叢枝菌根(AM)對水稻生長促進及化肥減量研究

張淑娟，王 立，馬 放，李世陽，張 雪，吳潔婷

(哈爾濱工業大學城市水資源與水環境國家重點實驗室，哈爾濱150090，wli@hit.edu.cn)

農業面源污染是我國地表水體產生富營養化的主要原因，因其影響范圍廣、難于控制一直是環境治理領域的難題［1-3］.近年來隨著糧食需求的不斷增加，為獲得農作物高產，往往在農田生態系統中施加大量的化肥，這些化學產物的當季利用效果較差，氮、磷、鉀肥當季利用率分別為30%～35%，10%～25%，35%～50%［4］.大部分沒有被利用的營養物質流失于土壤、水體和空氣中，并在灌溉與降水的淋溶與遷移作用下通過地表徑流進入受納水體，形成嚴重的農業面源污染［3］.

叢枝菌根(Arbuscular mycorrhiza，AM)作為植物根系和叢枝菌根真菌所建立的共生系統，能夠有效增強作物的物質生產和抗病能力，因此廣泛應用于園藝［5］、林木［6-7］、藥材［8-9］等方面.近年來，AM在“綠色肥料”和“綠色農藥”開發方面的巨大潛力日益引起人們的重視［10-13］.一方面，AM可通過增加根際土壤中微生物的數量［14-15］、促進作物對中微量營養元素的吸收［16］、改善植物的碳、氮、磷素營養狀況［17-20］等途徑促進植物的生長，減少化肥的施用量;另一方面AM通過提高作物的抗病蟲害能力［21-22］，減輕化學殺蟲劑的環境施入負荷.AM的優良特性能夠在保證作物豐產的同時，減少化肥和殺蟲劑等面源污染物的施用量，減輕對農產品、地下水以及地表水資源的污染程度，是新型生態農業的發展方向，并有望成為農業面源污染源頭減量的有效生物技術.

水稻作為世界上最重要的糧食作物之一，其生產帶來的農業面源污染也極其嚴重.此外，作為典型的濕生作物，水稻種植環境的特殊性更易導致最為嚴重的面源污染物擴散問題［23-25］.基于此，本試驗選用水稻為試驗材料，研究叢枝菌根對其生長繁殖的影響，藉以揭示叢枝菌根在農業面源污染化肥減量過程中可能發揮的重要作用.

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗在城市水資源與水環境國家重點實驗室的試驗基地進行.

氣候條件:哈爾濱市位于北緯45°40′的寒溫帶地區，本試驗在作物生長季5月到9月進行，此季哈爾濱歷年平均氣溫為20.8℃，歷年變化為19.4～22.4℃;平均降水為379 mm;歷年變化為197.5～633.7 mm.

供試菌劑:供試AMF為廣適菌種——摩西球囊霉Glomus mosseae(G.mosseae).

供試基質:以田間土壤、沙、蛭石(2∶5∶3)混合配制的營養土為栽培基質.田間土壤pH值為7.7，全氮6.75 g/kg，全磷13.07 g/kg.

盆栽試驗:盆缽高30 cm，盆口直徑34 cm，盆底直徑18 cm.移栽試驗樣本前用0.1%的高錳酸鉀溶液浸泡30 min，5 h后加入相應基質8 kg.

供試植物:選用農作物水稻(Oryza sativa L.)，品種為合粳1號，種子來于黑龍江省農科院.種子用水浸泡24 h后，30℃保濕催芽.待芽長至1 cm左右時，篩選芽長基本一致的水稻種子均勻的撒在長條花盆中，表面覆土約2 cm每天早晚澆水兩次.待幼苗長至3葉期移栽到盆缽中進行試驗.

1.2 試驗設計

試驗設置AMF空白基質、自然基質和AMF強化基質3種基質條件.空白基質在壓力(0.15 MPa)、溫度(121℃)條件下蒸氣滅菌2 h.AMF強化基質條件中每盆接種有效菌劑140 g，在自然基質和空白基質中添加140 g菌劑的濾紙濾液，以保證3個實驗條件除菌根真菌以外微生物群落的一致性.每個基質條件設置3個重復.所有基質灌水至盆底有水溢出，2 d后移栽水稻幼苗，每盆20穴，每穴3株.花盆底部的閥門控制水稻的灌水和退水，水分按當地高產栽培要求進行控制.

