畢銀麗，周會麗，馬少鵬，高雅坤

(1.中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院,北京 100083; 2.西安科技大學 西部礦山生態(tài)環(huán)境修復研究院，陜西 西安 710054)

陜北煤礦區(qū)地處黃河流域中游，屬于黃土高原丘陵溝壑區(qū)，黃綿土是其主要土壤類型，土質疏松，土壤養(yǎng)分貧瘠，風蝕和水蝕較為嚴重且氣候干旱，降水量較少。煤礦開采擾動了礦區(qū)環(huán)境，生態(tài)受損，土壤退化，農田土地生產力下降，生物修復成為土壤改良與促植物生長的熱點技術。叢枝菌根真菌(ArbuscularMycorrhizaFungi，AMF)能與大多數(shù)陸地植物形成互利共生的關系[1]。根外菌絲增加了植物根系與土壤的接觸面積，促進了根系對水分和養(yǎng)分的獲取[2]，并對宿主植物的氮、磷等養(yǎng)分的轉移和分配產生影響，從而改變植物個體功能性狀，如營養(yǎng)性狀和表型性狀等[3]。大量研究表明，AMF對植物生長具有顯著促進作用，但有關干旱脅迫下AMF通過保持土壤水分進而影響植物表型和物質積累量的研究鮮有報道。因此，研究礦區(qū)干旱地接種AMF后土壤水分變化狀況及其對植物冠層結構和根系形態(tài)變化的影響具有重要的研究意義，且對礦區(qū)干旱地環(huán)境治理和農業(yè)種植具有重要的指導意義。

植物表型指植物的外部形態(tài)特征，主要受基因型和環(huán)境因素的決定或影響[4]。植物表型可分為地上部的冠層表型和地下部的根系表型。植物體內積累的干物質中，90%以上直接或間接地來自冠層的光合作用，其余與植物根系吸收的營養(yǎng)物質相關[5]。冠層表型包括冠層高度、寬度、葉面積、葉傾角、分蘗數(shù)和分蘗基角等特征。PAULUS[6]在處理植物三維點云數(shù)據(jù)時，將植物的冠層表型分為非復雜性狀和復雜性狀，非復雜性狀指利用完全植物冠層點云提取的性狀，如高度、寬度、體積和粗略的葉面積估計等;復雜性狀主要描述器官水平的冠層表型，如準確的葉面積、葉傾角、分蘗基角和果實計數(shù)等。根系結構對于植物水分和養(yǎng)分的獲取、根系微生物的相互作用、防止土壤有毒元素和病原體進入葉片和生殖器官、養(yǎng)分貯藏以及增加產量等具有重要作用[7]。冠層和根系表型會因土壤條件(如氮[8]、水[9-10])、光照強度[10-11]等因素的不同表現(xiàn)出不同的結構特征，因此，研究植物的有益表型可為實現(xiàn)精準農業(yè)管理奠定較好的理論基礎。

傳統(tǒng)植物冠層表型數(shù)據(jù)的獲取主要是通過手工測量，需要花費大量的時間，且精準度較低。近年來，隨著科學技術的發(fā)展，高通量、精準高效的植物表型測定方法逐步得到開發(fā)，如熒光技術[12-13]、高光譜成像[14-16]、熱成像[17]與三維激光掃描[18]等技術。三維激光掃描植物獲取三維點云數(shù)據(jù)，該技術不受自然光照的影響，便于田間測量，因此是目前應用較為廣泛的主流表型測量技術。RICZU等[19]采用機載激光掃描儀獲取點云數(shù)據(jù)，并對比研究了不同系統(tǒng)和軟件建立的植物樹枝模型，發(fā)現(xiàn)三維整形軟件和geomagic軟件構建的三維網(wǎng)狀樹模型能較好反映植物的冠層結構。畢銀麗等[20]利用三維激光掃描技術研究了接種菌根對植株形態(tài)的影響規(guī)律。但對植物根系表型的測量目前仍存在一定的挑戰(zhàn)，根系表型測量技術主要包括植物根系生長監(jiān)測系統(tǒng)和根系CT掃描成像分析系統(tǒng)。

