不同施磷水平對分蘗洋蔥伴生番茄幼苗生長及菌根侵染的影響

姜 悅，張紫涵，賈彥哲，高丹美，吳鳳芝

（東北農(nóng)業(yè)大學(xué)園藝園林學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150030）

0 引言

【研究意義】番茄（Solanum lycopersicumL.）是一種廣泛種植的重要蔬菜作物，起源于南美洲[1-2]。由于生產(chǎn)者追求利益的最大化，盲目過量施肥導(dǎo)致番茄產(chǎn)量和果實品質(zhì)的下降[3]。大量研究表明，合理的多樣性種植模式（間套作、輪作、填閑等）能通過增加根際有益菌群改善作物礦質(zhì)養(yǎng)分（磷）、促進(jìn)作物生長和提高作物產(chǎn)量[4-6]。研究人員發(fā)現(xiàn)，叢枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）是一類普遍存在于土壤中的根際促生菌，能與大約80% 的陸生植物發(fā)生共生，明顯促進(jìn)植物對養(yǎng)分和水分的吸收[7]，增強(qiáng)植物種內(nèi)或種間相互作用，但AMF對植物的有益作用易受土壤磷含量影響[8-10]。因此，明確磷肥施用量進(jìn)而最大程度發(fā)揮植物種間正相互作用至關(guān)重要，有利于維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與生產(chǎn)力?！厩叭搜芯窟M(jìn)展】研究發(fā)現(xiàn)叢枝菌根真菌能促進(jìn)植物對土壤中多種形態(tài)有效磷的吸收利用，叢枝菌根真菌可以溶解土壤中無機(jī)磷或礦化有機(jī)磷增加土壤有效磷含量，促進(jìn)宿主植物對磷養(yǎng)分的吸收利用[11]。反之土壤磷含量和形態(tài)及植物組織中的磷含量也能影響叢枝菌根真菌根外菌絲的生長、共生狀態(tài)及菌根效應(yīng)的發(fā)揮[12]。研究發(fā)現(xiàn)，在土壤磷含量較低的條件下，叢枝菌根真菌能明顯促進(jìn)植物對磷素的吸收；但在高磷條件下，叢枝菌根真菌會抑制植物的生長及磷素吸收[13]。此外，植物組織中磷濃度過高也會降低根系菌根侵染率，導(dǎo)致宿主植物對叢枝菌根真菌碳水化合物的供給減少，抑制叢枝菌根的形成[14]，進(jìn)而影響植物種間互作關(guān)系。由此說明，磷素含量過高不僅會影響植物間的相互作用，也不益于植物-AMF共生關(guān)系的建立。眾多研究發(fā)現(xiàn)，合理施用磷肥與間套作種植均能促進(jìn)作物生長，提高作物磷肥利用效率。隨著施磷量的增加，作物產(chǎn)量、植株磷濃度及磷肥利用效率隨之增加，但增加幅度與磷肥施用量呈反比[15]。因此，明確最佳磷肥施用量有利于維持農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)的生產(chǎn)力?！颈狙芯壳腥朦c】目前關(guān)于番茄與分蘗洋蔥伴生種植對番茄生長的影響，本課題組前期已進(jìn)行了相關(guān)研究[16-17]，但針對不同施磷水平對設(shè)施栽培中番茄幼苗的生長及叢枝菌根侵染影響的相關(guān)研究目前鮮有報道?！緮M解決科學(xué)問題】本研究通過室內(nèi)盆栽試驗，采用番茄與分蘗洋蔥伴生種植，并設(shè)置4種施磷水平（P0、P250、P500、P1000），研究4 種不同施磷水平對伴生種植下番茄幼苗生長及菌根侵染的影響，進(jìn)而豐富間套作（伴生）體系提高系統(tǒng)生產(chǎn)力和功能的種間互作理論，并為分蘗洋蔥伴生番茄栽培模式的應(yīng)用提供理論基礎(chǔ)。

1 材料與方法

1.1 試驗概況

供試番茄（Solanum lycopersicumL.）品種采用東農(nóng)708，由東北農(nóng)業(yè)大學(xué)番茄育種實驗室提供；供試分蘗洋蔥（Allium cepaL. var.aggregatumG. Don）品種采用綏化，由實驗室自繁。供試肥料包括磷酸二氫鉀（KH2PO4）、硫酸鉀（K2SO4）及尿素[CO（NH2）2]，通過向土壤中添加不同量的磷酸二氫鉀設(shè)置不同施磷水平，并通過添加硫酸鉀平衡各施磷處理間的鉀元素，添加尿素進(jìn)行各施磷處理氮元素的補(bǔ)充。

