接种丛枝菌根真菌(AMF)对施磷石膏云烟87的生长以及砷污染的影响

张 丽， 张传光，2， 柳 勇， 谷林静， 张乃明， 岳献荣， 夏运生*

(1 云南农业大学， 昆明 650201； 2 云南省林业科学院， 昆明 650204；3 广东省生态环境与土壤研究所， 广州 510650)

接种丛枝菌根真菌(AMF)对施磷石膏云烟87的生长以及砷污染的影响

张 丽1， 张传光1，2， 柳 勇3， 谷林静1， 张乃明1， 岳献荣1， 夏运生1*

(1 云南农业大学， 昆明 650201； 2 云南省林业科学院， 昆明 650204；3 广东省生态环境与土壤研究所， 广州 510650)

【目的】丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)能够促进作物养分的吸收及生长，且对土壤砷污染有一定的抗性。磷石膏(phosphogypsum，PG)因含有丰富的磷、硫等养分可以为作物生长提供必要的养分，同时也可能带来砷污染的风险。【方法】为了探讨接种AMF对云烟87生长的影响以及磷石膏农用可能引起的砷污染风险，通过盆栽模拟试验研究了不同PG添加量(0和40 g/kg以PG0、PG40表示)和接种不同AMF [不接种None mycorrhizal(NM)、 接种G.mosseae丛枝菌根真菌(GM)、 接种G.aggregatum丛枝菌根真菌(GA)]对云烟87苗期生长及其磷、硫、砷吸收的影响。【结果】试验结果表明： 无论接种与否，PG40处理的云烟87植株磷含量、吸收量及吸收效率均显著增加，其地上部硫含量及吸收量也显著增加；除NM处理外，添加PG均显著增加了云烟87根系的硫含量、硫吸收量及吸收效率，并显著增加了其植株的生物量。相同PG添加水平下，与NM处理相比，接种GM显著增加了云烟87根系的磷、硫吸收效率和植株的磷、硫含量及吸收量，另外，GM处理显著降低了其地上部砷含量及吸收量但显著增加了其植株的磷砷吸收比。在PG0处理下，接种GA显著增加了云烟87植株的磷含量及吸收量，并显著增加了其地上部硫含量及吸收量。在PG40处理下，接种GA显著增加了云烟87根系的硫含量和吸收量以及植株的生物量。无论是否添加PG，接种GA不同程度地降低了云烟87地上部砷含量和吸收量从而增加了其地上部的磷砷吸收比。【结论】在所有复合处理中，以添加磷石膏40 g/kg和接种GM对云烟87生长的促进效果较好，对施用磷石膏造成的砷污染有一定程度的抵御作用。

磷石膏； 丛枝菌根真菌； 云烟87； 磷； 硫； 砷

近些年来，磷石膏在农业上的研究及利用呈现出了良好的势头，如把磷石膏作为盐碱土壤改良剂，作为肥料促进作物生长及其增产。有研究发现，磷石膏中含有植物生长所需要的多种营养元素(如磷、硫、锌、铜等)，对低磷缺硫土壤上玉米等作物幼苗的生长有明显的促进效果[3]。然而，磷石膏具有强酸性，并含有一定量的砷(As)等不利于农作物生长及农产品安全的逆境因素，不同程度地限制了磷石膏在农业上的利用，且可能造成As在作物中的富集，增加农作物As污染的风险。

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)是一类存在于大部分自然和农业土壤中的重要微生物。丛枝菌根是AMF和宿主植物的共生体，能通过分泌物将矿质营养元素(如磷、硫等)活化或通过菌丝直接吸收到宿主植物根系以促进植物的生长及增产[4-7]，如AMF对玉米磷素的专性吸收起着非常重要的作用，且可以改善葱属植物的硫营养状况而明显提高其产量和辛辣品质[8-9]。此外，AMF还具有强化重金属如As污染土壤上宿主植物如玉米、烤烟、白三叶草和黑麦草等对As的抗性[10-13]，增加磷吸收促进生长的同时，相对减少了As的吸收，表现出了一定的抗砷潜力。

