郭 奇，王愛(ài)萍，董 琦，牛 帥，李雨萌

（山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)學(xué)院，山西太谷030801）

小麥?zhǔn)俏覈?guó)的主要糧食作物之一，2017 年播種面積為2.45×107hm2，產(chǎn)量達(dá)到1.34 億kg。在我國(guó)，由于長(zhǎng)期的單一小麥種植，導(dǎo)致耕地土壤的N元素含量嚴(yán)重不足，影響小麥的正常生長(zhǎng)發(fā)育，從而導(dǎo)致產(chǎn)量下降，而大量施用氮肥又會(huì)造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。因此，如何在不施用或者少施用化肥的前提下保障土壤中的N 營(yíng)養(yǎng)滿足小麥的可持續(xù)生產(chǎn)，是現(xiàn)今面臨的嚴(yán)峻問(wèn)題。

叢枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）是自然界中廣泛分布的一種真菌，可以與自然界中80%的陸生植物共生，形成菌根。叢枝菌侵染植物根部并通過(guò)菌絲附著在根部皮層細(xì)胞當(dāng)中，并內(nèi)陷于細(xì)胞質(zhì)中形成叢枝結(jié)構(gòu)，叢枝菌通過(guò)叢枝結(jié)構(gòu)從植物根系中獲取自身所需要的碳源養(yǎng)分，植物根系也可通過(guò)叢枝結(jié)構(gòu)將菌絲從土壤中吸收的養(yǎng)分運(yùn)輸至植物體內(nèi)[1]，以提高植物對(duì)土壤養(yǎng)分的吸收能力[2-6]，促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育[7-8]，同時(shí)還可增強(qiáng)植物的抗病蟲(chóng)害以及抗逆能力[9-12]。由于叢枝菌根真菌的根外菌絲可以從土壤中吸收NH4+[13-16]和NO3-[17-18]，通過(guò)叢枝結(jié)構(gòu)運(yùn)輸?shù)街参矬w內(nèi)，因此，有助于宿主植物對(duì)N 營(yíng)養(yǎng)的吸收[19-21]。前人研究表明，叢枝菌根真菌與小麥根部形成共生關(guān)系后，可以提高小麥的株高以及生物量，改善小麥根部土壤養(yǎng)分，促進(jìn)根部對(duì)氮、磷元素的吸收，從而提高小麥產(chǎn)量[22]。INGRAFFIA 等[23]研究了 AMF 在小麥間作豌豆模式中對(duì)二者競(jìng)爭(zhēng)力的影響，結(jié)果表明，AMF 對(duì)小麥根系生物量以及根系密度都具有積極的影響，就生物量與養(yǎng)分吸收來(lái)看，AMF 會(huì)提高小麥的競(jìng)爭(zhēng)力，而且不會(huì)對(duì)豌豆產(chǎn)生影響。

間作是指在同一地塊分帶或分行相間種植2 種或2 種以上作物的種植方式。姜圓圓等[24]對(duì)禾本科與豆科作物間作進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，禾本科與豆科作物間作具有互補(bǔ)效應(yīng)，豆科作物通過(guò)固氮作用將所固定的N 元素通過(guò)各種渠道被禾本科作物利用。ELISE 等[25]對(duì)低投入條件下小麥間作豌豆進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在低投入條件下小麥間作豌豆模式的生長(zhǎng)狀況要優(yōu)于單作小麥或豌豆，同時(shí)經(jīng)濟(jì)效益也有一定提高。因此，在合理的間作模式中，農(nóng)作物可以充分利用土壤養(yǎng)分、光、熱、水分等資源使作物增產(chǎn)，同時(shí)還可以減少化肥的施用，保障糧食安全，這是一種良好的可循環(huán)農(nóng)業(yè)模式。

山西省大部分地區(qū)位于黃土高原，土壤中可供植物利用的N 元素含量相對(duì)較少，選用合適的間作模式，是保證產(chǎn)量和經(jīng)濟(jì)收益、減少土壤污染的有效途徑。目前，對(duì)于禾本科與豆科作物的間作模式中土壤有益微生物的研究，大都集中在根瘤菌在其中的作用，而對(duì)叢枝菌根真菌的研究相對(duì)較少。

