AMF和間作對作物產(chǎn)量和坡耕地土壤徑流氮磷流失的影響

張 麗，張乃明，張仕穎，賈廣軍，寧東衛(wèi)，岳獻(xiàn)榮，夏運(yùn)生

AMF和間作對作物產(chǎn)量和坡耕地土壤徑流氮磷流失的影響

張 麗1,2，張乃明2，張仕穎2，賈廣軍2，寧東衛(wèi)2，岳獻(xiàn)榮2，夏運(yùn)生2※

（1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)植物保護(hù)學(xué)院，昆明 650201； 2. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，昆明 650201）

坡耕地氮、磷流失是導(dǎo)致河湖污染的主要因子。該文在坡耕地開展田間小區(qū)試驗(yàn)，定量研究了叢枝菌根真菌（AMF）與玉米大豆間作系統(tǒng)對徑流氮、磷流失的協(xié)同削減貢獻(xiàn)，可為滇池流域農(nóng)業(yè)面源污染控制提供科學(xué)理論依據(jù)。結(jié)果表明，與單作玉米-抑菌處理相比，間作玉米-未抑菌處理顯著提高了玉米的生物量；與單作-抑菌處理相比，玉米大豆間作-未抑菌處理均顯著增加了植株莖葉、籽粒磷吸收量及莖葉、根系氮吸收量。與單作玉米-抑菌處理相比，間作玉米-未抑菌處理的土壤全磷、全氮的削減量分別為0.25、0.11 g/kg，徑流總磷、總氮濃度的削減量分別為0.13、12.94 mg/L；與單作大豆-抑菌處理相比，間作大豆-未抑菌處理的土壤全磷、全氮的削減量分別為0.07、0.11 g/kg，徑流總磷、總氮濃度的削減量分別為0.27、24.80 mg/L。與單作大豆-抑菌處理相比，玉米大豆間作-未抑菌處理的總磷、總氮流失量分別減少了0.51、19.93 kg/hm2。經(jīng)相關(guān)分析可知，徑流顆粒態(tài)磷濃度與植株各部分磷吸收量均呈負(fù)相關(guān)，且與土壤全磷、速效磷含量也呈負(fù)相關(guān)性；徑流各形態(tài)氮濃度與植株各部分氮吸收量、菌絲密度和球囊霉素均呈負(fù)相關(guān)?？梢?，叢枝菌根真菌協(xié)同玉米大豆間作模式能夠通過促進(jìn)植株對氮、磷養(yǎng)分的吸收而減少土壤氮、磷的殘留，進(jìn)而阻控了氮磷隨徑流遷移的損失。

徑流；侵蝕；AMF；間作；坡耕地；氮磷流失

0 引 言

國土資源部發(fā)布的全國土地調(diào)查主要數(shù)據(jù)成果公報顯示[1]，全國耕地面積為13 538.5萬hm2，其中15°以上的坡耕地1615.2萬hm2，約占全國耕地總面積的11.9%。云南省總體屬于山地高原地形，山地和高原面積約占省內(nèi)國土總面積的94%。全省820.22萬hm2的耕地中有坡耕地661.19萬hm2，約占總耕地面積的80.61%，耕地質(zhì)量明顯偏低。研究發(fā)現(xiàn)，農(nóng)業(yè)非點(diǎn)源污染是導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化和水質(zhì)惡化的主要原因[2-3]。土壤氮、磷的流失主要以徑流流失為主，其流失濃度與徑流強(qiáng)度呈線性正相關(guān)[4]。由于其具有擴(kuò)散性，來自農(nóng)業(yè)集水區(qū)的非點(diǎn)源污染仍然是較難監(jiān)測和控制的農(nóng)業(yè)污染源之一。云南省是典型的紅壤分布區(qū)，土層淺薄，極易被降雨沖刷，坡耕地水土流失更為嚴(yán)重，因此阻控隨水土流失帶走的徑流養(yǎng)分就顯得極為重要。

