叢枝菌根真菌對連作黃瓜根際土壤的影響

唐艷領(lǐng)，李 杰，蔡毓新，趙秀山，趙肖斌，史宣杰

（1.河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院園藝研究所 鄭州 450002； 2.內(nèi)蒙古自治區(qū)赤峰市農(nóng)牧科學(xué)研究院內(nèi)蒙古赤峰 024000； 3.河南省慶發(fā)種業(yè)有限公司 鄭州 450002）

叢枝菌根真菌(Arbuscula mycorrhizal fungi,AMF）是土壤微生物群落的重要組成部分，是自然界分布最重要、最廣泛的一類真菌，它能與90%的植株建立良好的共生關(guān)系[1]。在與植物形成共生關(guān)系后，其根外菌絲能形成根外菌絲網(wǎng)，向土壤中廣泛伸縮，吸收水分和營養(yǎng)物質(zhì)，提高作物的抗逆性和抗病性，改良土壤結(jié)構(gòu)，在改善土壤微生物群落結(jié)構(gòu)等方面有重要作用[2]。

連作障礙是指常年在同一土壤中栽培同種作物或近緣作物時，植株生長勢變?nèi)?，產(chǎn)量和品質(zhì)下降的現(xiàn)象[3]。作物長期連作會使土壤的容重和非毛細管孔隙層增大，導(dǎo)致土壤板結(jié)，同時長期連作容易破壞土壤團粒結(jié)構(gòu)，降低土壤通透性，而且使土壤含鹽量增加，導(dǎo)致土壤養(yǎng)分失衡[4]。研究表明，連年種植西瓜會造成土壤理化性狀改變，有機質(zhì)含量偏低，土壤板結(jié)加重；同時西瓜連作也造成土壤生物學(xué)環(huán)境被破壞，有益微生物類群減少，不利于微生物種類增加，如尖孢鐮刀菌（Fusarium oxysporum）數(shù)量遠高于常規(guī)田塊土壤[5]。目前克服連作障礙的措施有不同屬種的作物輪作制度、采用抗病性砧木進行嫁接換根、合理施用有機肥、選用抗病品種等，在綜合控制系統(tǒng)中，加入拮抗菌的效果是非常有效的，它能改變植物根際菌群數(shù)量，并抑制病原菌生長[6]。AMF為有效克服連作障礙開辟了一條新的途徑，它能綜合改善土壤中微生物、菌根真菌、植物及其相互作用的根際環(huán)境，進而有效減輕連作給作物帶來的危害。

AMF可對土壤微生物區(qū)系產(chǎn)生影響，它能夠激活某些對植物生長發(fā)育有益的微生物，這些微生物可以促進作物抵抗病原物的侵害[7]。李敏等[8]的試驗表明，AMF摩西球囊霉菌(Glomus mosseae)和地表球囊菌(Glomus versiforme)可以降低西瓜和棉花鐮刀枯萎病的病情指數(shù)。AMF可以通過影響作物根系酶活性進而激活植株的防御反應(yīng)，間接抑制病原菌的侵染。陳可等[9]試驗表明，西瓜接種地表球囊菌能提高西瓜根系內(nèi)的苯丙氨酸解氨酶（PAL）、過氧化氫酶（CAT）、過氧化物酶（POD）等防御酶活性，使根系對逆境產(chǎn)生快速反應(yīng)，進而提高西瓜抵抗連作障礙的能力。目前，AMF在克服黃瓜連作障礙上面報道的不多。筆者分析了設(shè)施黃瓜地施用AMF摩西球囊霉菌后，連作1 a、3 a、5 a的土壤養(yǎng)分、土壤酶活性以及土壤結(jié)構(gòu)菌群的數(shù)量變化，總結(jié)了AMF摩西球囊霉菌對土壤的影響，以期為解決黃瓜連作障礙問題提供技術(shù)支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 材料

