菌根共生條件下施加生物炭對(duì)玉米根系及生長(zhǎng)的影響

楊怡森， 袁小會(huì)， 廖國(guó)婷， 馬俊卿， 孫晨瑜， 覃圣峰， 周勛波， 黃京華

(廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院/廣西高校作物栽培學(xué)與耕作學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧 530000)

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)分布最廣泛，且能與植物根系形成共生關(guān)系。研究表明，接種叢枝菌根真菌能夠顯著提高玉米根系活力和吸收能力，對(duì)植物的生長(zhǎng)發(fā)育產(chǎn)生積極的影響，在改善植物水分代謝和提高植物抗逆性中發(fā)揮重要作用。李少朋等研究證明，接種AM真菌可以顯著降低玉米中脯氨酸、可溶性糖的含量從而降低鹽堿化對(duì)玉米的傷害，提高玉米的抗逆性。目前，我國(guó)的化肥使用量已經(jīng)達(dá)到了極限，將菌根作為一種生物菌肥用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)是一種新的發(fā)展方向，通過(guò)AMF與有機(jī)肥的配施來(lái)調(diào)控硝化和反硝化基因的表達(dá)，可以提高植物對(duì)氮素的轉(zhuǎn)化和利用，提高肥料利用率，達(dá)到增產(chǎn)的目的。

生物炭是木材和農(nóng)業(yè)廢棄物在350～600 ℃的無(wú)氧或厭氧條件下熱解的產(chǎn)物，它具有比表面積大、吸附能力強(qiáng)等特點(diǎn)，被用來(lái)改善土壤的通氣條件，提高保水能力和營(yíng)養(yǎng)保持能力，同時(shí)，生物炭也可以提高植物合成生化組分(如蛋白質(zhì)、總糖)的含量，從而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。鄧松華等將生物炭作為種植玉米的基肥，發(fā)現(xiàn)施用生物炭作為基肥的處理相較于不施生物炭的處理來(lái)說(shuō)，玉米的產(chǎn)量有所提高，同時(shí)也改善了土壤的pH值，而施用不同的生物炭含量對(duì)玉米的產(chǎn)量也有一定的影響。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)生物炭在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用和植物-菌根共生的研究已有不少，但在玉米-AM真菌共生條件下施入生物炭探討其對(duì)玉米與AMF共生的影響的研究還較少。因此，本試驗(yàn)設(shè)置不同的生物炭施用量，研究生物炭的施用對(duì)玉米-菌根共生體系的影響，為生物炭和菌根共生在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料與儀器

1.1.1 試驗(yàn)材料 玉米正大619購(gòu)于當(dāng)?shù)剞r(nóng)資公司。所用叢枝菌根真菌為摩西管柄囊霉(，編號(hào)：NM02A)，由青島農(nóng)業(yè)大學(xué)提供，筆者所在課題組擴(kuò)繁。河沙購(gòu)于當(dāng)?shù)亟ú氖袌?chǎng)。

1.1.2 試驗(yàn)儀器 UV-2450紫外-可見(jiàn)分光光度計(jì)(島津制作所，日本)，MRS-9600TFU2L(上海中晶科技有限公司，中國(guó))，LEICA DM3000顯微鏡(徠卡顯微系統(tǒng)，德國(guó))。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 盆栽試驗(yàn)設(shè)計(jì) 試驗(yàn)于2019年7月22至11月4日在廣西大學(xué)農(nóng)學(xué)院科研教學(xué)基地網(wǎng)室進(jìn)行。采用盆栽法種植玉米，花盆(尺寸：20 cm×15 cm×16 cm)使用前先進(jìn)行滅菌處理。試驗(yàn)設(shè)置0%、0.75%、1.50%、2.25%、3.00%共5個(gè)不同的生物炭施用量(生物炭施加量根據(jù)基質(zhì)質(zhì)量計(jì)算)，分別記為CK、C1、C2、C3、C4，每個(gè)處理設(shè)置12個(gè)重復(fù)，共計(jì)60盆。每盆加入2.5 kg滅菌的河沙與 400 g 菌沙(每盆約5 600個(gè)孢子)，在網(wǎng)室隨機(jī)擺放，每周澆1次霍格蘭營(yíng)養(yǎng)液(100 mL)，在玉米出苗后30、50、70 d進(jìn)行取樣測(cè)定。

1.2.2 試驗(yàn)方法 使用根系掃描儀對(duì)根系進(jìn)行掃描，并用Win RHIZO分析根系的根長(zhǎng)、根表面積、根尖數(shù)、根體積；根系侵染率測(cè)定采用墨水醋酸染色法；孢子數(shù)量測(cè)定采用濕篩傾析-蔗糖離心法；根系活力測(cè)定采用TTC法；細(xì)胞膜透性測(cè)定采用電導(dǎo)儀法。

