畢銀麗，張延旭，江 彬，裘 浪

(中國礦業(yè)大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083)

在全球干旱、半干旱區(qū)，水資源匱乏是區(qū)域生態(tài)環(huán)境主要限制性因素之一，不僅影響植物生長，造成作物減產(chǎn)，且使土地退化，嚴重威脅當?shù)剞r(nóng)業(yè)生產(chǎn)及生態(tài)環(huán)境[1]。我國干旱、半干旱區(qū)面積較大，降雨量嚴重不足，土地貧瘠，普遍缺磷，嚴重威脅當?shù)厣a(chǎn)實踐及生態(tài)平衡[2]。內蒙古敏東礦區(qū)氣候干旱，土壤貧瘠，植被群落單一，煤炭井工開采造成地面塌陷，地表產(chǎn)生大量的地表裂縫，導致土壤水分、養(yǎng)分的流失，植被死亡，加劇了干旱對礦區(qū)造成的生態(tài)破壞。因此，如何提高植物抗旱性，增強作物水分利用效率，提高土壤肥力是我國干旱半干旱區(qū)生產(chǎn)實踐急需解決的重要課題之一，而利用生物手段提高植物抗旱性，促進植物生長和發(fā)育，增加作物產(chǎn)量，提高土壤肥力已成為國內外研究熱點，并取得了廣泛進展。

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，簡稱AMF)是陸地生態(tài)系統(tǒng)中，分布最廣泛的一種常見土壤真菌種類，能與陸地上大部分植物形成共生關系并在根際土壤中形成菌絲網(wǎng)，擴大植物根系對氮、磷等礦質元素及水分的吸收面積，改善植物營養(yǎng)狀況，促進植物生長發(fā)育，提高其抗逆性[3-5]。研究表明，水分脅迫下，接種AM真菌不但能促進沙打旺[1]、玉米[2]的生物量，增加植物氮、磷吸收量，提高植物葉片相對含水量，還能改良根際土壤微生物環(huán)境，提高土壤肥力[6]，這對于提高植物水分利用率，活化土壤，減少化肥施用量具有不可替代的優(yōu)勢。

土壤中的解磷細菌可合成和分泌一些有機酸和酶類等代謝產(chǎn)物，促使土壤中的不溶性磷轉化為可溶性磷，促進植物對磷的吸收利用[7]。劉玲利等[8]研究發(fā)現(xiàn)，不同解磷微生物解磷能力不同，且接種解磷菌的油菜產(chǎn)量、葉綠素含量顯著高于對照。郜春花等[9]用自行分離篩選的B2和B67解磷細菌制成解磷菌劑，進行小麥、玉米、甘藍、青菜、莜麥等的盆栽和大田對比試驗，結果表明，各作物增產(chǎn)效果顯著，并有提高土壤速效磷含量、培肥土壤的作用。目前關于AM真菌與解磷細菌的聯(lián)合接種已取得一定進展。秦芳玲、張煥仕等[10-12]研究表明，聯(lián)合接種AM真菌與解磷細菌可顯著提高紅三葉草、蓖麻的生物量、磷吸收量，提高根系侵染率。邢禮軍等[13]向玉米、花生和三葉草分別接種AM真菌和解磷細菌，發(fā)現(xiàn)雙接種對玉米促進效果最為明顯，顯著提高其干重和吸磷量。但是，關于菌根與解磷細菌聯(lián)合在礦區(qū)特別是干旱條件下的應用研究尚不多見。

本試驗以玉米為宿主植物，沙土為基質，在溫室盆栽條件下，模擬內蒙古東部井工煤礦區(qū)干旱條件，研究接種AM真菌與解磷細菌對玉米的生長及土壤改良的影響，為菌根及解磷微生物作為生物肥料廣泛應用于礦區(qū)，促進旱區(qū)植物生長和土壤熟化，恢復礦區(qū)和旱區(qū)生態(tài)環(huán)境提供理論支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤為沙土，取自內蒙古東部敏東礦區(qū)，過1 mm篩，經(jīng)121 ℃蒸汽滅菌1 h，風干后待用。土壤基本理化性質為pH=7.44，有機碳0.34 g/kg，全氮0.05 g/kg，速效磷4.95 mg/kg，速效鉀24.56 mg/kg，電導率(EC)840 μs/cm，田間最大持水量為21.6%。

