接种AM真菌和施氮对还田稻秆氮素释放和小麦产量的影响

贾艳艳,杨文飞,杜小凤,王伟中,文廷刚,孙爱侠,诸 俊,顾大路

(江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所,江苏 淮安 223001)

丛枝菌根(Arbuscular mycorrhizal, AM)真菌广泛分布于森林、草原、农田等生态系统中,能与80%以上的陆生植物形成共生体,是土壤微生物区系中与农业生产关系最为密切的一类真菌[1,2];AM真菌借助植物的碳水化合物来完成自身的生长;同时AM真菌通过调控土壤中有机质等养分的矿化来促进其宿主植物吸收营养元素、增强其抗逆性[3,4]。因而对AM真菌在农业生产中的作用研究备受关注。

氮素是作物高产的关键元素之一。近年来,越来越多的研究显示接种AM真菌能改善宿主植物的氮素供给状况。宋福强等研究发现施加AM真菌菌剂可显著增加大豆根系及根际土壤中的优势菌群数量[5],提高大豆根际土壤脲酶、过氧化酶的活性,增强大豆的固氮能力[6]。室内培养实验结果显示,接种AM真菌菌剂能够显著提高玉米氮同化关键酶的活性,促进宿主植物对铵态氮的利用[7]。Kong X等的研究结果显示：在中等土壤养分环境中,AM真菌通过增大菌丝密度和硝酸还原酶的活性显著促进了车前草根际土壤中有机质的矿化速率[8]。

土壤中的氮素主要以有机态氮的形式存在,无机氮仅占土壤总氮的1%,大多数氮素必须经过土壤微生物的分解和矿化作用才能形成可被植物直接吸收的矿质氮[9]。作物秸秆是农作物的主要副产品,含有丰富的有机资源[10,11]。矿化的秸秆组分能够促进土壤养分循环,提高氮素利用率[12-14]。研究发现接种AM真菌能够促进还田稻秆等有机物料的分解,促进土壤生态系统中有机质的养分释放[8,15,16]。Jannoura等研究显示AM真菌对有机质的矿化与土壤氮素含量有关,当土壤氮素供应不足时,豌豆菌根真菌对有机质的矿化速率显著降低[17]。目前就如何利用AM真菌促进还田秸秆的矿化？如何合理配施AM真菌与氮肥以促进作物对氮素的吸收利用还缺乏深入研究。

本试验参考本地稻-麦轮作制,以小麦为宿主植物,在稻麦轮作试验田通过接种AM真菌与不同水平氮素配施,研究了不同施肥量下AM真菌对还田稻秆氮素释放量、土壤酶活性，以及小麦产量、产量构成因素及氮肥利用效率的影响，旨在为作物生产中秸秆的合理还田以及氮素利用效率的提高提供理论依据和技术支持。

1 材料与方法

1.1 供试材料与试验设计

采用大田试验的方法,试验在江苏徐淮地区农业科学研究所实验基地进行。供试土壤为壤土,肥力中等，土壤(0 ～20 cm土层)有机质含量为12.78 g/kg,全氮含量为1.14 g/kg,碱解氮含量为52.6 mg/kg,速效磷含量为6.82 mg/kg,速效钾含量为131.37 mg/kg, pH 6.9。

供试AM真菌菌剂为前期盆栽研究中侵染率最高、对秸秆分解促进作用最明显的摩西球囊霉Glomusmosseae菌剂[15]。菌种购买自北京市农林科学院植物营养与资源研究所。菌种预先经高粱盆栽繁殖；接种的菌剂含有扩繁后产生的相应基质以及AM真菌孢子、根外菌丝和植物根段,每克菌剂含有10 ～ 20个孢子。供试小麦品种为淮麦20号,前茬作物为南粳9108水稻。小麦播种期为10月底,种子播量为200 kg/hm2。稻秆还田量参考已报道的水稻草谷比,以中量级8000 kg/hm2还田量人工均匀抛撒后旋耕还田,旋耕深度为15 cm左右。