花生是我國重要的油料作物和經(jīng)濟作物，干旱脅迫會降低花生產量，為了研究干旱脅迫條件下接種AMF對農業(yè)土壤改良作用及其對花生表型結構及干物質積累量的影響，通過野外盆栽試驗，采用EM50監(jiān)測系統(tǒng)實時監(jiān)測土壤水分變化情況，并用三維激光掃描技術和CI-690ROOTSNAP 根系分析軟件系統(tǒng)分別測量統(tǒng)計花生的冠層和根系表型特征，研究干旱環(huán)境下接菌后花生植株生長特點和物質積累量變化，探究花生構型對干旱脅迫的響應，分析地上和地下表型的相關性以及接菌對根系特征及植株冠層結構的影響，為今后在陜北礦區(qū)干旱地生態(tài)農業(yè)建設提供研究依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試菌劑為AMF中的摩西管柄囊酶Funneliformismosseae(F.m)，孢子密度為66 個/g基質，由中國礦業(yè)大學(北京)微生物復墾實驗室提供。供試作物為花生，品種為四粒紅，購買于中國種子交易網(wǎng)。供試土壤為陜北礦區(qū)黃土母質上形成的黃綿土，該土壤全氮質量分數(shù)為0.24 g/kg，速效磷和速效鉀質量分數(shù)分別為1.25 mg/kg和41.28 mg/kg，有機質質量分數(shù)為2.71 g/kg。

1.2 試驗設計

試驗于2020年7月在陜北張家峁礦區(qū)農業(yè)示范基地(N 38.8°，E 109.7°)進行。播種時，設置接種與不接種2種處理;出苗前統(tǒng)一供水，保持土壤含水量為田間最大持水量的70%，出苗后設置自然生長和干旱脅迫2種水分處理，共4個處理，分別為接菌處理(AMF)、對照處理(CK)、干旱接菌處理(干旱+AMF)和干旱處理，每個處理設8次重復，生長過程不再供水。試驗用直徑35 cm，高度35 cm的無底圓桶進行，桶底固定400目尼龍網(wǎng)。試驗時，將桶埋入土中，邊緣露出地表3 cm，然后將土壤過2 mm篩裝入桶內，每桶裝18 kg土壤，桶間距為100 cm。播種時，接菌處理在穴播處添加200 g 含有混合AMF根段和根際土的菌劑，對照處理添加200 g滅菌菌劑。在2020-07-15播種花生，每桶播種3粒，出苗后間苗至1株。間苗后在盆中土壤10 cm深處埋設土壤溫濕度傳感器并連接EM50土壤溫濕鹽監(jiān)測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集器監(jiān)測土壤水分變化，設置時間間隔為24 h(圖1)。

圖1 實驗田Fig.1 Experimental field

1.3 取樣及測定方法

在花生飽果期，選擇無風天氣，用HandySCAN 700手持式三維激光掃描儀掃描獲得花生的三維冠層結構的點云數(shù)據(jù)，掃描精度為0.3 mm。掃描完成后創(chuàng)建網(wǎng)格，導出STL格式文件，使用geomagic 2015軟件對網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行處理，通過坐標轉換、噪點刪除、模型修補和數(shù)據(jù)提取等步驟，得到獨立完整的三維花生植株模型[20]，并提取花生的株高、冠幅、葉片總面積和葉面積指數(shù)等冠層表型數(shù)據(jù)。

花針成熟期，收集地上莖葉和地下根系。根系清洗后拍照取樣，并用CI-690ROOTSNAP 根系分析軟件系統(tǒng)分析根系表型;隨機取少量新鮮細根樣(約20個根段制片)，用10% KOH溶液浸泡24 h，沖洗干凈，采用酸性品紅乳酸甘油染色液染色法染色，在顯微鏡(Motic Panthera Client)下觀察測定花生的菌根侵染率[21](圖2)，采用干重法測定各處理花生的地上和地下部生物量。

圖2 根系侵染Fig.2 Root infection diagram

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2010進行數(shù)據(jù)的整理和統(tǒng)計，采用PowerPoint 2019進行繪圖。使用IBM SPSS Statistics 20.0軟件進行LSD多重比較檢驗及方差分析，顯著性水平P=0.05。

2 結果與分析

2.1 干旱脅迫和接種菌根對花生根系菌根侵染率的影響

圖3為干旱處理和接菌處理對花生根系菌根侵染率的影響。由圖3可知AMF處理和對照均有AMF的侵染，表明野外自然環(huán)境中的土著菌根菌對花生根系具有一定的侵染，在相同處理條件下，AMF處理花生的菌根侵染率顯著高于對照處理(P<0.05)，表明接菌對花生具有顯著的侵染效果。干旱+AMF處理與干旱處理花生的菌根侵染率間無顯著差異，AMF處理和干旱+AMF處理的菌根定制率分別比對照處理增加16%和9%，表明干旱對花生菌根侵染具有顯著不利影響。由圖3可知，與正常條件下花生的菌根侵染率相比，干旱處理可顯著降低菌根侵染率(P<0.05)，干旱+AMF處理花生的菌根侵染率較AMF處理花生侵染率降低了59%，同樣干旱處理侵染率較正常對照處理降低了66%。

