水分胁迫下AM真菌与解磷细菌协同对玉米生长及土壤肥力的影响

2019-02-11毕银丽张延旭

煤炭学报 2019年12期

毕银丽，张延旭，江彬，裘浪

(中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

在全球干旱、半干旱区，水资源匮乏是区域生态环境主要限制性因素之一，不仅影响植物生长，造成作物减产，且使土地退化，严重威胁当地农业生产及生态环境[1]。我国干旱、半干旱区面积较大，降雨量严重不足，土地贫瘠，普遍缺磷，严重威胁当地生产实践及生态平衡[2]。内蒙古敏东矿区气候干旱，土壤贫瘠，植被群落单一，煤炭井工开采造成地面塌陷，地表产生大量的地表裂缝，导致土壤水分、养分的流失，植被死亡，加剧了干旱对矿区造成的生态破坏。因此，如何提高植物抗旱性，增强作物水分利用效率，提高土壤肥力是我国干旱半干旱区生产实践急需解决的重要课题之一，而利用生物手段提高植物抗旱性，促进植物生长和发育，增加作物产量，提高土壤肥力已成为国内外研究热点，并取得了广泛进展。

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，简称AMF)是陆地生态系统中，分布最广泛的一种常见土壤真菌种类，能与陆地上大部分植物形成共生关系并在根际土壤中形成菌丝网，扩大植物根系对氮、磷等矿质元素及水分的吸收面积，改善植物营养状况，促进植物生长发育，提高其抗逆性[3-5]。研究表明，水分胁迫下，接种AM真菌不但能促进沙打旺[1]、玉米[2]的生物量，增加植物氮、磷吸收量，提高植物叶片相对含水量，还能改良根际土壤微生物环境，提高土壤肥力[6]，这对于提高植物水分利用率，活化土壤，减少化肥施用量具有不可替代的优势。

土壤中的解磷细菌可合成和分泌一些有机酸和酶类等代谢产物，促使土壤中的不溶性磷转化为可溶性磷，促进植物对磷的吸收利用[7]。刘玲利等[8]研究发现，不同解磷微生物解磷能力不同，且接种解磷菌的油菜产量、叶绿素含量显著高于对照。郜春花等[9]用自行分离筛选的B2和B67解磷细菌制成解磷菌剂，进行小麦、玉米、甘蓝、青菜、莜麦等的盆栽和大田对比试验，结果表明，各作物增产效果显著，并有提高土壤速效磷含量、培肥土壤的作用。目前关于AM真菌与解磷细菌的联合接种已取得一定进展。秦芳玲、张焕仕等[10-12]研究表明，联合接种AM真菌与解磷细菌可显著提高红三叶草、蓖麻的生物量、磷吸收量，提高根系侵染率。邢礼军等[13]向玉米、花生和三叶草分别接种AM真菌和解磷细菌，发现双接种对玉米促进效果最为明显，显著提高其干重和吸磷量。但是，关于菌根与解磷细菌联合在矿区特别是干旱条件下的应用研究尚不多见。

本试验以玉米为宿主植物，沙土为基质，在温室盆栽条件下，模拟内蒙古东部井工煤矿区干旱条件，研究接种AM真菌与解磷细菌对玉米的生长及土壤改良的影响，为菌根及解磷微生物作为生物肥料广泛应用于矿区，促进旱区植物生长和土壤熟化，恢复矿区和旱区生态环境提供理论支撑。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤为沙土，取自内蒙古东部敏东矿区，过1 mm筛，经121 ℃蒸汽灭菌1 h，风干后待用。土壤基本理化性质为pH=7.44，有机碳0.34 g/kg，全氮0.05 g/kg，速效磷4.95 mg/kg，速效钾24.56 mg/kg，电导率(EC)840 μs/cm，田间最大持水量为21.6%。

试验用盆规格为50 cm×32 cm×20 cm灰色塑料盆，洗净并用75%酒精消毒。供试玉米种子由中国农科院中农种子公司提供，品种为品糯28。播种前用10%H2O2浸泡消毒15 min，后用去离子水反复清洗数遍，在25 ℃黑暗培养箱中培养2 d，待播种。

试验供试AM真菌菌种为摩西管柄囊霉(Funneliformismosseae)(简称Fm)，其孢子密度为126个/g菌剂)，经中国矿业大学(北京)微生物复垦实验室通过玉米扩繁得到，侵染率为97%，接种剂为含有宿主植株侵染根段、孢子和菌丝的沙土混合物。供试解磷细菌是斯式泛菌(Pantoeastewartii)(简称CA)，是本实验室从宁夏粉煤灰样品中自主分离并纯化培养的高效解磷细菌。在30 ℃温度条件下振荡培养，使菌株处于对数生长期时使用。