本試驗(yàn)以小麥為研究對(duì)象，利用春、冬小麥分別進(jìn)行單作及與豌豆間作試驗(yàn)，旨在探究在單作與間作2 種不同種植模式下，叢枝菌根真菌對(duì)小麥的侵染率與小麥農(nóng)藝性狀、干物質(zhì)量、植株體內(nèi)N 素含量以及產(chǎn)量之間的關(guān)系，為小麥高效持續(xù)生產(chǎn)、減少化學(xué)肥料的施用提供理論依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試春小麥品種為寧麥5 號(hào)、冬小麥品種為中麥175；供試豌豆品種為中豌8 號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2018—2019 年在山西農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)作站（37°25′19.72″N，112°34′34.56″E）進(jìn)行。試驗(yàn)分為 4 個(gè)處理，分別為單作春麥（DC）、單作冬麥（DD）、春小麥間作豌豆（JC）、冬小麥間作豌豆（JD），采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，小區(qū)面積為2.3 m×2.0 m，重復(fù)3 次。播種時(shí)行距為15 cm，冬小麥于10 月初播種，春小麥與豌豆于第2 年3 月同時(shí)播種。

1.3 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.3.1 叢枝菌根真菌侵染率的測(cè)定 按KOH 透明－酸性品紅乳酸甘油染色的方法[26-27]并進(jìn)行改良，對(duì)小麥根部進(jìn)行染色；脫色后，在蒸餾水中浸泡12 h，剪取100 條1 cm 左右的小段，觀察根段中泡囊結(jié)構(gòu)，用百分?jǐn)?shù)來(lái)界定每小段的侵染率，并記錄各分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)下根段的條數(shù)。

侵染率＝受侵染的根段數(shù)/觀察的根段總數(shù)×100%（1）

1.3.2 小麥干物質(zhì)量的測(cè)定 在小麥開(kāi)花期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)取3 株小麥，沖洗干凈將其地下根系部分剪下，剩余地上植株部分放入烘箱中105 ℃殺青30 min 后在75 ℃烘干至恒質(zhì)量。測(cè)定小麥地上植株部分的干物質(zhì)量。

1.3.3 SPAD 值的測(cè)定 于小麥開(kāi)花、灌漿、成熟3 個(gè)時(shí)期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3 株小麥，用手持SPAD 儀進(jìn)行測(cè)量，每株小麥重復(fù)3 次。

1.3.4 N 元素含量的測(cè)定 于小麥開(kāi)花期，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取3 株小麥，將植株部分放入烘箱75 ℃烘24 h；然后研磨成粉末狀，取0.3 g 粉末用濃H2SO4和H2O2進(jìn)行消煮，直至溶液變?yōu)闊o(wú)色透明；取4 mL溶液倒入離心管中，放入間斷式化學(xué)分析儀（SMARTCHEN140）進(jìn)行測(cè)定，取平均值。

1.3.5 小麥株高、分蘗數(shù)和產(chǎn)量的測(cè)定 在小麥開(kāi)花、灌漿、成熟3 個(gè)時(shí)期測(cè)定株高；在每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取1 行小麥，選取其中50 cm 的小麥，對(duì)出苗、分蘗、拔節(jié)、開(kāi)花、成熟5 個(gè)時(shí)期進(jìn)行分蘗數(shù)的測(cè)定；于成熟期在每個(gè)小區(qū)中圈出1 m2區(qū)域的小麥，進(jìn)行穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)量的測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)采用SPSS 23.0 軟件進(jìn)行處理；圖表繪制運(yùn)用Micro-soft Excel 2010 進(jìn)行。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同種植模式對(duì)小麥株高以及分蘗數(shù)的影響

