賈艷艷,楊文飛,杜小鳳,王偉中,文廷剛,孫愛(ài)俠,諸 俊,顧大路

(江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所,江蘇 淮安 223001)

叢枝菌根(Arbuscular mycorrhizal, AM)真菌廣泛分布于森林、草原、農(nóng)田等生態(tài)系統(tǒng)中,能與80%以上的陸生植物形成共生體,是土壤微生物區(qū)系中與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)關(guān)系最為密切的一類真菌[1,2];AM真菌借助植物的碳水化合物來(lái)完成自身的生長(zhǎng);同時(shí)AM真菌通過(guò)調(diào)控土壤中有機(jī)質(zhì)等養(yǎng)分的礦化來(lái)促進(jìn)其宿主植物吸收營(yíng)養(yǎng)元素、增強(qiáng)其抗逆性[3,4]。因而對(duì)AM真菌在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用研究備受關(guān)注。

氮素是作物高產(chǎn)的關(guān)鍵元素之一。近年來(lái),越來(lái)越多的研究顯示接種AM真菌能改善宿主植物的氮素供給狀況。宋福強(qiáng)等研究發(fā)現(xiàn)施加AM真菌菌劑可顯著增加大豆根系及根際土壤中的優(yōu)勢(shì)菌群數(shù)量[5],提高大豆根際土壤脲酶、過(guò)氧化酶的活性,增強(qiáng)大豆的固氮能力[6]。室內(nèi)培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,接種AM真菌菌劑能夠顯著提高玉米氮同化關(guān)鍵酶的活性,促進(jìn)宿主植物對(duì)銨態(tài)氮的利用[7]。Kong X等的研究結(jié)果顯示：在中等土壤養(yǎng)分環(huán)境中,AM真菌通過(guò)增大菌絲密度和硝酸還原酶的活性顯著促進(jìn)了車前草根際土壤中有機(jī)質(zhì)的礦化速率[8]。

土壤中的氮素主要以有機(jī)態(tài)氮的形式存在,無(wú)機(jī)氮僅占土壤總氮的1%,大多數(shù)氮素必須經(jīng)過(guò)土壤微生物的分解和礦化作用才能形成可被植物直接吸收的礦質(zhì)氮[9]。作物秸稈是農(nóng)作物的主要副產(chǎn)品,含有豐富的有機(jī)資源[10,11]。礦化的秸稈組分能夠促進(jìn)土壤養(yǎng)分循環(huán),提高氮素利用率[12-14]。研究發(fā)現(xiàn)接種AM真菌能夠促進(jìn)還田稻稈等有機(jī)物料的分解,促進(jìn)土壤生態(tài)系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)的養(yǎng)分釋放[8,15,16]。Jannoura等研究顯示AM真菌對(duì)有機(jī)質(zhì)的礦化與土壤氮素含量有關(guān),當(dāng)土壤氮素供應(yīng)不足時(shí),豌豆菌根真菌對(duì)有機(jī)質(zhì)的礦化速率顯著降低[17]。目前就如何利用AM真菌促進(jìn)還田秸稈的礦化？如何合理配施AM真菌與氮肥以促進(jìn)作物對(duì)氮素的吸收利用還缺乏深入研究。

本試驗(yàn)參考本地稻-麥輪作制,以小麥為宿主植物,在稻麥輪作試驗(yàn)田通過(guò)接種AM真菌與不同水平氮素配施,研究了不同施肥量下AM真菌對(duì)還田稻稈氮素釋放量、土壤酶活性，以及小麥產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素及氮肥利用效率的影響，旨在為作物生產(chǎn)中秸稈的合理還田以及氮素利用效率的提高提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用大田試驗(yàn)的方法,試驗(yàn)在江蘇徐淮地區(qū)農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所實(shí)驗(yàn)基地進(jìn)行。供試土壤為壤土,肥力中等，土壤(0 ～20 cm土層)有機(jī)質(zhì)含量為12.78 g/kg,全氮含量為1.14 g/kg,堿解氮含量為52.6 mg/kg,速效磷含量為6.82 mg/kg,速效鉀含量為131.37 mg/kg, pH 6.9。