菌根真菌是土壤中廣泛存在的一類微生物，可與農(nóng)田生態(tài)系統(tǒng)中大多數(shù)農(nóng)作物形成共生體系。同種或不同植物根系間均能形成根間菌絲網(wǎng)絡(luò)[5]，而這種龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)能夠延伸到植物根際，對植物間的養(yǎng)分再分配有著重要的作用，可以實(shí)現(xiàn)從資源豐富方向資源匱乏方的傳遞，尤其是磷的傳遞[6]。菌根真菌根外菌絲還可以吸收利用NH4+和NO3-，并在一定條件下加速有機(jī)氮礦化而使其轉(zhuǎn)化為可利用的氮素形態(tài)[7-8]。有研究表明，以石灰土為培養(yǎng)基質(zhì)接種叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）之后，促進(jìn)了諸葛菜總氮和總磷的吸收[9]，且接種AM真菌均不同程度提高了玉米和大豆植株的氮吸收量，降低了玉米和大豆根際土壤堿解氮含量[10]。因此推測，菌根真菌能夠通過促進(jìn)作物對土壤養(yǎng)分的活化吸收而減少土壤養(yǎng)分的殘留。另有證據(jù)顯示，叢枝菌根還能夠通過擴(kuò)大養(yǎng)分?jǐn)r截區(qū)域，阻控雨水浸出后的養(yǎng)分流失而減少土壤中的養(yǎng)分流失[11]。

玉米和大豆間作是禾本科作物與豆科作物所組成的一種典型間作模式，能在空間上實(shí)現(xiàn)種植集約化。許多研究表明，豆科與禾本科間作具有明顯的養(yǎng)分利用優(yōu)勢[12]。Li等[13]研究進(jìn)一步證實(shí)，玉米和蠶豆間作能夠提高蠶豆的生產(chǎn)力及其對氮素的固定能力，且田間小區(qū)試驗(yàn)證明，旱地玉米不同間（套）作模式對地表氮、磷流失的攔截效應(yīng)明顯[14]。另有研究表明[15-16]，南方丘陵山地典型區(qū)域的玉米與其他作物間套作較玉米單作能更有效減少旱地徑流中不同形態(tài)氮素養(yǎng)分和磷素養(yǎng)分的流失濃度及負(fù)荷。有學(xué)者[17]研究了不同種植模式對云南省中部坡耕地水土保持效應(yīng)發(fā)現(xiàn)，玉米大豆2∶2間作種植模式比單作及裸地的徑流產(chǎn)流量、土壤流失量及徑流總氮、總磷流失量均有所降低，對坡耕地水土保持具有比較明顯的優(yōu)越性。

謝先進(jìn)等[18]把AMF與間作系統(tǒng)相結(jié)合進(jìn)行的盆栽模擬研究發(fā)現(xiàn)，在反饋階段，間作體系下與滅菌相比，接種AMF后玉米、稗草和蠶豆地上部生物量分別增加602.3%、80.6%和21.4%。不僅如此，在間作系統(tǒng)中接種菌根真菌還能夠改善植株體內(nèi)氮、磷含量，顯著降低土壤磷含量[19]?？梢娗叭税丫婢c不同種類作物間作模式結(jié)合起來進(jìn)行的模擬研究主要還停留在植物養(yǎng)分吸收利用的角度，而把菌根技術(shù)與玉米大豆間作種植模式相結(jié)合應(yīng)用到坡耕地來阻控徑流氮、磷流失的研究還鮮見報道。因此，筆者通過前期對云南省中部坡耕地的研究發(fā)現(xiàn)，叢枝菌根真菌與間作結(jié)合能夠在一定程度上協(xié)同削減農(nóng)田磷素的流失[20]，但對徑流氮、磷協(xié)同削減的定量貢獻(xiàn)缺乏深入研究。為了進(jìn)一步探討菌根技術(shù)協(xié)同間作模式對徑流氮、磷流失的協(xié)同阻控貢獻(xiàn)及關(guān)鍵影響因素，本文在自然降雨條件下開展了以苯菌靈施用作為抑菌對照來研究不抑菌（即叢枝菌根真菌）-玉米大豆間作系統(tǒng)協(xié)同增加坡耕地農(nóng)田作物氮磷吸收累積、削減土壤氮、磷殘留及徑流氮、磷流失貢獻(xiàn)的田間試驗(yàn)研究，以期為控制農(nóng)業(yè)面源污染提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

供試大豆“滇豆4號”和玉米“好滋味”均為市場所售普通種子。試驗(yàn)土壤類型為山地砂質(zhì)紅壤，試驗(yàn)區(qū)域坡度為15°，在自然降雨情況下進(jìn)行地表徑流氮、磷遷移的田間小區(qū)試驗(yàn)。供試土壤的基礎(chǔ)化學(xué)性質(zhì)如表1所示。

表1 供試土壤基本化學(xué)性質(zhì)