供試土壤取自哈爾濱向陽科研基地露地低磷土壤，其土壤基礎(chǔ)值為土壤Olsen-P：14.53 mg·kg-1；NH4+-N：7.66 mg·kg-1；NO3--N：18.82 mg·kg-1；速效鉀：141.33 mg·kg-1；pH：7.23；EC值：0.088 mS·cm-1。添加磷肥后各施磷水平的土壤Olsen-P含量為37.13 mg·kg-1（P250）； 120.17 mg·kg-1（P500）； 194.67 mg·kg-1（P1000）。以上各指標(biāo)均采用文獻(xiàn) [18]的方法測定。

1.2 試驗方法

2020年8月試驗在東北農(nóng)業(yè)大學(xué)設(shè)施工程中心的大棚內(nèi)和農(nóng)業(yè)農(nóng)村部東北地區(qū)園藝作物生物學(xué)與種質(zhì)創(chuàng)制重點實驗室進(jìn)行。采用規(guī)格為16 cm×14 cm，番茄采用常規(guī)育苗，四葉一心定植。本試驗意在明確能夠最大程度發(fā)揮植物間正相互作用的施磷水平，且前期預(yù)試驗結(jié)果顯示在P250和P500條件下伴生體系的促生效果顯著，設(shè)置本試驗添加的最高磷水平設(shè)為P1000，設(shè)4 種不同磷水平梯度：0 mg·kg-1磷肥（P0）、250 mg·kg-1磷肥（P250）、500 mg·kg-1磷肥（P500）、1 000 mg·kg-1磷肥（P1000）。每種磷水平設(shè)置2種模式：番茄單作和分蘗洋蔥伴生番茄種植，番茄與分蘗洋蔥種植比例為1∶3，即在距離番茄幼苗5～8 cm處栽種3個分蘗洋蔥鱗莖。每處理3次重復(fù)，每重復(fù)5盆，隨機(jī)區(qū)組排列，常規(guī)田間管理。

番茄定植35 d后，每個重復(fù)隨機(jī)取3株，進(jìn)行植株生物量的測定。烘干后的植株用粉碎機(jī)進(jìn)行粉碎，用于測定植株養(yǎng)分。同時，每個重復(fù)取3株番茄根系根區(qū)土壤，部分鮮土置于4 ℃冰箱保存，用于測定土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量；另一部分拿回室內(nèi)進(jìn)行風(fēng)干，用于測定土壤有效磷、速效鉀含量及土壤pH和EC值。取番茄細(xì)根，沖洗干凈后，立即放于裝有50%乙醇溶液的離心管中，并置于4 ℃冰箱中進(jìn)行短期保存，用于測定根系的菌根侵染率。

1.3 項目測定

1.3.1 植株鮮干重的測定 將取樣后的番茄植株用水進(jìn)行清洗，之后用濾紙吸干植株表面水分，采用電子天平（PL303，上海梅特勒-托利多儀器有限公司）進(jìn)行番茄植株鮮重的測定。將測定鮮重后的植株各部位在烘箱（DH-9053A，上海益恒實驗儀器有限公司）中105 ℃殺青30 min，之后在80 ℃恒溫條件下烘至恒重，用電子天平進(jìn)行稱量干重。

1.3.2 土壤化學(xué)性質(zhì)的測定 土壤銨態(tài)氮和硝態(tài)氮含量測定采用2 mol·L-1KCl溶液浸提，土壤有效磷含量測定采用0.5 mol·L-1NaHCO3溶液浸提，土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮及有效磷含量均采用流動分析儀進(jìn)行測定，土壤速效鉀含量測定以1 mol·L-1中性醋酸銨溶液浸提，采用火焰分光光度計測定，土壤化學(xué)性質(zhì)均采用文獻(xiàn)[18]的方法測定，土壤pH用酸度計測定，土壤EC值用電導(dǎo)率儀測定，土水質(zhì)量比均為1∶2.5 過濾液。