試驗用盆規(guī)格為50 cm×32 cm×20 cm灰色塑料盆，洗凈并用75%酒精消毒。供試玉米種子由中國農(nóng)科院中農(nóng)種子公司提供，品種為品糯28。播種前用10%H2O2浸泡消毒15 min，后用去離子水反復清洗數(shù)遍，在25 ℃黑暗培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2 d，待播種。

試驗供試AM真菌菌種為摩西管柄囊霉(Funneliformismosseae)(簡稱Fm)，其孢子密度為126個/g菌劑)，經(jīng)中國礦業(yè)大學(北京)微生物復墾實驗室通過玉米擴繁得到，侵染率為97%，接種劑為含有宿主植株侵染根段、孢子和菌絲的沙土混合物。供試解磷細菌是斯式泛菌(Pantoeastewartii)(簡稱CA)，是本實驗室從寧夏粉煤灰樣品中自主分離并純化培養(yǎng)的高效解磷細菌。在30 ℃溫度條件下振蕩培養(yǎng)，使菌株處于對數(shù)生長期時使用。

1.2 試驗設計與管理

試驗設2個水分處理:70%(正常供水)、40%(干旱脅迫)。同一水分處理下設4個接菌處理:不接菌(CK)、單接AM真菌(Fm)、單接解磷細菌(CA)、聯(lián)合接種AM真菌與解磷細菌(Fm+CA)，每個處理3次重復，隨機排列。試驗在中國礦業(yè)大學(北京)日光溫室中進行，于2016-04-12開始布置，每盆裝土45 kg，AM真菌接種量為每1 kg滅菌沙土加入50 g菌劑充分混合，不接種處理加入與菌劑等重的滅菌沙土。解磷細菌接種量為每1 kg滅菌沙土加入5 mL解磷細菌溶液充分混合，不接種解磷細菌的處理加入同等體積經(jīng)121 ℃蒸汽滅菌1 h后的解磷細菌溶液。種植前向滅菌沙土中加入以NH4NO3,KH2PO4,K2SO4配置的營養(yǎng)液作為底肥，用量控制為土壤中N,P，K質量分數(shù)分別為100,10,150 mg/kg，植物生長40 d后追肥1次，用量與之前相同。播種前，澆水至土壤最大持水量，待水分平衡1 d之后播種，每盆8顆。玉米出苗7 d后進行間苗，每盆保持4株。采用稱重法控制澆水量，1周1次，保持土壤含水量為最大持水量的70%，30 d后進行控水試驗。正常供水組每盆土壤含水量維持在田間最大持水量的70%，干旱脅迫澆水量為田間最大持水量的40%左右。

玉米生長70 d收獲，分別收獲植株地上部、地下部，洗凈，待用。剩下根系及地上部烘干測定干重并粉碎，過0.5 mm篩，備用。

1.3 指標測定及方法

1.3.1玉米生長指標測定

玉米植株地上、地下部干重采用稱重法。植株全氮含量采用硫酸-過氧化氫消煮，凱氏定氮法測定;全磷和全鉀含量采用硫酸-過氧化氫消煮，ICP-OES法測定[14]。

1.3.2土壤基本指標測定

土壤pH值(水土比2.5∶1)和電導率用電位法(水土比5∶1);土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化法;全氮采用凱氏定氮法;速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法[14];速效鉀采用碳酸銨浸提，用ICP-OES測定[15]。

1.3.3菌根相關指標測定

菌根侵染率測定采用Phillips和Hayman的方法[16]。

1.3.4相關公式[17]

菌根侵染率(%)=AM真菌侵染根段數(shù)/觀察總根段數(shù)× 100

菌根依賴性(%)=(接菌干重-非接菌干重)/接菌干重× 100

菌根貢獻率(%)=(接菌含量-非接菌含量)/接菌含量× 100

1.4 數(shù)據(jù)處理

試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010軟件進行處理。經(jīng)檢驗符合正態(tài)分布，數(shù)據(jù)采用SAS 8.1軟件進行單因素、雙因子差異性分析(P<0.05)，通過最小顯著差異法(LSD)檢驗。

