李法喜，段廷玉

（蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)國家重點實驗室/ 蘭州大學(xué)農(nóng)業(yè)農(nóng)村部草牧業(yè)創(chuàng)新重點實驗室/蘭州大學(xué)草地農(nóng)業(yè)科技學(xué)院，甘肅蘭州 730020）

叢枝菌根(arbuscular mycorrhizal，AM)真菌能與多種作物共生，可為宿主植物提供一系列益處，如提高作物抗逆性(抗病、抗旱、抗鹽堿、抗蟲等)、增強(qiáng)作物對土壤養(yǎng)分的利用率以及促進(jìn)植物生長[1-5]。此外，自然界中廣泛存在的AM真菌在草地生態(tài)系統(tǒng)中有著不可替代的作用，它們不僅能夠通過改善宿主特性提高植物的生存能力，緩解植被因各種不利因素造成的退化，而且能夠建立植物–土壤之間的物質(zhì)轉(zhuǎn)移軌道，進(jìn)而影響整個生態(tài)系統(tǒng)的功能性[6-7]。因此，AM真菌成為當(dāng)前生態(tài)農(nóng)業(yè)的熱點。

不同耕作方式引起不同程度的土壤擾動會使根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化[8]。作為土壤微生物群落的重要組成部分，AM 真菌也會因土壤干擾而受到影響。密集耕作會降低AM 真菌物種豐富度、孢子密度和AM 真菌侵染率，而少耕或免耕則會促進(jìn)菌根定植，從而增加植物對P的吸收，提高植物生物量[9-11]。同樣的，秸稈覆蓋也會對AM真菌產(chǎn)生顯著影響，其原理在于提高了土壤有機(jī)物含量，改善了微生物的生存環(huán)境，從而提高了AM真菌在土壤中的豐度，促進(jìn)了菌根的定植[12]。

不同耕作方式會影響土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，土壤干擾會顯著影響土壤團(tuán)聚體的分布和含量[13]，相比之下，免耕則有利于土壤團(tuán)聚體的形成和土壤結(jié)構(gòu)的保持[14]，因為降低土壤干擾可以改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)以及提高土壤的有機(jī)質(zhì)含量[15]。使用秸稈覆蓋也有利于土壤結(jié)構(gòu)的發(fā)展和土壤養(yǎng)分的保持，秸稈還田顯著提高了團(tuán)聚體在土壤中的比例，秸稈降解過程中釋放的養(yǎng)分對土壤團(tuán)聚體的形成有著直接和間接的促進(jìn)作用[16]。

土壤干擾和秸稈覆蓋對土壤團(tuán)聚體的影響與其對土壤微生物群落結(jié)構(gòu)和多樣性的影響息息相關(guān)[17]。以往的研究多傾向于單一的土壤干擾或秸稈覆蓋處理對土壤結(jié)構(gòu)或土壤微生物群落的影響，而對于土壤干擾和秸稈覆蓋兩種因素對AM真菌–植物共生體以及土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響則少有報道。本試驗研究了土壤干擾、秸稈覆蓋和AM 真菌對豆科模式植物蒺藜苜蓿(Medicago truncatula)生長以及土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成的影響，以期為田間條件下利用保護(hù)性耕作(免耕和秸稈還田)促進(jìn)AM 真菌–作物共生體的形成、提高農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力和維持土壤結(jié)構(gòu)提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

植物材料為小麥(Triticum aestivum)和蒺藜苜蓿。試驗所用AM真菌有兩種，分別為根內(nèi)球囊霉(Glomus intraradices)和珍珠巨孢囊霉(Gigaspora margarita)。試驗用粗沙∶細(xì)沙為3∶1的沙(90%)+土(10%)混合物，試驗所用土壤和沙子用高壓滅菌器滅菌，滅菌溫度為121℃，滅菌1 h，24 h 后，再次滅菌1 h。冷卻后，置于110℃烘箱烘干。試驗所用土壤和沙子的pH 和速效磷含量如表1所列。

表1 供試土壤p H 和速效磷含量Table 1 pH and available phosphorusof the tested soil

1.2 試驗設(shè)計

1.2.1小麥生長試驗

將140 g AM真菌接種物和1260 g 沙土混合物裝入塑料花盆中，設(shè)置4種接種處理：根內(nèi)球囊霉、珍珠巨孢囊霉、根內(nèi)球囊霉+ 珍珠巨孢囊霉和不接種處理(NM)。每個接種處理20盆，每盆為一個重復(fù)，共4個處理，共計80盆。按照段廷玉[18]所述方法進(jìn)行小麥種子發(fā)芽前處理。發(fā)芽后，將其移至花盆內(nèi)，每盆4株，7 d 后，留2株生長一致的定栽。70 d后，齊地面剪取地上部分，稱莖重和穗重。取2 g粉碎用于P含量測定，剩余秸稈，用作秸稈覆蓋處理。

