叢枝菌根(AM)對(duì)水稻生長(zhǎng)促進(jìn)及化肥減量研究

張淑娟，王 立，馬 放，李世陽(yáng)，張 雪，吳潔婷

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，哈爾濱150090，wli@hit.edu.cn)

農(nóng)業(yè)面源污染是我國(guó)地表水體產(chǎn)生富營(yíng)養(yǎng)化的主要原因，因其影響范圍廣、難于控制一直是環(huán)境治理領(lǐng)域的難題［1-3］.近年來(lái)隨著糧食需求的不斷增加，為獲得農(nóng)作物高產(chǎn)，往往在農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中施加大量的化肥，這些化學(xué)產(chǎn)物的當(dāng)季利用效果較差，氮、磷、鉀肥當(dāng)季利用率分別為30%～35%，10%～25%，35%～50%［4］.大部分沒(méi)有被利用的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失于土壤、水體和空氣中，并在灌溉與降水的淋溶與遷移作用下通過(guò)地表徑流進(jìn)入受納水體，形成嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染［3］.

叢枝菌根(Arbuscular mycorrhiza，AM)作為植物根系和叢枝菌根真菌所建立的共生系統(tǒng)，能夠有效增強(qiáng)作物的物質(zhì)生產(chǎn)和抗病能力，因此廣泛應(yīng)用于園藝［5］、林木［6-7］、藥材［8-9］等方面.近年來(lái)，AM在“綠色肥料”和“綠色農(nóng)藥”開(kāi)發(fā)方面的巨大潛力日益引起人們的重視［10-13］.一方面，AM可通過(guò)增加根際土壤中微生物的數(shù)量［14-15］、促進(jìn)作物對(duì)中微量營(yíng)養(yǎng)元素的吸收［16］、改善植物的碳、氮、磷素營(yíng)養(yǎng)狀況［17-20］等途徑促進(jìn)植物的生長(zhǎng)，減少化肥的施用量;另一方面AM通過(guò)提高作物的抗病蟲(chóng)害能力［21-22］，減輕化學(xué)殺蟲(chóng)劑的環(huán)境施入負(fù)荷.AM的優(yōu)良特性能夠在保證作物豐產(chǎn)的同時(shí)，減少化肥和殺蟲(chóng)劑等面源污染物的施用量，減輕對(duì)農(nóng)產(chǎn)品、地下水以及地表水資源的污染程度，是新型生態(tài)農(nóng)業(yè)的發(fā)展方向，并有望成為農(nóng)業(yè)面源污染源頭減量的有效生物技術(shù).

水稻作為世界上最重要的糧食作物之一，其生產(chǎn)帶來(lái)的農(nóng)業(yè)面源污染也極其嚴(yán)重.此外，作為典型的濕生作物，水稻種植環(huán)境的特殊性更易導(dǎo)致最為嚴(yán)重的面源污染物擴(kuò)散問(wèn)題［23-25］.基于此，本試驗(yàn)選用水稻為試驗(yàn)材料，研究叢枝菌根對(duì)其生長(zhǎng)繁殖的影響，藉以揭示叢枝菌根在農(nóng)業(yè)面源污染化肥減量過(guò)程中可能發(fā)揮的重要作用.

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗(yàn)在城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)基地進(jìn)行.

氣候條件:哈爾濱市位于北緯45°40′的寒溫帶地區(qū)，本試驗(yàn)在作物生長(zhǎng)季5月到9月進(jìn)行，此季哈爾濱歷年平均氣溫為20.8℃，歷年變化為19.4～22.4℃;平均降水為379 mm;歷年變化為197.5～633.7 mm.

供試菌劑:供試AMF為廣適菌種——摩西球囊霉Glomus mosseae(G.mosseae).

供試基質(zhì):以田間土壤、沙、蛭石(2∶5∶3)混合配制的營(yíng)養(yǎng)土為栽培基質(zhì).田間土壤pH值為7.7，全氮6.75 g/kg，全磷13.07 g/kg.

盆栽試驗(yàn):盆缽高30 cm，盆口直徑34 cm，盆底直徑18 cm.移栽試驗(yàn)樣本前用0.1%的高錳酸鉀溶液浸泡30 min，5 h后加入相應(yīng)基質(zhì)8 kg.

