不同施磷水平对分蘖洋葱伴生番茄幼苗生长及菌根侵染的影响

姜 悦，张紫涵，贾彦哲，高丹美，吴凤芝

（东北农业大学园艺园林学院，黑龙江 哈尔滨 150030）

0 引言

【研究意义】番茄（Solanum lycopersicumL.）是一种广泛种植的重要蔬菜作物，起源于南美洲[1-2]。由于生产者追求利益的最大化，盲目过量施肥导致番茄产量和果实品质的下降[3]。大量研究表明，合理的多样性种植模式（间套作、轮作、填闲等）能通过增加根际有益菌群改善作物矿质养分（磷）、促进作物生长和提高作物产量[4-6]。研究人员发现，丛枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）是一类普遍存在于土壤中的根际促生菌，能与大约80% 的陆生植物发生共生，明显促进植物对养分和水分的吸收[7]，增强植物种内或种间相互作用，但AMF对植物的有益作用易受土壤磷含量影响[8-10]。因此，明确磷肥施用量进而最大程度发挥植物种间正相互作用至关重要，有利于维持农业生态系统的稳定性与生产力。【前人研究进展】研究发现丛枝菌根真菌能促进植物对土壤中多种形态有效磷的吸收利用，丛枝菌根真菌可以溶解土壤中无机磷或矿化有机磷增加土壤有效磷含量，促进宿主植物对磷养分的吸收利用[11]。反之土壤磷含量和形态及植物组织中的磷含量也能影响丛枝菌根真菌根外菌丝的生长、共生状态及菌根效应的发挥[12]。研究发现，在土壤磷含量较低的条件下，丛枝菌根真菌能明显促进植物对磷素的吸收；但在高磷条件下，丛枝菌根真菌会抑制植物的生长及磷素吸收[13]。此外，植物组织中磷浓度过高也会降低根系菌根侵染率，导致宿主植物对丛枝菌根真菌碳水化合物的供给减少，抑制丛枝菌根的形成[14]，进而影响植物种间互作关系。由此说明，磷素含量过高不仅会影响植物间的相互作用，也不益于植物-AMF共生关系的建立。众多研究发现，合理施用磷肥与间套作种植均能促进作物生长，提高作物磷肥利用效率。随着施磷量的增加，作物产量、植株磷浓度及磷肥利用效率随之增加，但增加幅度与磷肥施用量呈反比[15]。因此，明确最佳磷肥施用量有利于维持农业生态系统的生产力。【本研究切入点】目前关于番茄与分蘖洋葱伴生种植对番茄生长的影响，本课题组前期已进行了相关研究[16-17]，但针对不同施磷水平对设施栽培中番茄幼苗的生长及丛枝菌根侵染影响的相关研究目前鲜有报道。【拟解决科学问题】本研究通过室内盆栽试验，采用番茄与分蘖洋葱伴生种植，并设置4种施磷水平（P0、P250、P500、P1000），研究4 种不同施磷水平对伴生种植下番茄幼苗生长及菌根侵染的影响，进而丰富间套作（伴生）体系提高系统生产力和功能的种间互作理论，并为分蘖洋葱伴生番茄栽培模式的应用提供理论基础。

1 材料与方法

1.1 试验概况

供试番茄（Solanum lycopersicumL.）品种采用东农708，由东北农业大学番茄育种实验室提供；供试分蘖洋葱（Allium cepaL. var.aggregatumG. Don）品种采用绥化，由实验室自繁。供试肥料包括磷酸二氢钾（KH2PO4）、硫酸钾（K2SO4）及尿素[CO（NH2）2]，通过向土壤中添加不同量的磷酸二氢钾设置不同施磷水平，并通过添加硫酸钾平衡各施磷处理间的钾元素，添加尿素进行各施磷处理氮元素的补充。

供试土壤取自哈尔滨向阳科研基地露地低磷土壤，其土壤基础值为土壤Olsen-P：14.53 mg·kg-1；NH4+-N：7.66 mg·kg-1；NO3--N：18.82 mg·kg-1；速效钾：141.33 mg·kg-1；pH：7.23；EC值：0.088 mS·cm-1。添加磷肥后各施磷水平的土壤Olsen-P含量为37.13 mg·kg-1（P250）； 120.17 mg·kg-1（P500）； 194.67 mg·kg-1（P1000）。以上各指标均采用文献 [18]的方法测定。

