小麥間作豌豆模式對土壤AMF 的侵染率和小麥生長的影響

郭 奇，王愛萍，董 琦，牛 帥，李雨萌

（山西農業(yè)大學農學院，山西太谷030801）

小麥是我國的主要糧食作物之一，2017 年播種面積為2.45×107hm2，產量達到1.34 億kg。在我國，由于長期的單一小麥種植，導致耕地土壤的N元素含量嚴重不足，影響小麥的正常生長發(fā)育，從而導致產量下降，而大量施用氮肥又會造成嚴重的環(huán)境污染。因此，如何在不施用或者少施用化肥的前提下保障土壤中的N 營養(yǎng)滿足小麥的可持續(xù)生產，是現今面臨的嚴峻問題。

叢枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）是自然界中廣泛分布的一種真菌，可以與自然界中80%的陸生植物共生，形成菌根。叢枝菌侵染植物根部并通過菌絲附著在根部皮層細胞當中，并內陷于細胞質中形成叢枝結構，叢枝菌通過叢枝結構從植物根系中獲取自身所需要的碳源養(yǎng)分，植物根系也可通過叢枝結構將菌絲從土壤中吸收的養(yǎng)分運輸至植物體內[1]，以提高植物對土壤養(yǎng)分的吸收能力[2-6]，促進植物的生長發(fā)育[7-8]，同時還可增強植物的抗病蟲害以及抗逆能力[9-12]。由于叢枝菌根真菌的根外菌絲可以從土壤中吸收NH4+[13-16]和NO3-[17-18]，通過叢枝結構運輸到植物體內，因此，有助于宿主植物對N 營養(yǎng)的吸收[19-21]。前人研究表明，叢枝菌根真菌與小麥根部形成共生關系后，可以提高小麥的株高以及生物量，改善小麥根部土壤養(yǎng)分，促進根部對氮、磷元素的吸收，從而提高小麥產量[22]。INGRAFFIA 等[23]研究了 AMF 在小麥間作豌豆模式中對二者競爭力的影響，結果表明，AMF 對小麥根系生物量以及根系密度都具有積極的影響，就生物量與養(yǎng)分吸收來看，AMF 會提高小麥的競爭力，而且不會對豌豆產生影響。

間作是指在同一地塊分帶或分行相間種植2 種或2 種以上作物的種植方式。姜圓圓等[24]對禾本科與豆科作物間作進行了研究，結果表明，禾本科與豆科作物間作具有互補效應，豆科作物通過固氮作用將所固定的N 元素通過各種渠道被禾本科作物利用。ELISE 等[25]對低投入條件下小麥間作豌豆進行了研究，結果表明，在低投入條件下小麥間作豌豆模式的生長狀況要優(yōu)于單作小麥或豌豆，同時經濟效益也有一定提高。因此，在合理的間作模式中，農作物可以充分利用土壤養(yǎng)分、光、熱、水分等資源使作物增產，同時還可以減少化肥的施用，保障糧食安全，這是一種良好的可循環(huán)農業(yè)模式。

山西省大部分地區(qū)位于黃土高原，土壤中可供植物利用的N 元素含量相對較少，選用合適的間作模式，是保證產量和經濟收益、減少土壤污染的有效途徑。目前，對于禾本科與豆科作物的間作模式中土壤有益微生物的研究，大都集中在根瘤菌在其中的作用，而對叢枝菌根真菌的研究相對較少。

本試驗以小麥為研究對象，利用春、冬小麥分別進行單作及與豌豆間作試驗，旨在探究在單作與間作2 種不同種植模式下，叢枝菌根真菌對小麥的侵染率與小麥農藝性狀、干物質量、植株體內N 素含量以及產量之間的關系，為小麥高效持續(xù)生產、減少化學肥料的施用提供理論依據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試春小麥品種為寧麥5 號、冬小麥品種為中麥175；供試豌豆品種為中豌8 號。

