隔根与接种FM对红壤上玉米/大豆植株生长及氮素利用的影响

汪新月，张仕颖，岳献荣，谷林静,3，夏运生*，张乃明，岳志权

（1云南农业大学，云南昆明650201；2云南省土壤培肥与污染修复工程实验室，云南昆明650201；3四川省科学技术信息研究所，四川成都610016）

隔根与接种FM对红壤上玉米/大豆植株生长及氮素利用的影响

汪新月1,2，张仕颖1,2，岳献荣1，谷林静1,3，夏运生1,2*，张乃明1,2，岳志权1

（1云南农业大学，云南昆明650201；2云南省土壤培肥与污染修复工程实验室，云南昆明650201；3四川省科学技术信息研究所，四川成都610016）

【目的】探讨接种摩西管柄囊霉(Funneliformis mosseae，FM)和不同隔根处理对红壤上间作植株生长、植株氮吸收量和土壤氮的影响。【方法】采用盆栽模拟试验，设不同菌根处理[不接种(NM)、接种(FM)]与玉米/大豆不同隔根处理(根系不分隔、部分分隔、完全分隔)。【结果】接种FM的玉米、大豆根系均有一定的侵染，菌根侵染率在部分分隔处理下最低。间作根系的分隔处理对玉米和大豆的菌根依赖性产生了明显影响，大豆的菌根依赖性随间作交互作用强度的加大而增加。无论何种隔根处理，接种FM均显著增加了玉米植株生物量，其地上部生物量高出NM处理11.7%～81.4%，根系生物量高出NM处理18.8%～166.7%。根系分隔处理下，接种FM均显著降低了大豆生物量。同一隔根方式下，接种FM明显提高了玉米的植株氮吸收量和根系氮吸收效率。在不分隔处理下，接种FM显著增加了大豆的地上部氮吸收量，但在部分分隔和完全分隔处理下则反而有所下降；在部分分隔处理下，接种FM显著降低了大豆根系的氮吸收量，在不分隔和完全分隔处理下亦呈下降趋势。在部分分隔处理下，接种FM显著提高了大豆根系氮吸收效率，在完全分隔处理下反而有明显下降，且在NM–不分隔处理下的大豆根系氮吸收效率最低。相关分析显示，玉米、大豆植株氮吸收量与土壤碱解氮含量呈显著负相关。【结论】接种丛枝菌根真菌(AMF)和隔根方式的组合能不同程度地影响玉米和大豆对氮的吸收利用及间作植株的生长，并能对土壤有效氮产生较大影响。所有的复合处理中，AMF和间作根系部分分隔处理组合对玉米和大豆生长及氮素利用的促进作用较好，并能有效降低土壤碱解氮的残留。

丛枝菌根真菌；玉米；大豆；隔根方式；红壤；氮

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)在自然界的分布极为广泛，能与绝大多数陆生植物形成共生体系。研究表明，共生体的存在有利于提高宿主植物对矿物养分如氮、磷等的吸收[1–5]。近年来,关于丛枝菌根与氮的研究重点在丛枝菌根和AMF菌丝对土壤氮的竞争吸收比较及氮形态研究上,证实了AMF根外菌丝在氮素吸收利用中的贡献[6–8]。间作是极具中国特色的一种种植制度，能充分利用肥、水、温、光等资源。豆科与禾本科的间作优势很重要的一个方面体现在对土壤养分资源如氮、磷的高效利用，提高作物的产量[9–10]，其中间作处理中的根系分隔条件还能影响间作植物的氮素吸收及土壤氮的残留[11]。