1.2 试验方法

2020年8月试验在东北农业大学设施工程中心的大棚内和农业农村部东北地区园艺作物生物学与种质创制重点实验室进行。采用规格为16 cm×14 cm，番茄采用常规育苗，四叶一心定植。本试验意在明确能够最大程度发挥植物间正相互作用的施磷水平，且前期预试验结果显示在P250和P500条件下伴生体系的促生效果显著，设置本试验添加的最高磷水平设为P1000，设4 种不同磷水平梯度：0 mg·kg-1磷肥（P0）、250 mg·kg-1磷肥（P250）、500 mg·kg-1磷肥（P500）、1 000 mg·kg-1磷肥（P1000）。每种磷水平设置2种模式：番茄单作和分蘖洋葱伴生番茄种植，番茄与分蘖洋葱种植比例为1∶3，即在距离番茄幼苗5～8 cm处栽种3个分蘖洋葱鳞茎。每处理3次重复，每重复5盆，随机区组排列，常规田间管理。

番茄定植35 d后，每个重复随机取3株，进行植株生物量的测定。烘干后的植株用粉碎机进行粉碎，用于测定植株养分。同时，每个重复取3株番茄根系根区土壤，部分鲜土置于4 ℃冰箱保存，用于测定土壤铵态氮和硝态氮含量；另一部分拿回室内进行风干，用于测定土壤有效磷、速效钾含量及土壤pH和EC值。取番茄细根，冲洗干净后，立即放于装有50%乙醇溶液的离心管中，并置于4 ℃冰箱中进行短期保存，用于测定根系的菌根侵染率。

1.3 项目测定

1.3.1 植株鲜干重的测定 将取样后的番茄植株用水进行清洗，之后用滤纸吸干植株表面水分，采用电子天平（PL303，上海梅特勒-托利多仪器有限公司）进行番茄植株鲜重的测定。将测定鲜重后的植株各部位在烘箱（DH-9053A，上海益恒实验仪器有限公司）中105 ℃杀青30 min，之后在80 ℃恒温条件下烘至恒重，用电子天平进行称量干重。

1.3.2 土壤化学性质的测定 土壤铵态氮和硝态氮含量测定采用2 mol·L-1KCl溶液浸提，土壤有效磷含量测定采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提，土壤铵态氮、硝态氮及有效磷含量均采用流动分析仪进行测定，土壤速效钾含量测定以1 mol·L-1中性醋酸铵溶液浸提，采用火焰分光光度计测定，土壤化学性质均采用文献[18]的方法测定，土壤pH用酸度计测定，土壤EC值用电导率仪测定，土水质量比均为1∶2.5 过滤液。

1.3.3 植株养分的测定 称取磨细烘干（过0.25～0.5 mm筛）的番茄植株样品0.100～0.200 g，放入消煮管中，加水润湿；加5 ml浓硫酸；摇匀，管口放弯颈小漏斗（过夜），放电炉上加热（初始温度190 ℃左右），10～15 min后（冒白烟）逐渐升高温度（380 ℃左右）20～30 min；当溶液全部呈棕黑色时取下，冷却20～30 min，加10滴300 g L-1H2O2，并摇动消煮管，继续放消解仪上消煮，10～15 min后取下，加H2O2，如此反复2～3次，直至消煮液呈无色或清亮色后，再加热5～10 min。冷却后定容至100 ml，消煮液用于测定番茄植株氮、磷及钾浓度。番茄植株氮和磷浓度均采用流动分析仪进行测定；番茄植株钾浓度采用火焰分光光度计测定。

1.3.4 菌根侵染率的测定 采用酸性甘油-台盼蓝染色法[8]，测定番茄根系菌根侵染率，酸性甘油中的根系可在避光条件下储存16 个月。首先，将根系放在5% KOH溶液中，90 ℃ 水浴20 min，将根系进行透明；然后将透明后的根系，放在1% HCl溶液中进行酸化24 h（过夜），再将酸化后的根系放在酸性甘油/台盼蓝溶液中进行染色，条件为90 ℃ 水浴25 min，待根系温度降低，用酸性甘油对染色后的番茄根系进行褪色，最后将褪色后的根系放在酸性甘油中储存。

计算方法如下：

1.4 数据处理

采用Microsoft Excel（Office 2020）软件对原始数据进行处理，并进行不同施磷水平间同一种植模式下番茄生物量的增长率及不同施磷水平伴生番茄与单作番茄间的生物量增长率分析；采用Origin 8.5软件进行作图；采用SPSS（21.0）软件中Tukey’s honestly significant difference（HSD）test （P＜0.05）进行方差分析，用*表示不同施磷水平单作番茄与间作番茄之间的显著性差异（P＜0.05），用小写字母表示不同施磷水平间同一种植模式下番茄的显著性差异（P＜0.05）；采用SPSS（21.0）软件进行Spearman相关性分析，检验植物生物量与植株养分浓度、土壤养分含量、菌丝侵染率、丛枝丰度和囊泡丰度间的相关性。