接種勢(shì)測(cè)定公式：=××+，式中：為單位長(zhǎng)度根段內(nèi)含有的孢子數(shù)、泡囊和根上菌絲位點(diǎn)的總和；為根質(zhì)量；為單位質(zhì)量根系長(zhǎng)度；為單位質(zhì)量或體積接種菌劑內(nèi)孢子數(shù)量。菌劑的越大，菌劑的質(zhì)量就越好。

1.3 數(shù)據(jù)處理

用Excel 2016和SPSS 23.0對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進(jìn)行差異顯著性分析(=0.05)，并用Origin 2021作圖，圖表中數(shù)據(jù)為“平均值±標(biāo)準(zhǔn)差”。

2 結(jié)果與分析

2.1 根系侵染率

由圖1可知，在30、50 d時(shí)，施加生物炭處理相比CK侵染率顯著下降。30 d時(shí)，C1、C2、C3、C4的侵染率相比CK處理分別降低30.62%、48.53%、69.86%、35.81%；50 d時(shí)，C1、C2、C3、C4相比CK處理分別降低68.13%、67.08%、74.94%、77.94%；70 d時(shí)，C1、C2相比CK處理分別降低55.66%、55.66%，C3相比CK無(wú)顯著差異，而C4相比CK增加31.57%。

2.2 施加生物炭對(duì)取樣后基質(zhì)的接種勢(shì)和孢子數(shù)的影響

由表1可知，在30 d時(shí)，除C4處理外，玉米的接種勢(shì)隨著生物炭施加量的增加而降低，C2、C3、C4相比CK分別降低26.23%、59.46%、21.34%；在 50 d 時(shí)，C1、C2、C3處理的接種勢(shì)高于CK，而C4處理卻顯著下降66.81%(<0.05)；在70 d時(shí)，C1、C3處理相比CK明顯下降，而C2、C4處理分別增加22.10%、57.05%。

表1 施加生物炭對(duì)不同時(shí)期玉米接種勢(shì)和基質(zhì)孢子數(shù)量的影響

與CK相比，施加生物炭處理基質(zhì)中的孢子數(shù)在30 d時(shí)顯著降低，降低幅度為23.61%～77.16%(<0.05)；在50、70 d時(shí)表現(xiàn)為先增加后降低，C4處理在2個(gè)時(shí)期均為最低值，相比CK分別降低54.02%、23.66%。

2.3 施加生物炭對(duì)玉米葉綠素含量的影響

由圖2可知，在30、70 d時(shí)，施加生物炭處理玉米葉綠素含量相比CK顯著升高，增加幅度分別為44.81%～72.76%、83.98%～126.37%；在 50 d 時(shí)，只有C3和C4處理相比CK顯著增加，分別增加12.23%、14.65%(<0.05)。

2.4 施加生物炭對(duì)玉米根系形態(tài)的影響

由圖3-A可知，在30 d時(shí)，C4處理的根長(zhǎng)顯著高于CK，高 44.00%，而C2、C3處理的根長(zhǎng)相比CK明顯降低；50 d時(shí)，C2、C3處理的根長(zhǎng)相比CK分別增加19.22%、12.39%，而C1和C4明顯降低；70 d時(shí)，施加生物炭處理的根長(zhǎng)均低于CK，且C1、C3、C4達(dá)到顯著水平(<0.05)。

由圖3-B可知，除70 d時(shí)的C4處理僅下降1.67%外，其他處理在30、70 d時(shí)，施加生物炭顯著降低玉米根系表面積；在50 d時(shí)，除了C4處理有所下降外，C1、C2、C3處理的根系表面積均高于CK。

由圖3-C可知，30 d時(shí)C2、C3、C4處理的玉米根尖數(shù)顯著低于CK；50 d時(shí)C2、C3處理的根尖數(shù)相比對(duì)照分別顯著提高62.88%、93.09%；在70 d時(shí)，C1、C3處理的根尖數(shù)相比對(duì)照分別顯著降低27.06%、28.76%(<0.05)。

由圖3-D可知，在30、70 d時(shí)，施加生物炭處理玉米根系體積分別降低36.82%～74.17%、23.45%～50.09%；在50 d時(shí)，C2、C3處理的根系體積相比CK分別顯著增加98.94%、82.39%(<0.05)。