小麥的株高與分蘗數(shù)是衡量植株生長(zhǎng)發(fā)育情況的重要指標(biāo)，對(duì)比分析2 種種植模式對(duì)春、冬小麥株高與分蘗數(shù)的影響，結(jié)果顯示（表1、圖1），春小麥在開(kāi)花期、灌漿期、成熟期3 個(gè)時(shí)期中，JC 處理的株高均顯著高于DC 處理；冬小麥在開(kāi)花期、灌漿期2 個(gè)時(shí)期中，DD 與JD 處理間的株高無(wú)顯著差異，而成熟期JD 處理顯著高于DD 處理。可見(jiàn)，間作模式對(duì)于小麥的株高具有明顯的促進(jìn)作用。結(jié)合種植方式分析，JC 處理小麥與豌豆同一時(shí)間種植，小麥與豌豆同時(shí)進(jìn)行生長(zhǎng)發(fā)育，互補(bǔ)效應(yīng)在整個(gè)生育時(shí)期都對(duì)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育具有促進(jìn)作用。JD 處理下，豌豆第2 年種植，對(duì)小麥的促進(jìn)作用發(fā)生較慢，直至成熟期才變得明顯?？梢?jiàn)，在小麥與豌豆間作互補(bǔ)效應(yīng)的利用方面，JC 處理要優(yōu)于JD 處理。

表1 不同種植模式對(duì)小麥株高的影響 cm

由圖1 可知，對(duì)春、冬小麥苗期、分蘗期、拔節(jié)期、開(kāi)花期、成熟期5 個(gè)時(shí)期進(jìn)行分析，分蘗數(shù)呈先升高后下降的單峰曲線變化，在拔節(jié)期達(dá)到峰值后開(kāi)始下降；其中，在苗期JC 處理比DC 處理提高了10.34%，JD 處理比DD 處理提高了11.79%；在分蘗期JC 處理比 DC 處理提高了 11.43%，JD 處理比DD 處理提高了13.29%；在拔節(jié)期JC 處理比DC 處理提高了 8.26%，JD 處理比 DD 處理提高了11.08%；在開(kāi)花期 JC 處理比 DC 處理提高了13.30%，JD 處理比DD 處理提高了12.15%；在成熟期 JC 處理比DC 處理提高了18.24%，JD 處理比DD 處理提高了11.28%。說(shuō)明間作模式下，小麥的生長(zhǎng)發(fā)育情況要優(yōu)于同時(shí)期的單作。

2.2 不同種植模式對(duì)小麥干物質(zhì)量的影響

由圖2 可知，JC 和JD 處理干物質(zhì)量均對(duì)應(yīng)顯著高于DC 和DD 處理，其中，JC 處理干物質(zhì)量比DC 處理提高31%，JD 處理比DD 處理提高18%。說(shuō)明間作模式下小麥的干物質(zhì)量要高于單作模式，在提高幅度方面，JC 處理要高于JD 處理。

2.3 不同種植模式對(duì)小麥葉綠素含量的影響

SPAD 值是衡量葉綠素含量的指標(biāo)。對(duì)春、冬小麥在2 種不同的種植方式下在開(kāi)花期、灌漿期、成熟期3 個(gè)時(shí)期的SPAD 值進(jìn)行分析，結(jié)果表明（圖3），JC 處理的 SPAD 值高于 DC 處理，JD 處理的SPAD 值高于DD 處理，同時(shí)春麥的上升幅度高于冬麥。說(shuō)明間作模式下的葉片葉綠素含量比單作高，更有利于小麥進(jìn)行光合作用。

2.4 不同種植模式對(duì)AMF 侵染率的影響

表2 不同種植模式對(duì)AMF 侵染率的影響

由表2 可知，JC 處理的侵染率與DC 處理間存在顯著差異，且間作模式JC 處理高于單作模式DC處理；JD 處理的侵染率與DD 處理間存在顯著差異，且間作模式JD 處理要高于單作模式DD 處理。其中，JC 處理比 DC 處理的侵染率上升 47%，JD 處理比DD 處理的侵染率上升28%。JC 處理比DC 處理的侵染率提高幅度明顯高于JD 處理比DD 處理，說(shuō)明叢枝菌根真菌對(duì)春小麥的侵染能力高于冬小麥。

2.5 不同種植模式對(duì)小麥總氮量的影響

小麥植株體內(nèi)總氮量可以體現(xiàn)出植株對(duì)養(yǎng)分的吸收情況。由表 3 可知，JC 處理與 DC 處理、JD 處理與DD 處理間均存在顯著差異，間作模式下植株體內(nèi)總氮量明顯高于單作。其中，JC 處理比DC 處理總氮量的提升幅度為26%，高于JD 處理比DD 處理的提升幅度（24%）。說(shuō)明間作模式更有利于小麥對(duì)N元素的吸收，而且春小麥的這種促進(jìn)效應(yīng)更為明顯。

