有機氮和土著AMF對辣椒||菜豆生長及競爭力的影響*

周洪印,張仕穎,趙乾旭,李秉軒,包 立,岳獻榮,夏運生**

(1.云南農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院 昆明 650201; 2.云南省土壤培肥與污染修復工程實驗室 昆明 650201; 3.河南省周口市淮陽區(qū)齊老鄉(xiāng)政府 周口 466743)

辣椒(L)屬于茄科辣椒屬,是目前我國重要的夏季蔬菜作物,種植規(guī)模僅次于大白菜(L.Rupr)的種植面積,深受人們青睞。菜豆(L)屬于豆科菜豆屬,是我國重要的豆科蔬菜,也是目前我國重要的出口品蔬菜種類。

間套作是世界農(nóng)業(yè)的精華,在亞洲和非洲國家具有廣泛的應用,在我國100 多種間作種植方式中,70%的組合有豆科作物參與,豆科與非豆科作物間作在間作模式中占有重要位置。大量科學研究證實,間套作是一種對農(nóng)業(yè)資源高效綜合利用以及促進作物增產(chǎn)的高效種植模式。氮素的施用對有效促進作物高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)具有重要意義。叢枝菌根真菌(AMF)是土壤微生物群落的重要結(jié)構(gòu)組成。前人研究表明,AMF 不僅能夠有效促進宿主作物的生長發(fā)育,增加宿主對土壤養(yǎng)分的吸收,還能與宿主根系形成一種互惠性的共生體。在間作系統(tǒng)內(nèi),AMF能夠再分配土壤水分和養(yǎng)分,改變植物間的營養(yǎng)平衡,降低宿主植物對資源的競爭,影響植物種間或根際土壤微生物群落結(jié)構(gòu)的多樣性,因此AMF 對植物種間競爭、土壤微生物群落多樣性及穩(wěn)定性具有重要的調(diào)節(jié)作用。目前國內(nèi)外研究者在建立植物種間形態(tài)競爭機制方面做了大量研究。趙乾旭等研究了土著AMF 與不同形態(tài)氮對大豆[(L.) Merr.]||玉米(L.)生長及氮利用的影響,結(jié)果表明土著AMF 與氮肥施用對促進間作大豆生長與提高氮素利用率尤為明顯。劉圓圓等研究了氮和土著AMF 對大豆||黃瓜(L.)間作土壤酶活性及氮利用的影響,結(jié)果表明以間作體系接種土著AMF 與施用適量有機氮的組合明顯促進了設施黃瓜生長和氮素利用率。劉圓圓等在土著AMF 與氮形態(tài)對辣椒||菜豆間作系統(tǒng)的氮形態(tài)利用及其影響因素進行了研究,發(fā)現(xiàn)間作體系接種土著AMF 與施用適量有機氮能顯著促進設施辣椒、菜豆生長和氮素利用。Anitha 等證實辣椒與菜豆長期間作后,辣椒對氮素等的吸收量顯著增加。

然而,關于土著AMF 與有機氮施用對辣椒||菜豆種間競爭影響方面的研究少見報道?；诖?本文以設施條件下辣椒||菜豆間作種植模式為研究對象,研究了施有機氮對間作蔬菜接種土著AMF 后種內(nèi)種間的競爭關系,以期為設施蔬菜的多樣性種植和養(yǎng)分高效利用奠定基礎。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試辣椒品種為‘綠先鋒215’,菜豆品種為‘太空地豆王’。供試土壤采集于滇池寶象河水庫附近坡耕地。土壤基本理化性質(zhì)為:pH 7.71,有機質(zhì)19.62 g·kg,全氮0.79 g·kg,堿解氮41.35 mg·kg,有效磷15.62 mg·kg,速效鉀89.68 mg·kg。取回后經(jīng)自然通風干燥磨碎,過2 mm 篩,全部混勻后裝入一個滅菌袋中進行120 ℃高壓蒸汽滅菌3 次,每次滅菌45 min,然后置于牛皮紙上均勻攤平后再晾置3～4 d 后密封備用。

供試土著AMF 采集于云南省昆明市官渡區(qū)小哨鄉(xiāng)坡耕地(102°96′E,25°16′N,坡度為8°)玉米||大豆間作試驗田間根圍土壤,將根圍土樣于陰涼處風干,用于土著AMF 菌根菌劑的制備。通過在云南農(nóng)業(yè)大學科研大棚內(nèi)以高粱[(L.)Moench]和苜蓿(L.)為寄主植物經(jīng)多次擴繁后獲得土著AMF 真菌菌劑的盆栽土,其含有AM 真菌侵染根段、菌絲片段、真菌孢子和根圍基質(zhì)混合物,其中根圍基質(zhì)是由1∶1 的滅菌土壤和河沙混勻而成。接種前測得每100 g 接種菌劑含有1.2×10個真菌孢子。

