菌根共生条件下施加生物炭对玉米根系及生长的影响

杨怡森， 袁小会， 廖国婷， 马俊卿， 孙晨瑜， 覃圣峰， 周勋波， 黄京华

(广西大学农学院/广西高校作物栽培学与耕作学重点实验室，广西南宁 530000)

丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)分布最广泛，且能与植物根系形成共生关系。研究表明，接种丛枝菌根真菌能够显著提高玉米根系活力和吸收能力，对植物的生长发育产生积极的影响，在改善植物水分代谢和提高植物抗逆性中发挥重要作用。李少朋等研究证明，接种AM真菌可以显著降低玉米中脯氨酸、可溶性糖的含量从而降低盐碱化对玉米的伤害，提高玉米的抗逆性。目前，我国的化肥使用量已经达到了极限，将菌根作为一种生物菌肥用于农业生产是一种新的发展方向，通过AMF与有机肥的配施来调控硝化和反硝化基因的表达，可以提高植物对氮素的转化和利用，提高肥料利用率，达到增产的目的。

生物炭是木材和农业废弃物在350～600 ℃的无氧或厌氧条件下热解的产物，它具有比表面积大、吸附能力强等特点，被用来改善土壤的通气条件，提高保水能力和营养保持能力，同时，生物炭也可以提高植物合成生化组分(如蛋白质、总糖)的含量，从而促进植物生长。邓松华等将生物炭作为种植玉米的基肥，发现施用生物炭作为基肥的处理相较于不施生物炭的处理来说，玉米的产量有所提高，同时也改善了土壤的pH值，而施用不同的生物炭含量对玉米的产量也有一定的影响。

目前，国内外对生物炭在农业生产中的应用和植物-菌根共生的研究已有不少，但在玉米-AM真菌共生条件下施入生物炭探讨其对玉米与AMF共生的影响的研究还较少。因此，本试验设置不同的生物炭施用量，研究生物炭的施用对玉米-菌根共生体系的影响，为生物炭和菌根共生在农业生产中的应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料与仪器

1.1.1 试验材料 玉米正大619购于当地农资公司。所用丛枝菌根真菌为摩西管柄囊霉(，编号：NM02A)，由青岛农业大学提供，笔者所在课题组扩繁。河沙购于当地建材市场。

1.1.2 试验仪器 UV-2450紫外-可见分光光度计(岛津制作所，日本)，MRS-9600TFU2L(上海中晶科技有限公司，中国)，LEICA DM3000显微镜(徕卡显微系统，德国)。

1.2 试验方法

1.2.1 盆栽试验设计 试验于2019年7月22至11月4日在广西大学农学院科研教学基地网室进行。采用盆栽法种植玉米，花盆(尺寸：20 cm×15 cm×16 cm)使用前先进行灭菌处理。试验设置0%、0.75%、1.50%、2.25%、3.00%共5个不同的生物炭施用量(生物炭施加量根据基质质量计算)，分别记为CK、C1、C2、C3、C4，每个处理设置12个重复，共计60盆。每盆加入2.5 kg灭菌的河沙与 400 g 菌沙(每盆约5 600个孢子)，在网室随机摆放，每周浇1次霍格兰营养液(100 mL)，在玉米出苗后30、50、70 d进行取样测定。

1.2.2 试验方法 使用根系扫描仪对根系进行扫描，并用Win RHIZO分析根系的根长、根表面积、根尖数、根体积；根系侵染率测定采用墨水醋酸染色法；孢子数量测定采用湿筛倾析-蔗糖离心法；根系活力测定采用TTC法；细胞膜透性测定采用电导仪法。

接种势测定公式：=××+，式中：为单位长度根段内含有的孢子数、泡囊和根上菌丝位点的总和；为根质量；为单位质量根系长度；为单位质量或体积接种菌剂内孢子数量。菌剂的越大，菌剂的质量就越好。

1.3 数据处理

用Excel 2016和SPSS 23.0对数据进行统计学分析，采用单因素方差分析(one-way ANOVA)进行差异显著性分析(=0.05)，并用Origin 2021作图，图表中数据为“平均值±标准差”。

2 结果与分析

2.1 根系侵染率

由图1可知，在30、50 d时，施加生物炭处理相比CK侵染率显著下降。30 d时，C1、C2、C3、C4的侵染率相比CK处理分别降低30.62%、48.53%、69.86%、35.81%；50 d时，C1、C2、C3、C4相比CK处理分别降低68.13%、67.08%、74.94%、77.94%；70 d时，C1、C2相比CK处理分别降低55.66%、55.66%，C3相比CK无显著差异，而C4相比CK增加31.57%。

2.2 施加生物炭对取样后基质的接种势和孢子数的影响

由表1可知，在30 d时，除C4处理外，玉米的接种势随着生物炭施加量的增加而降低，C2、C3、C4相比CK分别降低26.23%、59.46%、21.34%；在 50 d 时，C1、C2、C3处理的接种势高于CK，而C4处理却显著下降66.81%(<0.05)；在70 d时，C1、C3处理相比CK明显下降，而C2、C4处理分别增加22.10%、57.05%。