有关菌根与隔根方式的协同作用，在玉米/大豆间作条件下，李淑敏等[12]研究了北方黑土上菌根对间作玉米和大豆氮素利用的影响，贾广军等[4]研究了南方紫色土上菌根对间作大豆生长及磷素累积的影响，然而有关菌根和隔根方式的协同作用对南方红壤氮吸收利用影响尚缺乏研究。本文采用间作根系分隔盆栽模拟试验，通过接种AMF，研究了红壤上菌根共生与隔根技术对玉米/大豆生长及氮素吸收利用的影响，可为菌根与隔根技术协同提高作物养分资源的高效利用提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试作物为玉米和大豆，玉米品种为‘农大108’，大豆品种为‘滇豆4号’。挑选籽粒均匀饱满的玉米和大豆种子，使用10%H2O2浸泡消毒10 min，然后用蒸馏水冲洗几次后均匀铺放于有湿润定量滤纸的培养皿中，于25℃恒温培养箱中催芽2d，种子发芽大约1cm左右播种，待长势稳定后以生长势为依据进行间苗，留下比较整齐的2株玉米幼苗和4株大豆幼苗。

供试土壤为红壤，采集于滇池流域晋宁县坡地，其基本理化性质为pH6.21、有机质23.59g/kg、碱解氮133.0mg/kg、有效磷2.1mg/kg、速效钾75.0mg/kg。

供试菌剂为摩西管柄囊霉(Funneliformis mosseae，FM)，试验所用FM(BGG GZ01A, 1511C0001BGCAM0012)购于北京市农林科学院植物营养与资源研究所，供试丛枝菌根菌剂经玉米和苜蓿扩繁后获得，扩繁基质由灭菌后的土壤与河沙(1∶1)混合而成。用玉米和苜蓿接种FM并生长10周后，收获含有真菌孢子、菌丝、侵染根段等繁殖体及根际基质混合物作为供试菌剂。

1.2 试验设计

盆栽模拟试验于2015年10～12月在云南农业大学科研大棚内进行。试验设两个因素，分别为隔根方式和菌根处理，共6个处理：不分隔–不接种(NM)、部分分隔–NM、完全分隔–NM、不分隔–FM、部分分隔–FM、完全分隔–FM，每处理重复4次。完全分隔采用塑料布进行分隔，根系间无交互作用；部分分隔采用尼龙网进行分隔，可将两作物根系分开，但生理活性物质可在根系间交换，且菌根菌丝可以穿过；不分隔时，间作植物根系完全交叉，竞争和促进作用共存。

试验装置由PVC管(直径16cm、高25cm)和花盆底座(直径22cm)组成，沿PVC圆管直径从顶部2cm处向底部设置纵向卡槽，将塑料布或尼龙网固定在卡槽内，并用聚氯乙烯粘合剂粘合，使PVC圆管隔成2个同等体积的栽培室。根系分隔处理(部分分隔、完全分隔)每个栽培室装入灭菌土壤2.4kg，其中接种FM处理每栽培室添加0.1kg菌剂(每10g供试菌剂约包含120个FM真菌孢子)并与中间土壤(0.9kg)混匀。根系不分隔处理装置内装入灭菌土壤4.8kg，且接种AMF处理的菌剂加入量为0.2kg。对照处理加入等量的灭菌剂(菌剂0.1MPa、120℃高压蒸汽间歇灭菌2h，风干后获得)。

玉米、大豆生长约90d后，测量玉米和大豆的株高，并将植株的地上部和根系分开收获，根系用蒸馏水多次冲洗后晾干。取一半根系,剪成1cm根段,取用部分根样采用曲利苯蓝–方格交叉法[13]测定玉米根系的根长和菌根侵染率；其他部分和地上部一起经杀青后烘干(70℃，72h)、称重、磨细用于生物量和氮的测定，其中植株含氮量采用半微量开氏定氮法[14]。

1.3 数据处理与分析

试验数据采用Excel2003软件进行处理，采用SPSS19.0统计软件进行方差分析，检验接种AMF处理和隔根方式间的交互作用，在交互作用显著的情况下对所有复合处理进行Duncan多重比较(P< 0.05)，分析不同菌根–隔根方式复合处理间的差异显著性。