圖中不同字母表示 0.05 水平上差異顯著,下圖同圖3 不同處理花生根系的菌根侵染率Fig.3 Mycorrhizal infection rate of peanut root under different treatments

2.2 接種菌根對花生根系土壤水分變化的影響

圖4為接種菌根對花生根系土壤水分變化的影響，可以看出，AMF處理的土壤含水率維持在13%～20%，而CK處理維持在10%～16%，干旱+AMF處理和干旱對照處理的土壤含水率在植物生長25 d后均低于15%，但25 d后干旱+AMF處理的土壤含水率下降緩慢，始終維持在13%以上，而干旱處理的土壤含水率持續(xù)下降，在40 d時低于10%，表明接種菌根對花生根系土壤具有較好的保水作用。

圖4 不同處理土壤水分的變化情況Fig.4 Changes of soil moisture under different treatments

2.3 干旱脅迫下接種菌根對花生植株冠層表型的影響

2.3.1干旱和接種菌根對花生植株地上生物量的影響

由圖5可知，AMF處理的地上生物量顯著高于正常對照處理，干旱+AMF處理的地上生物量顯著高于干旱處理，表明接種菌根促進了花生植株的生長，增大了地上部分的物質積累量;在相同接菌和對照條件下，干旱處理的地上生物量均顯著低于正常處理，表明干旱處理降低了花生地上部分的物質積累量，抑制了花生植株的生長。干旱+AMF處理比對照的地上生物量略高，差異不顯著，表明接菌可以減弱干旱脅迫對植物生長的影響，接菌有一定抗旱潛力。

圖5 不同處理花生地上生物量Fig.5 Aboveground biomass of peanut under different treatments

2.3.2干旱和接種菌根對花生冠層表型的影響

表1為干旱和接種菌根處理對花生冠層表型的影響。由表1可知，AMF處理的株高、投影面積、葉片數(shù)、葉片總面積、上層平均葉面積和開花數(shù)較CK組分別提高14.7%，6.0%，13.0%，7.5%，13.9%和22.7%;干旱+AMF處理的投影面積、葉片數(shù)、葉片總面積、上層平均葉面積、葉面積指數(shù)和開花數(shù)較干旱處理分別提高37.0%，13.2%，38.0%，26.0%，16.0%和57.0%;說明在不同土壤水分處理條件下，接菌均促進了花生地上冠層部分的生長，從而增大植株接受光照的面積，為增加光合積累量和產量提供物質基礎。AMF處理的投影面積、葉片數(shù)、葉片總面積、上層平均葉面積、葉面積指數(shù)均大于干旱+AMF處理，CK處理的投影面積、葉片數(shù)、葉片總面積、上層平均葉面積、葉面積指數(shù)均大于干旱處理，表明干旱脅迫抑制了花生植株冠層部分的生長。

表1 不同處理對花生的冠層結構的影響Table 1 Effects of different treatments on canopy structure of peanut

由于冠層結構監(jiān)測時間為生長大約45 d時，此時干旱+AMF處理的土壤含水率還維持在15%左右，土壤水分含量還未對作物生長有所抑制，且干旱+AMF由于設置遮雨設施，土壤水分較穩(wěn)定，且AMF對其生長起到了一定的促進作用。而AMF處理是自然降雨，水分過多也會一定程度的影響植物生長，因此中期干旱+AMF處理的冠層結構數(shù)據(jù)表現(xiàn)出最高的趨勢，但之后隨著干旱處理土壤水分逐漸下降，植物的生長也逐漸受到抑制作用。

