不同種植密度下叢枝菌根真菌對玉米磷吸收的影響

張曉飛, 李 偉, 楊 珊, 姚國慶, 朱文東, 肖京京，鄭 婷, 曹 寧*, 馮 固

(1吉林大學植物科學學院，吉林長春 130062;2生物多樣性與有機農業北京市重點實驗室，中國農業大學資源與環境學院，北京 100193)

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不同種植密度下叢枝菌根真菌對玉米磷吸收的影響

張曉飛1, 李 偉1, 楊 珊1, 姚國慶1, 朱文東1, 肖京京1，鄭 婷1, 曹 寧1*, 馮 固2

(1吉林大學植物科學學院，吉林長春 130062;2生物多樣性與有機農業北京市重點實驗室，中國農業大學資源與環境學院，北京 100193)

【目的】利用土著叢枝菌根真菌(arbuscularmycorrhizalfungi，AM真菌)與作物形成互惠互利的共生關系提高作物對土壤磷的利用效率是解決農業生產中磷供需矛盾的主要途徑之一，本研究在大田玉米不同種植密度條件下，研究AM真菌對玉米根系的侵染及磷吸收作用，為揭示集約化玉米高效獲取磷的機理提供理論依據。【方法】以大田作物玉米的兩種種植密度(5×104plants/hm2和9×104plants/hm2)體系為研究對象，在田間原位埋設PVC管裝置，通過測定菌絲生長室中的菌絲密度和有效磷耗竭來確定不同種植密度體系條件下AM真菌對玉米磷吸收的作用。【結果】相對于低密度種植群體，高密度群體顯著降低了玉米拔節期土壤有效磷的耗竭量，同時增加了玉米地上部的磷含量，即磷吸收效率，增幅達20%; 在玉米拔節期，增加種植密度使根際的根外菌絲生物量(菌絲密度)降低了4%，而非根際土壤中的根外菌絲生物量(菌絲密度)增加了37%; 高密度玉米種植密度群體中AM真菌的根外菌絲對土壤有效磷耗竭的貢獻增加了22%。【結論】集約化玉米生產中土著AM真菌依然幫助植株從土壤中吸收有效磷; 高密度體系下玉米對磷的吸收更加依賴于AM真菌。高密度種植增加AM真菌對玉米的侵染、 根外菌絲量和對土壤有效磷的吸收。

玉米; 有效磷; 叢枝菌根真菌; 種植密度

磷是不可再生資源，我國是世界上磷肥最大的消費國[1]，但磷肥的當季利用率很低，導致了土壤磷的累積，既造成磷資源的浪費又嚴重威脅環境質量[2-3]。因此，提高土壤磷高效吸收利用的根際過程成為植物營養學的研究熱點之一。

根際微生物能夠溶解和礦化土壤中的難溶性無機態或有機態的磷酸鹽[4]，進而提高作物對磷素的吸收利用[5]。其中，叢枝菌根真菌(arbuscularmycorrhizalfungi，以下簡稱為AM真菌)可與作物根系建立共生關系[6]，接種AM真菌可以顯著改善玉米的養分吸收狀況，提高根系活力和吸收能力，促進玉米根系生長，提高玉米根內生長素含量，使玉米增產[7-9]。

種植密度決定著農田的群體大小和作物產量，對作物根系的形態特征有顯著的影響[10]。高密度玉米(密度大于7×104plants/hm2)生產模式在我國東北主產區普遍推廣，可顯著提高玉米單產。高密度栽培也顯著改變了地下根系的群體特征，使根密度和根系總生物量增加[10]。然而，根系形態特性的改變是否影響AM真菌的侵染以及其對玉米磷營養是否有貢獻等方面的研究報道甚少。本試驗選取兩個玉米種植密度體系，探討了不同種植密度條件下玉米根際過程差異及田間原位條件下根際AM真菌侵染及對土壤磷吸收的影響，為揭示集約化玉米高效獲取磷的機理提供理論依據。

1　材料與方法

1.1試驗地概況

1.2試驗設計

供試土壤為黑土，有效磷含量35.04mg/kg。使用前土壤經高壓蒸汽滅菌處理(壓力101.3kPa，溫度135℃，滅菌2h)。玉米品種為鄭單958。種植密度分別為5×104plant/hm2(50K)和9×104plant/hm2(90K)。小區面積為84m2。