小麦全生育期施氮量设0、250、260和270 kg/hm2四个水平(以尿素为氮源),基追比例为5∶5(苗肥∶拔节肥∶孕穗肥=5∶1.5∶3.5),追肥于拔节期和孕穗期施入。其中270 kg/hm2为参考淮安当地小麦高产栽培肥料运筹方案数据制定,为正常高产施肥对照;260 kg/hm2和250 kg/hm2为氮肥减施处理;以不施用氮肥为空白对照。小麦播种时设接种GM菌剂(GM)和不接种GM菌剂(NGM)两个接菌水平。总计8个处理(4个氮肥水平×2个接菌水平),分别是接菌施肥0(GM0)、不接菌施肥0(NGM0)、接菌施肥250(GM250)、不接菌施肥250(NGM250)、接菌施肥260(GM260)、不接菌施肥260(NGM260)、接菌施肥270(GM270)、不接菌施肥270(NGM270)。每个处理设3个重复,共设24个小区。小区面积为9 m2(3 m×3 m),随机区组设计。每小区施磷肥(P2O5)130 kg/hm2、钾肥(K2O)130 kg/hm2,磷、钾肥与基施氮肥作为底肥于播前一次性施入。在小麦播种时,将菌剂与小麦种子混合,其中小区施加菌剂量为1000 g/小区。在小区之间设置1 m保护行,并用厚度为2 mm的防水材料围隔。

1.2 田间取样与测定方法

分别于越冬期(播种后80 d)、拔节期(播种后145 d)和成熟期(播种后220 d)采用五点取样法取小麦根际0～20 cm土层土样,过1 mm分样筛,装入自封袋混匀,用于测定与氮素转化相关的土壤酶活性;同时挑出未腐秸秆,不能挑出的用水浸泡,收集飘浮残留物,合并归为残留秸秆,冲洗干净后于65 ℃烘干至恒重,用于测定全氮含量。

于小麦成熟期在各小区取1 m2小麦人工脱粒,晒干后测定实际产量,同时调查穗粒数、千粒重等产量构成因素。将小麦地上植株各器官分割,先于105 ℃杀青30 min,再于65 ℃烘干至恒重,测定氮含量和干物质重量,推算单位土地面积生物量。

成熟期小麦的菌根侵染率采用酸性品红染色法测定;小麦植株和秸秆全氮含量采用半微量凯氏定氮法测定。土壤氮素转化相关的酶活性的测定采用分光光度计法。其中硝酸还原酶单位酶活性(IU)的定义为1 g土样1 min分解产生1 μg NO2-所需的酶量[18];脲酶IU的定义为1 g土样1 h分解产生1 mg氨基氮所需的酶量[19];蛋白酶IU的定义为1 g土样1 h分解生成1 μg酪氨酸所需的酶量[20]；转化酶IU的定义为1 g土样1 h分解产生1 mg葡萄糖所需的酶量[21]。

室内实验在江苏徐淮地区淮阴农业科学研究所作调中心实验室进行,所用溶液和化学试剂均为国药分析纯。

1.3 计算方法

稻秆氮积累量、氮释放量、小麦吸氮量、氮肥农学效率及氮肥利用效率等的计算公式如下:

秸秆氮积累量(kg/hm2) =未腐解秸秆干物质量×秸秆含氮量;

秸秆氮释放量(kg/hm2) =起始秸秆氮积累量-未腐解秸秆氮积累量;

植株氮素吸收量(kg/hm2) =植株干物质积累量×植株含氮量;

氮肥农学效率(kg/kg) =(施氮区籽粒产量-不施氮区籽粒产量)/施氮量;

氮肥吸收效率(%) =(施氮区氮素吸收量-不施氮区氮素吸收量)/施氮量×100%。

1.4 数据处理

对试验数据采用Microsoft Excel 2010和SPSS软件进行统计分析,在5%水平下用LSD Duncan法检验各处理平均值之间的差异显著性。所有的图片在Origin 2016软件中制作完成。