供試AM真菌菌劑為前期盆栽研究中侵染率最高、對(duì)秸稈分解促進(jìn)作用最明顯的摩西球囊霉Glomusmosseae菌劑[15]。菌種購(gòu)買(mǎi)自北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所。菌種預(yù)先經(jīng)高粱盆栽繁殖；接種的菌劑含有擴(kuò)繁后產(chǎn)生的相應(yīng)基質(zhì)以及AM真菌孢子、根外菌絲和植物根段,每克菌劑含有10 ～ 20個(gè)孢子。供試小麥品種為淮麥20號(hào),前茬作物為南粳9108水稻。小麥播種期為10月底,種子播量為200 kg/hm2。稻稈還田量參考已報(bào)道的水稻草谷比,以中量級(jí)8000 kg/hm2還田量人工均勻拋撒后旋耕還田,旋耕深度為15 cm左右。

小麥全生育期施氮量設(shè)0、250、260和270 kg/hm2四個(gè)水平(以尿素為氮源),基追比例為5∶5(苗肥∶拔節(jié)肥∶孕穗肥=5∶1.5∶3.5),追肥于拔節(jié)期和孕穗期施入。其中270 kg/hm2為參考淮安當(dāng)?shù)匦←湼弋a(chǎn)栽培肥料運(yùn)籌方案數(shù)據(jù)制定,為正常高產(chǎn)施肥對(duì)照;260 kg/hm2和250 kg/hm2為氮肥減施處理;以不施用氮肥為空白對(duì)照。小麥播種時(shí)設(shè)接種GM菌劑(GM)和不接種GM菌劑(NGM)兩個(gè)接菌水平。總計(jì)8個(gè)處理(4個(gè)氮肥水平×2個(gè)接菌水平),分別是接菌施肥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)。每個(gè)處理設(shè)3個(gè)重復(fù),共設(shè)24個(gè)小區(qū)。小區(qū)面積為9 m2(3 m×3 m),隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)。每小區(qū)施磷肥(P2O5)130 kg/hm2、鉀肥(K2O)130 kg/hm2,磷、鉀肥與基施氮肥作為底肥于播前一次性施入。在小麥播種時(shí),將菌劑與小麥種子混合,其中小區(qū)施加菌劑量為1000 g/小區(qū)。在小區(qū)之間設(shè)置1 m保護(hù)行,并用厚度為2 mm的防水材料圍隔。

1.2 田間取樣與測(cè)定方法

分別于越冬期(播種后80 d)、拔節(jié)期(播種后145 d)和成熟期(播種后220 d)采用五點(diǎn)取樣法取小麥根際0～20 cm土層土樣,過(guò)1 mm分樣篩,裝入自封袋混勻,用于測(cè)定與氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)的土壤酶活性;同時(shí)挑出未腐秸稈,不能挑出的用水浸泡,收集飄浮殘留物,合并歸為殘留秸稈,沖洗干凈后于65 ℃烘干至恒重,用于測(cè)定全氮含量。

于小麥成熟期在各小區(qū)取1 m2小麥人工脫粒,曬干后測(cè)定實(shí)際產(chǎn)量,同時(shí)調(diào)查穗粒數(shù)、千粒重等產(chǎn)量構(gòu)成因素。將小麥地上植株各器官分割,先于105 ℃殺青30 min,再于65 ℃烘干至恒重,測(cè)定氮含量和干物質(zhì)重量,推算單位土地面積生物量。