2 结果与分析

2.1 不同施磷水平对分蘖洋葱伴生番茄植株生长的影响

伴随土壤磷水平的升高，番茄植株生物量呈先升高后降低的趋势。与P0相比，施磷水平为P250、P500、P1000时，单作番茄全株干重分别增长了43.18%、47.73%和47.02%，伴生番茄全株干重分别增长了45.93%、50.36%和40.89%（图1-D）。不同施磷水平下，伴生番茄全株干重与单作番茄相比分别增长了8.8%（P0）、13.6%（P250）、15.2%（P500）及 5.6%（P1000）（图1-D），且当施磷水平为P500时，番茄植株生物量最高，显著高于施磷水平P0（P＜0.05）。

图1 不同施磷水平对分蘖洋葱伴生番茄幼苗鲜干重的影响Fig. 1 Effects of P applications on fresh and dry weights of tomato seedings intercropped with potato-onion

2.2 不同施磷水平对分蘖洋葱伴生番茄根系菌根侵染率的影响

番茄根系的丛枝和囊泡丰度随着土壤磷水平的升高呈先升高后降低的趋势。不同施磷水平下，伴生番茄根系菌根侵染率均显著高于单作番茄（P＜0.05）（除施磷水平为P250和P1000时的囊泡丰度和P1000时的丛枝丰度）（图2）。当施磷水平为P500时，丛枝、囊泡丰度及菌丝侵染率最高，显著高于施磷水平P0（P＜0.05）（图2）。

图2 不同施磷水平对分蘖洋葱伴生番茄根系丛枝（Arbuscular abundance）、囊泡丰度（Vesicular abundance）及菌丝侵染率（Hyphal infection rates）的影响Fig. 2 Effects of P applications on arbuscular, vesicle abundance, and hyphal infection rates of tomato roots under TO

2.3 不同施磷水平对分蘖洋葱伴生番茄植株养分及土壤养分含量的影响

2.3.1 不同施磷水平对分蘖洋葱伴生番茄植株养分浓度及养分吸收量的影响 番茄植株磷浓度随着土壤磷水平的升高而增加（图3-B）；而在施磷水平为P250、P500、P1000时，番茄植株氮磷钾浓度显著高于施磷水平 P0（P＜0.05）（图 3-A、C）。同时，当施磷水平为P250、P500、P1000时，番茄氮、磷及钾元素吸收量均显著高于施磷水平P0（P＜0.05）（图3-D、E、F）。且不同施磷水平下，伴生番茄植株养分浓度和植株养分吸收量均显著高于单作番茄（P＜0.05）（图3）。

图3 不同施磷水平对分蘖洋葱伴生番茄植株养分浓度及养分吸收量的影响Fig. 3 Effects of P applications on nutrient concentrations and uptakes of tomato plants under TO

2.3.2 不同施磷水平对分蘖洋葱伴生番茄土壤铵态氮、硝态氮、有效磷及速效钾含量的影响 伴随土壤磷水平的升高，土壤有效磷和速效钾含量随之增加。在施磷水平为P1000时，土壤硝态氮、有效磷及速效钾含量最高，均显著高于施磷水平P0（P＜0.05）（图4-A、B）。不同施磷水平下，在施磷水平为P500和P1000时，伴生番茄土壤有效磷含量显著高于单作番茄（P＜0.05）（图4-C）。

图4 不同施磷水平对分蘖洋葱伴生番茄土壤铵态氮、硝态氮、有效磷及速效钾含量的影响Fig. 4 Effects of P applications on ammonium N, nitrate N, available P and K in soil of potted tomato seedlings under TO

2.4 番茄植株生物量与菌根侵染率、番茄植株养分及土壤养分间的相关性分析

番茄植株各生物量与植株氮磷钾浓度及土壤有效磷含量间呈显著正相关（P＜0.05）（表1）。此外，单作番茄全株干重、地下鲜干重与丛枝丰度间呈显著正相关（P＜0.05），地下部鲜干重与囊泡丰度间呈显著正相关（P＜0.05），伴生番茄各生物量均与丛枝和囊泡丰度间呈显著正相关（P＜0.05）（表1）。

表1 番茄植株生物量与菌根侵染率、植株养分和土壤养分之间的相关系数Table 1 Correlation coefficients between biomass and mycorrhizal infection rates of tomato plants and nutrient contents in soil

