两种水分条件下真菌接种及氮肥施加对小麦生长、生理及氮磷吸收的影响

张蓓蓓，张 辉，景 琦，武悦萱，校思泽,王苗苗

(陕西省灾害监测与机理模拟重点实验室/宝鸡文理学院地理与环境学院，陕西 宝鸡 721013)

小麦品种Superb是生长在加拿大西部草原上的主要作物之一，西部草原生态区主要位于阿尔伯塔省，该区气候特点是生长季节短，干旱和热胁迫频繁。小麦主要生长在雨养条件下，干旱在生长季节的任何时候都会发生。除了干旱胁迫之外，营养缺乏，特别是氮(N)和磷(P)缺乏，也是农业生态者关注的主要问题[1-2]。研究发现，丛枝菌根(AMF)与植物根系共生可以促进植物对水分和养分的吸收，促进植物生长[3-4]。这种共生关系往往导致植物吸收水分、体内流动及流出植物体速率的变化，进而影响组织水化和植物的生理学反应[5-6]。前人研究显示，真菌接种可以改变寄主植物体的水分状况[7-8]。同时，干旱胁迫条件下，真菌接种后植物叶片的水势较高，使得植物体的水分状况良好[9-10]。另外，接种后的植物比不接种的植物表现出较高的光合速率[11]。AMF可显著改善干旱胁迫下植物的气孔导度，蒸腾和光合作用[12]。另有报道显示AMF可增加光合单位的数量，光储存及光输出，还可以提高植物的水分利用效率[13-15]。以往的研究主要集中在真菌接种对不同植物生长和产量的直接影响上[16-17]，但对真菌接种、氮(N)肥施加和不同水分条件下加拿大主栽小麦品种的水分利用效率(WUE)、稳定性碳同位素分辨率(Δ)和生长状况研究较少。在该研究中，通过使用气体交换方法和碳同位素法测定不同处理下小麦的水分利用效率来评估AMF、N肥施加在两种水分条件下对小麦水分利用率和N、P吸收的影响，以期为不同胁迫条件下小麦的种植模式优化提供一定的理论依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

品种为加拿大西部草原广泛种植的硬春红麦品种Superb，基本特征为偏矮较壮、有芒、高产和晚熟。

1.2 试验设计

试验处理由两个氮肥添加水平(0 kg·hm-2和 180 kg·hm-2)、两个土壤水分水平(水分充足,95%田间最大持水量，WW;水分胁迫,40%田间最大持水量，WD)和两个真菌(AMF,Glomusintraradices，每克大概含有1600个繁殖体)接种水平(接种和不接种)组成，随机区组设计，8个处理且每个处理4次重复，在WW和WD处理下分别有4个处理，为(1)CK：无氮肥，不接种；(2)M：无氮肥,接种；(3)N：氮肥180 kg·hm-2不接种；(4)MN：氮肥180 kg·hm-2接种。所有盆栽随机放置在光周期为16 h的温室中，白天晚上的温度分别为25℃和15℃。

试验采用的是20 cm高和30 cm直径的塑胶盆，每盆装6.5 kg的混合土壤(为了增加土壤的松软度，土壤由泥煤苔和大田土壤1∶1混合而成)，土壤pH值6.0，有机质含量86 g·kg-1，N含量56 mg·kg-1，P含量34 mg·kg-1，K含量296 mg·kg-1，S含量为41 mg·kg-1。种植前进行田间最大持水量测定，施加氮肥，并对小麦种子进行接种。每盆播种接种后的小麦种子10颗，后间苗为4株，保持水分充足至拔节期，对水分胁迫的盆栽停止浇水直到土壤水分含量为40%的田间最大持水量；水分充足的盆栽一直保持在95%田间持水量左右，两种土壤水分处理一直保持到作物成熟。开始水分处理后，每1～2 d称一次盆重，根据水分胁迫和水分充足处理计算水分利用及每天浇水量。