在干旱條件下接種菌根對花生植株冠層表型的提高幅度明顯大于在正常水分條件的對照，表明在干旱脅迫逆境環(huán)境中，接種菌根可緩解干旱脅迫對植物生長的影響。

2.4 干旱脅迫下接種菌根對花生植株根系表型的影響

圖6為根系采集照片，分為整體部分和零碎部分，利用根系分析軟件分別進行處理，最后一起統(tǒng)計。

圖6 根系實物Fig.6 Root physical map

圖7為干旱和接種菌根對花生根系及其構成的影響。由圖7可知，在不同土壤水分處理條件下，接種菌根均提高了花生的地下根系的物質積累量和平均根直徑，其中在正常處理條件下達到顯著水平，表明接種菌根促進花生植株根系的生長，從而更好的促進花生對土壤水分和養(yǎng)分的吸收。圖8為干旱和接種菌根對花生根系及其構成的影響，可以看出，在正常水分條件下，接種菌根增大了花生植株根系的總根長、總根體積和總根表面積，其中對總根體積和總根表面積的促進作用達到顯著性差異水平(P<0.05)，表明在正常水分條件下接種菌根對花生植株根系的生長具有促進作用;而在干旱條件下，接種菌根對花生植株根系的總根長、總根體積和總根表面積的促進作用不明顯，表明在干旱脅迫條件下，由于干旱脅迫抑制菌根的生長，使根系菌根侵染率較低，從而對根系總根長、總根體積和總根表面積的促進作用不明顯。

圖7 不同處理花生的根系生物量和平均根直徑Fig.7 Root biomass and mean root diameter of peanut under different treatments

由圖8可知，在正常水分條件下，接種菌根增加較粗根所占的比例，其中接菌處理花生根系中根系直徑大于0.1 mm和在0.08～0.10 mm的根所占比例分別為9.4%和18.3%，而對照處理所占比例分別為2.7%和13.6%。在干旱條件下，接種菌根能增加較粗根和較細根所占的比例，其中接菌處理花生根系中大于0.08 mm的根所占比例為26.7%，小于0.06 mm的根所占比例為25.2%，而對照處理大于0.08 mm的根所占比例為8.1%，小于0.06 mm的根所占比例為15.7%。接菌對根系的促進作用明顯，減弱干旱脅迫對根系生長的影響。

圖8 不同處理花生的總根長、總根表面積和總根體積Fig.8 Total root length,total root surface area and total root volumeof peanut under different treatments

2.5 冠層與根系表型的相關性分析

以冠層結構指標(株高、葉片數(shù)、葉片總面積)、根系性狀指標(總根長、總根體積、總根表面積和平均根直徑)、地上生物量和地下生物量共9個指標為變量，進行相關性分析。由表2可知，花生植株的地下生物量與地上生物量呈顯著正相關，相關系數(shù)為0.84(P<0.01);葉片數(shù)、葉片總面積在0.01水平上與地上生物量顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.82和0.81，而株高、總根體積、平均根直徑在0.05水平上與地上生物量呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.50，0.52和0.56;葉片數(shù)、葉片總面積、總根體積、總根表面積在0.01水平上與地下生物量呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.72，0.64，0.72和0.64，而平均根直徑在0.05水平上與地下生物量呈顯著正相關，相關系數(shù)為0.54;總根體積、平均根直徑與葉片數(shù)呈顯著正相關，相關系數(shù)分別為0.60和0.66(P<0.01)。

3 討 論

陸地大多數(shù)植物能夠被AMF侵染，并與菌根形成互利共生的關系。有研究表明，干旱脅迫會抑制菌根的生長和孢子的萌發(fā)，從而降低宿主植物的根系菌根侵染率[22]。吳會會等[23]在研究干旱條件下AMF對枳實生苗生長的影響的過程中，發(fā)現(xiàn)干旱脅迫降低了枳根系的菌根侵染率，抑制了枳植株的生長。與本研究結果相似，在后期干旱脅迫降低了花生根系菌根的侵染率，抑制了花生植株冠層和根系的生長。在野外條件下，土壤中富含多種微生物，但在干旱缺水的環(huán)境下，土壤中微生物多樣性降低，土著菌根菌數(shù)量減少[24]，也會使花生根系的侵染率降低。

表2 冠層和根系表型的相關性分析Table 2 Correlation analysis between canopy and root phenotype

植物所需的水分主要來自于根系吸收的水分，根外菌絲可以將水分輸送到宿主根系，提高植物根系水分吸收率[25]，滿足植物的生長需要。本研究結果也表明接種菌根對土壤具有很好的保水作用，降低了干旱脅迫對花生植株生長的抑制作用。主要原因是接種菌根增加了植物根系的菌根侵染率，使更多的菌絲穿過盆底固定的尼龍網(wǎng)，幫助根系吸收盆以外更深層的水分和養(yǎng)分，從而維持盆內土壤的含水量，實現(xiàn)了對土壤的保水功能和對植物生長的促進功能。