原位條件下根際AM真菌變化情況采用田間埋放PVC管裝置的方法進行研究。

PVC管裝置: 所用PVC管裝置的規格為直徑10cm，長度6.5cm，PVC管兩端各有1cm緩沖區。任意一端用孔徑為30μm的尼龍網封住，然后用滅菌的土壤填裝，每個裝置約500g土壤，填裝完成后，再將PVC管的另一端也用孔徑為30μm的尼龍網封住，以阻止玉米根系進入PVC管裝置，但不影響土壤中AM真菌菌絲的進入。

田間埋設PVC管裝置: 玉米出苗后30d后，生長至拔節期(7月6日)時，在兩個試驗小區中，隨機各選取一株長勢一致的玉米植株，在其一側(行間)距地上部基部15cm處挖深度為25cm坑，埋設PVC管裝置。在玉米乳熟期(9月1日)收獲PVC管裝置。埋設PVC管裝置如圖1所示。

1.3樣品采集

在玉米乳熟期，將埋設在田間的PVC管裝置收獲，舍棄PVC管裝置兩端的1cm緩沖區，收集裝置內土壤并風干。一部分用作菌絲密度的測定，另一部分經粉碎過1mm篩后用于土壤Olsen-P含量的測定。

圖1　PVC管裝置及田間處理示意圖Fig.1　The schematic diagram of the PVC device and treatments in field

1.4測定項目和方法

土壤Olsen-P含量用0.5mol/LNaHCO3浸提，鉬銻抗比色法測定[12]。在本試驗條件下，填裝在PVC管裝置的供試土壤的Olsen-P含量為35.04mg/kg，作為PVC管裝置中土壤Olsen-P含量的初始值。乳熟期收獲PVC管裝置后測定其土壤Olsen-P含量。PVC管裝置中土壤Olsen-P含量的耗竭量用該裝置中初始土壤Olsen-P含量與收獲后土壤Olsen-P含量之差表示。

菌絲密度的測定采用Jakobsen等[13]的真空泵微孔濾膜抽濾方法。

根系侵染率的測定: 取鮮根系，切成1cm左右的根段，依次經過透明、 酸化、 染色、 脫色，然后選取30條根段，制片，鏡檢。根據根段中菌根侵染強度(0、 <10%、 <50%、 >50%、 >90%)和叢枝豐度(0、 <50%、 >50%)的標準，定義每一條根段，然后通過“MYCOCALC”軟件，計算出M%和A%等參數[14]。M%表示整個根系中AM真菌結構形成的強度，A%表示在整個根系中叢枝結構形成的豐度。

1.5數據處理

試驗數據均采用Excel進行整理，Sigmaplot軟件作圖; 用SPSS統計軟件進行方差分析，LSD法檢驗差異顯著性。

2　結果與分析

2.1種植密度對玉米拔節期土壤Olsen-P含量及菌絲密度的影響

非根際土壤Olsen-P含量與根際土壤Olsen-P含量的差值作為Olsen-P含量耗竭量(用△Olsen-P含量表示)。在拔節期，高密度種植體系對土壤Olsen-P含量的耗竭量顯著高于低密度處理(表1)。

菌絲密度在一定程度上表征AM真菌的生物量，土壤中AM真菌根外菌絲體的量預示著AM真菌的侵染效應[15]。由表1可以看出，種植密度和生育期對根際和非根際土壤中菌絲密度沒有顯著影響。

2.2種植密度對不同生育時期的地上部生物量和磷含量的影響

有研究表明，玉米干物質在拔節期以前積累很少，主要在大喇叭口期和吐絲期之后[16]。由圖2A可知，高密度種植的玉米吐絲期地上部生物量比拔節期高214%，低密度種植吐絲期的地上部生物量比拔節期高了321%(圖2A)。種植密度亦影響玉米產量，低密度種植的產量比高密度高33%(圖2A)。

由圖2B可知，高密度群體的地上部磷含量吐絲期比拔節期高145%，低密度群體的地上部磷含量吐絲期比拔節期高214%。拔節期高密度群體的地上部磷含量比低密度群體高55%，吐絲期高密度群體的地上部磷含量比低密度群體高20%。

表1　不同種植密度下Olsen-P含量和菌絲密度(拔節期)Table 1　Olsen-P concentration and hyphae length density in different planting density at the V6 stage

注(Note): 同列數據后不同字母表示不同種植密度間差異達5%顯著水平Valuesfollowedbydifferentlettersinacolumnaresignificantbetweendifferentdensitiesatthe5%level.