1.3.3 植株養(yǎng)分的測定 稱取磨細(xì)烘干（過0.25～0.5 mm篩）的番茄植株樣品0.100～0.200 g，放入消煮管中，加水潤濕；加5 ml濃硫酸；搖勻，管口放彎頸小漏斗（過夜），放電爐上加熱（初始溫度190 ℃左右），10～15 min后（冒白煙）逐漸升高溫度（380 ℃左右）20～30 min；當(dāng)溶液全部呈棕黑色時取下，冷卻20～30 min，加10滴300 g L-1H2O2，并搖動消煮管，繼續(xù)放消解儀上消煮，10～15 min后取下，加H2O2，如此反復(fù)2～3次，直至消煮液呈無色或清亮色后，再加熱5～10 min。冷卻后定容至100 ml，消煮液用于測定番茄植株氮、磷及鉀濃度。番茄植株氮和磷濃度均采用流動分析儀進(jìn)行測定；番茄植株鉀濃度采用火焰分光光度計測定。

1.3.4 菌根侵染率的測定 采用酸性甘油-臺盼藍(lán)染色法[8]，測定番茄根系菌根侵染率，酸性甘油中的根系可在避光條件下儲存16 個月。首先，將根系放在5% KOH溶液中，90 ℃ 水浴20 min，將根系進(jìn)行透明；然后將透明后的根系，放在1% HCl溶液中進(jìn)行酸化24 h（過夜），再將酸化后的根系放在酸性甘油/臺盼藍(lán)溶液中進(jìn)行染色，條件為90 ℃ 水浴25 min，待根系溫度降低，用酸性甘油對染色后的番茄根系進(jìn)行褪色，最后將褪色后的根系放在酸性甘油中儲存。

計算方法如下：

1.4 數(shù)據(jù)處理

采用Microsoft Excel（Office 2020）軟件對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行不同施磷水平間同一種植模式下番茄生物量的增長率及不同施磷水平伴生番茄與單作番茄間的生物量增長率分析；采用Origin 8.5軟件進(jìn)行作圖；采用SPSS（21.0）軟件中Tukey’s honestly significant difference（HSD）test （P＜0.05）進(jìn)行方差分析，用*表示不同施磷水平單作番茄與間作番茄之間的顯著性差異（P＜0.05），用小寫字母表示不同施磷水平間同一種植模式下番茄的顯著性差異（P＜0.05）；采用SPSS（21.0）軟件進(jìn)行Spearman相關(guān)性分析，檢驗植物生物量與植株養(yǎng)分濃度、土壤養(yǎng)分含量、菌絲侵染率、叢枝豐度和囊泡豐度間的相關(guān)性。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同施磷水平對分蘗洋蔥伴生番茄植株生長的影響

伴隨土壤磷水平的升高，番茄植株生物量呈先升高后降低的趨勢。與P0相比，施磷水平為P250、P500、P1000時，單作番茄全株干重分別增長了43.18%、47.73%和47.02%，伴生番茄全株干重分別增長了45.93%、50.36%和40.89%（圖1-D）。不同施磷水平下，伴生番茄全株干重與單作番茄相比分別增長了8.8%（P0）、13.6%（P250）、15.2%（P500）及 5.6%（P1000）（圖1-D），且當(dāng)施磷水平為P500時，番茄植株生物量最高，顯著高于施磷水平P0（P＜0.05）。

圖1 不同施磷水平對分蘗洋蔥伴生番茄幼苗鮮干重的影響Fig. 1 Effects of P applications on fresh and dry weights of tomato seedings intercropped with potato-onion

2.2 不同施磷水平對分蘗洋蔥伴生番茄根系菌根侵染率的影響

番茄根系的叢枝和囊泡豐度隨著土壤磷水平的升高呈先升高后降低的趨勢。不同施磷水平下，伴生番茄根系菌根侵染率均顯著高于單作番茄（P＜0.05）（除施磷水平為P250和P1000時的囊泡豐度和P1000時的叢枝豐度）（圖2）。當(dāng)施磷水平為P500時，叢枝、囊泡豐度及菌絲侵染率最高，顯著高于施磷水平P0（P＜0.05）（圖2）。