供試黃瓜品種‘博杰201’由天津德瑞特種業(yè)有限公司生產(chǎn)。供試AMF為摩西球囊霉菌，由華中農(nóng)業(yè)大學(xué)國家微生物重點實驗室提供。連作土壤分別選取鄭州綠園實業(yè)有限公司試驗基地連作1 a、3 a和5 a的黃瓜設(shè)施土壤，多點隨機取樣，混勻、過篩，備用。試驗地為河南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院原陽基地蔬菜種植大棚。2016年3月15日催芽育苗，移栽育苗基質(zhì)為V草炭∶V珍珠巖∶V蛭石=2∶1∶1，均用甲醛熏蒸滅菌，備用。

1.2 試驗設(shè)計

試驗分為6個處理：CK1（連作1 a對照）、L1（連作 1 a）、CK3（連作 3 a對照）、L3（連作 3 a）、CK5（連作5 a對照）、L5（連作5 a）。每個處理30盆，3次重復(fù)。分別將不同連作年限的土壤和菌種基質(zhì)混勻，使用比例為每株黃瓜苗0.2 g AMF菌種，生防菌使用的濃度為106個孢子·株-1。裝盆，每盆10 kg土壤。對照為不添加AMF基質(zhì)的連作土壤。2016年4月16日移栽2葉1心的黃瓜苗，隨機區(qū)組設(shè)計，常規(guī)管理。30 d以后，采集根際0～20 cm土樣，風(fēng)干后搗碎過篩，檢測土壤理化指標(biāo)和根系微生物數(shù)量。土壤容重采用環(huán)刀法測定，土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀-外加熱法測定，堿解氮采用堿解擴散法測定，速效磷采用鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用火焰光度法測定，pH值采用電極電位法測定[10]。土壤微生物數(shù)量采用平板稀釋計數(shù)法測定，其中放線菌用改良高式1號培養(yǎng)基，細菌用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，真菌用馬丁式培養(yǎng)基[11]。土壤脲酶活性采用苯酚鈉-次氯酸鈉比色法測定，酶活性以37℃恒溫培養(yǎng)24 h后1 g土壤中生成NH3-N的mg數(shù)表示；土壤磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，酶活性以37℃恒溫培養(yǎng)24 h后1 g土壤中釋放酚的mg數(shù)表示；土壤蔗糖酶活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法測定，酶活性以37℃恒溫培養(yǎng)24 h后1 g土壤中生成葡萄糖的mg數(shù)表示[12]。數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2007軟件進行統(tǒng)計分析處理。

2 結(jié)果與分析

2.1 土壤物理指標(biāo)檢測結(jié)果

表1 AMF處理后不同連作年限土壤主要物理指標(biāo)

由表1可知，AMF對連作3 a和5 a的土壤改良效果明顯，相對于CK，0.25～10 mm土壤團粒比例明顯增加，對連作3 a和5 a的土壤接種AMF后，0.25～10 mm土壤團粒比例分別為28.1%、25.9%，相比CK分別增加了8.1%、8.7%。由于菌絲的作用，連作3 a的土壤容重減少了0.27 g·cm-3，比對照減少了17.65%，連作5 a的土壤容重減少了0.45 g·cm-3，土壤容重比對照減少了25.3%。增加了土壤的孔隙度和通氣度，從而更有利于黃瓜的生長。而對連作1 a的土壤沒有明顯改變。

2.2 土壤化學(xué)指標(biāo)檢測結(jié)果

由表2可知，接種AMF的土壤在堿解氮、速效鉀及有機質(zhì)方面，相比對照差異不明顯。然而在速效磷方面，相比對照差異明顯。連作5 a的土壤在施用AMF后，速效磷含量由原來的317.9 mg·kg-1降為 211.6 mg·kg-1，比對照減少了 33.5%，說明AMF在對磷的吸收轉(zhuǎn)運方面有重要作用。在pH值方面，對連作5 a土壤的改變較明顯，pH值從4.5上升到6.5，說明AMF可以明顯改良土壤酸化。

表2 AMF處理后不同連作年限土壤主要化學(xué)指標(biāo)

