玉米‖马铃薯接种AMF 对坡耕地水土及氮素流失的影响*

2022-05-28赵桂茹杨友琼姚高乾安曈昕

云南农业大学学报(自然科学) 2022年3期

赵桂茹，程易，杨友琼，周锋，姚高乾，吕凯，安曈昕

(云南农业大学农学与生物技术学院，云南昆明 650201)

目前，全球范围内的水土流失现象十分严重，水土流失导致生态环境迅速退化，农业面源污染加重，造成土壤贫瘠，严重阻碍生态农业和社会经济的可持续发展，其中随水土流失产生的氮、磷等面源污染物成为河流和湖泊富营养化的主要因素[1]。云南省的坡耕地水土流失面积为453.37 万hm2，占全省水土流失面积的43.29%，是主要的水土流失类型[2]，控制水土流失和提高水土保持效果备受关注。

通常严重的坡耕地水土流失与不合理的耕作措施和种植模式相关，而合理的耕作与种植措施可以有效保持水土资源[3]。间作是常见的种植模式之一，它是指同一田块上于同一生长时期内，分行或分带种植2 种或2 种以上作物的种植方式[4]。作物间作体系可增加地表覆盖面积，有效防止雨水对地面的冲击，减轻雨水的溅蚀，减缓径流，拦截泥沙，减少营养物质损失[5]；此外，间作群体的根系对土壤的固持作用可以减轻坡耕地土壤的养分流失[6]，如玉米间作蔬菜和牧草的发达根系能有效减轻坡耕地水土流失[7-9]。有学者进一步研究发现：根际微生物在促进农作物生长发育等方面具有重要作用，并且能进一步增强间作系统根系对养分的吸收能力，提高间作系统的生长及环境保护优势[10-12]。真菌是一类广泛分布于土壤的非专一性微生物，能与绝大多数高等植物根系耦合形成共生体[13]，其中丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)对作物生长发育影响尤为明显。AMF 能与大多数农作物共生，并从中获得有机碳作为重要碳源[14]，而它们却为寄主植物提供丰富的营养物质[15]。一方面，AMF 协同玉米大豆间作模式能够通过促进植株对氮、磷养分的吸收而减少土壤氮、磷残留，进而阻控氮、磷随径流迁移损失[16]；另一方面，AMF能将较小的团聚体与根外菌丝缠绕，增强土壤团聚体的稳定性[17]。可见，AMF 有利于作物间作系统的良性发育。虽然作物间作接种AMF 对土壤的稳定作用和控制氮素流失的报道较多[16,18]，但研究间作体系接种AMF 的水土保持和氮流失控制的综合效果报道较少[18-19]。本研究通过玉米‖马铃薯间作体系接种AMF 措施，分析其对坡耕地的水土和氮素流失的影响，为合理利用与保持坡耕地水土及氮素资源提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于云南省昆明市云南农业大学教学试验农场(N25°08.130′，E102°45.099′)，海拔1 974 m，属低纬高原季风气候，年均温14.7 ℃，年蒸发量2 384 mm，全年日照时间2 617 h，无霜期240 d。试验地土壤为旱地红壤，0～20 cm 的土壤有机质含量32.56 g/kg，全氮含量0.28 g/kg，全磷含量0.99 g/kg，全钾含量8.77 g/kg，碱解氮含量114.81 mg/kg，速效磷含量24.14 mg/kg，速效钾含量113.60 mg/kg。小区面积为30 m2，坡度为10°，每个小区底部有蓄水桶，用于收集径流量和侵蚀量。

1.2 试验材料

选用的玉米(Zea maysL.)和马铃薯(Solanum tuberosumL.)品种分别为云瑞88(云南省农业科学院提供)和云薯801(楚雄市农业工作站提供)；丛枝菌根真菌(AMF)摩西球囊霉(Glomus mosseaeGerdemann &Trappe)为北京市农林科学院植物营养与资源研究所提供的BGC YN02；苯菌灵选用江苏巴斯夫植物保护有限公司生产的产品。