供試有機氮為谷氨酰胺(分析純)。種植選用容器為塑料花盆,洗凈之后晾干。

1.2 試驗設計

試驗在云南農(nóng)業(yè)大學科研大棚內(nèi)進行,大棚內(nèi)晝夜溫度分別為(24±3)℃和(16±2)℃,自然光照。設置種植模式、菌根處理和施氮處理3 個因素。種植模式設辣椒||菜豆間作、辣椒單作和菜豆單作3 種;菌根處理設不接種土著AMF 和接種土著AMF 兩種,分別用NM、AMF 表示; 施氮處理設不添加氮、添加有機氮120 mg(N)?kg兩種,分別用N0、N120 表示。共計12 個處理,每個處理重復3 次,共36 盆。

試驗所用花盆體積為4421 cm,每盆裝土4 kg。先在每盆底層裝土2.6 kg,中間土層再裝入1 kg 滅菌土,其中需要接種土著AMF 處理每盆添加0.1 kg 菌劑,不接種土著AMF 處理下每盆添加等量的滅菌菌劑,最后在上面再覆蓋土0.3 kg。每盆土初次澆水的量按土重的13%用蒸餾水灌溉,平衡放置1 周后再播種。

挑選大小一致且籽粒飽滿的辣椒和菜豆種子,經(jīng)10%的HO進行種子表面消毒10 min 后,經(jīng)去離子水沖洗多次后,置于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2～3 d。挑選出芽整齊的辣椒和菜豆種子播種,單作辣椒和菜豆每盆分別播種6 顆和10 顆,出苗1 周后分別間苗至4 顆和8 顆; 間作處理每盆分別播種辣椒和菜豆4 顆和6 顆,兩種作物種植面積比例為1∶1,出苗1 周后分別間苗至2 顆和4 顆。為保證所有處理植物正常生長發(fā)育,試驗前以溶液形式向混合土壤加入基礎肥料,基礎肥料種類以及加入量分別為:NHNO、KHPO、KSO、CaCl·2HO、MgSO·7HO、MnSO·HO、CuSO·5HO、ZnSO·7HO、(NH)MoO·4HO 按N 60 mg·kg、P 30 mg·kg、K 67 mg·kg、Ca 20 mg·kg、Mg 4.5 mg·kg、Mn 0.92 mg·kg、Cu 0.54 mg·kg、Zn 1.24 mg·kg、Mo 0.06 mg·kg施用。每盆土按土重的13%用蒸餾水進行初次灌溉,待植株生長1 個月左右,進行施氮處理。定期定量澆水,使土壤含水量保持在田間持水量的75%～80%。

1.3 植株樣品采集與測定分析

待作物生長10 周收獲,分開收獲植株地上部和地下部根系,分別用自來水和適量蒸餾水將其沖洗干凈,晾干,測定收獲植株的根長、株高等指標,將根修剪成1 cm 根段。取部分根樣采用曲利苯藍-方格交叉法測定植株菌根侵染率; 植株地下部及地上部經(jīng)烘干(75 ℃,72 h)、稱重、粉碎后放置待用。植株含氮量參考《土壤農(nóng)化分析》測定。植株氮吸收量根據(jù)植株干重與植株氮含量的乘積計算。氮素吸收效率是植株地上地下部總體吸收的氮素占土壤總供氮量的比例計算,計算公式為:

菌根依賴性(MGD)是指在一定土壤肥力水平下植物通過形成菌根而能夠達到的最大生物量或產(chǎn)量的程度,計算公式為:

式中:AMF 為接種土著AMF 處理的植物總生物量干重,NM 為未接種土著AMF 處理的植物總生物量干重。

種間相對競爭能力(LC)表示辣椒相對于菜豆的資源競爭能力,計算公式如下:

式中:和分別代表間作模式下辣椒和菜豆的生物量,和分別代表單作辣椒和單作菜豆的生物量,和分別代表間作模式下辣椒和菜豆種植面積比例。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)分析采用Microsoft Excel 2010 進行均值和標準差計算; 應用SPSS 20.0 統(tǒng)計軟件進行基本分析與鄧肯檢驗,分析同一指標處理間的差異顯著性(<0.05)。