菌根依赖性是指在一定土壤肥力水平下植物通过形成菌根而能够达到的最大生物量或产量的程度[5]。计算公式：

菌根依赖性(%)=(接种处理干重–不接种处理干重)×100/接种处理干重

植株氮吸收量(mg/pot)=植株氮含量(%)×植株干重(g/pot)；

根系氮吸收效率(μg/mg)=植株养分吸收量(μg)/对应根系生物量(mg)。

表1 不同隔根处理下接种 FM 玉米、大豆植株菌根侵染率和生长指标的方差分析Table 1 Variance analysis of colonization rate and growth indices of maize and soybean plants under the FM inoculation and different root separation methods

2 结果与分析

2.1 接种 FM 和隔根处理对玉米和大豆根系侵染及植株生长的影响

由表1可知，经双因素方差分析，接种FM处理和隔根处理对玉米、大豆的菌根侵染率、根长、地上部干重、根系干重和根冠比均有显著影响，并存在显著交互作用。

2.1.1 根系AMF侵染率及根长表2和表3表明，不接种(NM)条件下，玉米和大豆均没有侵染，在接种FM后，玉米和大豆均有一定比例的菌根侵染。除不分隔处理外，玉米的侵染率均高于大豆；3种隔根处理中，玉米和大豆的菌根侵染率均以部分分隔处理最低，显著低于其他两种分隔处理。

表2 不同隔根处理下接种 FM 对玉米菌根侵染率及植株生长状况的影响Table 2 Effect of the FM inoculation on colonization rate and plant growth of maize under different root separation methods

表3 不同隔根处理下接种 FM 对大豆菌根侵染率及植株生长状况的影响Table 3 Effect of the FM inoculation on colonization rate and growth conditions of soybean under different root separation methods

就根长而言，玉米的根系明显长于大豆。不论何种隔根方式，接种FM均显著增加了玉米的根系长度，其中部分分隔处理下FM处理的根长是NM处理的2.48倍。而大豆除不分隔处理外，接种FM的根系均显著变短，其中部分分隔处理下NM处理的根长是FM处理的3.65倍，说明接种AMF和部分分隔组合对大豆根系伸长有明显抑制作用。2.1.2植株生物量、根冠比和菌根依赖性从表1可以看出，接种FM对玉米的地上部和根系生物量均有极显著影响，对其根冠比也有显著影响；而间作根系分隔处理对玉米和大豆的根系干重也存在显著影响。由表2可知，无论何种隔根方式，接种FM的玉米植株生物量均明显大于NM处理，其中地上部生物量FM处理平均高出NM处理40%，根系生物量平均高出NM处理65.8%；表3表明，在接种FM后大豆的植株生物量均表现为间作根系不分隔>部分分隔>完全分隔；且在分隔处理下，接种FM显著降低了大豆的根系生物量，平均下降25.5%左右，说明接种处理和根系分隔组合抑制了大豆根系生物量的增加。在完全分隔处理下，接种FM的玉米根冠比显著大于NM处理；在不分隔处理下，接种FM的玉米根冠反而较NM处理有所下降。FM处理下，3种隔根方式中，玉米的根冠比以完全分隔处理显著较高；NM处理下，3种隔根方式中，部分分隔处理的玉米根冠比明显较低，大豆根冠比较高。

图1表明，3种隔根方式中，玉米的菌根依赖性依次为间作根系完全分隔>不分隔>部分分隔，可以看出根系在完全分隔时玉米的菌根依赖性最强，而大豆的菌根依赖性则表现为间作根系不分隔>部分分隔>完全分隔，其中部分分隔和完全分隔下菌根依赖性为负，说明间作大豆和玉米根系间的交互作用越大，大豆的菌根依赖性会受到玉米的影响而随之增加。