1.2 試驗設計

試驗于2018—2019 年在山西農業(yè)大學農作站（37°25′19.72″N，112°34′34.56″E）進行。試驗分為 4 個處理，分別為單作春麥（DC）、單作冬麥（DD）、春小麥間作豌豆（JC）、冬小麥間作豌豆（JD），采用完全隨機區(qū)組設計，小區(qū)面積為2.3 m×2.0 m，重復3 次。播種時行距為15 cm，冬小麥于10 月初播種，春小麥與豌豆于第2 年3 月同時播種。

1.3 測定指標及方法

1.3.1 叢枝菌根真菌侵染率的測定 按KOH 透明－酸性品紅乳酸甘油染色的方法[26-27]并進行改良，對小麥根部進行染色；脫色后，在蒸餾水中浸泡12 h，剪取100 條1 cm 左右的小段，觀察根段中泡囊結構，用百分數來界定每小段的侵染率，并記錄各分級標準下根段的條數。

侵染率＝受侵染的根段數/觀察的根段總數×100%（1）

1.3.2 小麥干物質量的測定 在小麥開花期，每個小區(qū)隨機取3 株小麥，沖洗干凈將其地下根系部分剪下，剩余地上植株部分放入烘箱中105 ℃殺青30 min 后在75 ℃烘干至恒質量。測定小麥地上植株部分的干物質量。

1.3.3 SPAD 值的測定 于小麥開花、灌漿、成熟3 個時期，每個小區(qū)隨機選取3 株小麥，用手持SPAD 儀進行測量，每株小麥重復3 次。

1.3.4 N 元素含量的測定 于小麥開花期，每個小區(qū)隨機選取3 株小麥，將植株部分放入烘箱75 ℃烘24 h；然后研磨成粉末狀，取0.3 g 粉末用濃H2SO4和H2O2進行消煮，直至溶液變?yōu)闊o色透明；取4 mL溶液倒入離心管中，放入間斷式化學分析儀（SMARTCHEN140）進行測定，取平均值。

1.3.5 小麥株高、分蘗數和產量的測定 在小麥開花、灌漿、成熟3 個時期測定株高；在每個小區(qū)隨機選取1 行小麥，選取其中50 cm 的小麥，對出苗、分蘗、拔節(jié)、開花、成熟5 個時期進行分蘗數的測定；于成熟期在每個小區(qū)中圈出1 m2區(qū)域的小麥，進行穗數、穗粒數、千粒質量、經濟產量的測定。

1.4 數據處理

數據采用SPSS 23.0 軟件進行處理；圖表繪制運用Micro-soft Excel 2010 進行。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式對小麥株高以及分蘗數的影響

小麥的株高與分蘗數是衡量植株生長發(fā)育情況的重要指標，對比分析2 種種植模式對春、冬小麥株高與分蘗數的影響，結果顯示（表1、圖1），春小麥在開花期、灌漿期、成熟期3 個時期中，JC 處理的株高均顯著高于DC 處理；冬小麥在開花期、灌漿期2 個時期中，DD 與JD 處理間的株高無顯著差異，而成熟期JD 處理顯著高于DD 處理?？梢?，間作模式對于小麥的株高具有明顯的促進作用。結合種植方式分析，JC 處理小麥與豌豆同一時間種植，小麥與豌豆同時進行生長發(fā)育，互補效應在整個生育時期都對小麥的生長發(fā)育具有促進作用。JD 處理下，豌豆第2 年種植，對小麥的促進作用發(fā)生較慢，直至成熟期才變得明顯?？梢?，在小麥與豌豆間作互補效應的利用方面，JC 處理要優(yōu)于JD 處理。

表1 不同種植模式對小麥株高的影響 cm

由圖1 可知，對春、冬小麥苗期、分蘗期、拔節(jié)期、開花期、成熟期5 個時期進行分析，分蘗數呈先升高后下降的單峰曲線變化，在拔節(jié)期達到峰值后開始下降；其中，在苗期JC 處理比DC 處理提高了10.34%，JD 處理比DD 處理提高了11.79%；在分蘗期JC 處理比 DC 處理提高了 11.43%，JD 處理比DD 處理提高了13.29%；在拔節(jié)期JC 處理比DC 處理提高了 8.26%，JD 處理比 DD 處理提高了11.08%；在開花期 JC 處理比 DC 處理提高了13.30%，JD 處理比DD 處理提高了12.15%；在成熟期 JC 處理比DC 處理提高了18.24%，JD 處理比DD 處理提高了11.28%。說明間作模式下，小麥的生長發(fā)育情況要優(yōu)于同時期的單作。