圖2 不同施磷水平對分蘗洋蔥伴生番茄根系叢枝（Arbuscular abundance）、囊泡豐度（Vesicular abundance）及菌絲侵染率（Hyphal infection rates）的影響Fig. 2 Effects of P applications on arbuscular, vesicle abundance, and hyphal infection rates of tomato roots under TO

2.3 不同施磷水平對分蘗洋蔥伴生番茄植株養(yǎng)分及土壤養(yǎng)分含量的影響

2.3.1 不同施磷水平對分蘗洋蔥伴生番茄植株養(yǎng)分濃度及養(yǎng)分吸收量的影響 番茄植株磷濃度隨著土壤磷水平的升高而增加（圖3-B）；而在施磷水平為P250、P500、P1000時，番茄植株氮磷鉀濃度顯著高于施磷水平 P0（P＜0.05）（圖 3-A、C）。同時，當(dāng)施磷水平為P250、P500、P1000時，番茄氮、磷及鉀元素吸收量均顯著高于施磷水平P0（P＜0.05）（圖3-D、E、F）。且不同施磷水平下，伴生番茄植株養(yǎng)分濃度和植株養(yǎng)分吸收量均顯著高于單作番茄（P＜0.05）（圖3）。

圖3 不同施磷水平對分蘗洋蔥伴生番茄植株養(yǎng)分濃度及養(yǎng)分吸收量的影響Fig. 3 Effects of P applications on nutrient concentrations and uptakes of tomato plants under TO

2.3.2 不同施磷水平對分蘗洋蔥伴生番茄土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷及速效鉀含量的影響 伴隨土壤磷水平的升高，土壤有效磷和速效鉀含量隨之增加。在施磷水平為P1000時，土壤硝態(tài)氮、有效磷及速效鉀含量最高，均顯著高于施磷水平P0（P＜0.05）（圖4-A、B）。不同施磷水平下，在施磷水平為P500和P1000時，伴生番茄土壤有效磷含量顯著高于單作番茄（P＜0.05）（圖4-C）。

圖4 不同施磷水平對分蘗洋蔥伴生番茄土壤銨態(tài)氮、硝態(tài)氮、有效磷及速效鉀含量的影響Fig. 4 Effects of P applications on ammonium N, nitrate N, available P and K in soil of potted tomato seedlings under TO

2.4 番茄植株生物量與菌根侵染率、番茄植株養(yǎng)分及土壤養(yǎng)分間的相關(guān)性分析

番茄植株各生物量與植株氮磷鉀濃度及土壤有效磷含量間呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）（表1）。此外，單作番茄全株干重、地下鮮干重與叢枝豐度間呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），地下部鮮干重與囊泡豐度間呈顯著正相關(guān)（P＜0.05），伴生番茄各生物量均與叢枝和囊泡豐度間呈顯著正相關(guān)（P＜0.05）（表1）。

表1 番茄植株生物量與菌根侵染率、植株養(yǎng)分和土壤養(yǎng)分之間的相關(guān)系數(shù)Table 1 Correlation coefficients between biomass and mycorrhizal infection rates of tomato plants and nutrient contents in soil

3 討論

番茄與分蘗洋蔥在土壤養(yǎng)分（磷元素）的吸收和利用方面，存在不同程度的差異情況。分蘗洋蔥伴生番茄種植能促進(jìn)番茄對土壤養(yǎng)分的吸收利用，但植物根系吸收養(yǎng)分范圍有限，無法充分利用土壤養(yǎng)分。叢枝菌根真菌作為一種重要的土壤根際促生菌，可以與80% 以上的陸生植物進(jìn)行共生[19]。并且叢枝菌根真菌的根內(nèi)和根外菌絲可以協(xié)助植物根系對土壤養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn)[8]。由此說明叢枝菌根真菌有益于植物對土壤養(yǎng)分的吸收利用，促進(jìn)植物生長。

