谢分析：通过奈斯勒比色法测定叶片（LNC）、根系（RNC）和茎秆（SNC）氮含量。
3. AMF定植率检测：采用Dickson染色法计算根段菌根定植比例。
4. 土壤生化指标：涵盖土壤有机碳（SOC）、微生物量碳（MBC）、铵态氮（NH₄⁺-N）、硝态氮（NO₃^--N），以及脲酶、多酚氧化酶（PPO）和过氧化物酶（PER）活性，以解析碳经济策略的微生物驱动机制。

The economic strategies of root traits and AMF colonization

研究通过根经济学谱（Root Economic Spectrum）分析发现：当AMF定植被抑制时，根系特性如RNC、RIC、SRL、RBI、SRA和RTC均采取“获取型策略”（快速资源捕获），而AMF定植与RD则表现为“保守型策略”（资源储存优先）；反之，在正常AMF定植下，AMF定植、RTC、RBI和RNC转向保守型，而SRA、RD、SOC和LNC则转为获取型。这揭示了AMF定植与根-碳策略的“动态博弈”——AMF作为“调节器”，能重塑植物地下碳投资模式。

Correlation analysis of AMF colonization, cotton nitrogen nutrients, soil microbial activity and root characteristics

AMF定植与SRA、RBI呈显著正相关（线性回归R^{2>0.7），表明AMF偏好定植高比根面积与高分枝强度的细根，以扩大养分吸收界面。随机森林模型证实，SOC变化主要受RD（权重60.4%）和RBI（28.7%）驱动：RD增粗促进SOC累积（保守策略），而RBI升高则刺激SOC分解（获取策略）。土壤酶活性数据进一步显示，过氧化物酶（PER）与SOC正相关（R2=0.69），但硝态氮（NO₃--N）与PER和脲酶呈负相关，凸显微生物介导的碳氮耦合机制。}

Changes in the soil nutrient content

氮水平与AMF存在显著互作：在低氮（0.5 g·kg^-1）下，AMF定植提升土壤NH₄⁺-N和NO₃^--N含量，并通过优化根系SRA与RBI，协调叶片-根系氮代谢。这种“氮素挖矿效应”印证了根际激发作用的假说——AMF定植诱导根分泌物刺激