2.5 施加生物炭對(duì)玉米根系活力的影響

由圖4可知，在30 d時(shí)施加生物炭處理(C3處理除外)根系活力高于對(duì)照，其中C1、C2處理達(dá)到顯著水平(<0.05)；在50 d時(shí)，施加生物炭處理根系活力降低2.78%～30.56%；而在70 d時(shí)，施加生物炭處理根系活力提高6.67%～86.67%，且C1和C4處理達(dá)到顯著水平。

2.6 施加生物炭對(duì)玉米干質(zhì)量的影響

由圖5-A可知，在30 d時(shí)施加生物炭處理的玉米地上部干質(zhì)量增加22.62%～209.52%；50 d時(shí)，C1、C2、C3處理相比對(duì)照顯著增加72.04%～97.85%；70 d時(shí)，C1、C2、C3處理相比對(duì)照顯著降低22.76%～30.75%(<0.05)。

由圖5-B可知，30 d時(shí)，C1、C2處理使玉米地下部干質(zhì)量顯著增加75.00%～78.13%，而C3、C4處理則使地下部干質(zhì)量降低；50 d時(shí)，施加生物炭處理的地下部干質(zhì)量增加6.67%～100.00%；70 d時(shí)，只有C4處理使地下部干質(zhì)量增加8.00%，其他施加生物炭處理的地下部干質(zhì)量均低于CK(<0.05)。

3 討論與結(jié)論

由于化肥的過(guò)量使用，土壤結(jié)構(gòu)和肥力均受到破壞，此外，氮磷肥的長(zhǎng)期混合使用也會(huì)影響土壤叢枝菌根真菌的多樣性，影響菌根與植物的共生。生物炭能吸附大氣中的碳并進(jìn)行長(zhǎng)期保存，提高土壤有機(jī)碳及氮磷含量，土壤養(yǎng)分的提高會(huì)使AMF對(duì)宿主植物的依賴性降低，從而降低植物的菌根侵染率，研究表明，土壤磷含量的升高會(huì)使植物根系皮層細(xì)胞的質(zhì)膜透性降低，植物傳遞給AMF的養(yǎng)分減少，從而限制AM真菌的生長(zhǎng)。因此，在本試驗(yàn)中施加生物炭處理的接種勢(shì)和基質(zhì)孢子數(shù)在30 d時(shí)相比CK降低，最終表現(xiàn)為玉米根系侵染率顯著下降。

菌根共生通過(guò)提高植物根系的長(zhǎng)度、表面積等指標(biāo)來(lái)促進(jìn)植物對(duì)深層土壤養(yǎng)分的吸收利用。而生物炭借助自身獨(dú)特的多孔性結(jié)構(gòu)，增大土壤的孔隙度，降低土壤容重，為土壤微生物提供繁殖場(chǎng)所，使植物根系能夠更好地吸收土壤養(yǎng)分，提高土壤保水保肥能力。因此，整體上來(lái)看在施加生物炭后，玉米根系不需要通過(guò)增大表面積和根長(zhǎng)來(lái)促進(jìn)養(yǎng)分吸收，故而玉米根長(zhǎng)、表面積、根尖數(shù)和根系體積有所降低，這一結(jié)果與菌根侵染率的降低也有一定關(guān)系。

生物炭有利于提高植物葉綠素含量，進(jìn)而增強(qiáng)植物的光合作用，本試驗(yàn)也發(fā)現(xiàn)，施加生物炭顯著提高玉米葉片的葉綠素含量，有利于植物的光合作用。

生物炭改善了根系的生長(zhǎng)環(huán)境，使植物根系活力顯著提高。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在30、70 d時(shí)，施加生物炭可以提高玉米根系的活力(除30 d時(shí)的C3處理)，而在50 d時(shí)根系活力卻顯著降低(除C1處理)，50 d時(shí)玉米根系的長(zhǎng)度、表面積等指標(biāo)相比30、70 d較低，說(shuō)明此時(shí)玉米根系生長(zhǎng)較差，與 50 d 時(shí)根系活力低的表現(xiàn)一致。

綜上所述，施加生物炭抑制了菌根及玉米根系的生長(zhǎng)，但是在生物炭獨(dú)特的多孔性結(jié)構(gòu)和較大比表面積等特性的作用下，提高了玉米葉綠素的含量，促進(jìn)玉米生長(zhǎng)，使玉米干物質(zhì)積累量增加。本試驗(yàn)未進(jìn)行生理抗性指標(biāo)及玉米養(yǎng)分含量的分析，故下一階段將從這兩方面著手，進(jìn)一步深入剖析生物炭對(duì)菌根生長(zhǎng)產(chǎn)生抑制卻促進(jìn)玉米生長(zhǎng)的內(nèi)在機(jī)理。