烤烟是云南省主要的经济作物之一，种植历史悠久，目前几乎所属各县市均有种植。有研究表明，AMF能侵染烤烟，且在云烟85、K326、NC89等烤烟品种上显示出了比较明显的促进烟株生长、氮、磷等营养元素的吸收以及提高烤烟产量和品质的效果[14-16]。然而，有关菌根对烤烟施用磷石膏后砷吸收及污染风险的影响的研究少见报道。因此，本文通过盆栽模拟试验，以烤烟(云烟87)为宿主植物，研究了接种AMF(Glomusmosseae、Glomusaggregatum)和添加磷石膏条件下云烟87苗期生长、养分吸收及砷污染风险，探讨了上述两因素作用下烤烟磷、砷累积的相互作用机制，可为在南方土壤上磷石膏的安全使用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

表1 供试土壤及磷石膏理化性质

烤烟品种为“云烟87”，由云南农业大学烟草学院年夫照副教授提供。烤烟种子挑选质量均一，无疤痕的包衣种子，采用漂浮育苗，育苗基质进行高压灭菌，漂浮营养液用蒸馏水配置。移栽前1周在漂浮液中加入一定浓度的苯菌灵以抑制可能带入真菌的繁殖。

供试丛枝菌根真菌(AMF)由北京市农林科学院植物营养与资源研究所王幼珊研究员提供，为Glomusmosseae(BGC YN05、1511C0001BGCAM 0013)和Glomusaggregatum(BGC HEB07C)，试验所需要的菌根菌剂是用玉米和三叶草扩繁得到。

1.2 试验设计

试验设0和40 g/kg两个磷石膏添加水平，分别用PG0和PG40表示。每个磷石膏添加水平下分别设不接种(NM)、接种Glomusmosseae(GM)和Glomusaggregatum(GA)3个处理，每个处理重复4次。

试验所用容器为1.5 L的塑料盆，容器内衬塑料袋后再装土。每盆装土1 kg，以溶液形式向土壤中加入基础肥料 [N 60 mg/kg (NH4NO3)，P 30 mg/kg (KH2PO4)，K 67 mg/kg (K2SO4)，Ca 20 mg/kg(CaCl2·2H2O)，Mg 4.5 mg/kg(MgSO4·7H2O)，Mn 0.92 mg/kg(MnSO4·H2O)，Cu 0.54 mg/kg(CuSO4·5H2O)，Zn 1.24 mg/kg(ZnSO4·7H2O)，Mo 0.06 mg/kg((NH4)6Mo7O24·4H2O)]，加入肥料后混匀，平衡1周。两个接种处理中，每盆分别加入GM和GA菌剂均40 g，对照处理(NM)加入等量的灭菌菌剂，与土壤混匀后装盆，浇水使土壤含水量达到15%。待漂浮育苗的烤烟4叶期后选择长势均一的烟苗进行移植。

科研大棚内白天和夜晚的气温分别为(32±3)℃及(22±2)℃，采用自然光照，烤烟生长期间根据土壤日常失水量来补充蒸馏水。为了保证烤烟生长期间不缺少氮、钾等养分，在烤烟生长到30 d时一次追氮(N)30 mg/kg，钾(K) 20 mg/kg。

1.3 测定项目与方法

烤烟生长8周后将烤烟地上和根系部分分开收获，先用自来水冲洗，再用蒸馏水冲洗干净，晾干，根样剪成1 cm根段。取部分根样用曲利苯蓝-方格交叉法测定烤烟根系的根长和菌根侵染率[17-18]；剩余部分经烘干(70℃，7 h)、称重、粉碎后备用。植株含磷量及含砷量的测定参见《土壤农化分析》[19]，植株含硫量采用比浊法测定[20]，植株养分的吸收效率(specific absorption rate, SAR)根据单位根系生物量(mg)所对应的植株养分吸收量( μg)进行计算[21]。