供試植物:選用農(nóng)作物水稻(Oryza sativa L.)，品種為合粳1號(hào)，種子來(lái)于黑龍江省農(nóng)科院.種子用水浸泡24 h后，30℃保濕催芽.待芽長(zhǎng)至1 cm左右時(shí)，篩選芽長(zhǎng)基本一致的水稻種子均勻的撒在長(zhǎng)條花盆中，表面覆土約2 cm每天早晚澆水兩次.待幼苗長(zhǎng)至3葉期移栽到盆缽中進(jìn)行試驗(yàn).

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置AMF空白基質(zhì)、自然基質(zhì)和AMF強(qiáng)化基質(zhì)3種基質(zhì)條件.空白基質(zhì)在壓力(0.15 MPa)、溫度(121℃)條件下蒸氣滅菌2 h.AMF強(qiáng)化基質(zhì)條件中每盆接種有效菌劑140 g，在自然基質(zhì)和空白基質(zhì)中添加140 g菌劑的濾紙濾液，以保證3個(gè)實(shí)驗(yàn)條件除菌根真菌以外微生物群落的一致性.每個(gè)基質(zhì)條件設(shè)置3個(gè)重復(fù).所有基質(zhì)灌水至盆底有水溢出，2 d后移栽水稻幼苗，每盆20穴，每穴3株.花盆底部的閥門(mén)控制水稻的灌水和退水，水分按當(dāng)?shù)馗弋a(chǎn)栽培要求進(jìn)行控制.

1.3 調(diào)查項(xiàng)目及測(cè)定方法

AMF侵染率:待幼苗生長(zhǎng)7周后，隨機(jī)選取各條件中1～2 cm長(zhǎng)根尖進(jìn)行染色［26］，每個(gè)重復(fù)觀察100個(gè)根段.

AMF侵染率(%)=(侵染根段數(shù)/觀察根段數(shù))×100%［26］.

千粒重:200粒籽實(shí)稱得重量×5，重復(fù)5次測(cè)得千粒重.

總生物量:地下部分洗凈泥土并用濾紙吸干表面水分后和地上部分105℃殺青5 min后60～80℃烘干至恒重，稱量得地上、地下生物量，兩部分之和為總生物量.

菌根依賴性=AMF強(qiáng)化水稻總生物量/AMF空白水稻總生物量×100%.

根總表面積:美國(guó)Micromeritics公司生產(chǎn)的ASAP2020型比表面積與孔徑分析儀，測(cè)得BET比表面積.根總表面積=根比表面積×地下生物量.

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基質(zhì)條件下AMF的定殖情況

為了確定各基質(zhì)條件水稻根部AMF的侵染及產(chǎn)孢情況，在幼苗移栽的7周后對(duì)水稻根部進(jìn)行了染色、鏡檢，結(jié)果見(jiàn)圖1.計(jì)算各基質(zhì)條件下AMF對(duì)水稻根部的侵染率，結(jié)果見(jiàn)圖2.

由圖1可知，不同基質(zhì)條件下水稻根部在生長(zhǎng)7周時(shí)已呈現(xiàn)明顯的AMF侵染分異.由圖1、2可知，AMF空白基質(zhì)中水稻根部沒(méi)有AMF孢子和菌絲的存在，侵染率為0%;自然基質(zhì)中水稻根部被侵染的部分與AMF強(qiáng)化基質(zhì)的相比孢子和菌絲數(shù)量較少，侵染率為25±1.024 9%;AMF強(qiáng)化基質(zhì)中孢子數(shù)量較多，且菌絲粗壯、顯微鏡下觀察較清晰，侵染率高達(dá)42±2.003 6%，比自然基質(zhì)的高68%.自然基質(zhì)中水稻根部的侵染源于土壤中土著AMF孢子的存在，因此侵染率較低，且菌絲細(xì)弱.AMF強(qiáng)化基質(zhì)中接入的菌劑內(nèi)含有大量孢子、菌絲、菌根根段或(和)孢子果等繁殖體，這些高活性的繁殖體同土壤中的土著AMF孢子對(duì)水稻根系形成強(qiáng)勢(shì)侵染，因此侵染率較高.

圖1 不同基質(zhì)條件下AMF的定殖情況

圖2 不同基質(zhì)條件下水稻根部AMF侵染率

2.2 AMF接種對(duì)水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的影響

2.2.1 AMF接種對(duì)水稻株高的影響

水稻株高是反映水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)狀況最直觀的指標(biāo).試驗(yàn)于水稻生長(zhǎng)的第15天，60天，75天，95天，105天測(cè)量了各基質(zhì)條件下水稻的株高，結(jié)果見(jiàn)圖3.