2 結(jié)果與分析

2.1 接種土著AMF、施氮量和種植方式對辣椒和菜豆菌根侵染率的影響

辣椒和菜豆只有在接種土著AMF 時才能觀察到菌根侵染。所有復合處理中,N120-間作處理的辣椒根系菌根侵染率最高,而N0-間作處理的菜豆根系菌根侵染率最低,說明施用一定量的氮能促進間作植物的菌根侵染。在N120 處理下,間作辣椒和間作菜豆根系的菌根侵染率相對較高,分別為39.4%和34.2%,較單作辣椒、單作菜豆分別增加20%和14%; 而N0 處理下間作辣椒和間作菜豆根系的菌根侵染率分別較相應的單作降低13%和17%,其中間作菜豆的降幅比辣椒大,說明間作模式下土著AMF更容易侵染辣椒根系。辣椒和菜豆對接種相同來源的土著AMF 表現(xiàn)出一定的宿主差異性(圖1)。

圖1 不同施氮量對辣椒||菜豆間作系統(tǒng)土著AMF 菌根侵染率的影響Fig.1 Effects of N application rates on infection rate of indigenous arbuscular mycorrhizal fungi (AFM) in peppercommon bean intercropping system

2.2 接種土著AMF、施氮量和種植方式對間作辣椒和菜豆生長的影響

由表1 可知,在NM-N120 處理下單作菜豆和AMF-N120 處理下的單作辣椒植株相對較高,且前者與相應的間作差異顯著(<0.05),說明間作抑制了菜豆和辣椒的植株生長。與NM 處理相比,不施氮下接種土著AMF 的單作辣椒和單作菜豆株高分別增加28%和17%。說明接種土著AMF 促進低氮條件辣椒和菜豆植株生長,且對辣椒的促進作用強于菜豆。在NM 處理下,間作辣椒的根長在同樣氮處理下比間作菜豆根系大。

由表1 可知,在同樣氮處理-種植模式下接種土著AMF 的菜豆和辣椒植株的地上生物量均大于NM 處理下的辣椒和菜豆植株地上生物量,說明接種土著AMF 能促進寄主植物菜豆和辣椒植株地上生物量。在接種土著AMF 處理下,間作菜豆的地上生物量比在同樣氮處理下的單作菜豆顯著增加(<0.05),N0 處理和N120 處理下分別顯著增加26%和25%; 而間作辣椒的地上生物量與同樣氮處理下的單作辣椒相比無顯著變化。說明辣椒和菜豆對種植方式響應表現(xiàn)為:菜豆>辣椒。施氮處理對菜豆和辣椒地上生物量的影響不顯著。與NM 處理下間作菜豆相比,接種土著AMF 的間作菜豆根系生物量在同樣氮處理下顯著增加(<0.05),N0 和N120 處理下分別增加41%和53%,說明接種土著AMF 能顯著促進菜豆根系的生長。

在NM 處理下,間作辣椒和菜豆的根冠比與同樣氮處理下的單作辣椒和菜豆降低,在N0 處理下間作辣椒和菜豆分別比單作降低29%和26%,N120 處理下分別降低15%和26%。但AMF 處理下,間作辣椒和菜豆的根冠比與同樣氮處理下的單作辣椒和菜豆的根冠比差異均不顯著,說明接種土著AMF 可能影響了間作辣椒和菜豆的生長投資策略(表1)。

表1 接種土著AMF、施氮量和種植模式對辣椒和菜豆株高、根長、生物量及根冠比的影響Table 1 Effects of inoculation of indigenous arbuscular mycorrhizal fungi (AFM),N application rates and planting patterns on plant height,root length,biomass and root/shoot ratio of intercropped pepper and kidney bean

2.3 接種土著AMF、施氮量和種植方式對辣椒和菜豆間作系統(tǒng)土壤pH 的影響

由圖2 可知,N0 條件下接種土著AMF,單作辣椒土壤pH 降低3%,單作菜豆的土壤pH 增加3%; 而接種土著AMF 對間作辣椒和菜豆的土壤pH 的影響較小。而N120 條件下接種土著AMF 使單作辣椒的土壤pH 顯著增加7% (<0.05),使單作菜豆土壤pH 降低3%,對辣椒菜豆間作系統(tǒng)土壤pH 無顯著影響。說明施一定量的氮和接種土著AMF 能改變土壤的酸堿度。