成熟期小麥的菌根侵染率采用酸性品紅染色法測(cè)定;小麥植株和秸稈全氮含量采用半微量凱氏定氮法測(cè)定。土壤氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)的酶活性的測(cè)定采用分光光度計(jì)法。其中硝酸還原酶單位酶活性(IU)的定義為1 g土樣1 min分解產(chǎn)生1 μg NO2-所需的酶量[18];脲酶IU的定義為1 g土樣1 h分解產(chǎn)生1 mg氨基氮所需的酶量[19];蛋白酶IU的定義為1 g土樣1 h分解生成1 μg酪氨酸所需的酶量[20]；轉(zhuǎn)化酶IU的定義為1 g土樣1 h分解產(chǎn)生1 mg葡萄糖所需的酶量[21]。

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)在江蘇徐淮地區(qū)淮陰農(nóng)業(yè)科學(xué)研究所作調(diào)中心實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,所用溶液和化學(xué)試劑均為國(guó)藥分析純。

1.3 計(jì)算方法

稻稈氮積累量、氮釋放量、小麥吸氮量、氮肥農(nóng)學(xué)效率及氮肥利用效率等的計(jì)算公式如下:

秸稈氮積累量(kg/hm2) =未腐解秸稈干物質(zhì)量×秸稈含氮量;

秸稈氮釋放量(kg/hm2) =起始秸稈氮積累量-未腐解秸稈氮積累量;

植株氮素吸收量(kg/hm2) =植株干物質(zhì)積累量×植株含氮量;

氮肥農(nóng)學(xué)效率(kg/kg) =(施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量-不施氮區(qū)籽粒產(chǎn)量)/施氮量;

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

1.4 數(shù)據(jù)處理

對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010和SPSS軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,在5%水平下用LSD Duncan法檢驗(yàn)各處理平均值之間的差異顯著性。所有的圖片在Origin 2016軟件中制作完成。

2 結(jié)果與分析

2.1 接種菌劑的侵染率

菌根侵染率是反映菌株在土壤中與宿主的親和力和共生生長(zhǎng)狀況的重要指標(biāo)。在小麥?zhǔn)崭詈笕∑涞叵马毟瑴y(cè)得的根系侵染率數(shù)據(jù)(表1)顯示,接種GM菌根真菌的處理均與小麥形成了共生菌根,平均定殖率分別為70.28%(GM0)、77.22%(GM250)、79.75%(GM260)和69.74%(GM270)。其中GM250的菌根形成能力顯著高于其他處理(P< 0.05);GM260的次之,但與GM250處理相比差異不顯著;說(shuō)明氮肥施用量在260 kg/hm2和250 kg/hm2時(shí)最有利于摩西球囊霉菌的定殖,氮肥量過(guò)高或過(guò)低均不利于共生菌根系統(tǒng)的形成。但與前期室內(nèi)盆栽研究結(jié)果[15]相比,本試驗(yàn)的侵染率有所降低，這可能是因?yàn)榇筇锃h(huán)境復(fù)雜,土壤中水分、pH值及其他組分含量會(huì)影響菌根真菌定殖的穩(wěn)定性。所有不接菌處理的小麥根系菌根真菌也有檢測(cè)出侵染,但侵染率均不足10%,這是因?yàn)閰仓婢谧匀画h(huán)境下也有生存分布,但含量較低。

表1 不同施氮量與接種AM真菌處理對(duì)小麥根系菌根侵染率的影響

2.2 接種AM真菌和施肥量對(duì)各時(shí)期水稻秸稈氮素釋放的影響

圖1顯示,在不同生育階段之間秸稈氮素釋放量差異顯著,隨小麥生育進(jìn)程的推進(jìn),秸稈氮釋放量呈先增后減再增的變化趨勢(shì),以拔節(jié)期釋放量最低,以成熟期釋放量最高,占總釋放量的53.5%～59.4%。從播種至成熟的整個(gè)生育期間，還田秸稈的總氮素釋放率為48.2%～69.3%。與不施氮對(duì)照相比,隨施氮量增加全生育期還田秸稈氮素釋放率顯著增加。在不接菌條件下，NGM260氮肥處理下稻稈的氮素釋放率最大,為60.6%。在不同施氮量條件下，接種摩西球囊霉菌劑對(duì)稻稈氮素的釋放率均有提升作用;在同一氮肥量下與不接菌相比,GM0、GM250和GM260處理均顯著增加了小麥全生育期還田稻稈的總氮素釋放量,以GM260的最高，達(dá)69.3%。