圖3 AMF接種對(duì)水稻株高的影響

如圖3可知，AMF強(qiáng)化基質(zhì)中水稻株高在15 d后與AMF空白基質(zhì)和自然基質(zhì)中培育的相比，分別提高24.5%、20.6%.表明在強(qiáng)化基質(zhì)中，AMF與水稻根部在第15天時(shí)便形成了良好的共生關(guān)系.AM共生結(jié)構(gòu)的形成，可有效促進(jìn)作物對(duì)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的吸收，促進(jìn)作物生長(zhǎng).AMF空白基質(zhì)和自然基質(zhì)的株高差異不顯著，表明AM共生結(jié)構(gòu)只有達(dá)到一定數(shù)量時(shí)才能發(fā)揮其對(duì)水稻營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)的促進(jìn)作用.

2.2.2 AMF接種對(duì)水稻總生物量和根系總表面積的影響

于水稻生長(zhǎng)季末考察了作物植株的總生物量及根系總表面積，結(jié)果見(jiàn)表1.

表1 AMF接種對(duì)水稻總生物量和根系總表面積的影響

由表1可知，AMF強(qiáng)化基質(zhì)條件下水稻的總生物量較空白基質(zhì)條件和自然基質(zhì)條件分別提高29%和30%.由總生物量計(jì)算水稻菌根依賴性為123%，表明水稻最大生長(zhǎng)量對(duì)摩西球囊霉有一定的依賴性，判定水稻為菌根依賴性作物.另外，3種基質(zhì)條件下水稻具有不同的根系總表面積，自然基質(zhì)與AMF空白基質(zhì)差異不顯著(P＞0.05)，說(shuō)明自然條件下形成的少量菌根結(jié)構(gòu)不能明顯改變根系結(jié)構(gòu)與吸收面積.而AMF強(qiáng)化基質(zhì)條件下根系總表面積較空白基質(zhì)條件和自然基質(zhì)條件分別增大了33.6%、36.6%.大量菌絲的存在擴(kuò)大了水稻根系的總表面積，增加了基質(zhì)中營(yíng)養(yǎng)的空間有效性，使原來(lái)在空間上對(duì)水稻無(wú)效的養(yǎng)分變成有效養(yǎng)分，改善水稻營(yíng)養(yǎng)水平以保證作物旺盛生長(zhǎng).

2.3 AMF接種對(duì)水稻籽實(shí)產(chǎn)量的影響

在水稻臘熟期后對(duì)其進(jìn)行取穗考產(chǎn)，調(diào)查各基質(zhì)條件下水稻的產(chǎn)量，結(jié)果見(jiàn)表2.

表2 AMF接種對(duì)水稻籽實(shí)產(chǎn)量的影響

由表2可知，3種基質(zhì)條件下水稻的千粒重和穗數(shù)差異不顯著(P＞0.05)，但是穗粒數(shù)差異達(dá)到了極顯著水平(P＜0.01).穗粒數(shù)的大小順序?yàn)锳MF空白基質(zhì)＜自然基質(zhì)＜AMF強(qiáng)化基質(zhì)，自然基質(zhì)的比空白基質(zhì)的高15.4%，AMF強(qiáng)化基質(zhì)分別比 AMF空白基質(zhì)和自然基質(zhì)高15.38%、42%.從籽實(shí)產(chǎn)量來(lái)看，各處理的大小順序同穗粒重，且自然基質(zhì)的比空白基質(zhì)的高13.33%，AMF強(qiáng)化基質(zhì)分別比AMF空白基質(zhì)和自然基質(zhì)高64.6%、45.3%.因此，AMF強(qiáng)化基質(zhì)籽實(shí)產(chǎn)量較高的原因與千粒重?zé)o關(guān)，但與穗粒數(shù)關(guān)系密切(相關(guān)系數(shù)為0.999 3).表明籽實(shí)顆粒是一個(gè)較為穩(wěn)定的生物學(xué)性狀［27-28］，環(huán)境可塑性小，AMF對(duì)作物產(chǎn)量的促進(jìn)是通過(guò)提高結(jié)實(shí)率來(lái)實(shí)現(xiàn)的.