不同施磷水平對植株生物量存在不同的影響，低磷土壤中養(yǎng)分含量偏低，植物生長會受到抑制；土壤添加適宜的磷水平，可以補(bǔ)充土壤對植物養(yǎng)分需求的供應(yīng)[20]。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，隨著土壤磷水平的升高，番茄植株生物量呈先升高后降低的趨勢，說明番茄生物量會受土壤磷含量的影響。前人研究表明，合理的多樣性種植模式（間作、伴生等）能促進(jìn)植株生長、提高植株養(yǎng)分含量，但這種植物間的正相互作用受到土壤磷水平的調(diào)控[21]。與P0相比，其他施磷水平條件下伴生番茄全株干重均顯著高于單作番茄，且施磷水平為P500時，伴生番茄全株干重最高，顯著高于施磷水平P0，該結(jié)果表明當(dāng)施磷水平為P500時，伴生分蘗洋蔥對番茄幼苗的促生作用最大，即土壤施磷水平調(diào)控了番茄和分蘗洋蔥種間正相互作用。本研究結(jié)果也發(fā)現(xiàn)，不同施磷水平番茄與分蘗洋蔥伴生種植下的番茄植株氮磷鉀濃度均顯著高于單作番茄，并且番茄植株養(yǎng)分濃度與生物量各指標(biāo)間呈顯著正相關(guān)關(guān)系，該結(jié)果說明番茄植株養(yǎng)分濃度的增加可能是伴生分蘗洋蔥對番茄促生的原因之一。多項研究已證實植物-AMF共生能促進(jìn)植株生長和提高植株養(yǎng)分濃度[22]，但二者共生也會受到植物磷濃度和土壤有效磷含量的影響[23]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同施磷水平之間番茄根系菌絲侵染率、叢枝豐度和囊泡豐度均伴隨土壤磷水平的升高呈先升高后降低的趨勢，且伴生番茄與單作番茄相比，趨勢更為顯著。相關(guān)性分析結(jié)果表明，伴生番茄植株各生物量與叢枝及囊泡豐度間均呈顯著正相關(guān)關(guān)系，這可能是伴生分蘗洋蔥促生番茄和高效利用礦質(zhì)養(yǎng)分的原因之一。

有研究表明，低磷水平益于植物-AMF共生，在此磷水平基礎(chǔ)上添加少量磷素能促進(jìn)植物-AMF共生；然而土壤磷水平超過最適范圍時，則會抑制植物與叢枝菌根共生[8]，這表明宿主植物與叢枝菌根真菌共生受土壤磷水平調(diào)控。同時，叢枝菌根的根外菌絲能擴(kuò)大宿主植物根系的根表面積，促進(jìn)宿主植物根系對土壤養(yǎng)分的吸收[8]。本研究發(fā)現(xiàn)，不同施磷水平番茄植株磷濃度和土壤有效磷的增加量不同，表明叢枝菌根可能會通過增加土壤養(yǎng)分有效性進(jìn)而改善番茄植株營養(yǎng)。本研究還發(fā)現(xiàn)，隨土壤磷水平升高，番茄根系菌根侵染率呈先升高后降低的趨勢，這與前人研究所得結(jié)果基本一致[24]。這是因為土壤中磷的有效性是影響植物-AMF共生的重要因素[25]。本研究相關(guān)性分析結(jié)果也表明，番茄植株干重與叢枝豐度、植株氮磷鉀濃度及土壤有效磷含量間呈顯著正相關(guān)關(guān)系。以上結(jié)果表明植物-AMF共生對礦質(zhì)養(yǎng)分的高效利用可能與番茄根系菌根侵染率的增加存在關(guān)聯(lián)。但本研究中，并未測定施磷后不同施磷水平土壤的理化性質(zhì)，因此不清楚不同磷水平營養(yǎng)的添加是否會影響土壤的其他理化性狀，盡管在實驗中已經(jīng)平衡了除磷以外的其他營養(yǎng)元素。另外，本試驗中所用磷肥為磷酸二氫鉀，其作為酸性肥料在施用后是否會導(dǎo)致土壤pH的降低，又是否會間接影響到本研究的試驗結(jié)果，需在后續(xù)的試驗中進(jìn)一步研究。

4 結(jié)論

與傳統(tǒng)的番茄單作相比，磷營養(yǎng)在番茄和分蘗洋蔥種間互作中發(fā)揮了重要的作用。在施磷水平為P500時，番茄和分蘗洋蔥間的正相互作用最大，其中，番茄根系菌根侵染率、植株養(yǎng)分濃度和番茄植株生物量均顯著高于施磷水平P0。表明適宜施磷水平下的土壤更能促進(jìn)伴生體系中番茄根系-AMF間建立共生關(guān)系，協(xié)助番茄獲取和高效利用礦質(zhì)養(yǎng)分，促進(jìn)番茄幼苗生長。