2.3 土壤微生物數(shù)量指標(biāo)檢測結(jié)果

由表3可知，接種AMF的土壤在微生物數(shù)量方面，相對于對照差異較大，特別是細菌和真菌的數(shù)量明顯增多，在連作5 a的土壤中檢測發(fā)現(xiàn)，施用AMF后細菌和真菌的數(shù)量由原來的0.7×107、0.25×107cfu·g-1增加為 2.2×107、1.8×107cfu·g-1，相對于對照分別增加了2.1倍和6.2倍，有較大的變化。進一步檢測發(fā)現(xiàn)，細菌主要有芽孢桿菌屬和乳酸桿菌屬，而在真菌方面主要有酵母菌屬、擬青霉屬、木霉屬等。

表3 AMF處理后不同連作年限土壤微生物數(shù)量指標(biāo)

2.4 AMF對黃瓜根際土壤酶活性的影響

土壤酶活性的改變將影響土壤養(yǎng)分釋放，它受多種因素的影響，是土壤新陳代謝過程的催化劑。由表4可以看出，施用AMF能明顯提高土壤酶活性，改善土壤的物理性狀，尤其是對連作5 a的土壤，AMF對土壤酶活性的指標(biāo)影響更加明顯，3種土壤酶活性隨著連作年限的增加而增強。施用AMF菌肥后，連作5 a的土壤與CK相比，土壤脲酶、磷酸酶、蔗糖酶活性分別增加了42.0%、57.36%、72.5%。連作1 a、3 a、5 a的土壤酶活性與其對照均差異顯著。同時可以看出，連作3 a、5 a的處理與連作1 a相比，土壤酶活性改變更為明顯，說明AMF對連作時間越長的土壤各種理化性質(zhì)改變越大，能夠改善和平衡土壤菌群結(jié)構(gòu)，緩解連作障礙。

表4 AMF處理后不同連作年限土壤酶活性的變化 （mg·g-1）

3討論

筆者通過6個不同處理研究了接種AMF摩西球囊霉菌(Glomus mosseae)后黃瓜連作 1 a、3 a、5 a 的土壤在土壤結(jié)構(gòu)、土壤養(yǎng)分含量、土壤菌群數(shù)量、土壤酶含量的變化。試驗結(jié)果表明，對連作3 a的土壤的接種AMF后，土壤團粒比例相對于對照增加了8.1%。對連作5 a的土壤接種AMF后，土壤結(jié)構(gòu)改變最為明顯，土壤容重變小，相比CK減少了25.3%，土壤團粒數(shù)量增加，說明施用AMF后土壤的通透性更佳；在土壤養(yǎng)分方面，接種AMF后，速效磷含量比對照減少了33.5%，能夠增加速效磷的轉(zhuǎn)化。

AMF改變土壤菌群結(jié)構(gòu)體現(xiàn)在隨著連作年限的延長，總菌數(shù)量明顯下降，但是AMF處理后，連作5 a的土壤細菌和真菌的數(shù)量分別增加了2.1倍和6.2倍，改變最明顯；AMF還可以增加土壤酶活性，連作5 a的土壤處理后，土壤脲酶和磷酸酶活性都有一定的增加，蔗糖酶活性增加了72.5%，說明AMF能夠緩解連作障礙。

前人研究結(jié)果表明，AMF有一類重要的分泌物GRSP，它是AMF特殊的菌絲結(jié)構(gòu)和生理活動分泌產(chǎn)生的一類糖蛋白——球囊霉素相關(guān)土壤蛋白（Glomalin related soil protein，GRSP），能促進土壤團聚體的形成和穩(wěn)定[13-15]，對改良土壤連作板結(jié)有重要作用。在已有研究中，菌絲密度、GRSP和有機質(zhì)在土壤團聚體的形成和穩(wěn)定中扮演重要角色。這和本次的研究結(jié)果相吻合。但是不同的AMF由于其菌絲量不同，對土壤的影響差異也較大[16]，需要通過做不同的叢枝菌根試驗來進一步的驗證。