1.2 试验设计与管理

试验设2个水分处理:70%(正常供水)、40%(干旱胁迫)。同一水分处理下设4个接菌处理:不接菌(CK)、单接AM真菌(Fm)、单接解磷细菌(CA)、联合接种AM真菌与解磷细菌(Fm+CA)，每个处理3次重复，随机排列。试验在中国矿业大学(北京)日光温室中进行，于2016-04-12开始布置，每盆装土45 kg，AM真菌接种量为每1 kg灭菌沙土加入50 g菌剂充分混合，不接种处理加入与菌剂等重的灭菌沙土。解磷细菌接种量为每1 kg灭菌沙土加入5 mL解磷细菌溶液充分混合，不接种解磷细菌的处理加入同等体积经121 ℃蒸汽灭菌1 h后的解磷细菌溶液。种植前向灭菌沙土中加入以NH4NO3,KH2PO4,K2SO4配置的营养液作为底肥，用量控制为土壤中N,P，K质量分数分别为100,10,150 mg/kg，植物生长40 d后追肥1次，用量与之前相同。播种前，浇水至土壤最大持水量，待水分平衡1 d之后播种，每盆8颗。玉米出苗7 d后进行间苗，每盆保持4株。采用称重法控制浇水量，1周1次，保持土壤含水量为最大持水量的70%，30 d后进行控水试验。正常供水组每盆土壤含水量维持在田间最大持水量的70%，干旱胁迫浇水量为田间最大持水量的40%左右。

玉米生长70 d收获，分别收获植株地上部、地下部，洗净，待用。剩下根系及地上部烘干测定干重并粉碎，过0.5 mm筛，备用。

1.3 指标测定及方法

1.3.1玉米生长指标测定

玉米植株地上、地下部干重采用称重法。植株全氮含量采用硫酸-过氧化氢消煮，凯氏定氮法测定;全磷和全钾含量采用硫酸-过氧化氢消煮，ICP-OES法测定[14]。

1.3.2土壤基本指标测定

土壤pH值(水土比2.5∶1)和电导率用电位法(水土比5∶1);土壤有机碳采用重铬酸钾氧化法;全氮采用凯氏定氮法;速效磷采用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法[14];速效钾采用碳酸铵浸提，用ICP-OES测定[15]。

1.3.3菌根相关指标测定

菌根侵染率测定采用Phillips和Hayman的方法[16]。

1.3.4相关公式[17]

菌根侵染率(%)=AM真菌侵染根段数/观察总根段数× 100

菌根依赖性(%)=(接菌干重-非接菌干重)/接菌干重× 100

菌根贡献率(%)=(接菌含量-非接菌含量)/接菌含量× 100

1.4 数据处理

试验数据采用Microsoft Excel 2010软件进行处理。经检验符合正态分布，数据采用SAS 8.1软件进行单因素、双因子差异性分析(P<0.05)，通过最小显著差异法(LSD)检验。

2 结果与分析

2.1 水分胁迫下接种AM真菌与解磷细菌对玉米生长量的影响

由表1可知，随着土壤相对含水量降低，各处理玉米植株地上、地下及总干重，根系侵染率均显著降低。同一水分条件下，与未接种处理相比，接种微生物提高了玉米干重，除正常供水的Fm地下部干重外均表现差异显著，说明接种微生物能提高玉米抗旱能力，促进植株生长发育。正常供水条件下，各接种株玉米的地上、地下及总干重表现为Fm+CA>CA>Fm，差异显著(P<0.05);Fm的侵染率高于Fm+CA，差异不显著(P>0.05)。水分胁迫下，接菌处理玉米干重表现为单接菌Fm>CA>Fm+CA，其中Fm地下干重显著高于其他处理(P<0.05);Fm+CA的侵染率高于Fm，但差异不显著(P>0.05)。不接种CA条件下，玉米在土壤相对含水量为70%,40%时的菌根依赖性分别为9%和34%，表明水分胁迫下玉米对AMF的依赖程度更高。接种CA条件下，玉米在土壤相对含水量为70%,40%时的菌根依赖性分别为13%和-4%，表明正常水分条件下，解磷细菌与AM真菌对玉米生物量具有相互促进作用，而在水分胁迫时，2者反而产生拮抗作用。双因子方差分析表明，水分胁迫和接种微生物对玉米的地上部、地下部、总生物量、菌根侵染率均有显著交互作用。