玉米单作种植规格为：行距0.65 m，株距0.45 m，双株留苗，密度68 400 株/hm2。马铃薯单作种植规格为：行距0.50 m，株距0.35 m，密度57 200 株/hm2。玉米‖马铃薯种植规格：玉米为宽行1.40 m，窄行0.40 m，株距0.40 m，1 塘留苗2 株，密度55 600 株/hm2；马铃薯为宽行1.30 m，窄行0.50 m，株距0.35 m，密度31 800 株/hm2。马铃薯于2019 年3 月20 日播种至2019 年8 月25 日收获，玉米于5 月13 日播种至2019 年9 月25 日收获，构成玉米马铃薯间作模式，作物田间管理各处理均保持一致。马铃薯底肥：专用马铃薯复合肥(mN∶mP∶mK=20∶7∶13)750 kg/hm2；玉米底肥：玉米专用复合肥(mN∶mP∶mK=24∶6∶10)600 kg/hm2。

1.3 试验设计

试验采用完全随机区组设计，设5 个处理(T1～T5)。T1：玉米‖马铃薯+接种AMF；T2：玉米‖马铃薯+施用苯菌灵(抑菌处理)；T3：玉米‖马铃薯；T4：玉米单作；T5：马铃薯单作。每个处理3 次重复，共15 个小区。接种AMF 处理：接种时玉米和马铃薯相向接种，每1 穴接种30 g 菌剂；抑菌处理：苯菌灵为内吸性杀菌剂，在植物体内代谢为多菌灵及有挥发性的异氰酸丁酯，在本试验中将25 g 体积分数为50%的苯菌灵溶于20 L 水中作为抑菌剂，每15 d 处理1 次，共处理3 次。

1.4 测定项目及方法

1.4.1 气象数据观测

试验地旁建有一小型自动观测气象站(Davis Vantage Pro2 型无线自动气象站)，每10 min 记录气象数据1 次。根据中国气象局的降雨强度等级划分4 个标准[20]，即低降雨强度(＜10 mm/24 h)、中降雨强度(≥10～24.9 mm/24 h)、高降雨强度(≥25～49.9 mm/24 h)和极高降雨强度(≥50 mm/24 h)。在作物生长的3—4 月期间有降雨，但由于降雨量较少并未产生径流，从5 月降雨才开始检测到产流产沙量。

1.4.2 径流量及土壤侵蚀量

每次降雨产生径流后，用直尺测定每个小区蓄水桶中的径流水深，之后充分搅拌桶内的径流，分上、中、下3 层共取水样250 mL 带回实验室过滤，然后置于105 ℃烘箱中恒温烘干至恒质量，称泥沙质量(m，kg)。径流量和侵蚀量计算公式为：

式中：V为径流量，m3/hm2；h为径流水深，cm；R为蓄水桶开口外径，cm，r为蓄水桶底面外径，cm；E为土壤侵蚀量，kg/hm2。

1.4.3 氮素流失量

每次降雨产生径流后，将蓄水桶中的水及泥沙搅拌均匀，取中间部分水样，每次采集1 L。采用过硫酸钾氧化—紫外分光光度法测定水样中总氮含量[21]。

1.5 数据处理

采用Excel 和SPSS 等软件进行数据计算、整理和统计分析，并用Duncan’s 法对数据进行差异性检验。

2 结果与分析

2.1 玉米‖马铃薯接种AMF 对水土流失的影响

由表1 可知：各处理在不同月份的径流量表现不同。5—7 月，T4处理的径流量极显著高于其他4 个处理(P＜0.05)；T2处理的径流量次之；8 月，T1、T2、T3和T4处理的径流量极显著低于T5处理(P＜0.01)。对于作物整个生育期内的径流总量，间作较单作能有效减少径流量，其中，T1处理径流总量最小，较T2、T3、T4和T5处理分别减少47.67%、22.52%、72.97%和77.23%，说明间作并接种AMF 能更有效地控制径流的产生。