1.4 数据处理

试验数据用SPSS 11.5统计软件对不同菌根接种和磷石膏添加水平进行双因素方差分析，在交互作用显著的情况下对所有处理进行LSD多重比较，检验菌根处理与磷石膏处理之间的差异显著性(P<0.05)。交互作用不显著的情况下分别对菌根处理和磷石膏处理进行多重比较，检验各自处理间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 添加磷石膏与接种AMF对云烟87菌根建成及生长的影响

由表2可以看出，NM处理的烤烟根系未发现有菌根侵染。GA处理的云烟87的菌根侵染率以PG40处理显著低于PG0。对PG0处理下不同接种处理进行的多重比较显示，接种GA的烤烟根系菌根侵染率显著高于其他处理。本实验中，不管是否添加磷石膏，接种GM和GA的云烟87根系的菌根侵染率均低于15%，这可能与昆明夏季大棚内白天的气温持续偏高有关，也可能与磷石膏的添加增加了土壤的砷而不利于菌根真菌对宿主根系的侵染有关。

经双因素方差分析，云烟87地上部和根系生物量及根长在磷石膏处理和菌根处理间均有显著的交互作用(表2)，除NM处理的烤烟地上部生物量外，添加磷石膏(PG40)后云烟87地上部和根系的生物量均显著增加，而且接种GM的云烟87的根系长度显著大于PG0处理。对同一磷石膏处理下不同接种处理的多重比较表明，在PG0处理下，接种GM显著增加了烤烟地上部和根系生物量，接种GA对云烟87的生物量没有显著影响，且地上部生物量以接种GM的处理最高；添加磷石膏(PG40)后，接种GM和GA均显著增加了云烟87地上部和根系生物量，而且地上部和根系生物量均以GM处理最高。与不接种且不添加磷石膏(NM-PG0)处理相比，GM-PG40处理的云烟87的地上部和根系生物量增幅分别约为6.4%和8.8%，可见，云烟87植株的生长状况在接种GM和添加磷石膏后均有显著的改善。虽然接种GA对烤烟的生长也有一定的促进作用，但不如接种GM的作用明显，因此接种GM真菌与添加磷石膏40 g/kg (PG40)对烤烟植株的促生作用较好。

表2 添加磷石膏与接种AMF条件下云烟87生长及菌根侵染的状况

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.***—P<0.001; **—P<0.01; *—P<0.05; NS—不显著Not significant.

2.2 添加磷石膏与接种AMF对云烟87磷、硫吸收的影响

经双因素方差分析，云烟87地上部的磷含量、硫含量、磷吸收量、硫吸收量分别在磷石膏处理和菌根处理间有显著的交互作用，显著水平分别为P<0.05、P<0.001、P<0.001、P<0.01，而其根系的磷含量、硫含量、磷吸收量、硫吸收量则均在磷石膏处理和菌根处理间有极显著的交互作用，均达P<0.001显著水平。

图1 磷石膏添加与接种AMF条件下云烟87植株磷含量及磷吸收量Fig.1 P concentrations and uptake amounts of tobacco plants under the PG addition and the AMF inoculation status [注(Note)： 柱上不同字母表示处理间差异达5% Different letters above the bars mean significant among treatments at the 5% level.]

由图2可以看出，除NM处理的烤烟根系外，添加磷石膏的云烟87地上部和根系硫含量及吸收量均有显著增加。同一磷石膏添加量下各接种处理的多重比较分析可知(图2)，在PG0处理中，云烟87地上部硫含量及吸收量均以GA处理显著较高，其根系硫含量及吸收量则均以GM处理显著高于其他处理；在PG40处理下，烤烟地上部和根系硫含量及吸收量均以GM处理显著高于其他处理；与NM-PG0处理相比，GM-PG40处理的云烟87地上部和根系硫吸收量分别约增加了2.6倍和1.2倍。