2 結果與分析

2.1 水分脅迫下接種AM真菌與解磷細菌對玉米生長量的影響

由表1可知，隨著土壤相對含水量降低，各處理玉米植株地上、地下及總干重，根系侵染率均顯著降低。同一水分條件下，與未接種處理相比，接種微生物提高了玉米干重，除正常供水的Fm地下部干重外均表現(xiàn)差異顯著，說明接種微生物能提高玉米抗旱能力，促進植株生長發(fā)育。正常供水條件下，各接種株玉米的地上、地下及總干重表現(xiàn)為Fm+CA>CA>Fm，差異顯著(P<0.05);Fm的侵染率高于Fm+CA，差異不顯著(P>0.05)。水分脅迫下，接菌處理玉米干重表現(xiàn)為單接菌Fm>CA>Fm+CA，其中Fm地下干重顯著高于其他處理(P<0.05);Fm+CA的侵染率高于Fm，但差異不顯著(P>0.05)。不接種CA條件下，玉米在土壤相對含水量為70%,40%時的菌根依賴性分別為9%和34%，表明水分脅迫下玉米對AMF的依賴程度更高。接種CA條件下，玉米在土壤相對含水量為70%,40%時的菌根依賴性分別為13%和-4%，表明正常水分條件下，解磷細菌與AM真菌對玉米生物量具有相互促進作用，而在水分脅迫時，2者反而產(chǎn)生拮抗作用。雙因子方差分析表明，水分脅迫和接種微生物對玉米的地上部、地下部、總生物量、菌根侵染率均有顯著交互作用。

2.2 水分脅迫下接種AM真菌與解磷細菌對玉米養(yǎng)分吸收量的影響

由表2可知，隨著土壤相對含水量的降低，玉米植株對氮的吸收呈下降趨勢。接種微生物顯著提高了植株氮吸收量。正常供水條件下，植株氮吸收量表現(xiàn)為Fm+CA>Fm>CA>CK，較對照分別提高71%,42%,26%且差異顯著(P<0.05)。干旱條件下植物氮吸收量表現(xiàn)為Fm>CA>Fm+CA>CK，較對照顯著提高62%,60%,50%(P<0.05)。不同水分條件下，菌根貢獻率表現(xiàn)不同，玉米植株在土壤相對含水量為70%,40%時單接Fm的氮吸收菌根貢獻率分別為29%和38%，而接種Fm+CA處理對氮的菌根貢獻率分別為26%和-7%，表明干旱脅迫條件下單接Fm更能促進玉米對養(yǎng)分的吸收，而Fm與CA之間存在一定的拮抗作用。

表1 不同處理對玉米生長狀況的影響
Table 1 Effects of different treatments on maize growth

土壤相對含水量/%處理毎盆干重/g地上部地下部總干重侵染率/%菌根依賴性/%CK38.4d9.21c47.6d0c—70Fm42.9c9.46c52.4c68.3a9CA51.2b10.37b61.6b0c—Fm+CA59.7a11.46a71.1a66.7a13CK16.8f2.74f19.5f0c—40Fm24.6e4.93d29.5e36.7b34CA24.5e3.96e28.5e0c—Fm+CA23.5e3.94e27.4e44.4b-4P(W)????—顯著性P(I)????—P(W×I)????—

注:表中數(shù)據(jù)為3個重復均值，同列小寫字母不同，表示不同水分處理下不同接種處理差異顯著(P<0.05，n=3)。P(W)為水分脅迫下差異顯著性;P(I)為接種微生物下差異顯著性;P(W×I)為水分脅迫和接種微生物的交互作用;*為在0.05 水平差異顯著;NS為差異不顯著;下同。

表2 不同處理對玉米氮吸收量的影響
Table 2 Effects of different treatments on maize plantN uptake

土壤相對含水量/%處理氮吸收量/(g·盆-1)地上部地下部總吸收量菌根貢獻率/%CK0.8cd0.22c1.03c—70Fm1.23ab0.23bc1.46b29CA1.04bc0.26ab1.30b—Fm+CA1.48a0.28a1.76a26CK0.44e0.06e0.50e—40Fm0.71d0.10d0.81cd38CA0.73d0.07de0.80cd—Fm+CA0.66de0.09d0.75de-7P(W)???—顯著性P(I)???—P(W×I)???—