2 结果与分析

2.1 接种菌剂的侵染率

菌根侵染率是反映菌株在土壤中与宿主的亲和力和共生生长状况的重要指标。在小麦收割后取其地下须根，测得的根系侵染率数据(表1)显示,接种GM菌根真菌的处理均与小麦形成了共生菌根,平均定殖率分别为70.28%(GM0)、77.22%(GM250)、79.75%(GM260)和69.74%(GM270)。其中GM250的菌根形成能力显著高于其他处理(P< 0.05);GM260的次之,但与GM250处理相比差异不显著;说明氮肥施用量在260 kg/hm2和250 kg/hm2时最有利于摩西球囊霉菌的定殖,氮肥量过高或过低均不利于共生菌根系统的形成。但与前期室内盆栽研究结果[15]相比,本试验的侵染率有所降低，这可能是因为大田环境复杂,土壤中水分、pH值及其他组分含量会影响菌根真菌定殖的稳定性。所有不接菌处理的小麦根系菌根真菌也有检测出侵染,但侵染率均不足10%,这是因为丛枝菌根真菌在自然环境下也有生存分布,但含量较低。

表1 不同施氮量与接种AM真菌处理对小麦根系菌根侵染率的影响

2.2 接种AM真菌和施肥量对各时期水稻秸秆氮素释放的影响

图1显示,在不同生育阶段之间秸秆氮素释放量差异显著,随小麦生育进程的推进,秸秆氮释放量呈先增后减再增的变化趋势,以拔节期释放量最低,以成熟期释放量最高,占总释放量的53.5%～59.4%。从播种至成熟的整个生育期间，还田秸秆的总氮素释放率为48.2%～69.3%。与不施氮对照相比,随施氮量增加全生育期还田秸秆氮素释放率显著增加。在不接菌条件下，NGM260氮肥处理下稻秆的氮素释放率最大,为60.6%。在不同施氮量条件下，接种摩西球囊霉菌剂对稻秆氮素的释放率均有提升作用;在同一氮肥量下与不接菌相比,GM0、GM250和GM260处理均显著增加了小麦全生育期还田稻秆的总氮素释放量,以GM260的最高，达69.3%。

OS为越冬期；JS为拔节期；MS为成熟期；OS～MS为全生育期。图1 接种AM真菌和施氮量对小麦不同生育阶段水稻秸秆氮释放的影响

2.3 接种AM真菌和施肥量对土壤酶活性的影响

由表2数据可知,随着施肥量的增加,土壤酶活性总体表现为逐渐增强,接菌处理的酶活性大于相对应的不接菌处理;GM250处理下的土壤蛋白酶、硝酸还原酶、脲酶活性,GM260处理下的土壤蛋白酶、脲酶活性，以及GM270处理下的土壤脲酶、转化酶活性均分别显著高于NGM250、NGM260和NGM270处理的。说明接种摩西球囊霉菌能促进脲酶、蛋白酶等与土壤氮素转化相关胞外酶的分泌,进而可能加快小麦根系周围含氮有机化合物的水解与转化。

表2 不同施氮量与接种AM真菌处理下土壤酶活性 IU

注：同列数据后不同小写字母表示处理间差异显著(P<0.05)。下同。

2.4 接种AM真菌和施氮量对小麦籽粒产量的影响

由表3可知,施氮量及接种AM真菌对小麦产量及其构成因素均有显著影响。在不接种菌剂情况下,小麦产量和生物量随施肥量的增加而显著增加,在NGM270处理下的产量最高,为7722.69 kg/hm2,与NGM250和NGM260处理下的产量相比差异显著(P< 0.05);该结果与本试验预设计的一致,即270 kg/hm2为本地小麦高产最佳施肥量。