2.3 添加磷石膏与接种AMF对云烟87砷吸收的影响

双因素方差分析表明，云烟87地上部的砷含量和吸收量分别在磷石膏处理和菌根处理之间的交互作用显著(均为P<0.05)，而根系的砷含量和吸收量在磷石膏处理和菌根处理间也有显著的交互作用(分别为P<0.01，P<0.001)。由图3可知，除GA处理的烤烟地上部外，PG40处理的云烟87地上部和根系砷含量及吸收量均显著增加。另外，同一接种处理下，无论添加磷石膏与否，云烟87根系的砷含量及吸收量均高于地上部分，说明砷更多地富集在烤烟的根系上。在同一磷石膏处理下进行比较分析显示，接种GM和GA均显著降低云烟87地上部砷含量及吸收量。PG40处理下，云烟87根系砷含量和吸收量均以接种GM显著较高。与NM-PG0处理相比，添加磷石膏并接种GM和GA的处理云烟87地上部砷吸收量分别降低了约12%和14%。说明接种AMF均可明显降低烤烟地上部的砷含量及吸收量，使更多的砷元素富集于烤烟的根系部分，减少砷对烤烟植株地上部的毒害。

图2 磷石膏添加量与接种AMF条件下云烟87植株硫含量及硫吸收量Fig.2 S concentrations and uptake of tobacco plants under the PG addition and the AMF inoculation status [注(Note)： 柱上不同字母表示处理间差异达5% Different letters above the bars mean significant among treatments at the 5% level.]

图3 磷石膏添加与接种AMF条件下云烟87植株砷含量及砷吸收量Fig.3 As concentrations and uptake of tobacco plants under the PG addition and the AMF inoculation status[注(Note)： 柱上不同字母表示处理间差异达5% Different letters above the bars mean significant among treatments at the 5% level.]

2.4 添加磷石膏与接种AMF对云烟87植株磷砷吸收比的影响

云烟87根系磷砷吸收比在磷石膏处理和菌根处理间的交互作用显著(P<0.01)，而地上部磷砷吸收比在磷石膏和菌根处理间没有显著的交互作用，但地上部磷砷吸收比分别在磷石膏处理和菌根处理内有显著差异(各为P<0.001和P<0.01)。由多重比较得出，除GM处理的烤烟根系外，添加磷石膏后云烟87地上部和根系磷、 砷吸收比均有显著增加。同一磷石膏处理下进行比较，云烟87地上部和根系磷砷吸收比均以GM处理较高(图4)。与NM-PG0处理相比， GM-PG40处理的云烟87地上部和根系磷砷吸收比分别增加了约1.9倍和0.6倍，而GA-PG40处理的烤烟地上部和根系磷砷吸收比也分别增加了约0.9倍和0.4倍。可见，GM-PG40处理对促进云烟87磷的吸收效果较好，并能在一定程度上降低砷在植株体内的累积。

2.5 添加磷石膏与接种AMF对烤烟磷、砷、硫吸收效率的影响

双因素方差分析结果(表3)显示，云烟87根系磷、硫、砷吸收效率在磷石膏处理和菌根处理间有显著的交互作用。除NM处理的根系硫吸收效率外，添加磷石膏后云烟87根系的磷、硫、砷吸收效率均有显著增加。在同一磷石膏处理下不同接种处理进行比较，接种GM的云烟87根系磷、硫吸收效率均显著高于其他处理。与NM-PG0处理相比，GM-PG40处理的云烟87根系的磷、硫吸收效率分别约增加了1.3倍和1.1倍，而其根系砷的吸收效率增幅也约达50%。

图4 磷石膏添加和接种AMF对云烟87植株磷砷吸收比的影响Fig.4 Influence of the PG addition and the AMF inoculation on the uptake ratios of P to As in tobacco plants[注(Note)： 若各因素间没有显著交互作用则采用不同类型字母体系表示 Different letters system above the columns indicate there are not significant interaction between AMF inoculation and PG addition. 柱上不同字母表示处理间差异达5% Different letters above the bars mean significant among treatments at the 5% level.]