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 試驗(yàn)設(shè)計

本試驗(yàn)研究于2018年5—10月份在云南省昆明市晉寧縣大春河流域水土保持生態(tài)示范小流域進(jìn)行。大春河水土保持生態(tài)科技示范園，位于晉寧縣大春河小流域的中部，東北與上蒜鄉(xiāng)接壤，南部至玉溪市紅塔區(qū)刺桐關(guān)接壤，西至昆洛公路，北與中和鋪村委會接壤，地理坐標(biāo)為102°33′-102°38′E，24°33′-24°37′N。試驗(yàn)小區(qū)面積為20 m（長）×1.6 m（寬）=32 m2。各小區(qū)四周田埂采用磚塊水泥堆砌結(jié)構(gòu)，下埋60 cm，田埂露出地面30 cm，梗寬20 cm。每個小區(qū)坡底田埂處留有20 cm寬的出水口，外部連接1 m3的徑流池。徑流池上方設(shè)有擋雨棚以防止雨水灌入，徑流池底設(shè)置出水閥，每次降雨產(chǎn)流取樣并計算徑流水體積。

試驗(yàn)設(shè)置6個處理，3次重復(fù)，隨機(jī)排列。首先選取玉米大豆間作的徑流小區(qū)，設(shè)置單作玉米、單作大豆作為對照，同時設(shè)置施用苯菌靈（一種能夠抑制菌根真菌生長的專性抑制劑）和不施用處理，每處理為一個小區(qū)，采用順坡帶狀（即作物壟的方向與地塊坡向方向平行）模式進(jìn)行種植。

在自然降雨情況下開展田間試驗(yàn)研究。于5月25日開始播種，玉米和大豆每穴分別播種3粒和5粒，齊苗后間至1株和2株。種植規(guī)格按照當(dāng)?shù)爻Ｒ?guī)種植，玉米大豆間作處理每帶玉米2行，行間距為40 cm，株距為30 cm，種植密度為166 667株/hm2；大豆為3行，行間距為35 cm，株距為25 cm，種植密度為228 571株/hm2。單作玉米和單作大豆行間距、株距與間作相同。單作玉米和單作大豆區(qū)分別種植4行和6行（田間小區(qū)種植示意圖見下圖1）。播種前期施氮肥（N）和磷肥（P2O5）分別為250 kg/hm2和125 kg/hm2，氮肥為尿素（含N 46.3%），磷肥為過磷酸鈣（含P2O512%），并于7月8日追施氮肥150 kg/hm2和磷肥62 kg/hm2。7月1日進(jìn)行第1次抑菌處理（將25 g 體積分?jǐn)?shù)為50%的苯菌靈溶于20 L的水中，噴施在作物根部周圍土壤），以后每15 d處理一次。為保證作物生長期間免受雜草的侵害，需定期對作物進(jìn)行除草。

圖1 玉米、大豆種植示意圖

1.2.2 植株收獲與分析測定

作物生長125 d后收獲，然后將間作玉米和大豆地上和根系部分分開，先用自來水沖洗，再用蒸餾水沖洗干凈，晾干，根樣剪成1 cm根段。取用部分根樣用曲利苯藍(lán)-方格交叉法測定根系根長和菌根侵染率[21-22]；剩余部分經(jīng)烘干（70 ℃，72 h）、稱質(zhì)量。土壤全磷、速效磷、全氮、硝態(tài)氮和銨態(tài)氮含量和植株含N、P量測定參見《土壤農(nóng)化分析》[23]，植株元素的吸收量根據(jù)單位植株質(zhì)量所對應(yīng)的植株元素含量來計算。植株氮（磷）吸收累積總量（kg/hm2）=植株全氮（磷）含量×植株干物質(zhì)量×種植密度[24]。植株產(chǎn)量（kg/hm2）=單株籽粒質(zhì)量×每公頃植株數(shù)量。土壤氮（磷）削減量用未抑菌-間作處理的土壤各形態(tài)氮（磷）量減去相應(yīng)的抑菌-單作處理的土壤各形態(tài)氮（磷）量。

1.2.3 水樣采集與分析測定

每場降雨產(chǎn)生有效徑流后采集徑流樣，充分?jǐn)嚢韬笕?00 mL，加入2 mL濃H2SO4進(jìn)行酸化處理后立即帶回實(shí)驗(yàn)室，放冰箱冷藏保存，7 d內(nèi)完成養(yǎng)分含量測定。徑流中總磷濃度參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第4版）》中的國標(biāo)方法（GB/T11893—1989），采用鉬酸銨分光光度法測定；將徑流水樣經(jīng)0.45m濾膜過濾后，采用鉬酸銨分光光度法測定可溶性磷濃度；顆粒態(tài)磷濃度為總磷與可溶性磷之差。徑流水中總氮濃度采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定；將徑流水樣過濾后，采用紫外分光光度法測定硝態(tài)氮濃度；采用納氏試劑比色法測定水樣銨態(tài)氮濃度。徑流氮（磷）流失量=徑流液體積×徑流液氮（磷）濃度。徑流水中氮（磷）削減量用未抑菌-間作處理的各形態(tài)氮（磷）累積濃度減去相應(yīng)的抑菌-單作處理的各形態(tài)氮（磷）累積濃度。