任旭琴等[17]的研究表明，叢枝菌根能夠顯著緩解淮安紅椒連作障礙，使土壤中有機質(zhì)、堿解氮、速效磷和速效氮的含量降低，顯著提高土壤脲酶、蔗糖酶等土壤酶活性，改善土壤根際微生態(tài)。在根際土壤微生物方面，龔娜等[18]的研究表明，接種菌根真菌YA、YD后土壤中的細菌數(shù)量減少，真菌數(shù)量增多，放線菌變化很小，土壤中的微生物多樣性指數(shù)有顯著提高，說明有益微生物有利于作物種群數(shù)量的擴大。這與本試驗的結(jié)果也相符，連作5 a的黃瓜土壤施用AMF后，總菌數(shù)量明顯上升。但是關(guān)于菌根真菌與根際微生物之間相互作用的機制還不夠清楚，下一步可以從分子生物學(xué)水平進行研究和探討，進一步了解AMF與土壤微生物之間的相互作用關(guān)系。

[1] PENNISI E．The secret life of fungi[J]．Science，2004，304（11）：1620．

[2]馮固，張福鎖，李曉林，等．叢枝菌根真菌在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的作用與調(diào)控[J]．土壤學(xué)報，2010，47（5）：995-1004．

[3]段峰，王秀云，高志紅．園藝作物連作障礙發(fā)生原因及防治措施[J]．江西農(nóng)業(yè)學(xué)報，2011，23（3）：34-39．

[4]李亮，蔡柏巖．叢枝菌根真菌緩解連作障礙的研究進展[J]．生態(tài)學(xué)雜志，2016，35（5）：1372-1377．

[5]朱盼盼，張顯，任自立．不同肥料對西瓜連作障礙的影響研究進展[J]．中國瓜菜，2013，26（1）：40-44．

[6]高群，孟憲志，于洪飛．連作障礙原因分析及防治途徑研究[J]．山東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2006，19（3）：60-63．

[7]趙萌，李敏，王淼焱，等．AM真菌克服作物連作障礙的潛力[J]．山東科學(xué)，2006，19（6）：40-44．

[8]李敏，劉潤進，趙洪海．AM真菌和鐮刀菌對西瓜根系幾種酶活性的影響[J]．菌物系統(tǒng)，2001，20（4）：547-551．

[9]陳可，孫吉慶，劉潤進，等．叢枝菌根真菌對西瓜嫁接苗生長和根系防御性酶活性的影響[J]．應(yīng)用生態(tài)學(xué)報，2013，24（1）：135-141．

[10]鮑士旦．土壤農(nóng)化分析[M]．北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2005．

[11]吳金水，林啟美，黃巧云，等．土壤微生物生物量測定方法及其應(yīng)用[M]．北京：氣象出版社，2006．

[12]關(guān)松蔭．土壤酶及其研究法[M]．北京：農(nóng)業(yè)出版社，1986．

[13] RILLING C R，MUMMEY D L．Mycorrhizal and soil structure[J]．New Phytologist，2006，171：41-53．

[14] PENG S L，SHEN H，GUO T．Influence of arbuscular mycorrhizal fungi inoculation on 1-2 mm soil water stable aggregates in split root system[J]．Plant Nutrition and Fertilizer Science，2010，16（6）：1546-1550．

[15]彭思利，申鴻，袁俊吉，等．叢枝菌根真菌對中性紫色土土壤團聚體特征的影響[J]．生態(tài)學(xué)報，2011，31（2）：498-505．

[16]彭思利，申鴻，張宇亭，等．不同叢枝菌根真菌侵染對土壤結(jié)構(gòu)的影響[J]．生態(tài)學(xué)報，2012，32（3）：863-870．

[17]任旭琴，潘國慶，陳伯清，等．叢枝菌根真菌對淮安紅椒連作土壤養(yǎng)分和酶活的影響[J]．湖北農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，55（17）：4565-4568．

[18]龔娜，肖軍，楊鎮(zhèn)，等．不同菌根真菌對藍莓根際土壤微生物數(shù)量的影響[J]．北方園藝，2013（17）：175-177．