2.2 不同種植模式對小麥干物質量的影響

由圖2 可知，JC 和JD 處理干物質量均對應顯著高于DC 和DD 處理，其中，JC 處理干物質量比DC 處理提高31%，JD 處理比DD 處理提高18%。說明間作模式下小麥的干物質量要高于單作模式，在提高幅度方面，JC 處理要高于JD 處理。

2.3 不同種植模式對小麥葉綠素含量的影響

SPAD 值是衡量葉綠素含量的指標。對春、冬小麥在2 種不同的種植方式下在開花期、灌漿期、成熟期3 個時期的SPAD 值進行分析，結果表明（圖3），JC 處理的 SPAD 值高于 DC 處理，JD 處理的SPAD 值高于DD 處理，同時春麥的上升幅度高于冬麥。說明間作模式下的葉片葉綠素含量比單作高，更有利于小麥進行光合作用。

2.4 不同種植模式對AMF 侵染率的影響

表2 不同種植模式對AMF 侵染率的影響

由表2 可知，JC 處理的侵染率與DC 處理間存在顯著差異，且間作模式JC 處理高于單作模式DC處理；JD 處理的侵染率與DD 處理間存在顯著差異，且間作模式JD 處理要高于單作模式DD 處理。其中，JC 處理比 DC 處理的侵染率上升 47%，JD 處理比DD 處理的侵染率上升28%。JC 處理比DC 處理的侵染率提高幅度明顯高于JD 處理比DD 處理，說明叢枝菌根真菌對春小麥的侵染能力高于冬小麥。

2.5 不同種植模式對小麥總氮量的影響

小麥植株體內總氮量可以體現出植株對養(yǎng)分的吸收情況。由表 3 可知，JC 處理與 DC 處理、JD 處理與DD 處理間均存在顯著差異，間作模式下植株體內總氮量明顯高于單作。其中，JC 處理比DC 處理總氮量的提升幅度為26%，高于JD 處理比DD 處理的提升幅度（24%）。說明間作模式更有利于小麥對N元素的吸收，而且春小麥的這種促進效應更為明顯。

表3 不同種植模式對小麥總氮量的影響

2.6 不同種植模式對小麥產量的影響

由表4 可知，JC 處理和JD 處理的小麥穗數、穗粒數、千粒質量、產量都分別對應高于DC 處理和DD 處理。說明間作模式下小麥的產量高于單作模式。其中，JC 處理產量比DC 處理提高了18.72%，JD 處理產量比DD 處理提高了16.67%，間作模式對春小麥的增產效應大于冬小麥。

表4 不同種植模式對小麥產量的影響

2.7 AMF 對小麥根部侵染率與小麥干物質量、SPAD 值、養(yǎng)分吸收、產量的相關性分析

表5 小麥侵染率與干物質量、SPAD、養(yǎng)分吸收、產量的相關性分析

從表5 可以看出，AMF 侵染率與總氮量、SPAD值、產量均呈正相關，與小麥干物質量呈負相關；小麥干物質量與總氮量、SPAD 值、產量均呈負相關；總氮量與SPAD 值、產量均呈正相關；SPAD 值與產量呈正相關。其中，在DC 處理下，侵染率與總氮量間呈極顯著正相關，與產量間呈顯著正相關，干物質量與SPAD 間呈極顯著負相關；在JC 處理下，總氮量與SPAD、產量間呈極顯著正相關，SPAD 與產量間呈顯著正相關；在DD 處理下，侵染率與總氮量、SPAD、產量間呈極顯著正相關，總氮量與SPAD間呈極顯著正相關；在JD 處理下，侵染率與SPAD間呈極顯著正相關，與總氮量、產量間呈顯著正相關，干物質量與總氮量、產量間呈顯著負相關，總氮量與產量間呈極顯著正相關，與SPAD 間呈顯著正相關，SPAD 與產量間呈顯著正相關。