2.2 接种 FM 和不同隔根处理对植株氮吸收和土壤碱解氮的影响

由表4可知，经双因素方差分析，发现玉米和大豆的地上部氮吸收量、根系氮吸收量、根系氮吸收效率和土壤碱解氮含量均存在显著交互作用。

2.2.1 植株地上部氮吸收量从表4可以看出，接种FM对玉米的地上部氮吸收量存在显著(P<0.01)影响，间作根系分隔处理对玉米和大豆的地上部氮吸收量均存在显著(P<0.01)影响。由图2可以看出，在不分隔和完全分隔处理下，接种FM均显著促进了玉米地上部对氮素的吸收；在部分分隔处理下，接种FM使玉米的地上部氮吸收量提高了12.2%，说明对于菌根依赖性很强的玉米而言，接种FM均可以促进玉米植株地上部氮的累积。在不分隔处理下，接种FM也显著增加了大豆的地上部氮吸收量，但在部分分隔和完全分隔处理下则反而有所下降；从3种隔根方式内的比较来看，FM接种条件下，以不分隔处理的大豆地上部氮吸收量高于部分分隔处理和完全分隔处理；NM条件下，则以不分隔处理的大豆地上部氮吸收量低于部分分隔处理和完全分隔处理，说明间作根系不分隔处理下由于玉米对氮的竞争吸收作用较强而不利于大豆地上部氮的累积。但与NM相比，不分隔条件下接种FM的大豆地上部氮吸收量的增加，说明了接种FM可强化大豆地上部氮的累积。

2.2.2 植株根系氮吸收量从表4可以看出，接种FM对玉米和大豆的根系氮吸收量均存在显著影响，间作根系分隔处理则只对大豆的根系氮吸收量存在极显著影响。由图2可知，不管接种与否，隔根处理对玉米的根系氮吸收量无显著影响，但在NM处理下，3种隔根方式中，大豆的根系氮吸收量以部分分隔处理显著较高。在部分分隔处理下，接种FM显著降低了大豆根系的氮吸收量，在不分隔和完全分隔处理下亦呈下降趋势，其中不分隔处理下降19.9%，完全分隔处理下降22.7%，由此可见接种FM抑制了大豆根系对氮的吸收。

图1 不同隔根处理下玉米和大豆的菌根依赖性Fig. 1 Mycorrhizal dependency of maize and soybean under different root separation methods

表4 不同隔根处理下接种 FM 玉米、大豆植株氮指标及土壤碱解氮的方差分析Table 4 Variance analysis of nitrogen indexes of maize, soybean and soil available N under the FM inoculation and different root separation methods

2.2.3 植株根系氮吸收效率从表4可以看出，接种FM对玉米的根系氮吸收效率存在显著(P<0.01)影响，间作根系分隔处理则对大豆根系氮吸收效率存在显著(P<0.05)影响。由图3可知，在部分分隔和完全分隔处理下，接种FM显著增加了玉米的根系氮吸收效率，其中接种FM且部分分隔处理的根系氮吸收效率最高。大豆的根系氮吸收效率只有在部分分隔处理下，接种FM才显著提高了根系氮吸收效率，在完全分隔处理下反而有明显下降，且在不接种和不分隔处理下的大豆根系氮吸收效率最低。FM处理下，3种隔根方式中，玉米和大豆的根系氮吸收效率均以部分分隔处理最高。

2.2.4 土壤碱解氮含量从表4可以看出，接种FM对玉米和大豆的土壤碱解氮含量存在显著的影响(P<0.01)，隔根处理对大豆的土壤碱解氮含量存在显著影响(P<0.001)。由图4可知无论何种隔根处理，接种FM均显著降低了玉米的土壤碱解氮含量，大豆的土壤碱解氮含量在不分隔和部分分隔处理下显著降低，但在完全分隔处理下则显著升高，这可能是因为在不分隔和部分分隔处理下玉米和大豆根系存在一定的相互作用，玉米通过根系或菌根菌丝吸收了大豆土壤碱解氮，而在完全分隔处理下玉米和大豆根系间无交互作用，大豆可以依靠自身的根瘤菌固氮或从空气中固氮即可满足自身生长的需求，故土壤碱解氮有所升高。

图2 接种 FM 和分隔处理下玉米和大豆植株氮吸收量Fig. 2 N uptakes of maize and soybean under different FM treatments and root separation methods

图3 接种 FM 和隔根处理下玉米和大豆根系氮吸收效率Fig. 3 N uptake efficiencies of roots of maize and soybean under different FM treatments and root separation methods