2.3種植密度對不同生育時期根系侵染率的影響

圖3　種植密度對根系侵染強度(A)和叢枝豐度(B)的影響Fig.3　Effect of the planting density on the mycorrhizal colonization rate (A) and arbuscular abundance of maize roots (B)

2.4種植密度對AM真菌根外菌絲量及土壤Olsen-P耗竭的影響

菌絲密度表征AM真菌根外菌絲量[15]。安裝PVC管裝置的目的是定量測定原位條件下玉米根周圍定殖的根外菌絲量的變化及其對土壤Olsen-P的吸收。從圖4中可以看出，種植密度顯著影響AM真菌根外菌絲量的生長。高密度和低密度種植體系下每克土壤根外菌絲長度分別為20.32m和14.61m，高密度群體的根外菌絲密度比低密度群體高39%，差異顯著。PVC管裝置中土壤Olsen-P的耗竭體現菌絲對土壤磷的吸收量。由圖4可知，高密度和低密度種植體系下的Olsen-P耗竭量分別為21.4mg/kg和17.5mg/kg，高密度群體下的AM真菌耗竭Olsen-P量比低密度群體耗竭量高22%。

圖4　種植密度對AM真菌菌絲密度和Olsen-P耗竭的影響Fig.4　Effects of the planting density on hyphae length density of AM fungi and olsen-P depletion

[ 注(Note): 柱上不同字母表示不同密度之間差異達5%顯著水平Differentlettersabovethebarsindicatesignificantlydifferentbetweendifferentdensitiesatthe5%level.]

3　討論

3.1種植密度對根際有效磷濃度的影響

玉米對土壤磷的獲取主要依賴于根系截獲和磷酸根在土壤中的擴散兩種方式，因此根長、 根毛和根外菌絲的數量與磷的吸收存在密切的關系。種植密度和生育時期對春玉米的根體積、 根表面積和根長等形態特征都有一定的影響[17]。與低密度相比，隨著種植密度增加至9×104plants/hm2時，在蠟熟期高密度種植下根系密度顯著減低[18]。然而，根密度的變化與土壤有效磷的利用缺乏定量分析。本研究結果表明，在拔節期，高密度群體對土壤Olsen-P含量的耗竭(ΔOlsen-P含量)顯著高于低密度群體的(表1)，這說明盡管低密度群體的單株根系所占的生長空間比較大，但是單位土壤體積內的根長密度較高密度群體低，實際接觸吸收磷的根表面積較小，因此根系對土壤有效磷的耗竭量小于高密度群體。同時，高密度群體玉米地上部生物量和含磷量也顯著大于低密度群體(圖2)，這也加劇了高密度群體根系對土壤有效磷的耗竭。但低密度群體的產量比高密度群體高，這可能是由于: 第一、 高密度群體密度過大，養分總消耗量大，生長后期養分供應不足; 第二、 增加種植密度，田間玉米群體較大，引起倒伏減產。值得注意的是，在拔節期兩種種植密度群體的菌根侵染率和叢枝豐度分別達到24%和8%左右(圖3)，在玉米根系周圍的AM真菌菌絲密度達到8m/g左右(表1)。玉米是菌根依賴性強的植物，AM真菌根外菌絲能夠穿過根際磷的虧缺區域從而吸收到植物根系或根毛無法吸收到的磷[19]。盆栽控制試驗證明AM真菌的侵染能顯著增加玉米對土壤磷的吸收利用[20-21]。大量研究表明，適宜供磷強度下AM真菌能更快、 更有效地增加植物從土壤中獲取磷[21-22]。石灰性土壤上玉米的適宜供磷強度為10mg/kg[23-24]，而本試驗地的土壤速效磷為12mg/kg左右，屬于菌根真菌發揮作用的最佳范圍。因此，上述結果表明在高產的玉米生產體系中存在著大量的土著AM真菌群落，它們對高密度群體玉米對磷的吸收也發揮了一定的作用。