由3可知，不同水分條件下，接菌促進了植株對磷的吸收。正常供水時，植株磷吸收量表現(xiàn)為Fm+CA>CA>Fm>CK，較對照分別提高83%,56%,32%且差異顯著(P<0.05)。而在干旱脅迫時表現(xiàn)為Fm>Fm+CA>CA>CK，較對照分別提高111%,78%,30%，其中Fm,Fm+CA顯著高于對照，而CA處理與對照差異不顯著。干旱脅迫條件下，有Fm菌劑處理均表現(xiàn)為菌根貢獻率高于正常供水時相應處理，表明菌根在干旱逆境條件時發(fā)揮作用更大，AM真菌與解磷細菌協(xié)同在干旱條件下能促進植物對磷元素的吸收。

表3 不同處理對玉米養(yǎng)分磷吸收量的影響
Table 3 Effects of different treatments on maize plantP uptake

土壤相對含水量/%處理磷吸收量/(g·盆-1)地上部地下部總吸收量菌根貢獻率/%CK67d10.24c77d—70Fm91c11.17c102c25CA108b12.68b120b—Fm+CA127a13.73a141a15CK25f2.40g27f—40Fm49e7.21d57e53CA32f3.50f35f—Fm+CA43e4.86e48e27P(W)???—顯著性P(I)???—P(W×I)???—

不同水分條件下，接菌促進了植物對鉀的吸收(表4)。正常供水時，植株鉀吸收量表現(xiàn)為Fm+CA>CA>Fm>CK，較對照分別提高50.0%,12.1%,1.9%，其中Fm+CA,CA處理顯著高于對照(P<0.05)。在干旱脅迫時表現(xiàn)為Fm,CA,Fm+CA較對照分別提高85.7%,85.7%,83.5%，均顯著高于對照(P<0.05)。正常供水條件下Fm+CA菌根貢獻率為25%，顯著高于單接Fm處理。干旱脅迫條件下，單接Fm菌根貢獻率為46%，而Fm+CA處理菌根貢獻率為-1%，表明干旱條件下菌根發(fā)揮作用較大，而CA處理對鉀吸收促進作用不明顯。雙因子方差分析表明，水分脅迫和接種微生物對玉米植株地上部、地下部N,P、K吸收量及每盆N,P，K吸收量均有顯著交互效應。

表4 不同處理對玉米養(yǎng)分K吸收量的影響
Table 4 Effects of different treatments on maize plantK uptake

土壤相對含水量/%處理鉀吸收量/(g·盆-1)地上部地下部總吸收量菌根貢獻率/%CK2.38c0.26b2.64c—70Fm2.41c0.28b2.69c2CA2.68b0.28b2.96b—Fm+CA3.61a0.35a3.96a25CK0.86e0.05d0.91e—40Fm1.59d0.10c1.69d46CA1.61d0.08dc1.69d—Fm+CA1.59d0.08dc1.67d-1P(W)???—顯著性P(I)???—P(W×I)???—

2.3 水分脅迫下接種AM真菌與解磷細菌對土壤化學性狀的影響

由表5可知，隨著土壤相對含水量的降低，各處理根際土壤pH顯著增高，土壤電導率、全氮、速效磷、有機質含量降低，磷酸酶活性顯著降低。除Fm+CA增加外，其他處理土壤速效鉀含量隨相對含水量降低而顯著降低。同一水分條件下，接種微生物的土壤電導率、全氮、速效磷、速效鉀含量及磷酸酶活性均高于未接種。

正常供水條件下，土壤pH值的變化規(guī)律為:Fm0.05)。土壤電導率、全氮、速效鉀、有機質含量變化趨勢一致，均表現(xiàn)為:CK0.05)，F(xiàn)m全氮、速效鉀、有機質含量顯著高于其他處理。各處理土壤速效磷含量、磷酸酶活性變化規(guī)律表現(xiàn)為:CK0.05)。