接种处理Inoculationtreatment磷石膏处理PGtreatment(g/kg)磷P硫S砷AsNMPG06．00e3．88c0．006dPG4010．01bc4．30c0．008bGMPG09．22c5．27b0．006dPG4014．03a8．11a0．009aGAPG08．19d4．24c0．007cPG4010．67b5．57b0．008b显著性检验Significantlytest接种处理Inoculation(IT)∗∗∗∗∗∗∗∗磷石膏处理PGtreatment(PG)∗∗∗∗∗∗∗∗∗IT×PG∗∗∗∗∗∗

注(Note): 同列数据后不同字母表示处理间差异达5%显著水平 Values followed by different letters in a column are significant among treatments at the 5% level.***—P<0.001; **—P<0.01; *—P<0.05; NS—不显著Not significant.

3 讨论

3.1 接种AMF或添加磷石膏对云烟87生长及磷、硫吸收的影响

大量研究已证实，大多数的AMF对宿主植物的生长有较明显的促进作用，均能不同程度地增加宿主对磷、硫等营养元素的吸收[5-6]。本研究中，无论是否添加磷石膏，接种GM的云烟87植株磷含量及吸收量均显著增加，且由于根系硫吸收效率的提高而使其植株硫含量及吸收量显著增加，进而促进了地上部生物量的增加，改善了烤烟的生长状况，这一研究结果与上述研究结论基本一致。本研究组前期的研究发现，添加磷石膏可显著增加玉米、小葱植株的磷、硫含量，促进玉米和小葱的生长[3,22]，在本试验条件下，添加磷石膏后云烟87植株的磷含量及吸收量均有显著增加，且除NM处理的根系外，添加磷石膏后烤烟植株的硫含量及吸收量也显著增加，进而改善了植株生物量，说明添加磷石膏在一定程度上补充了烤烟生长所需的磷、硫等养分。

云南省是低硫缺磷土壤的主要分布区，且是烤烟种植的主要区域，缺硫土壤(有效硫含量<12 mg/kg)样品高达33.4%[23]。张宇亭等的研究表明，接种AMF对洋葱硫营养的影响与外源供硫水平有密切关系，且AMF能够帮助宿主植物吸收外界环境中的硫营养[9]。另有研究表明，接种AMF可以促进低营养条件下烟苗对磷、硫等营养成分的吸收[16]。本研究的供试材料中，磷石膏有效磷含量是土壤的5倍，有效硫含量是土壤的11倍，因此添加磷石膏显著增加了GM和GA处理的云烟87根系硫吸收效率而提高了地上部硫含量及吸收量，也增加了植株磷含量及吸收量。可见，添加磷石膏增加了外源硫、磷的供应水平，接种GM和GA促进了云烟87植株对外源硫、磷等营养成分的吸收，提高了植株体内的硫、磷含量。这可为云南低硫缺磷土壤提供必要的磷、硫等营养元素，对促进烤烟生长及提高品质有重要意义。

3.2 接种AMF对云烟87磷、砷吸收累积的影响

本研究结果表明，接种GM和GA显著增加了云烟87植株的磷含量及吸收量，并显著降低了其地上部的砷含量及吸收量，进而增加了GM处理植株的磷砷吸收比，这与Chen等[24]对As污染苜蓿的研究得出的AMF对宿主植物磷、砷吸收有相反影响的结论基本一致。由于砷和磷有着相似的化学特性，在土壤中会竞争吸附点位，而植物对砷的吸收途径通常认为是通过磷的吸收系统来进行的，因此，土壤和植株内砷与磷之间有明显的拮抗作用[11]。前人研究表明，AM共生体可通过磷专性吸收通道和增大吸收面积等途径向宿主植物提供更多的磷，也可通过分泌物固定土壤中的砷而减少其向宿主植物根系的运移。同时由于磷酸盐和砷酸盐之间的拮抗作用，AM宿主植物中大量吸收的磷酸盐可能会抑制根系对砷酸盐的吸收，并可能通过菌根结构对砷的固定等途径减少了其向地上部的迁移[13,24-25]，因此AMF处理下的土壤砷主要累积在云烟87的根系上，降低了其对烤烟地上部植株的毒害，强化了烤烟对砷的抗性作用。不过，GA处理对云烟87磷吸收的增加效果不如GM处理，说明不同AM真菌菌株对同一烤烟品种产生了不同的菌根效应[16]，结合磷石膏添加后的复合效应，可见优势组合的筛选非常重要。