圖2 土著AMF 與施氮量對辣椒||菜豆間作系統(tǒng)土壤pH 的影響Fig.2 Effects of inoculation of indigenous arbuscular mycorrhizal fungi (AFM) and N application rate on soil pH of pepper||common bean intercropping system

2.4 接種土著AMF、施氮量和種植方式對間作辣椒和菜豆氮吸收效率的影響

由圖3 可以看出,在所有復合處理中，除N120-接種AMF 處理對單作菜豆氮素吸收效率影響較小外,在同樣的氮處理和種植模式下接種土著AMF 的氮素吸收效率都相對較高,說明接種土著AMF 可以提高辣椒和菜豆的氮素吸收效率。在N0 條件下接種土著AMF 顯著增加了單作菜豆的氮素吸收效率,而N120 條件下接種土著AMF 對單作菜豆氮素吸收效率沒有顯著影響,說明施一定量的氮可能反而抑制菜豆的氮素吸收。與NM 處理相比,接種土著AMF 處理的間作菜豆和辣椒在同樣氮處理下氮素吸收效率增加,其中間作菜豆在N0 和N120 處理下顯著增加108%和98%(<0.05),間作辣椒在N0 和N120 處理下增加40%和22%,且同樣氮處理下間作菜豆的增幅均大于間作辣椒。說明在土著AMF 處理下兩種植物吸氮效率對種植模式的響應強弱表現(xiàn)為菜豆>辣椒,菜豆的氮素吸收競爭強于辣椒的氮素吸收。

圖3 土著AMF 與施氮量對辣椒||菜豆間作系統(tǒng)氮素吸收效率的影響Fig.3 Effects of inoculation of indigenous arbuscular mycorrhizal fungi (AFM) and N application rate on N absorption efficiency of pepper||common bean intercropping system

2.5 接種土著AMF、施氮量對辣椒相對菜豆的種間競爭能力的影響

由圖4 可知,在NM 條件下辣椒相對菜豆的種間競爭能力大于零,表明辣椒對資源的競爭能力比菜豆更強; 與N0 相比,N120 條件下辣椒對菜豆的競爭能力提高125%。在AMF 條件下辣椒相對菜豆的種間競爭能力小于零,表明辣椒對資源的競爭能力比菜豆弱,與N0 相比N120 條件下辣椒對菜豆的競爭能力降低19%。由此可見土著AMF 處理下菜豆的種間競爭能力強于辣椒的種間競爭能力,且施氮有顯著影響(<0.05)。

圖4 土著AMF 與施氮量對辣椒相對菜豆的種間競爭能力的影響Fig.4 Effects of inoculation of indigenous arbuscular mycorrhizal fungi (AFM) and N application rate on interspecific competitiveness of pepper relative to common bean

2.6 接種土著AMF、施氮量和種植方式對辣椒和菜豆的菌根依賴性的影響

由圖5 可以看出,在所有處理中,施氮處理對單作辣椒的菌根依賴性無顯著變化(>0.05),而在其他種植模式下顯著降低(<0.05),單作模式下菜豆菌根依賴性顯著降低82%,間作模式下辣椒和菜豆的菌根依賴性分別顯著降低35.8%和38.5%。間作種植模式下施氮處理對菜豆的菌根依賴性降幅比辣椒降幅大,在單作種植模式下施氮處理對辣椒的菌根依賴性無顯著變化,對菜豆卻顯著降低其菌根依賴性,說明兩種植株的菌根依賴性對施肥量響應的強弱表現(xiàn)為菜豆>辣椒。在同樣氮處理下間作種植模式能顯著降低辣椒(<0.05)的菌根依賴性,N0 處理下顯著降低25%,N120 處理下顯著降低57.6%,而在同樣的氮處理下間作種植模式卻能顯著增加菜豆(<0.05)的菌根依賴性,N0 處理下顯著增加38.5%,N120 處理下顯著增加386%,說明兩種植株菌根依賴性對種植模式響應的強弱表現(xiàn)為:菜豆>辣椒。

圖5 種植模式與施氮量對辣椒||菜豆間作系統(tǒng)菌根依賴性的影響Fig.5 Effects of planting pattern and N application rate on mycorrhizal dependence of pepper||common bean intercropping system