3 讨论

番茄与分蘖洋葱在土壤养分（磷元素）的吸收和利用方面，存在不同程度的差异情况。分蘖洋葱伴生番茄种植能促进番茄对土壤养分的吸收利用，但植物根系吸收养分范围有限，无法充分利用土壤养分。丛枝菌根真菌作为一种重要的土壤根际促生菌，可以与80% 以上的陆生植物进行共生[19]。并且丛枝菌根真菌的根内和根外菌丝可以协助植物根系对土壤养分的吸收和转运[8]。由此说明丛枝菌根真菌有益于植物对土壤养分的吸收利用，促进植物生长。

不同施磷水平对植株生物量存在不同的影响，低磷土壤中养分含量偏低，植物生长会受到抑制；土壤添加适宜的磷水平，可以补充土壤对植物养分需求的供应[20]。本研究结果也发现，随着土壤磷水平的升高，番茄植株生物量呈先升高后降低的趋势，说明番茄生物量会受土壤磷含量的影响。前人研究表明，合理的多样性种植模式（间作、伴生等）能促进植株生长、提高植株养分含量，但这种植物间的正相互作用受到土壤磷水平的调控[21]。与P0相比，其他施磷水平条件下伴生番茄全株干重均显著高于单作番茄，且施磷水平为P500时，伴生番茄全株干重最高，显著高于施磷水平P0，该结果表明当施磷水平为P500时，伴生分蘖洋葱对番茄幼苗的促生作用最大，即土壤施磷水平调控了番茄和分蘖洋葱种间正相互作用。本研究结果也发现，不同施磷水平番茄与分蘖洋葱伴生种植下的番茄植株氮磷钾浓度均显著高于单作番茄，并且番茄植株养分浓度与生物量各指标间呈显著正相关关系，该结果说明番茄植株养分浓度的增加可能是伴生分蘖洋葱对番茄促生的原因之一。多项研究已证实植物-AMF共生能促进植株生长和提高植株养分浓度[22]，但二者共生也会受到植物磷浓度和土壤有效磷含量的影响[23]。本研究发现，不同施磷水平之间番茄根系菌丝侵染率、丛枝丰度和囊泡丰度均伴随土壤磷水平的升高呈先升高后降低的趋势，且伴生番茄与单作番茄相比，趋势更为显著。相关性分析结果表明，伴生番茄植株各生物量与丛枝及囊泡丰度间均呈显著正相关关系，这可能是伴生分蘖洋葱促生番茄和高效利用矿质养分的原因之一。

有研究表明，低磷水平益于植物-AMF共生，在此磷水平基础上添加少量磷素能促进植物-AMF共生；然而土壤磷水平超过最适范围时，则会抑制植物与丛枝菌根共生[8]，这表明宿主植物与丛枝菌根真菌共生受土壤磷水平调控。同时，丛枝菌根的根外菌丝能扩大宿主植物根系的根表面积，促进宿主植物根系对土壤养分的吸收[8]。本研究发现，不同施磷水平番茄植株磷浓度和土壤有效磷的增加量不同，表明丛枝菌根可能会通过增加土壤养分有效性进而改善番茄植株营养。本研究还发现，随土壤磷水平升高，番茄根系菌根侵染率呈先升高后降低的趋势，这与前人研究所得结果基本一致[24]。这是因为土壤中磷的有效性是影响植物-AMF共生的重要因素[25]。本研究相关性分析结果也表明，番茄植株干重与丛枝丰度、植株氮磷钾浓度及土壤有效磷含量间呈显著正相关关系。以上结果表明植物-AMF共生对矿质养分的高效利用可能与番茄根系菌根侵染率的增加存在关联。但本研究中，并未测定施磷后不同施磷水平土壤的理化性质，因此不清楚不同磷水平营养的添加是否会影响土壤的其他理化性状，尽管在实验中已经平衡了除磷以外的其他营养元素。另外，本试验中所用磷肥为磷酸二氢钾，其作为酸性肥料在施用后是否会导致土壤pH的降低，又是否会间接影响到本研究的试验结果，需在后续的试验中进一步研究。

4 结论

与传统的番茄单作相比，磷营养在番茄和分蘖洋葱种间互作中发挥了重要的作用。在施磷水平为P500时，番茄和分蘖洋葱间的正相互作用最大，其中，番茄根系菌根侵染率、植株养分浓度和番茄植株生物量均显著高于施磷水平P0。表明适宜施磷水平下的土壤更能促进伴生体系中番茄根系-AMF间建立共生关系，协助番茄获取和高效利用矿质养分，促进番茄幼苗生长。