表3 不同種植模式對(duì)小麥總氮量的影響

2.6 不同種植模式對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

由表4 可知，JC 處理和JD 處理的小麥穗數(shù)、穗粒數(shù)、千粒質(zhì)量、產(chǎn)量都分別對(duì)應(yīng)高于DC 處理和DD 處理。說(shuō)明間作模式下小麥的產(chǎn)量高于單作模式。其中，JC 處理產(chǎn)量比DC 處理提高了18.72%，JD 處理產(chǎn)量比DD 處理提高了16.67%，間作模式對(duì)春小麥的增產(chǎn)效應(yīng)大于冬小麥。

表4 不同種植模式對(duì)小麥產(chǎn)量的影響

2.7 AMF 對(duì)小麥根部侵染率與小麥干物質(zhì)量、SPAD 值、養(yǎng)分吸收、產(chǎn)量的相關(guān)性分析

表5 小麥侵染率與干物質(zhì)量、SPAD、養(yǎng)分吸收、產(chǎn)量的相關(guān)性分析

從表5 可以看出，AMF 侵染率與總氮量、SPAD值、產(chǎn)量均呈正相關(guān)，與小麥干物質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)；小麥干物質(zhì)量與總氮量、SPAD 值、產(chǎn)量均呈負(fù)相關(guān)；總氮量與SPAD 值、產(chǎn)量均呈正相關(guān)；SPAD 值與產(chǎn)量呈正相關(guān)。其中，在DC 處理下，侵染率與總氮量間呈極顯著正相關(guān)，與產(chǎn)量間呈顯著正相關(guān)，干物質(zhì)量與SPAD 間呈極顯著負(fù)相關(guān)；在JC 處理下，總氮量與SPAD、產(chǎn)量間呈極顯著正相關(guān)，SPAD 與產(chǎn)量間呈顯著正相關(guān)；在DD 處理下，侵染率與總氮量、SPAD、產(chǎn)量間呈極顯著正相關(guān)，總氮量與SPAD間呈極顯著正相關(guān)；在JD 處理下，侵染率與SPAD間呈極顯著正相關(guān)，與總氮量、產(chǎn)量間呈顯著正相關(guān)，干物質(zhì)量與總氮量、產(chǎn)量間呈顯著負(fù)相關(guān)，總氮量與產(chǎn)量間呈極顯著正相關(guān)，與SPAD 間呈顯著正相關(guān)，SPAD 與產(chǎn)量間呈顯著正相關(guān)。

3 討論

3.1 間作對(duì)小麥AMF 侵染率的影響

本研究發(fā)現(xiàn)，春、冬2 種小麥在間作模式下的AMF 侵染率都要高于單作，其中，JC 處理模式下的侵染率高于JD?？赡苁怯捎谠谛←滈g作豌豆條件下，禾本科作物與豆科作物之間會(huì)發(fā)生物種間互補(bǔ)，從而導(dǎo)致間作模式下的侵染率高于單作；同時(shí)，豌豆根部會(huì)產(chǎn)生根瘤菌，根瘤菌對(duì)叢枝菌根真菌的侵染可能也存在促進(jìn)作用。XIE 等[28]研究表明，根瘤菌信號(hào)可以刺激叢枝菌根真菌對(duì)寄主的侵染；STAEHELIN 等[29]研究表明，根瘤菌也可以促進(jìn)叢枝菌根真菌的侵染，促進(jìn)叢枝形成。這與本研究的試驗(yàn)結(jié)果一致。因此，小麥與豌豆間作模式下侵染率的提高可能是受小麥與豌豆之間的種間互補(bǔ)效應(yīng)和根瘤菌的影響。馬放等[22]研究表明，在小麥的生長(zhǎng)發(fā)育過(guò)程中，AMF 侵染強(qiáng)勢(shì)時(shí)期是小麥花期。由于春小麥生長(zhǎng)至花期的時(shí)間較短，根部還未完全木質(zhì)化，生命活力較高，因此可能導(dǎo)致春小麥的侵染率較高。冬小麥由于經(jīng)過(guò)越冬期生長(zhǎng)，至開(kāi)花期的時(shí)間較長(zhǎng)，根系完全木質(zhì)化，根系面積增大，可能影響冬小麥的侵染率。由于冬小麥間作豌豆是第2 年春天種植豌豆，冬小麥已經(jīng)生長(zhǎng)了一段時(shí)間，豌豆種植后與冬小麥相比競(jìng)爭(zhēng)能力較弱，豌豆生長(zhǎng)會(huì)受到一定影響，給冬小麥提供的互補(bǔ)效應(yīng)較低，也可能是導(dǎo)致冬小麥侵染率較低的原因之一。