2.2 水分胁迫下接种AM真菌与解磷细菌对玉米养分吸收量的影响

由表2可知，随着土壤相对含水量的降低，玉米植株对氮的吸收呈下降趋势。接种微生物显著提高了植株氮吸收量。正常供水条件下，植株氮吸收量表现为Fm+CA>Fm>CA>CK，较对照分别提高71%,42%,26%且差异显著(P<0.05)。干旱条件下植物氮吸收量表现为Fm>CA>Fm+CA>CK，较对照显著提高62%,60%,50%(P<0.05)。不同水分条件下，菌根贡献率表现不同，玉米植株在土壤相对含水量为70%,40%时单接Fm的氮吸收菌根贡献率分别为29%和38%，而接种Fm+CA处理对氮的菌根贡献率分别为26%和-7%，表明干旱胁迫条件下单接Fm更能促进玉米对养分的吸收，而Fm与CA之间存在一定的拮抗作用。

表1 不同处理对玉米生长状况的影响
Table 1 Effects of different treatments on maize growth

土壤相对含水量/%处理毎盆干重/g地上部地下部总干重侵染率/%菌根依赖性/%CK38.4d9.21c47.6d0c—70Fm42.9c9.46c52.4c68.3a9CA51.2b10.37b61.6b0c—Fm+CA59.7a11.46a71.1a66.7a13CK16.8f2.74f19.5f0c—40Fm24.6e4.93d29.5e36.7b34CA24.5e3.96e28.5e0c—Fm+CA23.5e3.94e27.4e44.4b-4P(W)∗∗∗∗—显著性P(I)∗∗∗∗—P(W×I)∗∗∗∗—

注:表中数据为3个重复均值，同列小写字母不同，表示不同水分处理下不同接种处理差异显著(P<0.05，n=3)。P(W)为水分胁迫下差异显著性;P(I)为接种微生物下差异显著性;P(W×I)为水分胁迫和接种微生物的交互作用;*为在0.05 水平差异显著;NS为差异不显著;下同。

表2 不同处理对玉米氮吸收量的影响
Table 2 Effects of different treatments on maize plantN uptake

土壤相对含水量/%处理氮吸收量/(g·盆-1)地上部地下部总吸收量菌根贡献率/%CK0.8cd0.22c1.03c—70Fm1.23ab0.23bc1.46b29CA1.04bc0.26ab1.30b—Fm+CA1.48a0.28a1.76a26CK0.44e0.06e0.50e—40Fm0.71d0.10d0.81cd38CA0.73d0.07de0.80cd—Fm+CA0.66de0.09d0.75de-7P(W)∗∗∗—显著性P(I)∗∗∗—P(W×I)∗∗∗—

由3可知，不同水分条件下，接菌促进了植株对磷的吸收。正常供水时，植株磷吸收量表现为Fm+CA>CA>Fm>CK，较对照分别提高83%,56%,32%且差异显著(P<0.05)。而在干旱胁迫时表现为Fm>Fm+CA>CA>CK，较对照分别提高111%,78%,30%，其中Fm,Fm+CA显著高于对照，而CA处理与对照差异不显著。干旱胁迫条件下，有Fm菌剂处理均表现为菌根贡献率高于正常供水时相应处理，表明菌根在干旱逆境条件时发挥作用更大，AM真菌与解磷细菌协同在干旱条件下能促进植物对磷元素的吸收。

表3 不同处理对玉米养分磷吸收量的影响
Table 3 Effects of different treatments on maize plantP uptake

土壤相对含水量/%处理磷吸收量/(g·盆-1)地上部地下部总吸收量菌根贡献率/%CK67d10.24c77d—70Fm91c11.17c102c25CA108b12.68b120b—Fm+CA127a13.73a141a15CK25f2.40g27f—40Fm49e7.21d57e53CA32f3.50f35f—Fm+CA43e4.86e48e27P(W)∗∗∗—显著性P(I)∗∗∗—P(W×I)∗∗∗—