表5 不同處理對土壤基本化學性狀的影響
Table 5 Effects of different treatments on soil chemical properties

土壤相對含水量/%處理pH電導率/(μS·cm-1)全氮/(g·kg-1)速效磷/(mg·kg-1)速效鉀/(g·kg-1)有機質/(g·kg-1)磷酸酶/(mmol·(g·h)-1)CK7.13c954cd0.1c8.67d0.17d0.53b2.44a70Fm7.04d1 064a0.27a15.51b0.23a0.62a2.49aCA7.12c962bcd0.17b11.23c0.18c0.55b2.47aFm+CA7.08cd1 028ab0.19b16.68a0.19c0.55b2.57aCK7.24b852e0.05e4.51g0.13f0.51b2.12c40Fm7.28ab1 006abc0.11c7.9e0.15e0.52b2.27bCA7.33a859e0.09cd4.85g0.15e0.51b2.21bcFm+CA7.28ab939d0.06de6.34f0.21b0.53b2.29bP(W)???????顯著性P(I)?????NS?P(W×I)?NS???NSNS

水分脅迫下，接種處理土壤pH值高于未接種，除CA外，其他處理與對照差異不顯著(P>0.05)。土壤電導率、速效磷含量變化規(guī)律一致，均為:CK0.05)外，其他處理相互間差異顯著。接種處理土壤全氮高于未接種處理，其中Fm,CA處理顯著高于對照處理。土壤速效鉀、有機質含量、磷酸酶活性變化規(guī)律一致，表現(xiàn)為CK0.05)。雙因子方差分析表明，水分脅迫和接種微生物對土壤pH值、全氮、速效磷、速效鉀含量具有顯著交互作用，而對土壤電導率、有機質和磷酸酶活性交互作用不顯著(P>0.05)。

3 討 論

菌根侵染率一定程度上反映了AM真菌與宿主植物的親和程度。正常水分條件下，菌根侵染率超過60%，說明本試驗所選AM真菌與玉米之間的親和程度較高，能夠很好地發(fā)揮菌根共生體的優(yōu)勢作用;而干旱脅迫下，菌根侵染率顯著降低，表明干旱對微生物活動會產(chǎn)生巨大影響，抑制了AM真菌對玉米根系的侵染，一定程度上影響菌根共同體作用的發(fā)揮。同一水分條件下，單接AM真菌和雙接AM真菌與解磷細菌的侵染率差異不明顯，表明解磷菌的加入未影響到菌根結構的形成和發(fā)育。

接種AM真菌與解磷細菌均促進玉米生長，提高玉米地上部、地下部及總干重，促進玉米對氮、磷、鉀養(yǎng)分的吸收，說明本試驗選取的2種微生物與玉米具有很好的適應性，且在玉米生長發(fā)育和植株氮、磷、鉀營養(yǎng)狀況改善中發(fā)揮重要的促進作用，這與許多研究結果一致[8-13]。但是，在不同水分條件和不同接種方式下，2種微生物對玉米生長及營養(yǎng)改善的作用存在較大的差異性。正常供水條件下，單接種解磷細菌的玉米干物質積累和磷、鉀吸收量明顯高于單接種AM真菌，雙接種的玉米干物質量和氮、磷、鉀吸收量顯著高于單接種。這說明在水分充足的情況下解磷細菌的作用大于菌根的作用，且2種微生物之間存在著密切的交互作用。這一方面可能是因為沙土通氣性和透水性能好，有利于解磷細菌的生長和繁殖，從而提高解磷細菌解磷能力促進植物生長[11]，另一方面可能是由于細菌影響叢枝菌根真菌侵染初期的識別反應和侵染進程而產(chǎn)生的一種直接或間接作用。這種作用對外生菌絲在土壤中的延伸生長、分布和存活有一定的影響進而影響到宿主植物的生長和養(yǎng)分吸收[10]。干旱脅迫下，各處理玉米各部干重均顯著低于非脅迫的玉米干重，接種叢枝菌根對植物的生長促進作用優(yōu)于單施解磷菌和雙接種處理，這說明在干旱使得解磷細菌的作用受到限制。這與菌根的生理特性密切相關，AM真菌通過侵染植物根系，與寄生植物形成菌根共生體，同時，在其根系外形成菌絲網(wǎng)，擴大植物根系對水分、養(yǎng)分的吸收(尤其在干旱、養(yǎng)分不足地區(qū))范圍，并通過菌絲向宿主植物提供養(yǎng)分，增強植物的抗旱能力，促進植物生長發(fā)育[18-19]。因此，接種AM真菌作為生物手段可以應用于旱區(qū)，促進旱區(qū)植物生長及生態(tài)恢復。根際是植物根系聯(lián)系土壤界面的一個微環(huán)境，與微生物緊密結合促進養(yǎng)分循環(huán)。研究表明，植物根系和根際微生物的生理活性對土壤化學性狀、植物養(yǎng)分吸收、生長發(fā)育和健康狀況都具有明顯的影響[18]。礦區(qū)土壤養(yǎng)分不足，保水保肥能力差，通過一定手段改良土壤，恢復其肥力，使其能適合植物生長，是礦區(qū)發(fā)展農(nóng)業(yè)、恢復生態(tài)的重要突破點。AM真菌對根際土壤的改良作用被很多研究所證實[6,18,20-21]，土壤-AM真菌-根系3者形成的有機整體深刻影響著根際微環(huán)境，而解磷細菌對根際土壤的改良效果研究尚不多見，本試驗中菌根對土壤改良作用大于解磷細菌。