表1 玉米‖马铃薯接种AMF 对径流量的影响Tab.1 Effects of maize intercropping potato inoculation with AMF on runoff m3/hm2

由表2 可知：5—7 月，各处理间的侵蚀量变化规律较一致，即：T1、T2、T3和T5处理的侵蚀量极显著低于T4处理(P＜0.01)；8—9 月的侵蚀量及和整个作物生育期的总侵蚀量变化规律一致，即：T5处理的侵蚀量极显著大于T1～T4处理(P＜0.01)，其中T1处理的侵蚀总量最小，较T2、T3、T4和T5处理分别减少65.20%、50.01%、77.10%和96.95%。间作较单作能有效减少侵蚀量，间作接种AMF 能有效减少坡耕地侵蚀量。

表2 玉米‖马铃薯接种AMF 对侵蚀量的影响Tab.2 Effects of maize intercropping potato inoculation with AMF on erosion amount kg/hm2

2.2 不同雨强下玉米‖马铃薯接种AMF 对水土流失量的影响

由表3 可知：低强度降雨下，T4处理径流量极显著高于T1、T2、T3和T5处理(P＜0.01)，其中T1处理径流量最小，较T2、T3、T4和T5处理分别减少59.91%、53.38%、85.30%和68.06%；中强度降雨下，T1处理径流量极显著低于其他处理(P＜0.01)，较T2、T3、T4和T5处理分别减少63.55%、44.56%、78.89%和74.32%；高强度降雨下，T4和T5处理径流量极显著高于T1、T2和T3处理(P＜0.01)，其中，T1处理径流量最小，较T2、T3、T4和T5处理分别减少53.05%、26.95%、80.88%和74.42%；极高强度降雨下，T5处理径流量极显著高于其他处理(P＜0.01)。除极高强度降雨外，T1处理径流量均最小，间作较单作对径流量的控制效果好，间作处理间径流量表现为T1＜T3＜T2，玉米‖马铃薯接种AMF 对径流量的控制效果最好。

表3 不同雨强下的径流量Tab.3 Runoff under different rainfall intensities m3/hm2

由表4 可知：低、中和极高强度降雨下，T5处理侵蚀量均极显著高于其他处理(P＜0.01)；高强度降雨下，T4处理侵蚀量极显著高于其他处理(P＜0.01)，T1处理侵蚀量最小，较T2、T3、T4和T5处理分别减少48.87%、24.97%、92.50%和75.47%。不同降雨强度下，间作处理的侵蚀量均较单作小；间作处理间侵蚀量均表现为T1＜T3＜T2，T1处理对侵蚀量的控制效果最好。说明不同降雨强度下，玉米‖马铃薯接种AMF 均能够有效减少侵蚀量。

表4 不同雨强下的侵蚀量Tab.4 Erosion amount under different rainfall intensities kg/hm2

2.3 玉米‖马铃薯接种AMF 对氮素流失的影响

由表5 可知：7—9 月，T1和T3处理的氮素流失量均极显著低于T2和T4处理(P＜0.01)，但二者的氮素流失量未达到显著水平。T1处理的氮素流失总量最小，较T2、T3、T4和T5处理分别减少56.48%、21.45%、69.70%和70.66%。总体来看，与单作玉米和单作马铃薯相比，玉米‖马铃薯对氮素流失的防制效果较好，其中，玉米‖马铃薯接种AMF 处理的氮素流失最少。

表5 不同处理的氮素流失量Tab.5 Nitrogen loss under different treatments kg/hm2

由表6 可知：在低、高和极高强度降雨条件下，T4和T5处理的氮素流失量极显著高于T1、T2和T3处理(P＜0.01)；中强度降雨下，T5处理的氮素流失量极显著高于T1、T2、T3和T4处理(P＜0.01)。不同降雨强度下，T1处理的氮素流失最少；间作处理间氮素流失量均表现为T1＜T3＜T2。可见，玉米‖马铃薯接种AMF 对氮素流失控制效果最好。