OS為越冬期；JS為拔節(jié)期；MS為成熟期；OS～MS為全生育期。圖1 接種AM真菌和施氮量對(duì)小麥不同生育階段水稻秸稈氮釋放的影響

2.3 接種AM真菌和施肥量對(duì)土壤酶活性的影響

由表2數(shù)據(jù)可知,隨著施肥量的增加,土壤酶活性總體表現(xiàn)為逐漸增強(qiáng),接菌處理的酶活性大于相對(duì)應(yīng)的不接菌處理;GM250處理下的土壤蛋白酶、硝酸還原酶、脲酶活性,GM260處理下的土壤蛋白酶、脲酶活性，以及GM270處理下的土壤脲酶、轉(zhuǎn)化酶活性均分別顯著高于NGM250、NGM260和NGM270處理的。說(shuō)明接種摩西球囊霉菌能促進(jìn)脲酶、蛋白酶等與土壤氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)胞外酶的分泌,進(jìn)而可能加快小麥根系周圍含氮有機(jī)化合物的水解與轉(zhuǎn)化。

表2 不同施氮量與接種AM真菌處理下土壤酶活性 IU

注：同列數(shù)據(jù)后不同小寫(xiě)字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.4 接種AM真菌和施氮量對(duì)小麥籽粒產(chǎn)量的影響

由表3可知,施氮量及接種AM真菌對(duì)小麥產(chǎn)量及其構(gòu)成因素均有顯著影響。在不接種菌劑情況下,小麥產(chǎn)量和生物量隨施肥量的增加而顯著增加,在NGM270處理下的產(chǎn)量最高,為7722.69 kg/hm2,與NGM250和NGM260處理下的產(chǎn)量相比差異顯著(P< 0.05);該結(jié)果與本試驗(yàn)預(yù)設(shè)計(jì)的一致,即270 kg/hm2為本地小麥高產(chǎn)最佳施肥量。

在不同施氮水平的接菌處理中,小麥的穗粒數(shù)在GM260處理下達(dá)最高值,顯著高于不施肥處理和250 kg/hm2氮肥處理;此外在GM250和GM260處理下小麥的千粒重、產(chǎn)量分別顯著高于NGM250、NGM260處理,而GM270與NGM270處理間的產(chǎn)量無(wú)顯著差異。GM260處理下的小麥產(chǎn)量與GM270處理下的產(chǎn)量(7757.29 kg/hm2)接近,且無(wú)顯著差異，表明在秸稈還田條件下,260 kg/hm2和250 kg/hm2施肥量水平下接種摩西球囊霉菌可顯著提高小麥的產(chǎn)量,其中在260 kg/hm2肥量下接種GM菌根真菌為最佳處理配比。

表3 不同施氮量與接種AM真菌處理下小麥的產(chǎn)量、產(chǎn)量構(gòu)成因素及氮肥利用情況

2.5 接種AM真菌后的氮肥利用效率

表3結(jié)果顯示,接種AM真菌處理對(duì)氮肥吸收效率和農(nóng)學(xué)效率的促進(jìn)作用顯著,在GM250和GM260處理下的小麥氮肥吸收效率和農(nóng)學(xué)效率均分別顯著高于NGM250、NGM260處理下的，其中GM260處理下的增加效果最明顯,差異極顯著(P< 0.01)，表明在秸稈還田條件下,當(dāng)施氮肥水平為260 kg/hm2時(shí),接種摩西球囊霉菌菌劑更適合小麥吸收氮素。將稻稈歸還農(nóng)田,適當(dāng)降低施肥量并合理接種菌根真菌菌群可在保障小麥產(chǎn)量的同時(shí)提高氮肥利用效率。