1.2.4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理與分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2007和SPSS11.5統(tǒng)計軟件對菌根處理和種植模式進(jìn)行雙因素方差分析，交互作用顯著的情況下對所有處理進(jìn)行LSD多重比較，檢驗(yàn)菌根處理與種植模式之間的差異顯著性（<0.05）。交互作用不顯著的情況下分別對菌根處理和種植模式進(jìn)行Duncan多重比較，檢驗(yàn)各自處理間的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 叢枝菌根真菌和玉米大豆間作對植株生長及產(chǎn)量的影響

由表2可知，玉米和大豆植株根系菌根侵染率、根長和產(chǎn)量在菌根處理與種植模式間均沒有顯著的交互作用，而其生物量在菌根處理與種植模式間交互作用顯著。無論抑菌與否，玉米和大豆的根系菌根侵染率、根長和生物量在單作處理和間作處理之間均沒有顯著差異。如表2所示，在單作玉米和間作玉米處理下，未抑菌處理的植株生物量均顯著高于抑菌處理；與單作玉米-抑菌處理相比，間作玉米-未抑菌處理的植株生物量顯著增加了34.23%。在未抑菌處理下，間作大豆處理的產(chǎn)量顯著高于單作大豆。結(jié)果說明，玉米大豆間作-未抑菌處理組合均促進(jìn)了玉米和大豆植株的生長，并促進(jìn)了玉米和大豆的增產(chǎn)。

2.2 叢枝菌根真菌和玉米大豆間作處理對植株氮、磷吸收總量的影響

經(jīng)方差分析，玉米和大豆植株莖葉、籽粒磷吸收量和莖葉、根系氮吸收量在菌根處理與種植模式間均有顯著的交互作用，而其植株根系磷吸收量和籽粒氮吸收量的交互作用均不顯著。由圖2可見，在單作玉米和間作玉米處理下，未抑菌處理的植株莖葉、籽粒磷吸收量和莖葉、根系氮吸收量均顯著高于抑菌處理。在抑菌處理下，間作大豆處理的莖葉、根系氮吸收量均顯著高于單作大豆處理；在未抑菌處理下，間作大豆處理的莖葉、根系、籽粒氮吸收量和籽粒磷吸收量均顯著高于單作大豆處理。間作玉米處理對植株各部分氮磷吸收量的影響趨勢并不一致。與抑菌-單作處理相比，未抑菌-玉米大豆間作處理的植株莖葉、籽粒磷吸收量和莖葉、根系氮吸收量均顯著較高。

表2 叢枝菌根真菌和玉米大豆間作對植株生長及產(chǎn)量的影響

注：*、**、***分別表示<0.05、<0.01、<0.001；而NS表示不顯著；若抑菌處理和種植模式無交互作用，則抑菌、未抑菌處理的種植模式之間的差異顯著性分別用小寫字母、大寫字母表示（=0.05）；反之，差異顯著性則均用小寫字母表示。下同。

Note:*，<0.001; **，<0.01; ***，<0.05; NS，not significant. If there was no interaction between mycorrhizal treatment and planting mode, lowercase letters and capital letters indicated the significant between planting modes under mycorrhizal inhibition and none mycorrhizal inhibition treatment respectively at 0.05 level. Otherwise, lowercase letters indicated significant difference of treatments. The same below.

2.3 叢枝菌根真菌和玉米大豆間作對土壤氮、磷削減的影響

方差分析結(jié)果顯示（表3），土壤速效磷和硝態(tài)氮在菌根處理與種植模式間有顯著的交互作用，而土壤全磷、全氮和銨態(tài)氮在菌根處理與種植模式處理間交互作用不顯著。由表3可知，無論是否抑菌，間作玉米處理的土壤速效磷均顯著低于單作玉米處理；在抑菌處理下，間作玉米處理的土壤全磷顯著低于單作玉米處理。土壤氮、磷的削減量分別用未抑菌-間作玉米減去抑菌-單作玉米，未抑菌-間作大豆減去抑菌-單作大豆的土壤氮、磷差值來表示。由表4可見，菌根和玉米大豆間作復(fù)合處理對土壤全磷、速效磷的削減量最高分別可達(dá)0.25 g/kg、3.84 mg/kg，且對土壤全氮、銨態(tài)氮的削減量最高分別可達(dá)0.11 g/kg、2.01 mg/kg。而菌根和玉米大豆間作處理對土壤硝態(tài)氮含量不僅沒有起到削減作用，反而促進(jìn)了其含量的增加，有可能是由于菌根菌絲對氮素的活化作用而導(dǎo)致土壤硝態(tài)氮含量的增加。