1.2.2蒺藜苜蓿生長試驗

取足量蒺藜苜蓿種子，用濃硫酸打破種子休眠。然后用3% NaClO溶液浸泡90 s，再用無菌水沖洗5次。將其擺放在含有濕濾紙的培養(yǎng)皿內(nèi)，每個培養(yǎng)皿擺放30粒。在黑暗條件下，置于25℃下培養(yǎng)2 d。收獲小麥后，4個接種處理均保留一半不干擾處理(NR，共40盆)，另一半進(jìn)行土壤干擾處理(共40盆)。干擾時，將小麥根剪碎后與捏碎后的土壤充分混合。4個接種處理在土壤干擾和不干擾處理下各取5盆(共40盆)，每盆用4 g 小麥秸稈覆蓋(R)。每盆加入200 mL 磷含量為10 mg·kg?1的KH2PO4溶液，以滿足蒺藜苜蓿生長養(yǎng)分需求。

1.3 測量指標(biāo)

AM真菌侵染率：植物根在洗去土壤后，取0.1～0.2 g，用Giovannetti 和Mosse[19]所述方法測定叢枝菌根菌侵染率。

蒺藜苜蓿生物量：蒺藜苜蓿生長14 d 后，齊地面剪取地上部分，在70℃烘箱內(nèi)烘2 d，測量干重(g)。

磷含量：采用氯酸硫酸消煮法[20]測定土壤和植物磷含量。

菌絲長度(hyphal length density，HLD)：按照文獻(xiàn)[21]所述方法測定。

土壤團(tuán)聚體：按照文獻(xiàn)[22]所述方法測定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)采用SPSS 17.0軟件進(jìn)行方差分析(ANOVA)，應(yīng)用最小顯著性差異法(LSD)對平均數(shù)進(jìn)行比較(P< 0.05)。

2 結(jié)果

2.1 小麥試驗結(jié)果

與不接種AM真菌(NM)相比，接種AM 真菌顯著降低了小麥的莖干重和穗干重(P<0.05)。從AM 真菌侵染率看，根內(nèi)球囊霉的侵染率最高(77%)，其次是混合接種的侵染率(69%)，單獨接種珍珠巨孢囊霉的侵染率最低(32%)。接種AM 真菌未對小麥地上部分磷含量造成影響(表2)。

表2 小麥AM 真菌侵染率、莖干重、穗干重、磷含量Table 2 Arbuscular mycorrhizal fungi (AMF)infection rate,stem dry weight,grain dry weight,and phosphourscontent of wheat

2.2 蒺藜苜蓿生物量

土壤干擾、秸稈覆蓋以及接種AM真菌均對蒺藜苜蓿生物量造成了影響(圖1)。與不干擾處理相比，土壤干擾顯著降低了接種處理蒺藜苜蓿的莖葉干重(P<0.05)；與不加秸稈處理相比，秸稈覆蓋顯著增加了不接種處理以及在不干擾條件下接種根內(nèi)球囊霉和混合接種處理蒺藜苜蓿的莖葉干重和接種珍珠巨孢囊霉處理的根干重(圖1)；與不接種處理相比，接種AM 真菌顯著提高了蒺藜苜蓿的莖葉干重和根干重。

圖1 不同處理蒺藜苜蓿莖葉干重、根干重Figure 1 Shoot dry weight and root dry weight of Medicago truncatula under different treatments

2.3 植物組織磷含量

與不接種AM 真菌處理相比，接種AM 真菌顯著提高了植物莖葉及根的磷含量(P<0.05)，接種根內(nèi)球囊霉蒺藜苜蓿磷含量最高，其次是混合接種，接種珍珠巨孢囊霉最低。與不干擾處理相比，土壤干擾顯著降低了接種根內(nèi)球囊霉蒺藜苜蓿莖葉和接種珍珠巨孢囊霉蒺藜苜蓿根磷含量。蒺藜苜蓿對磷吸收并未受到秸稈覆蓋的影響(P> 0.05)(圖2)。