不同水分条件下，接菌促进了植物对钾的吸收(表4)。正常供水时，植株钾吸收量表现为Fm+CA>CA>Fm>CK，较对照分别提高50.0%,12.1%,1.9%，其中Fm+CA,CA处理显著高于对照(P<0.05)。在干旱胁迫时表现为Fm,CA,Fm+CA较对照分别提高85.7%,85.7%,83.5%，均显著高于对照(P<0.05)。正常供水条件下Fm+CA菌根贡献率为25%，显著高于单接Fm处理。干旱胁迫条件下，单接Fm菌根贡献率为46%，而Fm+CA处理菌根贡献率为-1%，表明干旱条件下菌根发挥作用较大，而CA处理对钾吸收促进作用不明显。双因子方差分析表明，水分胁迫和接种微生物对玉米植株地上部、地下部N,P、K吸收量及每盆N,P，K吸收量均有显著交互效应。

表4 不同处理对玉米养分K吸收量的影响
Table 4 Effects of different treatments on maize plantK uptake

土壤相对含水量/%处理钾吸收量/(g·盆-1)地上部地下部总吸收量菌根贡献率/%CK2.38c0.26b2.64c—70Fm2.41c0.28b2.69c2CA2.68b0.28b2.96b—Fm+CA3.61a0.35a3.96a25CK0.86e0.05d0.91e—40Fm1.59d0.10c1.69d46CA1.61d0.08dc1.69d—Fm+CA1.59d0.08dc1.67d-1P(W)∗∗∗—显著性P(I)∗∗∗—P(W×I)∗∗∗—

2.3 水分胁迫下接种AM真菌与解磷细菌对土壤化学性状的影响

由表5可知，随着土壤相对含水量的降低，各处理根际土壤pH显著增高，土壤电导率、全氮、速效磷、有机质含量降低，磷酸酶活性显著降低。除Fm+CA增加外，其他处理土壤速效钾含量随相对含水量降低而显著降低。同一水分条件下，接种微生物的土壤电导率、全氮、速效磷、速效钾含量及磷酸酶活性均高于未接种。

正常供水条件下，土壤pH值的变化规律为:Fm0.05)。土壤电导率、全氮、速效钾、有机质含量变化趋势一致，均表现为:CK0.05)，Fm全氮、速效钾、有机质含量显著高于其他处理。各处理土壤速效磷含量、磷酸酶活性变化规律表现为:CK0.05)。

表5 不同处理对土壤基本化学性状的影响
Table 5 Effects of different treatments on soil chemical properties

土壤相对含水量/%处理pH电导率/(μS·cm-1)全氮/(g·kg-1)速效磷/(mg·kg-1)速效钾/(g·kg-1)有机质/(g·kg-1)磷酸酶/(mmol·(g·h)-1)CK7.13c954cd0.1c8.67d0.17d0.53b2.44a70Fm7.04d1 064a0.27a15.51b0.23a0.62a2.49aCA7.12c962bcd0.17b11.23c0.18c0.55b2.47aFm+CA7.08cd1 028ab0.19b16.68a0.19c0.55b2.57aCK7.24b852e0.05e4.51g0.13f0.51b2.12c40Fm7.28ab1 006abc0.11c7.9e0.15e0.52b2.27bCA7.33a859e0.09cd4.85g0.15e0.51b2.21bcFm+CA7.28ab939d0.06de6.34f0.21b0.53b2.29bP(W)∗∗∗∗∗∗∗显著性P(I)∗∗∗∗∗NS∗P(W×I)∗NS∗∗∗NSNS

水分胁迫下，接种处理土壤pH值高于未接种，除CA外，其他处理与对照差异不显著(P>0.05)。土壤电导率、速效磷含量变化规律一致，均为:CK0.05)外，其他处理相互间差异显著。接种处理土壤全氮高于未接种处理，其中Fm,CA处理显著高于对照处理。土壤速效钾、有机质含量、磷酸酶活性变化规律一致，表现为CK0.05)。双因子方差分析表明，水分胁迫和接种微生物对土壤pH值、全氮、速效磷、速效钾含量具有显著交互作用，而对土壤电导率、有机质和磷酸酶活性交互作用不显著(P>0.05)。

3 讨论

菌根侵染率一定程度上反映了AM真菌与宿主植物的亲和程度。正常水分条件下，菌根侵染率超过60%，说明本试验所选AM真菌与玉米之间的亲和程度较高，能够很好地发挥菌根共生体的优势作用;而干旱胁迫下，菌根侵染率显著降低，表明干旱对微生物活动会产生巨大影响，抑制了AM真菌对玉米根系的侵染，一定程度上影响菌根共同体作用的发挥。同一水分条件下，单接AM真菌和双接AM真菌与解磷细菌的侵染率差异不明显，表明解磷菌的加入未影响到菌根结构的形成和发育。