a. 莖葉磷吸收量b. 莖葉氮吸收量c. 根系磷吸收量 a. Phosphorus uptake of leaveb. Nitrogen uptake of leavec. Phosphorus uptake of root

d. 根系氮吸收量e. 籽粒磷吸收量f. 籽粒氮吸收量 d. Nitrogen uptake of root e. Phosphorus uptake of grainf. Nitrogen uptake of grain

表3 叢枝菌根真菌和玉米大豆間作對土壤氮、磷含量的影響

表4 叢枝菌根真菌和玉米大豆間作對土壤氮、磷削減量的影響

2.4 叢枝菌根真菌和玉米大豆間作對徑流氮、磷濃度削減的影響

由方差分析結(jié)果可知，徑流水中各形態(tài)磷和各形態(tài)氮的流失濃度在菌根處理與種植模式間均有顯著的交互作用（表5）。玉米大豆間作處理模式下，未抑菌處理的徑流顆粒態(tài)磷和銨態(tài)氮流失濃度均顯著低于抑菌處理；無論種植模式如何，未抑菌處理均顯著降低了徑流水中總氮和硝態(tài)氮流失濃度。在未抑菌處理下，玉米大豆間作處理的各形態(tài)氮、總磷和可溶性磷流失濃度均顯著低于單作玉米處理。徑流中氮、磷濃度的削減量分別用未抑菌-間作玉米減去抑菌-單作玉米，未抑菌-間作大豆減去抑菌-單作大豆的徑流氮、磷流失濃度的差值來表示。由表6可見，玉米大豆間作-未抑菌組合處理對徑流總磷、可溶性磷濃度的削減量分別最高可達(dá)0.27、0.18 mg/L；玉米大豆間作-未抑菌復(fù)合處理對徑流總氮、銨態(tài)氮和硝態(tài)氮濃度的削減量分別最高可達(dá)24.80、14.83和5.05 mg/L。

表5 叢枝菌根真菌和玉米大豆間作對徑流氮、磷濃度流失量的影響

表6 叢枝菌根真菌和玉米大豆間作對徑流氮、磷削減量的影響

2.5 叢枝菌根真菌和玉米大豆間作對徑流氮、磷流失量的影響

方差分析結(jié)果可見，徑流總磷和總氮流失量在菌根處理與種植模式間均有顯著的交互作用（圖3）。無論是否抑菌，玉米大豆間作處理的總磷和總氮流失量均顯著低于單作處理。在單作玉米處理下，未抑菌處理的徑流水總氮流失量顯著低于抑菌處理，削減率達(dá)26.34%；而徑流水總磷流失量在抑菌與未抑菌處理間沒有顯著差異。在玉米大豆間作和單作大豆處理下，未抑菌處理的徑流水總氮、總磷流失量均顯著低于抑菌處理。由圖3中的研究結(jié)果進(jìn)一步分析發(fā)現(xiàn)，與抑菌-單作大豆處理相比，未抑菌-玉米大豆間作組合處理對徑流總磷、總氮流失量的削減量分別為0.51、19.93 kg/hm2，即最大削減率分別可達(dá)62.20%、73.76%。

2.6 徑流各形態(tài)磷濃度與各影響因素的相關(guān)分析

表7所示，經(jīng)相關(guān)分析可知，徑流顆粒態(tài)磷濃度與植株莖葉、根系磷吸收量均呈負(fù)相關(guān)性（=-0.229；=-0.233），且徑流顆粒態(tài)磷濃度與籽粒磷吸收量有顯著的負(fù)相關(guān)性（=-0.406*）。另外，徑流顆粒態(tài)磷濃度與土壤全磷、土壤速效磷含量均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，而徑流可溶性磷濃度與土壤速效磷含量卻有著顯著的正相關(guān)性（=0.447*），可見，徑流磷素的流失濃度與土壤速效磷含量較為密切。土壤速效磷含量與根系磷吸收量呈顯著正相關(guān)性（=0.470*），且植株各部分磷吸收量與土壤全磷、土壤速效磷含量均呈正相關(guān)關(guān)系。由表6可知，徑流總磷、可溶性磷濃度與球囊霉素含量均呈顯著正相關(guān)性（=0.544**；=0.424*）。菌絲密度與植株莖葉、根系、籽粒磷吸收量均有極顯著的正相關(guān)性（=0.744**；=0.483**；=0.637**）。由此推測，球囊霉素的含量高低是影響徑流磷素的流失的重要因素，且菌絲密度的增加可能促進(jìn)植株磷素的吸收。