3 討論

3.1 有機氮施用對辣椒||菜豆種間競爭力的影響

植物競爭能力決定了該物種在自然生態(tài)系統(tǒng)中的生存能力。本研究表明在不接種AMF 條件下,不施氮處理辣椒相對菜豆的種間競爭能力為0.60,施一定量氮處理辣椒相對菜豆的種間競爭能力為1.35,施用有機氮比不施氮處理辣椒對菜豆的競爭能力提高125%,說明施氮處理能提高辣椒對菜豆的種間競爭能力,在間作系統(tǒng)中辣椒處于優(yōu)勢地位(圖4)。這與其他學者得出的結(jié)論一致,一方面由于辣椒地上生物量在外源氮輸入下顯著增加、根冠比相應降低,說明辣椒在獲得更多的氮素營養(yǎng)后將進一步增加對地上生物量的供應,而由于地上生物量增加,植物對光資源競爭漸趨激烈; 另一方面與豆科作物的氮轉(zhuǎn)移及氮節(jié)約效應有關。有結(jié)果表明,豆科||禾本科間作在低氮土壤中能夠顯著促進豆科作物結(jié)瘤、固氮,而非豆科作物促進了豆科作物固氮和氮素向非豆科作物轉(zhuǎn)移,增加了間作作物對養(yǎng)分的吸收利用以及產(chǎn)量的建成。隨著菜豆固氮能力的增強,辣椒進入氮素吸收高峰期,菜豆向辣椒轉(zhuǎn)移的氮替代了部分外源氮,辣椒對氮素競爭力增強,兩者由氮素競爭關系轉(zhuǎn)變?yōu)榛パa關系,表現(xiàn)為間作促進了辣椒的氮素吸收累積。本研究也表明氮施用對辣椒和菜豆生長和吸氮效率都有顯著促進作用,這與劉圓圓等的研究結(jié)果一致。例如當辣椒和菜豆單獨種植時氮施用顯著增加了辣椒和菜豆的生物量,但辣椒和菜豆混合種植時,氮施用對辣椒生物量影響較大而對菜豆生物量影響微弱(表1),這說明不同植物間作對氮施用會產(chǎn)生不同的響應。也有研究表明在全球氮沉降日益增加的趨勢下,基于物種競爭排除的原理,對氮響應積極的喜氮物種將占據(jù)更大的優(yōu)勢。

3.2 接種土著AMF 對辣椒和菜豆種間競爭力的影響

種間相對生長競爭力是一種衡量一種作物相對于另一種作物對資源環(huán)境綜合生長競爭能力大小的重要綜合指標,與作物生長密切相關。

本研究表明,NM-N120 處理下單作菜豆和AMFN120 處理下的單作辣椒植株相對較高,且分別與同樣菌根-氮處理下的間作菜豆和間作辣椒的株高差異顯著(<0.05)(表1),不施有機氮處理下,單作辣椒的菌根依賴性顯著高于菜豆，而間作辣椒對菌根依賴性顯著低于菜豆(圖5),這與土著AMF的寄主專一性有關。Klironomos研究指出,雖然AMF 對植物的侵入感染繁殖過程沒有嚴格的專一性,但是不同AMF 與不同宿主植物間親和力仍然存在一定差異,不同寄主植物對菌根的依賴性不同,因此獲得的效益程度也有所不同。本研究也表明在未接種土著AMF 條件下,辣椒相對菜豆的種間競爭能力大于零,在接種土著AMF 條件下,辣椒相對菜豆的種間競爭能力小于零(圖4),說明辣椒對資源的競爭能力強于菜豆,但與土著AMF 的共生增強了菜豆的競爭能力而相對降低了菜豆的競爭能力,這與其他學者在研究接種土著AMF 對相鄰二者的競爭力產(chǎn)生了差異性影響的結(jié)果基本一致,土著AMF 的上述作用使個體較小的植物在AMF 幫助下提高獲取養(yǎng)分資源的能力從而增加了相對競爭能力,并可以抗衡處于競爭優(yōu)勢個體較大的植物,使競爭趨于動態(tài)平衡,實現(xiàn)物種共存。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明,接種土著AMF 可一定程度促進辣椒和菜豆生長,并在有機氮施用下促生效果更好,且間作條件下可減弱處于優(yōu)勢作物的養(yǎng)分競爭能力而增強處于劣勢地位的作物的相對競爭力,從而證實了AMF 在辣椒和菜豆生長和在調(diào)節(jié)與改善豆科作物種間競爭中的重要作用,這在一定程度上說明土著AMF 在調(diào)控間作植物間的資源利用和維持農(nóng)田作物多樣性方面具有重要的生態(tài)學意義。