接種AM真菌和施氮對還田稻稈氮素釋放和小麥產量的影響

賈艷艷,楊文飛,杜小鳳,王偉中,文廷剛,孫愛俠,諸 俊,顧大路

(江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所,江蘇 淮安 223001)

叢枝菌根(Arbuscular mycorrhizal, AM)真菌廣泛分布于森林、草原、農田等生態系統中,能與80%以上的陸生植物形成共生體,是土壤微生物區系中與農業生產關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完成自身的生長;同時AM真菌通過調控土壤中有機質等養分的礦化來促進其宿主植物吸收營養元素、增強其抗逆性[3,4]。因而對AM真菌在農業生產中的作用研究備受關注。

氮素是作物高產的關鍵元素之一。近年來,越來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。宋福強等研究發現施加AM真菌菌劑可顯著增加大豆根系及根際土壤中的優勢菌群數量[5],提高大豆根際土壤脲酶、過氧化酶的活性,增強大豆的固氮能力[6]。室內培養實驗結果顯示,接種AM真菌菌劑能夠顯著提高玉米氮同化關鍵酶的活性,促進宿主植物對銨態氮的利用[7]。Kong X等的研究結果顯示：在中等土壤養分環境中,AM真菌通過增大菌絲密度和硝酸還原酶的活性顯著促進了車前草根際土壤中有機質的礦化速率[8]。

土壤中的氮素主要以有機態氮的形式存在,無機氮僅占土壤總氮的1%,大多數氮素必須經過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氮[9]。作物秸稈是農作物的主要副產品,含有豐富的有機資源[10,11]。礦化的秸稈組分能夠促進土壤養分循環,提高氮素利用率[12-14]。研究發現接種AM真菌能夠促進還田稻稈等有機物料的分解,促進土壤生態系統中有機質的養分釋放[8,15,16]。Jannoura等研究顯示AM真菌對有機質的礦化與土壤氮素含量有關,當土壤氮素供應不足時,豌豆菌根真菌對有機質的礦化速率顯著降低[17]。目前就如何利用AM真菌促進還田秸稈的礦化？如何合理配施AM真菌與氮肥以促進作物對氮素的吸收利用還缺乏深入研究。

本試驗參考本地稻-麥輪作制,以小麥為宿主植物,在稻麥輪作試驗田通過接種AM真菌與不同水平氮素配施,研究了不同施肥量下AM真菌對還田稻稈氮素釋放量、土壤酶活性，以及小麥產量、產量構成因素及氮肥利用效率的影響，旨在為作物生產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和技術支持。

1 材料與方法

1.1 供試材料與試驗設計

采用大田試驗的方法,試驗在江蘇徐淮地區農業科學研究所實驗基地進行。供試土壤為壤土,肥力中等，土壤(0 ～20 cm土層)有機質含量為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、對秸稈分解促進作用最明顯的摩西球囊霉Glomusmosseae菌劑[15]。菌種購買自北京市農林科學院植物營養與資源研究所。菌種預先經高粱盆栽繁殖；接種的菌劑含有擴繁后產生的相應基質以及AM真菌孢子、根外菌絲和植物根段,每克菌劑含有10 ～ 20個孢子。供試小麥品種為淮麥20號,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道的水稻草谷比,以中量級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0、250、260和270 kg/hm2四個水平(以尿素為氮源),基追比例為5∶5(苗肥∶拔節肥∶孕穗肥=5∶1.5∶3.5),追肥于拔節期和孕穗期施入。其中270 kg/hm2為參考淮安當地小麥高產栽培肥料運籌方案數據制定,為正常高產施肥對照;260 kg/hm2和250 kg/hm2為氮肥減施處理;以不施用氮肥為空白對照。小麥播種時設接種GM菌劑(GM)和不接種GM菌劑(NGM)兩個接菌水平。總計8個處理(4個氮肥水平×2個接菌水平),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)。每個處理設3個重復,共設24個小區。小區面積為9 m2(3 m×3 m),隨機區組設計。每小區施磷肥(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,將菌劑與小麥種子混合,其中小區施加菌劑量為1000 g/小區。在小區之間設置1 m保護行,并用厚度為2 mm的防水材料圍隔。

1.2 田間取樣與測定方法

分別于越冬期(播種后80 d)、拔節期(播種后145 d)和成熟期(播種后220 d)采用五點取樣法取小麥根際0～20 cm土層土樣,過1 mm分樣篩,裝入自封袋混勻,用于測定與氮素轉化相關的土壤酶活性;同時挑出未腐秸稈,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,用于測定全氮含量。

于小麥成熟期在各小區取1 m2小麥人工脫粒,曬干后測定實際產量,同時調查穗粒數、千粒重等產量構成因素。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,測定氮含量和干物質重量,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定;小麥植株和秸稈全氮含量采用半微量凱氏定氮法測定。土壤氮素轉化相關的酶活性的測定采用分光光度計法。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]；轉化酶IU的定義為1 g土樣1 h分解產生1 mg葡萄糖所需的酶量[21]。

室內實驗在江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所作調中心實驗室進行,所用溶液和化學試劑均為國藥分析純。

1.3 計算方法

稻稈氮積累量、氮釋放量、小麥吸氮量、氮肥農學效率及氮肥利用效率等的計算公式如下:

秸稈氮積累量(kg/hm2) =未腐解秸稈干物質量×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) =植株干物質積累量×植株含氮量;

氮肥農學效率(kg/kg) =(施氮區籽粒產量-不施氮區籽粒產量)/施氮量;

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

1.4 數據處理

對試驗數據采用Microsoft Excel 2010和SPSS軟件進行統計分析,在5%水平下用LSD Duncan法檢驗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狀況的重要指標。在小麥收割后取其地下須根，測得的根系侵染率數據(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;說明氮肥施用量在260 kg/hm2和250 kg/hm2時最有利于摩西球囊霉菌的定殖,氮肥量過高或過低均不利于共生菌根系統的形成。但與前期室內盆栽研究結果[15]相比,本試驗的侵染率有所降低，這可能是因為大田環境復雜,土壤中水分、pH值及其他組分含量會影響菌根真菌定殖的穩定性。所有不接菌處理的小麥根系菌根真菌也有檢測出侵染,但侵染率均不足10%,這是因為叢枝菌根真菌在自然環境下也有生存分布,但含量較低。

表1 不同施氮量與接種AM真菌處理對小麥根系菌根侵染率的影響

2.2 接種AM真菌和施肥量對各時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,隨小麥生育進程的推進,秸稈氮釋放量呈先增后減再增的變化趨勢,以拔節期釋放量最低,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69.3%。

OS為越冬期；JS為拔節期；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真菌和施肥量對土壤酶活性的影響

由表2數據可知,隨著施肥量的增加,土壤酶活性總體表現為逐漸增強,接菌處理的酶活性大于相對應的不接菌處理;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、轉化酶活性均分別顯著高于NGM250、NGM260和NGM270處理的。說明接種摩西球囊霉菌能促進脲酶、蛋白酶等與土壤氮素轉化相關胞外酶的分泌,進而可能加快小麥根系周圍含氮有機化合物的水解與轉化。

表2 不同施氮量與接種AM真菌處理下土壤酶活性 IU

注：同列數據后不同小寫字母表示處理間差異顯著(P<0.05)。下同。

2.4 接種AM真菌和施氮量對小麥籽粒產量的影響

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

在不同施氮水平的接菌處理中,小麥的穗粒數在GM260處理下達最高值,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、產量分別顯著高于NGM250、NGM260處理,而GM270與NGM270處理間的產量無顯著差異。GM260處理下的小麥產量與GM270處理下的產量(7757.29 kg/hm2)接近,且無顯著差異，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量、產量構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結果顯示,接種AM真菌處理對氮肥吸收效率和農學效率的促進作用顯著,在GM250和GM260處理下的小麥氮肥吸收效率和農學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,當施氮肥水平為260 kg/hm2時,接種摩西球囊霉菌菌劑更適合小麥吸收氮素。將稻稈歸還農田,適當降低施肥量并合理接種菌根真菌菌群可在保障小麥產量的同時提高氮肥利用效率。

3 討論與結論

近年來,越來越多的研究顯示，接種AM真菌能通過調節植物根際土壤微生物群落結構[5,22]和促進土壤酶的分泌[6-8,23]改善宿主植物的土壤氮素供給狀況。研究發現：AM真菌對有機質的礦化與土壤氮素含量有關；在中等營養土中接種AM真菌能夠顯著促進土壤胞外酶的活性，從而加快有機質的礦化[8]；而當土壤氮素供應不足時,AM真菌對有機質的礦化速率顯著降低[17]。本試驗結果顯示：在兩個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真菌對稻稈氮素釋放量的影響不顯著,說明250～260 kg/hm2氮肥量下的土壤養分環境適合AM真菌對還田稻稈的礦化作用。

土壤酶是土壤中動植物殘體分解、植物根系分泌和土壤微生物代謝的產物,直接參與了土壤營養元素的生物化學催化過程,其活性可以在一定程度上反映土壤養分轉化的動態變化[24,25]。脲酶和蛋白酶均屬于水解酶,脲酶能促進土壤中含氮有機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質中的肽類分解為氨基酸,是植物氮素營養的重要來源[27]；硝酸還原酶是氮素代謝中的關鍵酶之一,其活性的大小直接影響到植物對土壤中硝態氮的利用[28]。因此研究秸稈還田后接種AM真菌對小麥根際土壤中上述3種酶活性的影響,對明確小麥氮素吸收機制具有一定的指導意義。在本研究中，接種AM真菌顯著促進了3種酶的活性,這與Zhang等[29]、宋富強等[5,6]、Kong等[8]、Jia等[23]的研究結果一致;但隨著施肥量的增加,土壤酶活性呈現下降趨勢,這可能與高氮肥量抑制了AM真菌菌絲的生長有關[30],但其具體的作用機制還有待進一步研究。

本研究發現，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學效率顯著高于其他處理組合的,而且小麥的產量與270 kg/hm2肥量下的產量相當，說明在參照270 kg/hm2氮肥量標準情況下,稻稈還田后通過接種AM真菌同時合理配施260 kg/hm2氮肥(基追比例為5∶5),淮麥20號小麥在減施氮肥情況下可達同樣的產量水平。

綜上所述，在本試驗的稻稈還田條件下,當施氮肥水平為260 kg/hm2時,接種摩西球囊霉菌劑能夠促進蛋白酶、脲酶等與土壤氮素轉化相關的胞外酶的活性,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，并保障小麥的產量。