表7 徑流各形態(tài)磷濃度與各影響因素的相關(guān)系數(shù)

注：=24；**、*指相關(guān)性分別在0.01和0.05水平上是顯著的（雙側(cè)檢驗(yàn)），下同。

Note:=24;**,*, Correlation is significant at 0.01 and 0.05 level, respectively (two tailed test), the same below.

2.7 徑流各形態(tài)氮濃度與各影響因素的相關(guān)分析

由表8可知，經(jīng)相關(guān)分析顯示，徑流總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度與植株莖葉、根系、籽粒氮吸收量均呈負(fù)相關(guān)性，其中徑流硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度與籽粒氮吸收量均顯著相關(guān)（=-0.509*；=-0.605**），說明植株氮素吸收量的增加能夠在一定程度減少徑流氮素的流失。徑流總氮、硝態(tài)氮、銨態(tài)氮濃度與土壤菌絲密度、球囊霉素均呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，其中徑流總氮、銨態(tài)氮濃度與菌絲密度均呈顯著負(fù)相關(guān)（=-0.432*；=-0.481*），說明徑流氮素的流失與菌絲密度更為密切。土壤菌絲密度與植株莖葉、根系氮吸收量均呈顯著正相關(guān)（=0.504*；=0.641**）。土壤硝態(tài)氮與植株莖葉、根系氮吸收量均呈極顯著正相關(guān)關(guān)系（=0.706**；=0.744**）。

表8 徑流各形態(tài)氮濃度與各影響因素的相關(guān)系數(shù)

3 討 論

無論是否添加磷肥，AMF均能侵染玉米根系，并增加了玉米地上部和根系的生物量[25]，且接種AMF能夠顯著影響磷素的吸收，接種AMF幼苗的養(yǎng)分利用效率也顯著高于未接種幼苗[26]。菌根真菌根外真菌的菌絲體從土壤中吸收養(yǎng)分，將這些營養(yǎng)物質(zhì)轉(zhuǎn)移到宿主根內(nèi)的內(nèi)部菌絲體，并通過專門的植物-真菌界面將來自宿主的碳交換營養(yǎng)物質(zhì)。菌根共生對磷酸鹽營養(yǎng)的貢獻(xiàn)早已為人們所知，且越來越多的證據(jù)表明叢枝菌根可以積極地將氮轉(zhuǎn)移到它們的宿主[27]。有學(xué)者施用苯菌靈對土壤土著AMF進(jìn)行專性抑制研究發(fā)現(xiàn)，與抑菌處理相比，未受到抑制的土著AMF能夠促進(jìn)玉米的生長及其氮、磷的吸收量[28]。另有研究表明，玉米和大豆間作模式整體吸氮量高于玉米單作，且間作系統(tǒng)當(dāng)季整體土壤硝態(tài)氮?dú)埩麸@著降低[29]。此外，把菌根技術(shù)與間作結(jié)合的研究表明[19]，間作接種AMF處理綠豆根瘤的氮、磷含量比單作不接種處理分別增加了80.14%、69.54%，改善了水稻和綠豆植株體內(nèi)氮磷含量，明顯促進(jìn)了綠豆的生長，而間作接菌處理的土壤磷含量顯著降低。本研究顯示，與單作玉米-抑菌處理相比，間作玉米-未抑菌植株氮、磷含量分別增加了約20.52%、11.17%，玉米生物量顯著增加了約34.23%；間作大豆-未抑菌比單作大豆-抑菌植株氮、磷含量分別增加了約32.40%、13.50%，大豆生物量及產(chǎn)量均有所提高但沒有達(dá)到顯著程度。且間作玉米-未抑菌處理對土壤全磷、全氮削減率分別達(dá)33.78%、22.96%，間作大豆-未抑菌處理對土壤全磷、全氮的削減率分別為15.65%、26.72%。此外，根據(jù)本研究結(jié)果估算，與單作-抑菌處理相比，玉米大豆間作-未抑菌處理的植株氮、磷吸收總量最多分別能夠增加368.55、51.09 kg/hm2。由此可見，叢枝菌根真菌與玉米大豆間作相結(jié)合能夠協(xié)同促進(jìn)玉米和大豆對單位面積土壤氮、磷養(yǎng)分的吸收，增加植株體內(nèi)氮、磷總累積量，促進(jìn)其生物量及產(chǎn)量的增加，并降低土壤中氮、磷的殘留量。