1.3 調查項目及測定方法

AMF侵染率:待幼苗生長7周后，隨機選取各條件中1～2 cm長根尖進行染色［26］，每個重復觀察100個根段.

AMF侵染率(%)=(侵染根段數/觀察根段數)×100%［26］.

千粒重:200粒籽實稱得重量×5，重復5次測得千粒重.

總生物量:地下部分洗凈泥土并用濾紙吸干表面水分后和地上部分105℃殺青5 min后60～80℃烘干至恒重，稱量得地上、地下生物量，兩部分之和為總生物量.

菌根依賴性=AMF強化水稻總生物量/AMF空白水稻總生物量×100%.

根總表面積:美國Micromeritics公司生產的ASAP2020型比表面積與孔徑分析儀，測得BET比表面積.根總表面積=根比表面積×地下生物量.

2 結果與分析

2.1 不同基質條件下AMF的定殖情況

為了確定各基質條件水稻根部AMF的侵染及產孢情況，在幼苗移栽的7周后對水稻根部進行了染色、鏡檢，結果見圖1.計算各基質條件下AMF對水稻根部的侵染率，結果見圖2.

由圖1可知，不同基質條件下水稻根部在生長7周時已呈現明顯的AMF侵染分異.由圖1、2可知，AMF空白基質中水稻根部沒有AMF孢子和菌絲的存在，侵染率為0%;自然基質中水稻根部被侵染的部分與AMF強化基質的相比孢子和菌絲數量較少，侵染率為25±1.024 9%;AMF強化基質中孢子數量較多，且菌絲粗壯、顯微鏡下觀察較清晰，侵染率高達42±2.003 6%，比自然基質的高68%.自然基質中水稻根部的侵染源于土壤中土著AMF孢子的存在，因此侵染率較低，且菌絲細弱.AMF強化基質中接入的菌劑內含有大量孢子、菌絲、菌根根段或(和)孢子果等繁殖體，這些高活性的繁殖體同土壤中的土著AMF孢子對水稻根系形成強勢侵染，因此侵染率較高.

圖1 不同基質條件下AMF的定殖情況

圖2 不同基質條件下水稻根部AMF侵染率

2.2 AMF接種對水稻營養生長的影響

2.2.1 AMF接種對水稻株高的影響

水稻株高是反映水稻營養生長狀況最直觀的指標.試驗于水稻生長的第15天，60天，75天，95天，105天測量了各基質條件下水稻的株高，結果見圖3.

圖3 AMF接種對水稻株高的影響

如圖3可知，AMF強化基質中水稻株高在15 d后與AMF空白基質和自然基質中培育的相比，分別提高24.5%、20.6%.表明在強化基質中，AMF與水稻根部在第15天時便形成了良好的共生關系.AM共生結構的形成，可有效促進作物對營養物質的吸收，促進作物生長.AMF空白基質和自然基質的株高差異不顯著，表明AM共生結構只有達到一定數量時才能發揮其對水稻營養生長的促進作用.

2.2.2 AMF接種對水稻總生物量和根系總表面積的影響

于水稻生長季末考察了作物植株的總生物量及根系總表面積，結果見表1.

表1 AMF接種對水稻總生物量和根系總表面積的影響

由表1可知，AMF強化基質條件下水稻的總生物量較空白基質條件和自然基質條件分別提高29%和30%.由總生物量計算水稻菌根依賴性為123%，表明水稻最大生長量對摩西球囊霉有一定的依賴性，判定水稻為菌根依賴性作物.另外，3種基質條件下水稻具有不同的根系總表面積，自然基質與AMF空白基質差異不顯著(P＞0.05)，說明自然條件下形成的少量菌根結構不能明顯改變根系結構與吸收面積.而AMF強化基質條件下根系總表面積較空白基質條件和自然基質條件分別增大了33.6%、36.6%.大量菌絲的存在擴大了水稻根系的總表面積，增加了基質中營養的空間有效性，使原來在空間上對水稻無效的養分變成有效養分，改善水稻營養水平以保證作物旺盛生長.

2.3 AMF接種對水稻籽實產量的影響

在水稻臘熟期后對其進行取穗考產，調查各基質條件下水稻的產量，結果見表2.