2.4 AMF接種在農(nóng)業(yè)面源污染化肥減量中的作用

通過(guò)對(duì)AMF強(qiáng)化和化肥對(duì)植物生長(zhǎng)促進(jìn)狀況的對(duì)比分析，可知AMF在農(nóng)業(yè)面源污染化肥減量中的作用效果.采用自然基質(zhì)條件和AMF強(qiáng)化基質(zhì)條件生產(chǎn)100 kg水稻所需的化肥量之差來(lái)衡量AMF的強(qiáng)化作用.計(jì)算過(guò)程中涉及到的公式

式中:U強(qiáng)化/U自然為強(qiáng)化/自然條件下化肥當(dāng)季利用率(%);QE強(qiáng)化/QE自然為強(qiáng)化/自然條件下生產(chǎn)100 kg水稻元素需要量(kg);Q強(qiáng)化/Q自然為強(qiáng)化/自然條件下生產(chǎn)100 kg水稻化肥施用量(kg); RU/RQ為強(qiáng)化基質(zhì)條件下水稻總生物量/產(chǎn)量較自然基質(zhì)增加的百分比(%);Q為生產(chǎn)100 kg水稻時(shí)AMF的強(qiáng)化作用(kg);C為削減程度(%).

計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3.

表3 AMF接種在農(nóng)業(yè)面源污染化肥減量中的作用

由表3可知，每生產(chǎn)100 kg水稻，AMF強(qiáng)化條件相對(duì)于自然條件下氮肥、磷肥、鉀肥施用量分別減少3.14，1.88，2.42 kg，削減程度高達(dá)47%.

3 結(jié)論

1)人工強(qiáng)化條件下水稻根部AMF的侵染率與自然基質(zhì)條件相比提高了68%，這不僅突破了濕生環(huán)境AMF接種這一技術(shù)問(wèn)題，還保證了將叢枝菌根用于水稻的科技種田及農(nóng)業(yè)面源污染源頭控制的基本前提.

2)與自然基質(zhì)條件相比，AMF強(qiáng)化使水稻的株高、總生物量、根系總表面積、產(chǎn)量分別提高了20.6%、30%、36.6%、45.3%.說(shuō)明水稻為菌根依賴性植物，計(jì)算其依賴程度達(dá)123%.這一結(jié)論為菌根技術(shù)用于水稻的清潔生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ).

3)人工強(qiáng)化接種AMF能使根系總表面積增加36.6%.根系巨大的總表面積是保證水稻生育后期較大的綠葉面積、較強(qiáng)的光合生產(chǎn)能力及獲得高產(chǎn)的重要條件，因此在農(nóng)業(yè)面源污染控制過(guò)程中對(duì)水稻進(jìn)行AMF人工接種具有重要意義.

4)隨著國(guó)際糧價(jià)全面上漲，特別是國(guó)際大米價(jià)格創(chuàng)出20年來(lái)的最高點(diǎn)，糧食問(wèn)題再次成為一個(gè)熱門(mén)話題.本研究發(fā)現(xiàn)AMF強(qiáng)化應(yīng)用于水稻生產(chǎn)過(guò)程，其產(chǎn)量與自然基質(zhì)相比提高了45.3%.將叢枝菌根用于水稻生產(chǎn)這一舉措，可以在減少化肥的施用量的同時(shí)獲得豐產(chǎn)，避免糧食產(chǎn)量下滑問(wèn)題，保證我國(guó)糧食安全.

5)水稻作為種植面積最大的糧食作物，其生產(chǎn)帶來(lái)的面源污染物流失問(wèn)題極其嚴(yán)重.試驗(yàn)表明每生產(chǎn)100 kg水稻，AMF強(qiáng)化條件與自然條件相比化學(xué)肥料的削減程度可高達(dá)47%，因此可作為新型綠色生物載體應(yīng)對(duì)當(dāng)前日益嚴(yán)重的農(nóng)業(yè)面源污染問(wèn)題.叢枝菌根廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，是有效減少面源污染化肥施入并真正意義上實(shí)現(xiàn)綠色生態(tài)農(nóng)業(yè)的必然發(fā)展趨勢(shì).

致謝:對(duì)黑龍江大學(xué)宋富強(qiáng)老師在菌種篩選過(guò)程中的幫助表示由衷的感謝.

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