图4 接种 AMF 和隔根处理下玉米和大豆土壤碱解氮含量Fig. 4 Available N contents in soil of maize and soybean planting under different AMF treatments and root separation methods

3 讨论

菌根真菌能与绝大多数植物形成共生体系，并能促进宿主植物对氮等矿质元素的吸收及其生长发育[1,5]。利用菌根真菌的侵染而改善植物生长的根际环境，达到使作物增产、增效的目的，可成为农业增产的一条经济、高效的途径[15]。本研究中，接种FM后玉米和大豆根系均有较高的菌根侵染，而不同隔根处理下侵染率和植株生物量的差异，说明不同竞争能力的间作作物不仅受到了菌根真菌侵染的影响，还受到了不同根系分隔处理的影响。大量研究[6,8,16–17]表明，AMF共生体具有从复杂有机氮中获取氮素的能力，并能通过根外菌丝直接吸收有机氮和无机氮。因此本研究中，接种AMF也明显促进了玉米植株对氮的吸收，却明显降低了大豆根系的氮吸收，这可能与完全分隔处理下的玉米和大豆的菌根依赖性分别最大和最小有关[7]，也可能与接种菌根玉米的氮吸收效率普遍得到提高，而菌根接种大豆的氮吸收效率在完全分隔处理下反而下降有关。

缺氮会限制植物生长，降低产量和产品品质。研究表明，接种AMF可促进植物对氮的吸收利用，改善植物的氮素营养，最终表现为促进植物生长发育，提高产量[8]。一般的豆科/禾本科间作系统中，豆科植物会帮助禾本科植物吸收更多的氮素，因此禾本科处于优势，而豆科植物处于劣势[12,18]。但本研究中接种AMF与间作根系部分分隔组合，可同时提高玉米和大豆对土壤氮的吸收，这是因为部分分隔条件下接种AMF，一方面可能是由于菌根玉米和大豆的根外菌丝能穿过尼龙网到达根系到不了的区域吸取氮素等营养,例如玉米能通过该途径获得大豆固定的氮而促进了氮的吸收；另一方面是AMF共生体的分泌物可能增强大豆根际有机氮的矿化效率[16–17]，同时间作根系的部分分隔处理又制约了玉米根系对大豆区的氮素竞争，同时菌根大豆的根外菌丝也可以穿过尼龙网获取玉米区的氮素，因此促进了玉米和大豆对氮的吸收。

由相关分析可知，不同AMF处理与隔根方式组合下，玉米和大豆的植株氮吸收量越高，相对应的土壤碱解氮含量也越低(n=24，相关系数r分别为–0.532*和–0.526*，P<0.05)，其中玉米和大豆地上部氮吸收量与相应土壤碱解氮含量也呈显著负相关(n=24，r=–0.507*和–0.446*,P<0.05)，但是玉米根系氮吸收量与相应土壤碱解氮含量呈更显著的负相关关系(n=24，r=–0.755**,P<0.05)，而大豆根系氮吸收量与相应土壤碱解氮含量虽也呈负相关，但不显著(n=24，r=–0.357,P>0.05)。不难看出，不管AMF处理、隔根处理的不同与否，间作植株氮累积量的增加会不同程度地降低土壤有效氮的残留。因此，接种AMF和隔根方式的组合在提高玉米和大豆对氮吸收的基础上，会减少根际土壤有效氮含量，这在提高土壤养分资源吸收利用的同时可望减少氮肥的施用，或间接减少养分的流失。但从玉米和大豆根系氮吸收量与相应土壤碱解氮含量相关性的显著程度差异，结合大豆根系氮吸收量受AMF的影响反而呈下降的趋势来看，说明与菌根真菌共生的玉米/大豆间作体系中，大豆根系对氮的吸收可能受到了玉米、AMF等的影响而处于竞争劣势，但间作根系部分分隔处理的组合则可能通过提高大豆的根系氮吸收效率而使其竞争能力增强，因此菌根技术的介入与隔根方式的合理选择在强化农业资源高效利用的同时，还可能减少间作系统中作物间的竞争，进而促进间作作物的高产。