1.3 生理指标和氮磷含量的测定

1.3.1 生理指标测定 开花期，测定旗叶的比叶面积(SLA)和叶片相对含水量(RWC)[18]；用Li-Cor6400测定旗叶的光合速率(Pn)和蒸腾速率(Tr)。瞬时水分利用效率(WUEi)=Pn/Tr。开花期时每盆收获两株小麦测定地上部分生物量，并根据该时间段所用水分计算从拔节期到开花期的水分利用效率(WUE)，WUE=地上生物量/用水重量。成熟期时测定株高、生物量及产量。

稳定性碳同位素分辨率(CID，Δ)测定[19]: 开花期时，每盆随机选取5片旗叶剪下，所有叶片放置在105℃的烘箱杀青，然后80℃烘干48 h至恒重，烘干的叶片由Spex Sample Prep 8000D(GV Instruments Ltd, Manchester, UK)球磨仪磨碎后用同位素质谱仪MAT-253进行稳定性碳同位素丰度的测定。计算方式如下：

CID(‰)=[(δa-δp)/(1+δp)]×1000

其中,δa为大气中的稳定性碳同位素丰度，δp为小麦叶片的稳定性碳同位素丰度。

1.3.2 氮磷含量测定 成熟后，小麦种子和茎秆磨碎后进行消解，然后用Flowsys连续流动分析仪进行总氮及总磷的测定。

1.4 数据分析

试验数据采用Microsoft Office Excel 2003 和SPSS 22.0进行方差分析，Pearson进行相关分析；用Tukey’s HSD检验进行多重比较分析。

2 结果与分析

2.1 不同处理下小麦旗叶相对含水量和比叶面积差异分析

水分充足处理下，N肥施加和真菌接种显著增加了旗叶的相对含水量(RWC)，但是水分胁迫降低了旗叶的RWC(表1和图1A所示)。水分充足处理下，MN处理下比CK处理下叶片的RWC升高了12.9%；水分胁迫处理下，RWC升高了17.3%。氮肥施加、真菌接种及水分处理均对比叶面积(SLA)产生显著的影响(表1)。其中，真菌接种提高了小麦叶片的SLA，但是MN处理下叶片的SLA降低(图1B)。

表1 两种水分处理下氮肥施加和真菌接种对小麦旗叶叶片相对含水量和比叶面积影响的差异分析

注：每一列的数字代表了F值，其中*P<0.05，**P<0.01。N：氮肥处理；M：真菌处理；WW：95%田间持水量；WD：40%田间持水量。下同。

Note: the numbers in the column mean the significantFvalue. *P<0.05, **P<0.01. N: nitrogen treatments; M: mycorrhizal fungi inoculation; WW: Well-watered (95% field capacity), WD: Water-deficit (40% field capacity). The same below.

注：CK：无氮肥不接种；M：无氮肥接种；N：氮肥180 kg·hm-2不接种；MN：氮肥180 kg·hm-2接种。下同。Note: CK: no N fertilization and non-mycorrhizal inoculation; M: no N fertilization and mycorrhizal inoculation; N: 180 kg·hm-2 N fertilization and non-mycorrhizal inoculation; MN: 180 kg·hm-2 N fertilization and mycorrhizal inoculation. The same below.图1 两种水分条件下真菌接种、氮肥施加对小麦旗叶叶片相对含水量(RWC)和比叶面积(SLA)的影响Fig.1 Effect of N, mycorrhizal inoculation under WW and WD treatments on relative water content (RWC) and specific leaf area (SLA) of flag leaves

2.2 不同处理下小麦旗叶光合速率、蒸腾速率、水分利用效率及稳定性碳同位素分辨率差异分析

叶片气交换参数和水分利用效率见表2。叶片Pn和Tr在WW水分处理下较高。其中，氮肥施加及真菌接种均对Pn有显著的正向作用，而Tr只有显著的氮肥施加效应。水分充足条件下，MN处理下的Pn比CK高34%；水分胁迫条件下，MN处理下的Pn比CK高31%。氮肥施加和水分胁迫对拔节期到开花期的WUE有显著促进的作用，只有在水分充足条件下，氮肥施加对WUEi有显著的影响。氮肥施加显著地提高了叶片的CID，但水分胁迫显著降低了叶片的CID。