干旱脅迫會導致植物細胞原生質脫水，抑制植物的生長[26]，而AMF可以通過形成菌絲網(wǎng)絡幫助植物獲取根系無法到達處的水分和養(yǎng)分[27]，進而促進植物表型發(fā)育，增加根系的直徑、改變葉片的形狀和加快植物光合速率，幫助植物適應惡劣的環(huán)境[28]。張亞敏等[29]研究發(fā)現(xiàn)干旱脅迫條件下，接種摩西球囊霉促進豆科灌木小馬鞍羊蹄甲物質積累量、增加根系面積。屈明華等[30]研究表明接種AMF提高了任豆的根系生物量、根尖數(shù)、分叉數(shù)、交叉數(shù)和投影面積，改變任豆根系結構特征，構建了密集的菌根網(wǎng)絡系統(tǒng)，從而促進根系對土壤養(yǎng)分吸收和幼苗生長。本研究結果表明干旱條件下接菌減緩了干旱脅迫對植株生長的抑制作用，增大了花生植株的投影面積、葉片總面積、葉片數(shù)、平均根直徑、總根長、總根體積和總根面積，還增加了根直徑和根系中較細根所占比例。植物根系中較細和較長的根幫助植物吸收更多的水分和養(yǎng)分，而較粗的根負責將水分和養(yǎng)分輸送到冠層[31]。本研究表明接菌不僅通過在根部形成菌絲網(wǎng)絡促進養(yǎng)分吸收，還通過增加根直徑和較細根所占比例來促進植物對水分、養(yǎng)分的吸收和利用，促進植物地上和地下表型的發(fā)育。

此外，花生屬于豆科植物，其本身具有的根瘤菌可以幫助其固定大氣中的氮氣為己所用，有研究表明，AMF和根瘤菌具有密切的聯(lián)系[32]，AMF的侵染可以增加豆科植物根系的根瘤數(shù)，提高其生物固氮能力[33]，促進植物生長。因此接菌對花生表型的影響受多種因素的影響。

根系和冠層兩大功能器官之間即相互依賴又相互競爭。根部為地上光合作用提供所需的水分和養(yǎng)分，而地上部通過光合作用提供根部呼吸所需的糖分，因此植物根系與冠層具有較大的相關性[34]。本研究中花生植株的總根體積、平均根直徑與地上生物量顯著正相關，葉片數(shù)、葉片總面積、與地下生物量呈顯著正相關，總根體積、平均根直徑與葉片數(shù)呈顯著正相關。

通過對花生根系直徑進行分層處理，揭示了接菌對不同級別根系的促生作用效率，但未研究不同根系構成對植物生長的影響程度。不同植物根系的構型不同，其水分和養(yǎng)分的吸收功能不同，對植物的生長發(fā)育起著不同的作用，后期可針對植物根系的不同構成結構與植物生長發(fā)育的關系深入揭示植物對干旱逆境的適應性機理研究將具有重要的生態(tài)意義。

4 結 論

(1)干旱脅迫降低AMF的侵染率，抑制植物生長;野外接種AMF對土壤具有保水作用，土壤含水量大小為:AMF>干旱+AMF>CK>干旱+CK的趨勢。

(2)干旱條件下AMF對植物冠層生長促進作用較明顯;接菌處理的投影面積、葉片數(shù)、葉片總面積、上層平均葉面積和開花數(shù)在正常條件下較對照組分別提高6.0%，13.0%，7.5%，13.9%和22.7%，在干旱條件下分別較對照組提高37.0%，13.2%，38.0%,26.0%和57.0%;接菌可減緩植物對干旱脅迫的影響。

(3)接菌可增加根系直徑大于0.08 mm根系所占的比例。在正常水分條件下，接菌處理的根系直徑大于0.1 mm和0.08～0.1 mm的根分別占9.38%和18.27%，而對照處理占2.7%和13.6%;干旱條件下，接菌處理的根系直徑大于0.08 mm的根占26.7%，而對照的占8.1%。

(4)地下根系表型與地上冠層表型具有顯著相關性，如平均根直徑與葉片數(shù)顯著正相關，相關系數(shù)為0.66，而葉片數(shù)與地上生物量顯著正相關，相關系數(shù)為0.82，即平均根直徑越大，葉片數(shù)越多，地上生物量越大。