3.2種植密度對AM真菌貢獻率的影響

田間埋設PVC管裝置研究原位AM真菌的變化，其結果顯示，在乳熟期種植密度顯著影響AM真菌根外菌絲在菌絲室中的生長; 與低密度相比，高密度種植下顯著增加了PVC管中的根外菌絲量，增量為5.71m/g，與此同時，菌絲室中速效磷含量比初始值大幅度減少(圖4)。已往很多研究者認為AM真菌在高投入的作物生產體系中沒有作用，這種結論大都是基于田間條件下接種菌根菌劑沒有顯著接種效應的試驗而得出的。然而本研究結果表明，在農田中存在著大量的土著AM真菌。無論是高密度還是低密度玉米種植群體中，土著AM真菌在拔節期和吐絲期對玉米均有較高的侵染率，并且對玉米高效獲取磷具有顯著貢獻。因此，土著AM真菌的這些作用在集約化玉米生產的養分管理中應加以考慮。

本研究初步揭示了田間土著AM真菌根外菌絲量的變化及其對土壤有效磷的吸收，但是仍無法定量確定根外菌絲吸收的有效磷占玉米吸收總磷的比例，這些問題均有待進一步研究。

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EffectofarbuscularmycorrhizalfungionPuptakeofmaize(ZeamaysL.)underdifferentgrowingdensity

ZHANGXiao-fei1,LIWei1,YANGShan1,YAOGuo-qing1,ZHUWen-dong1,XIAOJing-jing1,ZHENGTing1,CAONing1*,FENGGu2

(1 College of Plant Sciences, Jilin University, Changchun 130062, China;2 Beijing Key Laboratory of Biodiversity and Organic Farming/China Agricultural University, Beijing 100193, China)

【Objectives】ImprovingsoilPutilizationefficiencyforcropbyusingarbuscularmycorrhizalsymbiosisisoneofeffectivewaystosolvecontradictionbetweensupplyanddemandofphosphorusresourceinthecropproduction.However,studiesonmycorrhizalcolonizationandphosphorusuptakeofmaizewithdifferentgrowingdensityinfieldhavebeenlessconcerned.【Methods】Afieldexperimentwasconductedwithtwoplantingdensities(5×104plants/hm2and9×104plants/hm2)ofmaize(Zea maysL.).PVCpipeswereinsertedaroundmaizeroots,andphosphorusdepletionandhyphaelengthdensityofsoilinthePVCcompartmentweredeterminedtotesteffectsofarbuscularmycorrhizalfungionphosphorusuptakeofmaize. 【Results】AttheV6stage,theOlsen-Pdepletionwassignificantlyreducedwhentheplantingdensitywasincreased,whiletheincrementoftheshootPcontent(Pabsorptionefficiency)wasupto20%.Withtheincreaseoftheplantingdensity,theextraradicalhyphaelengthdensityintherhizospherewasdecreasedby4%attheV6stage,whilethehyphaedensityinthebulksoilwasincreasedby37%.ThecontributionofextraradicalhyphaetoOlsen-Pdepletionwassignificantlyincreasedby22%underthehigherplantingdensitycondition.【Conclusions】TheseresultsindicatedthatPuptakeofmaizewasdependentonAMsymbiosiswhentheplantingdensitywasincreased,becauseofthemycorrhizalcolonization,extraradicalhyphaedensityandPuptakeweresignificantlyenhanced,comparingtothelowplantingdensity.Keywords:maize;Olsen-P;arbuscularmycorrhizalfungi;plantingdensity

2014-07-01接受日期: 2014-12-19網絡出版日期: 2015-05-13

國家自然科學基金(31101606); 教育部博士點基金(20120008130001)資助。

張曉飛(1990—)，女，河南林州人，碩士研究生，主要從事磷養分高效利用研究。E-mail:zimeng19900202@163.com

E-mail:caoningjn@163.com

S154.38+1;S513.01

A

1008-505X(2016)01-0263-06