3 討論

3.1 間作對小麥AMF 侵染率的影響

本研究發(fā)現，春、冬2 種小麥在間作模式下的AMF 侵染率都要高于單作，其中，JC 處理模式下的侵染率高于JD?？赡苁怯捎谠谛←滈g作豌豆條件下，禾本科作物與豆科作物之間會發(fā)生物種間互補，從而導致間作模式下的侵染率高于單作；同時，豌豆根部會產生根瘤菌，根瘤菌對叢枝菌根真菌的侵染可能也存在促進作用。XIE 等[28]研究表明，根瘤菌信號可以刺激叢枝菌根真菌對寄主的侵染；STAEHELIN 等[29]研究表明，根瘤菌也可以促進叢枝菌根真菌的侵染，促進叢枝形成。這與本研究的試驗結果一致。因此，小麥與豌豆間作模式下侵染率的提高可能是受小麥與豌豆之間的種間互補效應和根瘤菌的影響。馬放等[22]研究表明，在小麥的生長發(fā)育過程中，AMF 侵染強勢時期是小麥花期。由于春小麥生長至花期的時間較短，根部還未完全木質化，生命活力較高，因此可能導致春小麥的侵染率較高。冬小麥由于經過越冬期生長，至開花期的時間較長，根系完全木質化，根系面積增大，可能影響冬小麥的侵染率。由于冬小麥間作豌豆是第2 年春天種植豌豆，冬小麥已經生長了一段時間，豌豆種植后與冬小麥相比競爭能力較弱，豌豆生長會受到一定影響，給冬小麥提供的互補效應較低，也可能是導致冬小麥侵染率較低的原因之一。

3.2 AMF 對小麥分蘗數、株高、產量的影響

本研究表明，AMF 對小麥的侵染不改變分蘗數、株高、產量之間的關系，但是間作條件下的分蘗數、株高、產量與單作相比都有一定的提升，同時間作模式下的侵染率高于單作。因此，AMF 侵染小麥可能會促進小麥的生長發(fā)育，提高小麥的產量。徐敏等[30]研究發(fā)現，AMF 侵染小麥會提升小麥葉片的葉綠素含量，從而提高小麥光合作用速率，加快營養(yǎng)物質的積累速度，提高產量。本試驗發(fā)現，JC 和JD 處理模式下的SPAD 值分別對應高于DC 和DD處理模式，而且JC 和JD 處理模式下的產量均分別對應高于DC 和DD 處理模式，這與鄭紅麗等[31]的研究結果一致。

3.3 AMF 與小麥植株內總氮量、 小麥干物質量的相關性分析

植株體內總氮量可以用來衡量小麥對氮元素的吸收。吉春龍等[32]研究發(fā)現，AMF 通過3 個方面促進小麥對氮元素的吸收，即通過菌絲擴大小麥根系的面積來促進對氮元素的吸收；在間作豌豆模式下通過促進根瘤形成增加固氮量，從而促進小麥對氮元素的吸收；通過AMF 具有不同形態(tài)的氮元素運輸途徑，從而促進小麥對氮元素的吸收。本試驗中，JC 和JD 處理模式下AMF 的侵染率和植株體內的總氮量都分別對應高于DC 和DD 處理模式，同時AMF 侵染率與總氮量顯著正相關，說明AMF對小麥進行侵染可以提高小麥對氮元素的吸收，與李俠等[33]的研究結果一致。SHI 等[34]研究發(fā)現，植物體內含氮量的提高有利于植物根系的生長，根系的生長更有利于AMF 的侵染。小麥干物質量與小麥總氮量呈正相關，說明氮素有利于植物的生長，AMF 可以通過提高小麥對氮素的利用率進而提高小麥的干物質量。

4 結論

本研究結果表明，小麥間作豌豆模式下叢枝菌根真菌對小麥的侵染率、干物質量、SPAD 值、產量、總氮量均高于單作模式。春小麥間作豌豆模式叢枝菌根真菌對小麥的侵染率高于冬小麥間作豌豆模式。叢枝菌根真菌侵染率與總氮量、SPAD 值、產量均呈正相關，與小麥干物質量呈負相關。