土壤有機質是土壤肥力的重要來源。干旱對土壤有機質影響不大，但同一水分條件下，接種AM真菌提高根際土壤有機質的積累，與李少朋等[6]研究結果一致，這可能是因為AM真菌能分泌土壤球囊霉素相關蛋白，進而促進了土壤有機質的提高。土壤pH值，電導率、全氮、速效磷、速效鉀、磷酸酶活性均是反映根際土壤養(yǎng)分的重要指標。結果表明，干旱條件下各處理根際土壤的pH值增高，電導率、全氮、速效磷、速效鉀、磷酸酶活性均降低，這可能與植物長勢有一定關系，干旱抑制了玉米生長，植株根系不發(fā)達，吸收的養(yǎng)分范圍不足，導致根際土壤pH增高，養(yǎng)分降低。本研究中，接種叢枝菌根和解磷細菌后土壤指標產(chǎn)生了改變，且不同接菌處理效果不同。接菌后根際土壤電導率、速效磷、速效鉀、全氮含量有一定程度的提高，這可能是由于接菌后微生物分泌的有機酸和酶類促進了土壤養(yǎng)分的釋放，同時促進了植物的生理代謝及植株的生長發(fā)育，蒸騰作用增強，促進了土壤中養(yǎng)分的活化運移和在根際的富集[18]。接種菌根后根際土壤pH值下降，其主要原因可能是菌根菌絲具有酸化菌絲際土壤的能力，從而降低土壤pH值。解磷菌土壤pH值變化不大，這可能與其自身的生理特征有關[22]。綜合所述，接種AM真菌及解磷細菌均能緩解干旱脅迫對植物的迫害程度，對促進干旱區(qū)植物生長和土壤改良、恢復干旱區(qū)生態(tài)環(huán)境具有一定的指導意義，但其具體如何提高植物抗旱性研究有待進一步的深入研究。

4 結 論

(1)正常供水和干旱條件下，接種微生物促進了玉米生長發(fā)育，顯著提高玉米地上部、地下部生物量，提高植株氮、磷、鉀吸收量，同時有效改善了根際土壤有機質、全氮、速效磷、速效鉀、磷酸酶活性。

(2)正常水分條件下，聯(lián)合接種AM真菌與解磷細菌對玉米生長促進效果最佳，顯著提高玉米生物量49%，植株氮、磷、鉀吸收量分別提高71%,83%,50%，對土壤速效磷、磷酸酶活性提升效果最佳。

(3)水分脅迫下，單接AM真菌對玉米促進效果最佳，顯著提高玉米生物量51%，植株氮、磷、鉀吸收量分別提高60%,111%,86%，對土壤pH、電導率、全氮、速效磷改良效果最佳。