3.2 AMF 對(duì)小麥分蘗數(shù)、株高、產(chǎn)量的影響

本研究表明，AMF 對(duì)小麥的侵染不改變分蘗數(shù)、株高、產(chǎn)量之間的關(guān)系，但是間作條件下的分蘗數(shù)、株高、產(chǎn)量與單作相比都有一定的提升，同時(shí)間作模式下的侵染率高于單作。因此，AMF 侵染小麥可能會(huì)促進(jìn)小麥的生長(zhǎng)發(fā)育，提高小麥的產(chǎn)量。徐敏等[30]研究發(fā)現(xiàn)，AMF 侵染小麥會(huì)提升小麥葉片的葉綠素含量，從而提高小麥光合作用速率，加快營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的積累速度，提高產(chǎn)量。本試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，JC 和JD 處理模式下的SPAD 值分別對(duì)應(yīng)高于DC 和DD處理模式，而且JC 和JD 處理模式下的產(chǎn)量均分別對(duì)應(yīng)高于DC 和DD 處理模式，這與鄭紅麗等[31]的研究結(jié)果一致。

3.3 AMF 與小麥植株內(nèi)總氮量、 小麥干物質(zhì)量的相關(guān)性分析

植株體內(nèi)總氮量可以用來(lái)衡量小麥對(duì)氮元素的吸收。吉春龍等[32]研究發(fā)現(xiàn)，AMF 通過(guò)3 個(gè)方面促進(jìn)小麥對(duì)氮元素的吸收，即通過(guò)菌絲擴(kuò)大小麥根系的面積來(lái)促進(jìn)對(duì)氮元素的吸收；在間作豌豆模式下通過(guò)促進(jìn)根瘤形成增加固氮量，從而促進(jìn)小麥對(duì)氮元素的吸收；通過(guò)AMF 具有不同形態(tài)的氮元素運(yùn)輸途徑，從而促進(jìn)小麥對(duì)氮元素的吸收。本試驗(yàn)中，JC 和JD 處理模式下AMF 的侵染率和植株體內(nèi)的總氮量都分別對(duì)應(yīng)高于DC 和DD 處理模式，同時(shí)AMF 侵染率與總氮量顯著正相關(guān)，說(shuō)明AMF對(duì)小麥進(jìn)行侵染可以提高小麥對(duì)氮元素的吸收，與李俠等[33]的研究結(jié)果一致。SHI 等[34]研究發(fā)現(xiàn)，植物體內(nèi)含氮量的提高有利于植物根系的生長(zhǎng)，根系的生長(zhǎng)更有利于AMF 的侵染。小麥干物質(zhì)量與小麥總氮量呈正相關(guān)，說(shuō)明氮素有利于植物的生長(zhǎng)，AMF 可以通過(guò)提高小麥對(duì)氮素的利用率進(jìn)而提高小麥的干物質(zhì)量。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，小麥間作豌豆模式下叢枝菌根真菌對(duì)小麥的侵染率、干物質(zhì)量、SPAD 值、產(chǎn)量、總氮量均高于單作模式。春小麥間作豌豆模式叢枝菌根真菌對(duì)小麥的侵染率高于冬小麥間作豌豆模式。叢枝菌根真菌侵染率與總氮量、SPAD 值、產(chǎn)量均呈正相關(guān)，與小麥干物質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)。