圖2 不同處理蒺藜苜蓿地上、地下組織磷含量Figure 2 Shoot and root phosphorus content of Medicago truncatula under different treatments

2.4 菌絲長度(HLD)

與不接種處理相比，接種AM 真菌顯著提高了土壤中的HLD (P<0.05)，其中，接種珍珠巨孢囊霉的土壤HLD提高幅度最低(圖3)。HLD未受到土壤干擾的影響(P>0.05)。與不加秸稈處理相比，秸稈覆蓋顯著提高了混合接種處理的HLD。

圖3 不同處理的菌絲長度Figure 3 Hyphal length density under different treatments

2.5 土壤團(tuán)聚體

與未接種處理相比，接種AM真菌整體上促進(jìn)了土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成。所有處理中，均是0.5～1 mm 直徑的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最高，>2 mm 直徑的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量最低。土壤干擾和秸稈覆蓋對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響因其不同直徑而異。土壤干擾顯著降低了秸稈覆蓋條件下接種珍珠巨孢囊霉處理>2 mm 直徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的含量(P< 0.05)，卻顯著提高了0.5～1 mm直徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量。秸稈覆蓋對>2 mm直徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體無顯著影響(P> 0.05)，顯著提高了接種根內(nèi)球囊霉處理下的0.5～2 mm 直徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，卻顯著降低了接種根內(nèi)球囊霉0.25～0.5 mm 直徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量(表3)。

表3 不同處理下土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體分布Table 3 Composition of different water stable aggregates under different treatments

土壤干擾主要對直徑為0.5～2 mm土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成有顯著影響(P<0.05)；秸稈覆蓋主要對直徑1～2 mm 和0.25～0.5 mm 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成有顯著影響；土壤干擾和秸稈覆蓋對直徑> 2 mm的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成無顯著影響(P>0.05)；接種AM真菌對直徑>0.25 mm 的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成有顯著影響。所有土壤、秸稈覆蓋、接種AM真菌均未對直徑<0.25 mm 土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成造成顯著影響(表4)。

表4 不同處理的多因素方差分析P 值Table 4 P valuesof multivariate analysisof variance under different treatments

3 討論

本研究模擬田間條件下的小麥→苜蓿輪作系統(tǒng)，在溫室條件下研究了土壤干擾、秸稈覆蓋以及不同AM真菌接種處理對植物生物量、磷吸收以及土壤團(tuán)聚體的影響。在第1 階段小麥生長試驗中，與接種珍珠巨孢囊霉相比，接種根內(nèi)球囊霉和混合接種具有相對較高的AM真菌侵染率，這和Li 等[23-24]的報道一致，反映了不同AM真菌對同種宿主植物的侵染能力的差異。

接種AM真菌降低了小麥的地上生物量，且不同接種處理對小麥生長的抑制效應(yīng)有差異，這可能與AM 真菌–植物多樣性相關(guān)。根內(nèi)球囊霉和混合菌比珍珠巨孢囊霉需要更多的碳，植物提供的給AM 真菌碳越多，留給自身的碳就越少，碳的限制抑制了小麥的生長[25]。

3.1 接種AM 真菌、土壤干擾和秸稈覆蓋對蒺藜苜蓿生物量的影響

接種AM 真菌促進(jìn)了蒺藜苜蓿的生長，這和Smith 等[26]的報道一致，造成AM真菌對小麥和蒺藜苜蓿生長影響的差異性的原因是不同植物對AM 真菌促生作用響應(yīng)不同，如Klironomos[27]對64種植物研究發(fā)現(xiàn)，同一種AM真菌可以促進(jìn)或抑制不同植物的生長，體現(xiàn)了AM真菌影響植物生長的多樣性。土壤干擾抑制了接種AM真菌處理下蒺藜苜蓿的生長，卻未影響未接種處理的植物生長。這表明土壤干擾主要是通過影響AM真菌間接對植物生長造成影響。除此之外，土壤干擾對蒺藜苜蓿和AM 真菌不同組合的影響有差異，類似的，秸稈覆蓋對蒺藜苜蓿的影響也因接種不同AM 真菌而表現(xiàn)差異，表明不同AM真菌–植物共生體對環(huán)境適應(yīng)性的多樣化[28]。秸稈覆蓋處理對植物生長的影響表現(xiàn)出不規(guī)律性，可能是由于本研究采用表面覆蓋秸稈的方式且覆蓋時間較短，以致減緩了秸稈降解的速度[29]；因此本研究中秸稈覆蓋主要是通過對微環(huán)境的改變影響植物生長。有研究表明，秸稈覆蓋能對土壤保溫保濕，促進(jìn)植物生長[30]。