表2 AMF接種對水稻籽實產量的影響

由表2可知，3種基質條件下水稻的千粒重和穗數差異不顯著(P＞0.05)，但是穗粒數差異達到了極顯著水平(P＜0.01).穗粒數的大小順序為AMF空白基質＜自然基質＜AMF強化基質，自然基質的比空白基質的高15.4%，AMF強化基質分別比 AMF空白基質和自然基質高15.38%、42%.從籽實產量來看，各處理的大小順序同穗粒重，且自然基質的比空白基質的高13.33%，AMF強化基質分別比AMF空白基質和自然基質高64.6%、45.3%.因此，AMF強化基質籽實產量較高的原因與千粒重無關，但與穗粒數關系密切(相關系數為0.999 3).表明籽實顆粒是一個較為穩定的生物學性狀［27-28］，環境可塑性小，AMF對作物產量的促進是通過提高結實率來實現的.

2.4 AMF接種在農業面源污染化肥減量中的作用

通過對AMF強化和化肥對植物生長促進狀況的對比分析，可知AMF在農業面源污染化肥減量中的作用效果.采用自然基質條件和AMF強化基質條件生產100 kg水稻所需的化肥量之差來衡量AMF的強化作用.計算過程中涉及到的公式

式中:U強化/U自然為強化/自然條件下化肥當季利用率(%);QE強化/QE自然為強化/自然條件下生產100 kg水稻元素需要量(kg);Q強化/Q自然為強化/自然條件下生產100 kg水稻化肥施用量(kg); RU/RQ為強化基質條件下水稻總生物量/產量較自然基質增加的百分比(%);Q為生產100 kg水稻時AMF的強化作用(kg);C為削減程度(%).

計算結果見表3.

表3 AMF接種在農業面源污染化肥減量中的作用

由表3可知，每生產100 kg水稻，AMF強化條件相對于自然條件下氮肥、磷肥、鉀肥施用量分別減少3.14，1.88，2.42 kg，削減程度高達47%.

3 結論

1)人工強化條件下水稻根部AMF的侵染率與自然基質條件相比提高了68%，這不僅突破了濕生環境AMF接種這一技術問題，還保證了將叢枝菌根用于水稻的科技種田及農業面源污染源頭控制的基本前提.

2)與自然基質條件相比，AMF強化使水稻的株高、總生物量、根系總表面積、產量分別提高了20.6%、30%、36.6%、45.3%.說明水稻為菌根依賴性植物，計算其依賴程度達123%.這一結論為菌根技術用于水稻的清潔生產奠定了堅實基礎.

3)人工強化接種AMF能使根系總表面積增加36.6%.根系巨大的總表面積是保證水稻生育后期較大的綠葉面積、較強的光合生產能力及獲得高產的重要條件，因此在農業面源污染控制過程中對水稻進行AMF人工接種具有重要意義.

4)隨著國際糧價全面上漲，特別是國際大米價格創出20年來的最高點，糧食問題再次成為一個熱門話題.本研究發現AMF強化應用于水稻生產過程，其產量與自然基質相比提高了45.3%.將叢枝菌根用于水稻生產這一舉措，可以在減少化肥的施用量的同時獲得豐產，避免糧食產量下滑問題，保證我國糧食安全.

5)水稻作為種植面積最大的糧食作物，其生產帶來的面源污染物流失問題極其嚴重.試驗表明每生產100 kg水稻，AMF強化條件與自然條件相比化學肥料的削減程度可高達47%，因此可作為新型綠色生物載體應對當前日益嚴重的農業面源污染問題.叢枝菌根廣泛應用于農業生產，是有效減少面源污染化肥施入并真正意義上實現綠色生態農業的必然發展趨勢.

致謝:對黑龍江大學宋富強老師在菌種篩選過程中的幫助表示由衷的感謝.

［1］WANG Xiaoyan.Management of agricultural nonpoint source pollution in China:Current status and challenges［J］.Water Sci Technol，2006，53(2):1-9.

［2］USEPA.National management measures to control nonpoint source pollution from agriculture［J］.Office of Wetlands，Oceans and Watersheds 2003，42(3):55-60.

［3］ENTRYA J A，SOJKA R E，WATWOOD M，et al. Polyacrylamide preparations for protection of water quality threatened by agricultural run off contaminants［J］. Environmental Pollution，2002，120:191-200

［4］馬繼俠，袁旭音，徐海波.淺談農田面源污染的生態控制技術［J］.浙江水利科技，2009，162:1-3.

［5］李瑞卿，劉潤進，李敏.園藝作物菌根及其在生態農業的應用［J］.中國生態農業學報，2002，10(1):24-26.