2.3 不同处理下小麦籽粒、茎秆氮磷含量差异分析

由表3看出，水分充足条件下，氮肥施加及真菌接种可显著影响茎秆及籽粒的氮含量。水分胁迫条件下，氮肥施加和真菌接种的综合作用显著提高了籽粒和茎秆的氮含量(图2A)，以该条件MN处理下的氮含量最高。水分胁迫条件下，氮肥施加对籽粒和茎秆磷含量有显著的影响；同时两种水分条件下，仅真菌接种对籽粒的磷含量有显著的影响(图2B)。不同处理下，籽粒、茎秆氮含量和籽粒磷含量之间存在着显著的相关关系，其中，籽粒磷含量与籽粒氮含量呈显著的正相关关系(r=0.50，P<0.05)，籽粒磷含量与茎秆氮含量也呈显著的正相关关系(r=0.68，P<0.01)。

表2 两种水分条件下氮肥施加及真菌接种对小麦叶片光合速率、蒸腾速率、水分利用效率及稳定性碳同位素分辨率的影响

注：表里上半部分的值代表了平均值±标准误，下半部分的值为F值，且*P<0.05，**P<0.01。

Note: The values presented in the first part of table are mean±standard errors. The last part of table means theFvalue. *P<0.05, **P<0.01.

表3两种水分处理下氮肥施加和真菌接种对小麦籽粒、茎秆氮磷含量影响的差异分析

Table 3 Analysis of variance of effect of different N fertilization and AMF inoculation on N and P concentrations in stem and grain of wheat at maturity stage under WW and WD conditions

水分处理Water regime方差分析ANOVA氮含量N concentration茎秆Stem 籽粒Grain磷含量P concentration 茎秆Stem 籽粒GrainWWN30.47**31.97**28.93**44.05**M4.61*4.57*1.1415.15**M×N1.400.040.512.41WDN28.88**81.49**2.913.75M1.922.621.164.82*M×N1.031.520.130.22不同水分处理F值The F vaule underdifferent water regimes50.49**40.67**7.39*228.05**

2.4 不同处理下小麦株高、生物量和产量差异分析

由表4看出，两种水分条件下，氮肥施加及真菌接种均显著影响了小麦的株高。同时，氮肥施加及真菌接种促进了小麦的生物量及产量(图3)。

表4 两种水分处理下氮肥施加和真菌接种对小麦株高、生物量及产量影响的差异分析

2.5 不同处理下水分利用效率与籽粒、茎秆氮磷含量相关分析

由表5看出，WUE与籽粒氮含量和籽粒、茎秆磷含量之间存在显著的正相关关系，与茎秆氮含量相关不显著。叶片CID(Δ)与籽粒、茎秆氮磷含量之间存在显著的负相关关系，但WUEi仅与籽粒磷含量呈正相关关系。

图2 两种水分条件下真菌接种、氮肥施加对小麦籽粒、茎秆氮磷含量的影响Fig.2 Effect of N, mycorrhizal inoculation under WW and WD treatments on grain, stem nitrogen, and phosphorus concentrations

图3 两种水分条件下真菌接种、氮肥施加对小麦株高、生物量和产量的影响Fig.3 Effect of N, mycorrhizal inoculation under WW and WD treatments on plant height, biomass, and yield

WUEWUEiCID籽粒 NGrain N茎秆 NStem N籽粒 PGrain P茎秆 PStem PWUE1WUEi0.221CID-0.71**-0.041籽粒NGrain N0.43*0.19-0.60**1茎秆 NStem N0.350.31-0.51**0.78**1籽粒 PGrain P0.59**0.53**-0.49**0.50**0.68**1茎秆 PStem P0.49**0.14-0.46*-0.28-0.260.281