3 討論與結(jié)論

近年來(lái),越來(lái)越多的研究顯示，接種AM真菌能通過(guò)調(diào)節(jié)植物根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)[5,22]和促進(jìn)土壤酶的分泌[6-8,23]改善宿主植物的土壤氮素供給狀況。研究發(fā)現(xiàn)：AM真菌對(duì)有機(jī)質(zhì)的礦化與土壤氮素含量有關(guān)；在中等營(yíng)養(yǎng)土中接種AM真菌能夠顯著促進(jìn)土壤胞外酶的活性，從而加快有機(jī)質(zhì)的礦化[8]；而當(dāng)土壤氮素供應(yīng)不足時(shí),AM真菌對(duì)有機(jī)質(zhì)的礦化速率顯著降低[17]。本試驗(yàn)結(jié)果顯示：在兩個(gè)減量施肥水平下接種AM真菌顯著增加了小麥全生育期還田稻稈的總氮素釋放量;相反,在施高氮量水平下AM真菌對(duì)稻稈氮素釋放量的影響不顯著,說(shuō)明250～260 kg/hm2氮肥量下的土壤養(yǎng)分環(huán)境適合AM真菌對(duì)還田稻稈的礦化作用。

土壤酶是土壤中動(dòng)植物殘?bào)w分解、植物根系分泌和土壤微生物代謝的產(chǎn)物,直接參與了土壤營(yíng)養(yǎng)元素的生物化學(xué)催化過(guò)程,其活性可以在一定程度上反映土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化的動(dòng)態(tài)變化[24,25]。脲酶和蛋白酶均屬于水解酶,脲酶能促進(jìn)土壤中含氮有機(jī)化合物尿素分子酰胺肽鍵水解生成氨[26]；蛋白酶參與將土壤有機(jī)質(zhì)中的肽類分解為氨基酸,是植物氮素營(yíng)養(yǎng)的重要來(lái)源[27]；硝酸還原酶是氮素代謝中的關(guān)鍵酶之一,其活性的大小直接影響到植物對(duì)土壤中硝態(tài)氮的利用[28]。因此研究秸稈還田后接種AM真菌對(duì)小麥根際土壤中上述3種酶活性的影響,對(duì)明確小麥氮素吸收機(jī)制具有一定的指導(dǎo)意義。在本研究中，接種AM真菌顯著促進(jìn)了3種酶的活性,這與Zhang等[29]、宋富強(qiáng)等[5,6]、Kong等[8]、Jia等[23]的研究結(jié)果一致;但隨著施肥量的增加,土壤酶活性呈現(xiàn)下降趨勢(shì),這可能與高氮肥量抑制了AM真菌菌絲的生長(zhǎng)有關(guān)[30],但其具體的作用機(jī)制還有待進(jìn)一步研究。

本研究發(fā)現(xiàn)，在260 kg/hm2肥量下接種AM真菌為最佳處理組合,在此處理組合下小麥的氮肥利用率和農(nóng)學(xué)效率顯著高于其他處理組合的,而且小麥的產(chǎn)量與270 kg/hm2肥量下的產(chǎn)量相當(dāng)，說(shuō)明在參照270 kg/hm2氮肥量標(biāo)準(zhǔn)情況下,稻稈還田后通過(guò)接種AM真菌同時(shí)合理配施260 kg/hm2氮肥(基追比例為5∶5),淮麥20號(hào)小麥在減施氮肥情況下可達(dá)同樣的產(chǎn)量水平。

綜上所述，在本試驗(yàn)的稻稈還田條件下,當(dāng)施氮肥水平為260 kg/hm2時(shí),接種摩西球囊霉菌劑能夠促進(jìn)蛋白酶、脲酶等與土壤氮素轉(zhuǎn)化相關(guān)的胞外酶的活性,加快還田稻稈氮素的釋放和小麥吸收氮素,有利于提高氮肥利用效率，并保障小麥的產(chǎn)量。