張淑娟研究表明接種AMF降低了稻田退水的總氮濃度和總磷濃度，并同時降低了稻田退水的溶解態(tài)和顆粒態(tài)氮濃度、溶解態(tài)和顆粒態(tài)磷濃度[30]。傅志興等的研究發(fā)現(xiàn)，玉米和蔬菜間作能夠削減農(nóng)田地表徑流量和徑流污染[31]，且農(nóng)田泥沙磷流失速率與土壤流失速率密切相關(guān)，兩者之間呈明顯的線性關(guān)系[32]。已有研究顯示，玉米間作大豆的徑流總氮、總磷年均流失量分別能夠減少40.67%、38.94%[14]。本文把菌根技術(shù)應(yīng)用于玉米大豆間作系統(tǒng)的研究發(fā)現(xiàn)，玉米大豆間作-土著AMF處理總體上對徑流氮、磷有一定的攔截作用，對總磷、總氮濃度的削減率分別可達(dá)14.11%、40.07%，且對徑流總氮、總磷的總流失量削減量最高分別可達(dá)0.51 kg/hm2、19.93 kg/hm2。Liang等[33]研究表明，菌絲密度、易提取球囊霉素含量與直徑大于0.25 mm的土壤大團(tuán)聚體的百分比之間存在顯著的正相關(guān)性，植物根系和菌根菌絲協(xié)同對聚集體穩(wěn)定性產(chǎn)生疊加作用。且土壤團(tuán)聚體尺寸的減小會增加土壤有機(jī)磷滲漏液的流失[34]。本研究進(jìn)行的相關(guān)分析可知，菌絲密度與土壤總球囊霉素之間存在顯著的正相關(guān)性（=0.443*），且徑流各形態(tài)氮濃度與菌絲密度、球囊霉素均呈負(fù)相關(guān)性，說明隨著菌絲密度和球囊霉素的增加而降低了徑流氮素的濃度，這可能一方面是由于菌根真菌的根外菌絲網(wǎng)絡(luò)蔓延交錯在土壤中，通過擴(kuò)大根系吸收面積而獲取更多土壤中的養(yǎng)分，提高了宿主植物對土壤環(huán)境中養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[35]，減少了土壤養(yǎng)分的殘留；另一方面是由于菌根真菌分泌的球囊霉素對土壤顆粒的黏結(jié)以及菌絲密度的纏繞增加了土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體的形成[36]，間接減少了徑流養(yǎng)分的損失。此外，徑流顆粒態(tài)磷濃度與植株莖葉、根系、籽粒磷吸收量均呈負(fù)相關(guān)性，且徑流各形態(tài)氮濃度與植株各部位氮吸收量也均呈負(fù)相關(guān)性。由此推斷，徑流氮、磷的流失與植物吸收累積氮、磷總量也密切相關(guān)，即叢枝菌根真菌和間作的協(xié)同作用可直接強(qiáng)化植株根系對土壤氮、磷養(yǎng)分的吸收而減少土壤氮、磷的殘留，以及可能通過球囊霉素和菌絲對土壤顆粒的黏結(jié)纏繞而間接降低徑流氮、磷的流失。

4 結(jié) 論

1）協(xié)同研究結(jié)果得出，與單作-抑菌處理相比，玉米大豆間作-土著菌根菌復(fù)合處理顯著增加了玉米的生物量，且促進(jìn)了植株莖葉、根系和籽粒氮、磷吸收量的增加。

2）與單作-抑菌處理相比，玉米大豆間作-土著菌根菌復(fù)合處理降低了土壤全磷和全氮含量，削減量最高分別可達(dá)0.25和0.11 g/kg；玉米大豆間作-土著菌根菌復(fù)合處理對徑流各形態(tài)氮、磷濃度及總流失量均有較好的阻控貢獻(xiàn)，其中對徑流總磷、總氮的總流失量的削減率最高可達(dá)62.20%和73.76%。

3）相關(guān)分析表明，菌根真菌-玉米大豆間作系統(tǒng)協(xié)同對氮、磷的直接吸收作用以及菌絲或球囊霉素對土壤顆粒的間接纏繞作用可能是徑流氮、磷流失削減的重要原因。