表6 不同雨强下的氮素流失量Tab.6 Nitrogen loss under different rainfall intensities kg/hm2

3 讨论

3.1 玉米‖马铃薯接种AMF 对水土流失的影响

无论是否接种AMF，间作处理径流总量和侵蚀总量均低于玉米单作和马铃薯单作，这与王菊芬等[22]的研究结果较一致，这是由于间作覆盖可增加单位面积的地表覆盖，减少雨水对地表的直接冲刷力，延迟径流下渗时间，减缓径流速度，进而减少侵蚀量[23-24]。由于水分和养分等资源的激烈竞争，间作群体的水分利用效率与单作相比并不存在优势[25]，但丛枝菌根真菌(AMF)可以对植物水分吸收与生长产生积极效应[26-27]，并在缓解土壤侵蚀方面具有重要意义[28]。已有研究表明：土壤根际中扩展的根外菌丝能增强土壤聚集作用，通过形成稳定的土壤团聚体从而间接减少土壤侵蚀[29-31]。玉米‖马铃薯接种AMF 处理的径流总量和侵蚀总量均小于抑菌处理和未抑菌处理，这可能是由于AMF 与玉米和马铃薯根际形成的根外菌丝能增强植株的养分和水分吸收，同时形成较稳定的土壤团聚体，从而减少径流量和侵蚀量。

本研究表明：不同降雨强度下，间作处理的径流量和侵蚀量显著低于玉米单作和马铃薯单作，并且随降雨强度增加，各间作处理的水土流失量较单作处理减少幅度增大，说明间作对径流量的控制效果较单作好，这与侯沛轩[32]的研究结果相似。不同降雨强度下，玉米‖马铃薯接种AMF的径流量和侵蚀量均最小，这是因为AMF 菌根分泌的球囊霉素等相关蛋白可以增加土壤有机碳和水稳性团聚体含量，从而改善土壤结构、提高土壤渗透率和增强土壤抗冲性[27]。因此，玉米‖马铃薯接种AMF 可以有效地控制水土流失。

3.2 玉米‖马铃薯接种AMF 对氮素流失的影响

本研究表明：不同降雨强度下间作处理对氮素流失控制效果比单作好，其中，间作处理总体上表现为玉米‖马铃薯接种AMF 的氮素流失量低于抑菌处理和未抑菌处理，玉米‖马铃薯接种AMF 处理对氮素流失的控制效果最好，与前人的研究结果[33-35]一致，这可能是由于AMF 的根外菌丝网络交错蔓延在土壤中，且AMF 分泌的球囊霉素对土壤颗粒的黏结以及菌丝密度的缠绕形成土壤水稳性大团聚体[36]，从而间接控制土壤径流量、侵蚀量和氮素流失量。此外，玉米‖马铃薯能改善降雨再分配，AMF 与作物共生后，通过促进根系生长发育[37]，增强根系固土能力，从而增强土壤抗侵蚀力和抗溅蚀力。

在低强度和极高强度降雨条件下，单作马铃薯处理的氮素流失量最大，其原因是马铃薯单作覆盖度高，随生育时期的变化伴随部分马铃薯叶片凋亡和腐解，当产生地表径流时，氮素随地表径流流出小区，导致氮素流失量较大。将AMF应用到豆科作物与禾本科作物间作系统中，可提高作物对养分元素氮的吸收，降低土壤氮素含量[38-39]。何跃军等[40]和李元敬等[41]研究表明：AMF吸收并向植株传递氮素可能是宿主植物吸收氮的有效途径；但在低氮土壤中，AMF 会与植物竞争氮素，降低玉米的氮素吸收[42-43]。因此，接种AMF 后减少的氮素是下渗到土壤还是被植物吸收利用有待进一步开展研究。