表1 施加生物炭对不同时期玉米接种势和基质孢子数量的影响

与CK相比，施加生物炭处理基质中的孢子数在30 d时显著降低，降低幅度为23.61%～77.16%(<0.05)；在50、70 d时表现为先增加后降低，C4处理在2个时期均为最低值，相比CK分别降低54.02%、23.66%。

2.3 施加生物炭对玉米叶绿素含量的影响

由图2可知，在30、70 d时，施加生物炭处理玉米叶绿素含量相比CK显著升高，增加幅度分别为44.81%～72.76%、83.98%～126.37%；在 50 d 时，只有C3和C4处理相比CK显著增加，分别增加12.23%、14.65%(<0.05)。

2.4 施加生物炭对玉米根系形态的影响

由图3-A可知，在30 d时，C4处理的根长显著高于CK，高 44.00%，而C2、C3处理的根长相比CK明显降低；50 d时，C2、C3处理的根长相比CK分别增加19.22%、12.39%，而C1和C4明显降低；70 d时，施加生物炭处理的根长均低于CK，且C1、C3、C4达到显著水平(<0.05)。

由图3-B可知，除70 d时的C4处理仅下降1.67%外，其他处理在30、70 d时，施加生物炭显著降低玉米根系表面积；在50 d时，除了C4处理有所下降外，C1、C2、C3处理的根系表面积均高于CK。

由图3-C可知，30 d时C2、C3、C4处理的玉米根尖数显著低于CK；50 d时C2、C3处理的根尖数相比对照分别显著提高62.88%、93.09%；在70 d时，C1、C3处理的根尖数相比对照分别显著降低27.06%、28.76%(<0.05)。

由图3-D可知，在30、70 d时，施加生物炭处理玉米根系体积分别降低36.82%～74.17%、23.45%～50.09%；在50 d时，C2、C3处理的根系体积相比CK分别显著增加98.94%、82.39%(<0.05)。

2.5 施加生物炭对玉米根系活力的影响

由图4可知，在30 d时施加生物炭处理(C3处理除外)根系活力高于对照，其中C1、C2处理达到显著水平(<0.05)；在50 d时，施加生物炭处理根系活力降低2.78%～30.56%；而在70 d时，施加生物炭处理根系活力提高6.67%～86.67%，且C1和C4处理达到显著水平。

2.6 施加生物炭对玉米干质量的影响

由图5-A可知，在30 d时施加生物炭处理的玉米地上部干质量增加22.62%～209.52%；50 d时，C1、C2、C3处理相比对照显著增加72.04%～97.85%；70 d时，C1、C2、C3处理相比对照显著降低22.76%～30.75%(<0.05)。

由图5-B可知，30 d时，C1、C2处理使玉米地下部干质量显著增加75.00%～78.13%，而C3、C4处理则使地下部干质量降低；50 d时，施加生物炭处理的地下部干质量增加6.67%～100.00%；70 d时，只有C4处理使地下部干质量增加8.00%，其他施加生物炭处理的地下部干质量均低于CK(<0.05)。

3 讨论与结论

由于化肥的过量使用，土壤结构和肥力均受到破坏，此外，氮磷肥的长期混合使用也会影响土壤丛枝菌根真菌的多样性，影响菌根与植物的共生。生物炭能吸附大气中的碳并进行长期保存，提高土壤有机碳及氮磷含量，土壤养分的提高会使AMF对宿主植物的依赖性降低，从而降低植物的菌根侵染率，研究表明，土壤磷含量的升高会使植物根系皮层细胞的质膜透性降低，植物传递给AMF的养分减少，从而限制AM真菌的生长。因此，在本试验中施加生物炭处理的接种势和基质孢子数在30 d时相比CK降低，最终表现为玉米根系侵染率显著下降。

菌根共生通过提高植物根系的长度、表面积等指标来促进植物对深层土壤养分的吸收利用。而生物炭借助自身独特的多孔性结构，增大土壤的孔隙度，降低土壤容重，为土壤微生物提供繁殖场所，使植物根系能够更好地吸收土壤养分，提高土壤保水保肥能力。因此，整体上来看在施加生物炭后，玉米根系不需要通过增大表面积和根长来促进养分吸收，故而玉米根长、表面积、根尖数和根系体积有所降低，这一结果与菌根侵染率的降低也有一定关系。

生物炭有利于提高植物叶绿素含量，进而增强植物的光合作用，本试验也发现，施加生物炭显著提高玉米叶片的叶绿素含量，有利于植物的光合作用。

生物炭改善了根系的生长环境，使植物根系活力显著提高。试验发现，在30、70 d时，施加生物炭可以提高玉米根系的活力(除30 d时的C3处理)，而在50 d时根系活力却显著降低(除C1处理)，50 d时玉米根系的长度、表面积等指标相比30、70 d较低，说明此时玉米根系生长较差，与 50 d 时根系活力低的表现一致。

综上所述，施加生物炭抑制了菌根及玉米根系的生长，但是在生物炭独特的多孔性结构和较大比表面积等特性的作用下，提高了玉米叶绿素的含量，促进玉米生长，使玉米干物质积累量增加。本试验未进行生理抗性指标及玉米养分含量的分析，故下一阶段将从这两方面着手，进一步深入剖析生物炭对菌根生长产生抑制却促进玉米生长的内在机理。