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Effects of AMF and intercropping on crop yield and soil nitrogen and phosphorus loss by runoff on slope farmland

Zhang Li1,2, Zhang Naiming2, Zhang Shiying2, Jia Guangjun2, Ning Dongwei2, Yue Xianrong2, Xia Yunsheng2※

(1.,,650201,; 2.,,650201,)

Loss of nitrogen and phosphorus in sloping farmland is the main factor leading to river and lake pollution. Arbuscular mycorrhizal fungi(AMF) can activate soil nitrogen and phosphorus, and promote plant nutrient absorption. Intercropping can promote nutrient complementarity between plants. In order to quantitative study the synergistic reduction contribution of Arbuscular mycorrhizal fungi and maize-soybean intercropping system to runoff nitrogen (N) and phosphorus(P) loss, a field experiment was conducted in this study. The study area lies in Ecological Science and Technology Demonstration Park of Soil and Water Conservation (24°33′-24°37′N, 102°33′-102°38′E), which is located in Dachunhe small watershed, in Jinning County, Yunnan Province, China. The soil is red soil. The experiment was laid out using 20 m × 1.6 m plots with slope of 15°. The intercropping maize-soybean, mono-maize and mono-soybean treatment were designed, andthe mycorrhizal inhibition treatment (application of benomyl which can specifically inhibit the growth of mycorrhizal fungi)was as a controlled trial. The results showed that: compared with mono maize - mycorrhizal inhibition treatment, maize intercropping- none mycorrhizal inhibition treatment significantly increased maize biomass. Compared with mono - mycorrhizal inhibition treatment, maize and soybean intercropping- none mycorrhizal inhibition treatment significantly increased the leave and grain P uptake, and significantly increased the leave and root N uptake by the plants. Compared with mono maize-mycorrhizal inhibition treatment, the reduction of total P and total N respectively was 0.25 and 0.11 g/kg in soils with intercropping maize-non mycorrhizal inhibition treatment, the reduction of total P and TN in runoff was 0.13 and 12.94 mg/L respectively. Compared with mono soybean- mycorrhizal inhibition treatment, the reduction of TP and TN respectively was 0.07 and 0.11 g/kg in soils with intercropping soybean- non mycorrhizal inhibition treatment, the reduction of total P and total N was 0.27 and 24.80 mg/L in runoff respectively. Compared with mono - mycorrhizal inhibition treatment, the TP and TN loss were decreased by 0.51 and 19.93 kg/hm2in maize-soybean intercropping-non mycorrhizal inhibition treatment, respectively. The correlation analysis showed that the concentration of particulate P in runoff was negatively correlated with the P uptake by various parts of the plant, and negatively correlated with the TP and available P content in soil. The N concentration of different forms in runoff was negatively correlated respectively with the N uptake by various parts of plants,hyphal density and glomalin content. It can be seen that the AMF and maize-soybean intercropping mode can directly reduce the N and P loss in runoff by promoting the absorption of N and P nutrients by the plants. Therefore, AMF and maize-soybean intercropping mode can intercept the total loss of nitrogen and phosphorus in the runoff. The research can provide references for controlling agricultural non-point source pollution.

runoff; erosion; arbuscular mycorrhizal fungi; intercropping; sloping land; nitrogen and phosphorus loss

張 麗，張乃明，張仕穎，賈廣軍，寧東衛(wèi)，岳獻(xiàn)榮，夏運(yùn)生. AMF和間作對作物產(chǎn)量和坡耕地土壤徑流氮磷流失的影響[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2019，35(22)：216－224. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.026 http://www.tcsae.org

Zhang Li, Zhang Naiming, Zhang Shiying, Jia Guangjun, Ning Dongwei, Yue Xianrong, Xia Yunsheng. Effects of AMF and intercropping on crop yield and soil nitrogen and phosphorus loss by runoff on slope farmland[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2019, 35(22): 216－224. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.026 http://www.tcsae.org

2019-04-10

2019-09-12

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（No. 41561057，41161041）；云南省科技創(chuàng)新人才計劃項(xiàng)目(2015HC018)；院士專家工作站項(xiàng)目(2015IC022)

張麗，博士生，主要從事農(nóng)業(yè)環(huán)境保護(hù)研究。Email：zhangyunli0202@126.com

夏運(yùn)生，博士，教授，主要從事菌根與農(nóng)業(yè)污染控制方面的研究。Email：yshengxia@163.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2019.22.026

X524

A

1002-6819(2019)-22-0216-09