［6］陳羽，弓明欽，仲崇祿.菌根菌劑在華南地區林業及農業上的應用［J］.廣東林業科技，2004，20(1):50-53.

［7］HELGASON T，MERRYWEATHERJ W，DENISON J，et al.Selectivity and functional diversity in arbuscular mycorrhizas of co-occurring fungi and plants from a temperate deciduous wood land［J］.J Ecol，2002，90:371-384.

［8］任嘉紅，劉瑞祥，李云玲.三七叢枝菌根(AM)的研究［J］.微生物學通報，2007，34(2):224-227.

［9］楊光，郭蘭萍，黃璐琦，等.藥用植物的叢枝菌根接種方法研究.資源科學［J］，2008，30(5):778-785.

［10］王立，賈文奇，馬放，等.菌根技術在環境修復領域中的應用及展望［J］.生態環境學報，2010，19(2):487 -493.

［11］王立，林楠，其其格，等.從枝菌根真菌(AMF)特性及其在環境生態修復中的應用［C］//第十二屆海峽兩岸環境保護學術研討會論文集.高雄:海外華人環保學會，2008:5-12.

［12］王立，馬放，任汲東，等.菌根真菌對環境的改造作用及其在環境修復領域中的應用［C］//2008年中國微生物生態學年會論文集.長沙:中國微生物生態專業委員會2008:79-84.

［13］張淑娟，王立，馬放，等.菌根技術在農業面源污染防治中的應用［C］//植物內生菌開發與應用學術研討會論文集.昆明:中國農業科技學會，2009:110-114.

［14］?PIK M，MOORA M，LIIRA J，et al.Composition of root colonizing arbuscular mycorrhizal fungal communities in different ecosystems around the globe［J］.J Eco，2006，194:778-790.

［15］YAMATO M，IWASE K.Community analysis of arbuscular mycorrhizal fungi in a warm-temperate deciduous broad-leaved forest and introduction of the fungal community into the seedlings of indigenous woody plants［J］.Mycoscience，2005，4(6):334-342.

［16］ARVALHO L M，CACADOR I，MARTINS-LOUCAO M A.Arbuscular mycorrhizal fungi enhance root cadmium and copper accumulation in the roots of the salt marsh plant Aster tripoliumL.［J］.Plant Soil，2006，285:161 -169.

［17］TITUS J H，TITUS P J，NOWAK R S，et al.Arbuscular mycorrhizae of mojave desert plants［J］.West Nam Naturalist，2002，62:327-334.

［18］ATUL-NAYYAR A，HAMEL C，HANSON K，et al. The arbuscular mycorrhizal symbiosis links N mineralization to plant demand［J］.Mycorrhiza，2009，19:239 -246.

［19］ALONSO LM，KLEINER D，ORTEGA E.Spores of the mycorrhizal fungus Glomus mosseae host yeasts that solubilize phosphate and accumulate polyphosphates［J］. Mycorrhiza，2008，18:197-204.

［20］KLIRONOMOS J N.Variation in plant response to native and exotic arbuscular mycorrhizal fungi［J］.Ecology，2003，84:2292-2301.

［21］李敏.AM真菌對西瓜抗枯萎病的效應及其機制［D］.北京:中國農業大學，2005.

［22］朱紅惠，龍良坤，羊宋貞，等.AM真菌對青枯菌和根際細菌群落結構的影響［J］.菌物學報，2005，4(1): 137～142.

［23］張愛平.寧夏黃灌區稻田退水氮磷污染特征研究［D］.銀川:中國農業科學院，2009.

［24］黃沈發，沈根祥，唐浩.上海郊區稻田氮素流失研究［J］.環境污染與防治，2005，27(9):651-654.

［25］許仙菊.上海郊區不同作物及輪作農田氮磷流失風險研究［D］.上海:中國農業科學院，2007.

［26］劉潤進，陳應龍.菌根學［M］.北京:科學出版社，2007.

［27］趙利梅.水稻強化栽培農藝性狀及其生態環境效應的研究［D］.杭州:浙江大學，2009.

［28］張榮萍.不同灌水方式對水稻生育特性和產量及其水分利用率的影響［D］.成都:四川農業大學，2006.

［29］魯如坤，謝建章，蔡貴信，等.土壤——植物營養學原理和施肥［M］.北京:化學工業出版社，1997.