在不同施氮水平的接菌处理中,小麦的穗粒数在GM260处理下达最高值,显著高于不施肥处理和250 kg/hm2氮肥处理;此外在GM250和GM260处理下小麦的千粒重、产量分别显著高于NGM250、NGM260处理,而GM270与NGM270处理间的产量无显著差异。GM260处理下的小麦产量与GM270处理下的产量(7757.29 kg/hm2)接近,且无显著差异，表明在秸秆还田条件下,260 kg/hm2和250 kg/hm2施肥量水平下接种摩西球囊霉菌可显著提高小麦的产量,其中在260 kg/hm2肥量下接种GM菌根真菌为最佳处理配比。

表3 不同施氮量与接种AM真菌处理下小麦的产量、产量构成因素及氮肥利用情况

2.5 接种AM真菌后的氮肥利用效率

表3结果显示,接种AM真菌处理对氮肥吸收效率和农学效率的促进作用显著,在GM250和GM260处理下的小麦氮肥吸收效率和农学效率均分别显著高于NGM250、NGM260处理下的，其中GM260处理下的增加效果最明显,差异极显著(P< 0.01)，表明在秸秆还田条件下,当施氮肥水平为260 kg/hm2时,接种摩西球囊霉菌菌剂更适合小麦吸收氮素。将稻秆归还农田,适当降低施肥量并合理接种菌根真菌菌群可在保障小麦产量的同时提高氮肥利用效率。

3 讨论与结论

近年来,越来越多的研究显示，接种AM真菌能通过调节植物根际土壤微生物群落结构[5,22]和促进土壤酶的分泌[6-8,23]改善宿主植物的土壤氮素供给状况。研究发现：AM真菌对有机质的矿化与土壤氮素含量有关；在中等营养土中接种AM真菌能够显著促进土壤胞外酶的活性，从而加快有机质的矿化[8]；而当土壤氮素供应不足时,AM真菌对有机质的矿化速率显著降低[17]。本试验结果显示：在两个减量施肥水平下接种AM真菌显著增加了小麦全生育期还田稻秆的总氮素释放量;相反,在施高氮量水平下AM真菌对稻秆氮素释放量的影响不显著,说明250～260 kg/hm2氮肥量下的土壤养分环境适合AM真菌对还田稻秆的矿化作用。

土壤酶是土壤中动植物残体分解、植物根系分泌和土壤微生物代谢的产物,直接参与了土壤营养元素的生物化学催化过程,其活性可以在一定程度上反映土壤养分转化的动态变化[24,25]。脲酶和蛋白酶均属于水解酶,脲酶能促进土壤中含氮有机化合物尿素分子酰胺肽键水解生成氨[26]；蛋白酶参与将土壤有机质中的肽类分解为氨基酸,是植物氮素营养的重要来源[27]；硝酸还原酶是氮素代谢中的关键酶之一,其活性的大小直接影响到植物对土壤中硝态氮的利用[28]。因此研究秸秆还田后接种AM真菌对小麦根际土壤中上述3种酶活性的影响,对明确小麦氮素吸收机制具有一定的指导意义。在本研究中，接种AM真菌显著促进了3种酶的活性,这与Zhang等[29]、宋富强等[5,6]、Kong等[8]、Jia等[23]的研究结果一致;但随着施肥量的增加,土壤酶活性呈现下降趋势,这可能与高氮肥量抑制了AM真菌菌丝的生长有关[30],但其具体的作用机制还有待进一步研究。

本研究发现，在260 kg/hm2肥量下接种AM真菌为最佳处理组合,在此处理组合下小麦的氮肥利用率和农学效率显著高于其他处理组合的,而且小麦的产量与270 kg/hm2肥量下的产量相当，说明在参照270 kg/hm2氮肥量标准情况下,稻秆还田后通过接种AM真菌同时合理配施260 kg/hm2氮肥(基追比例为5∶5),淮麦20号小麦在减施氮肥情况下可达同样的产量水平。

综上所述，在本试验的稻秆还田条件下,当施氮肥水平为260 kg/hm2时,接种摩西球囊霉菌剂能够促进蛋白酶、脲酶等与土壤氮素转化相关的胞外酶的活性,加快还田稻秆氮素的释放和小麦吸收氮素,有利于提高氮肥利用效率，并保障小麦的产量。