注 Note：*P<0.05，**P<0.01。

3 讨 论

水分胁迫对植物生长、生物量及产量的影响与形态学和物候学相关，水分供应可显著影响植物生长和作物产量的提高[20]，本研究与前人研究结果相似，水分胁迫(WD)可严重影响小麦的生长及产量的形成及提高。水分胁迫下，植物生物量及产量的降低主要通过改变一些生理过程而完成，比如干旱引起叶面积的缩小，影响冠层系统对光合有效辐射(PAR)的吸收，进而导致新的干物质生产减少，叶面积继续缩小，光合产物减少，表现为生长发育的减慢及产量的降低，呈现一种负反馈的机制[21]。本研究中叶片RWC和SLA在干旱条件下显著降低(图1)，这与前人对小麦研究的结果相似[22]，主要的生理机制可能为干旱胁迫下叶片细胞的水力传导率降低，使得叶片生长减慢，进而降低水分运移速率，阻碍细胞分裂和叶片膨大，最终阻碍叶片的发育[23]。此外，与前人对豇豆和大麦的研究结果相似[24]，温室环境下水分胁迫提高了小麦的WUE和WUEi。水分胁迫条件下，叶片的气孔导度(Gs)和叶片蒸腾(Tr)显著降低，叶片光合速率(Pn)略有下降，使得叶片WUEi增加。此外，水分胁迫处理下，叶片细胞通过渗透调节提高叶片的保水能力，使得水的利用效率增强，进而提高植物的WUE[25]。该研究中，干旱降低了小麦的CID，真菌接种提高了小麦CID的值。Yasir等[26]也报道了类似的结果，干旱环境下49种小麦CID的值降低。同时本研究中CID与WUE呈显著负相关关系，这与Farquhar等研究相似，该关系已被证实是一种可靠的预测WUE的分析测定方法[19]。

丛枝菌根真菌(AMF)是土壤微生物区系中生物量最大最重要的成员之一，能改善土壤理化特性和土壤微生物菌群结构。真菌接种的研究表明[27]，接种的玉米叶片叶面积显著高于未接种处理的叶片，这与本研究真菌接种后对叶片的影响结果相一致(图1B)。此外，真菌接种可显著改善植物的含水量[28]。本研究中，真菌接种后叶片RWC提高了将近10%(图1A)。同时，在不同水分条件下，真菌接种及氮肥施加均引起了小麦生长、生物量及产量的提高；引起该正向效应的原因可能为菌丝提高了作物对土壤中氮肥及水分的吸收[29]，最终促进了植物的生长发育[30]。此外，在水分胁迫条件下，接种的植物WUE高于未接种的植物，表明AMF接种可有效改善干旱胁迫下植物的生理性能[31]。分析原因，可能是真菌接种后菌丝大量繁殖，通过共生作用提高植物根系吸收水分的能力，借助广泛的菌丝网络，确保更好的气孔调节和碳同化，进而减轻水分胁迫的影响，提高水分利用效率[32]。本研究也得到了相似的结果，水分胁迫条件下，接种后小麦的WUE升高了10%(表2)。本研究结果显示茎秆氮磷含量均高于籽粒，此外，接种后小麦茎秆氮磷含量均高于未接种的小麦，这与Attia和Nemat的研究结果相似[33]。接种AMF后直接导致小麦吸收及获取氮磷能力的提高；有结果表明，在干旱条件下，外源AM真菌菌丝对玉米的氮磷转运增加，进而提高玉米不同器官的氮磷含量[34]。籽粒、茎秆磷含量与氮含量之间存在显著的正相关关系，可能因为接种AMF后，菌丝通过提高氮素吸收来影响土壤中磷的利用；同时，菌丝提高根系吸收水分利用的能力，以水调肥，共同促进氮磷含量的提高[35]。

4 结 论

在许多地区，水成为作物生产及生长的主要限制因素，AMF接种作为改善植物吸收水分及养分的手段是一种很有前景的策略，在旱作条件下，可显著提高小麦的产量。本研究在温室条件下，AMF接种提高了小麦对磷、氮的吸收，促进了小麦的WUE和产量的提高。AMF接种可显著提高水分胁迫条件下植物的水分利用效率，表明干旱环境下AMF接种可有效地改善植物生长。WUE与籽粒、茎秆氮磷含量呈显著正相关,表明小麦的生理指标WUE与品质指标氮磷含量呈胁同性变化趋势，下一步研究方向是选择更多的小麦基因型进行大田试验，综合考虑各方面因素进行进一步的验证。

致谢：在此感谢加拿大阿尔伯塔大学的Scott X. Chang 和Anthony O. Anyia教授对该试验提供的帮助。