3.3 接种AMF对云南烤烟区磷石膏施用的可行性分析

4 结论

1)无论是否接种丛枝菌根真菌(AMF)，施用磷石膏均能在一定程度上促进云烟87对磷、硫等养分的吸收，进而改善其植株的生长状况。

2)在同一磷石膏施用量下，接种GM能够显著促进云烟87植株对磷、硫的吸收，并减少砷在植株地上部的累积。

3) 通过向低硫缺磷土壤施用磷石膏和接种AMF发现，施磷石膏40 g/kg并接种G.mosseae(GM)丛枝菌根真菌 (PG40-GM组合)对云烟87的生长及其对磷、硫等养分的吸收有较好的促进作用，并能在一定程度上降低施磷石膏带来的砷污染风险。

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Effect of arbuscular mycorrhizal fungi inoculation on tobacco growth and arsenic pollution risk from phosphogypsum addition

ZHANG Li1, ZHANG Chuan-guang1,2, LIU Yong3, GU Lin-jing1, ZHANG Nai-ming1，YUE Xian-rong1, XIA Yun-sheng1*

(1YunnanAgriculturalUniversity,Kunming650201,China; 2YunnanAcademyofForestrySciences,Kunming650204,China; 3GuangdongInstituteofEco-environmentandSoilSciences,Guangzhou510650,China)

【Objectives】 Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) could promote plant nutrients absorption and growth, and has a certain resistance to arsenic pollution in soil. Phosphogypsum (PG) could provide the necessary elements for crop growth because of containing nutrients such as phosphorus (P) and sulfur (S), but PG contains arsenic (As) which could bright pollution risk to crop growth. The objective of this study was to investigate the role of AMF inoculation on growth of tobacco cultivar, Yunyan 87, and the influence of As contamination risk from PG application. 【Methods】 A pot culture experiment was conducted to measure the plant biomass and P, S and As uptakes of tobacco under different PG application levels(0 and 40 g/kg)and different AMF species, none mycorrhizal(NM),Glomusmosseae(GM)andGlomusaggregatum(GA). 【Results】 The PG amendment significantly increases the content, total absorption amount and specific absorption rate of P in plants, and significantly increases the content and total absorption of S in tobacco shoots, and significantly increases tobacco shoot biomass with or without the inoculation of AMF. Except the NM treatment, the PG amendment significantly increases the tissue concentration, total absorption amount and specific absorption of S in tobacco roots, and significantly increases tobacco plant biomass. Compared with the NM treatment, the GM inoculation significantly increases the specific absorption rates of P and S in tobacco roots, and significantly increases the concentrations and total absorption amounts of P and S in “Yunyan 87” plants PG application levels in all. In addition, the GM inoculation significantly decreases the concentration and absorption of As in tobacco shoots, and significantly increases the absorption ratio of P to As in tobacco plants. Under the PG0 treatment, the GA inoculation significantly increases the plant concentration, total absorption of P, and significantly increases the tissue concentration, total absorption of S in tobacco shoots. Under the PG40 treatment, the GA inoculation significantly increases the tissue concentration, total absorption of S in tobacco roots, and significantly increases the tobacco plant biomass. 【Conclusion】 Regardless of PG application level, the GA inoculation decreases the tissue concentration and absorption amount of As in tobacco shoots at different degree, and thus increases the absorption ratio of P to As in tobacco shoots. Among all PG40 treatments, GM inoculation has the most desirable effect on tobacco growth, and could reduce the risk of As pollution caused by agricultural application of PG to some extent.

phosphogypsum (PG); arbuscular mycorrhizal fungi (AMF); tobacco; phosphorus; sulfur; arsenic

2014-01-15 接受日期： 2014-07-24

国家自然科学基金项目(41161041)；云南省应用基础研究项目(2008CD132)资助。

张丽(1989—)，女，河南驻马店人，硕士研究生，主要从事农业环境保护方面的研究。E-mail: zhangyunli0202@126.com * 通信作者 E-mail: yshengxia@163.com

S154.3； S572.01

A

1008-505X(2015)02-0475-10