4 结论

1)接种AMF促进了玉米植株生长及氮素积累，抑制了分隔处理下大豆植株生长及氮的吸收，但提高了部分分隔处理下大豆根系氮吸收效率。

2)玉米/大豆不同间作根系分隔处理对玉米和大豆的生长和氮素利用的影响较大，其中部分分隔处理明显改善了两间作作物的生长状况。

3)接种AMF和间作根系部分分隔复合处理，能强化对土壤氮的吸收利用，对玉米和大豆的促生效果均最为明显。

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Effects of inoculating Funneliformis mosseae and intercropping under different roots separation methods on plant growth and nitrogen utilization of maize and soybean in red soils

WANG Xin-yue1,2,ZHANG Shi-ying1,2,YUE Xian-rong1,GU Lin-jing1,3,XIA Yun-sheng1,2*,ZHANG Nai-ming1,2,YUE Zhi-quan1
(1 Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2 Laboratory of Soil Fertilizer and Pollution Repair in Yunnan Province, Kunming 650201, China; 3 Sichuan Institute of Scientific and Technical Information, Chengdu 610016, China)

【Objectives】This article explored effects of inoculating arbuscular mycorrhizal fungi(AMF)and different root separation methods on plant growth,nitrogen(N)uptake and available nitrogen content in soils.【Methods】Two mycorrhizal treatments[without inoculation(NM)and with inoculation of Funneliformis mosseae(FM)]and three root separation methods(no separation,partial separation and full separation)were set up,and Nuptakes by intercropping plants and available Ncontents in red soils were determined.【Results】Results showed that the roots of maizes and soybeans were all infected by FM fungi,the mycorrhizalcolonization rates were the lowest under the partial separation treatment.The root separation methods had obvious influence on the mycorrhizal dependency of maize and soybean,and the mycorrhizal dependency of soybean was increased along with the increase of intercropping interaction strength.Compared to the NM treatment,the FM inoculation increased the shoot and root biomass significantly regardless of the roots separation methods,and the shoot biomass of maize inoculated with FM was11.7%to81.4%higher than the NM treatment and the root biomass of the FM treatment was18.8%to166.7higher than the NM treatment.The biomass of soybean was significantly decreased by the FM inoculation under root separation conditions.Under the same root separation way,FM inoculation increased the Nuptake of maize plants and Nuptake efficiency of roots obviously.Under no-separation condition,the Nuptake by soybean shoots was increased by the FM inoculation significantly,but those were decreased under the partial separation and full separation conditions.Under the partial separation way, the Nuptake by soybean roots was significantly decreased by the FM inoculation,and those were also decreased under the no-separation and full separation conditions.The Nuptake efficiency of soybean roots under FM inoculation was increased under the partial separation condition,but it was decreased obviously under the full separation condition.The Nuptake efficiency of soybean roots was the lowest under the NM and no-separation condition in all complex treatments.The available Ncontents in soils were significantly and negatively correlated with the Nuptakes by maize and soybean plants.【Conclusions】The interactions between AMF inoculation and root separation methods could affect the growth and Nuptake of maize and soybean in different degrees,and could also influence the available Ncontents in soils.Among all compound treatments,the enhanced effect of the combination treatment of the AMF inoculation and partial separation on maize and soybean growth and N utilization was the largest,and it could also decrease the available Ncontents in soils.

arbuscular mycorrhizal fungi;maize;soybean;root separation method;red soil;nitrogen

2016–06–28接受日期：2016–12–21

国家自然科学基金项目（41561057）；云南省教育厅科研基金课题（2015Y201）；云南农业大学土壤资源利用与保护省创新团队开放基金（2015HC018）资助。

汪新月（1992—），女，湖北襄阳人，硕士研究生，主要从事农业环境保护方面的研究。E-mail：xywangxinyue@163.com

*通信作者E-mail：yshengxia@163.com