3.2 接種AM 真菌、土壤干擾和秸稈覆蓋對蒺藜苜蓿磷含量的影響

接種AM 真菌提高了蒺藜苜蓿對磷的吸收效率，雖然不同的AM 真菌對植物磷吸收的促進(jìn)效應(yīng)有差異，但總體上接種AM真菌有利于植物對土壤養(yǎng)分的吸收和利用[31]。土壤干擾降低了植物對磷的吸收，這個結(jié)果與Xomphoutheb等[32]的研究相似，他們發(fā)現(xiàn)免耕能提高作物對土壤中磷的吸收。秸稈覆蓋并未影響蒺藜苜蓿對磷的吸收，原因如前所述，本研究中秸稈覆蓋釋放的養(yǎng)分較少，在促進(jìn)植物養(yǎng)分吸收方面影響較小。另外Hasbullah 等[33]報道，秸稈類型也可以影響植物對磷的吸收，如未成熟的蠶豆秸稈覆蓋促進(jìn)植物對磷的吸收，而成熟的蠶豆(Vicia faba)秸稈和鷹嘴豆(Cicer arietinum)秸稈覆蓋則降低了植物對磷的吸收。

3.3 土壤干擾、秸稈覆蓋對AM 真菌菌絲長度的影響

研究表明，土壤干擾可影響AM真菌孢子數(shù)量、組成和多樣性[34-35]，破壞土壤中AM 真菌菌絲網(wǎng)[36]，從而影響AM真菌對植物的侵染。本研究中，土壤干擾未影響AM真菌菌絲長度，表明其未影響AM真菌對蒺藜苜蓿的侵染，這和前人的報道相反[37-40]，具體原因還需后續(xù)試驗進(jìn)行探究。秸稈覆蓋對AM真菌菌絲長度的影響因不同接菌處理而異，僅對混合接種處理的土壤菌絲長度有顯著提高，形成此結(jié)果的原因可能是覆蓋時間較短，差異性還未顯現(xiàn)。

3.4 接種AM 真菌、土壤干擾和秸稈覆蓋對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的影響

研究表明，耕作及秸稈覆蓋均可顯著影響土壤團(tuán)聚體的形成及分布[13]。本研究進(jìn)一步明確了不同AM真菌、秸稈覆蓋和土壤干擾均可影響土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的組成，且三者對0.25～0.5 mm 直徑土壤團(tuán)聚體的影響存在交互效應(yīng)。不同AM真菌對不同直徑的土壤團(tuán)聚體有不同影響，表明不同的AM 真菌對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成，具有不同的作用[41]。AM真菌對0.25～2 mm 直徑土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體形成均有顯著的影響，卻不能影響<0.25 mm 粒徑的土壤團(tuán)聚體，這說明AM真菌的菌絲及菌絲分泌物可能對直徑>0.25 mm 的土壤顆粒具有更好的粘附作用[42]。秸稈覆蓋對0.25～0.5 mm 直徑的土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成有顯著影響，這是由于秸稈中與土壤團(tuán)聚體形成密切相關(guān)的碳含量高且較易分解[43]。莫艷華等[44]研究表明，室內(nèi)條件下，外加營養(yǎng)源5 d 即可顯著影響>0.25 mm 直徑土壤團(tuán)聚體的組成。土壤干擾會直接改變土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的分布以及相關(guān)碳含量，也可能通過改變土壤中微生物如AM 真菌的群落結(jié)構(gòu)間接影響土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體[40]。因此，選擇合適的AM真菌、減少土壤干擾和增加秸稈覆蓋，對改善土壤結(jié)構(gòu)具有積極的意義。

4 結(jié)論

AM真菌和蒺藜苜蓿的不同組合對干擾和秸稈覆蓋的響應(yīng)存在差異性。土壤干擾對蒺藜苜蓿的生長和磷吸收具有負(fù)作用，AM真菌和秸稈覆蓋促進(jìn)了蒺藜苜蓿生長和磷吸收。土壤干擾、秸稈覆蓋和AM 接種對土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體的形成的影響，因土壤水穩(wěn)性團(tuán)聚體顆粒直徑大小而異。可通過免耕、秸稈還田及適宜的AM真菌菌劑改善土壤結(jié)構(gòu)、減少水土流失和提高作物產(chǎn)量。