接种AM真菌与解磷细菌均促进玉米生长，提高玉米地上部、地下部及总干重，促进玉米对氮、磷、钾养分的吸收，说明本试验选取的2种微生物与玉米具有很好的适应性，且在玉米生长发育和植株氮、磷、钾营养状况改善中发挥重要的促进作用，这与许多研究结果一致[8-13]。但是，在不同水分条件和不同接种方式下，2种微生物对玉米生长及营养改善的作用存在较大的差异性。正常供水条件下，单接种解磷细菌的玉米干物质积累和磷、钾吸收量明显高于单接种AM真菌，双接种的玉米干物质量和氮、磷、钾吸收量显著高于单接种。这说明在水分充足的情况下解磷细菌的作用大于菌根的作用，且2种微生物之间存在着密切的交互作用。这一方面可能是因为沙土通气性和透水性能好，有利于解磷细菌的生长和繁殖，从而提高解磷细菌解磷能力促进植物生长[11]，另一方面可能是由于细菌影响丛枝菌根真菌侵染初期的识别反应和侵染进程而产生的一种直接或间接作用。这种作用对外生菌丝在土壤中的延伸生长、分布和存活有一定的影响进而影响到宿主植物的生长和养分吸收[10]。干旱胁迫下，各处理玉米各部干重均显著低于非胁迫的玉米干重，接种丛枝菌根对植物的生长促进作用优于单施解磷菌和双接种处理，这说明在干旱使得解磷细菌的作用受到限制。这与菌根的生理特性密切相关，AM真菌通过侵染植物根系，与寄生植物形成菌根共生体，同时，在其根系外形成菌丝网，扩大植物根系对水分、养分的吸收(尤其在干旱、养分不足地区)范围，并通过菌丝向宿主植物提供养分，增强植物的抗旱能力，促进植物生长发育[18-19]。因此，接种AM真菌作为生物手段可以应用于旱区，促进旱区植物生长及生态恢复。根际是植物根系联系土壤界面的一个微环境，与微生物紧密结合促进养分循环。研究表明，植物根系和根际微生物的生理活性对土壤化学性状、植物养分吸收、生长发育和健康状况都具有明显的影响[18]。矿区土壤养分不足，保水保肥能力差，通过一定手段改良土壤，恢复其肥力，使其能适合植物生长，是矿区发展农业、恢复生态的重要突破点。AM真菌对根际土壤的改良作用被很多研究所证实[6,18,20-21]，土壤-AM真菌-根系3者形成的有机整体深刻影响着根际微环境，而解磷细菌对根际土壤的改良效果研究尚不多见，本试验中菌根对土壤改良作用大于解磷细菌。

土壤有机质是土壤肥力的重要来源。干旱对土壤有机质影响不大，但同一水分条件下，接种AM真菌提高根际土壤有机质的积累，与李少朋等[6]研究结果一致，这可能是因为AM真菌能分泌土壤球囊霉素相关蛋白，进而促进了土壤有机质的提高。土壤pH值，电导率、全氮、速效磷、速效钾、磷酸酶活性均是反映根际土壤养分的重要指标。结果表明，干旱条件下各处理根际土壤的pH值增高，电导率、全氮、速效磷、速效钾、磷酸酶活性均降低，这可能与植物长势有一定关系，干旱抑制了玉米生长，植株根系不发达，吸收的养分范围不足，导致根际土壤pH增高，养分降低。本研究中，接种丛枝菌根和解磷细菌后土壤指标产生了改变，且不同接菌处理效果不同。接菌后根际土壤电导率、速效磷、速效钾、全氮含量有一定程度的提高，这可能是由于接菌后微生物分泌的有机酸和酶类促进了土壤养分的释放，同时促进了植物的生理代谢及植株的生长发育，蒸腾作用增强，促进了土壤中养分的活化运移和在根际的富集[18]。接种菌根后根际土壤pH值下降，其主要原因可能是菌根菌丝具有酸化菌丝际土壤的能力，从而降低土壤pH值。解磷菌土壤pH值变化不大，这可能与其自身的生理特征有关[22]。综合所述，接种AM真菌及解磷细菌均能缓解干旱胁迫对植物的迫害程度，对促进干旱区植物生长和土壤改良、恢复干旱区生态环境具有一定的指导意义，但其具体如何提高植物抗旱性研究有待进一步的深入研究。