接種AM真菌對西北馬鈴薯生長和土壤改良的效應

畢銀麗， 蔡 云， 劉 生， 全文智， 鄭嬌龍， 孫 歡， 龔云麗， 胡晶晶， 郭 楠

[1.中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083； 2.北京合生元生態環境工程技術有限公司，北京 100192]

馬鈴薯(SolanumtuberosumL.)是我國西北地區主要糧食作物之一，因其耐旱、產量高、易儲存等優勢被廣泛種植于黃土高原丘陵溝壑區。但是，該區域溝壑縱橫、地形破碎、植被稀疏、水土流失異常嚴重、生態環境脆弱、土壤貧瘠、干旱少雨，嚴重限制了當地的農業生產。而馬鈴薯生長須要吸收大量營養，當地農民通過大量施用化肥來獲得較高產量。研究表明，雖然使用化學肥料能夠有效提高農業用地氮、磷、鉀養分含量，但長期連續施肥致使土壤開始板結退化，特別是氮營養的淋失和磷的固定降低了土壤養分的有效性[1]，制約作物生長，造成養分資源浪費且馬鈴薯品質下降，急須進行綜合的治理改良，緩解土壤結構破壞、品質低下等問題。因此，越來越多的研究開始重視微生物在農業生產中的調控作用。

叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza，AM)真菌是土壤中真菌菌絲與植物營養根系形成的共生體，它能與多種重要的經濟作物形成互惠互利的共生體[2]，提高宿主植物對礦物質營養的利用率并緩解干旱脅迫[3]。叢枝菌根真菌能夠促進植物對土壤難移動礦物質離子的吸收和利用[4]，改善土壤結構[5]，提高土壤肥力，從而提高作物的產量與品質。趙青華等發現，茶樹接種AM真菌后茶葉中可溶性蛋白和可溶性糖含量增加，茶多酚、咖啡堿、氨基酸和水浸出物含量提高，酚氨比降低，茶葉品質顯著提高[6]。Gholamhoseini等研究表明，干旱脅迫下，AM真菌可增加向日葵的產量，提高籽粒油含量[7]。Baslam等研究發現，AM真菌可以促進生菜生長，提高生菜產量，并增加葉片維生素、礦物質含量[8-9]。王林闖等發現，AM真菌能改善甜椒品質，降低甜椒中硝酸鹽含量，增加總糖、維生素C、粗蛋白含量[10]。此外，Yu等發現，低磷條件下，AM真菌能提高甘薯塊莖β-胡蘿卜素含量，表明AM真菌能幫助吸收植物生長期所需要的大部分磷，將生物活性磷儲存于真菌菌絲體內[11]。接菌處理土壤中有效磷、有效氮含量的增加可能與磷酸酶、脲酶的活性提高有關[12]。相關的野外調查數據也證實，AM真菌的發育與土壤pH值、有機碳含量、堿解氮含量、速效磷含量、脲酶活性和堿性磷酸酶活性關系密切[13]。黃土高原地區叢枝菌根真菌對根際土壤理化性質也存在相似的影響，有利于提高根際土壤中礦物質養分離子的活性[14]。目前，AM真菌對于馬鈴薯生長及其土壤肥力的研究報道較少，而針對西北黃土高原地區的野外田間應用AM真菌來促進馬鈴薯生長與品質改善的相關研究幾乎未見報道。本試驗比較常規施肥處理，通過監測馬鈴薯生長周期中生長狀況、品質、土壤養分等指標參數，來分析AM真菌對馬鈴薯生長、品質的改善及土壤養分的改良影響，揭示AM真菌生物技術在該區域的應用潛力和效果，為西北黃土高原區綠色有機農作物生產提供技術支撐和理論指導，具有重要的現實生態意義與價值。

1 材料與方法

1.1 地點概況

試驗地點位于黃土高原腹地的陜西省米脂縣印斗鎮對岔村(109°52′E、37°48′N，平均海拔1 049 m)。年最高、最低氣溫分別是38.2、-25.5 ℃，年平均氣溫8.5 ℃，≥10 ℃積溫 3 470 ℃，年日照時數2 716 h，無霜期162 d，年平均降水量 420 mm，為典型的溫帶大陸性氣候。該地區主要氣候特點是降水稀少、光照充足、蒸發量大、地表干燥、大風頻繁、植被稀疏，極易發生風蝕和沙塵暴。

1.2 試驗材料

供試植物為隴薯3號馬鈴薯。

供試菌劑由中國礦業大學(北京)微生物復墾實驗室用沙土盆栽擴繁培養，生長3個月后將受真菌侵染的根段和含有菌絲、孢子的土壤作為摩西管柄囊霉(Funneliformismosseae，簡稱F.m)菌劑，孢子含量為38.5個/g。

1.3 試驗設計

本試驗于2016年在陜西省米脂縣印斗鎮對岔村黃綿土上進行，試驗共設置3個處理，即接菌(+M)、施肥(+F)和對照(CK)。接菌組接菌量為100 g/穴，采用穴施方法接菌；施肥組施肥量為氮肥487 kg/hm2和磷肥83 kg/hm2，在溝底一次性均勻施入，對照組不施用任何肥料或菌劑。2016年5月30日對試驗地進行中耕松土，以旋耕耙犁地后進行播種，種植時用牛牽引犁地穿溝，溝深15 cm，將馬鈴薯繁殖塊莖按照20～25 cm的株間距和行間距播于溝底，將作物兩側聚壟覆土保墑。種植完成后，用耙磨平。田間管理均采用傳統的大田管理措施。每個處理對應小區面積均為667 m2，各小區間設置地埂便于區分。

播種前，測定田間0～20 cm表層土壤基本理化性質，其中pH值為8.14，電導率(EC)為207.90 μS/cm，有機質含量1.36 g/kg，速效鉀含量139.47 mg/kg，速效磷含量 8.03 mg/kg，田間最大飽和持水量17.15%。

1.4 采樣與指標測定

馬鈴薯生長周期為4個月，分別于馬鈴薯花期和成熟期采樣。成熟期時，每個處理隨機選取10株，測定株高、頂端第2張完全舒展鮮葉葉綠素含量，采用便攜式葉綠素測定儀SPAD-502 Plus獲得相對葉綠素值SPAD值。采用樣方法計產，挖取整株馬鈴薯將地上部分、根系、塊莖，分別稱質量。采集塊莖后，將植株平放于地面，在自然狀態下測量其主根長和展度(即左右展幅)，記錄側根數[15]。分別對各株所有馬鈴薯塊莖進行計數，測定塊莖質量和直徑，并帶回實驗室用于品質分析。

采用Phillips和Hayman法染色，玻片鏡檢測定侵染根段數，再用公式計算菌根侵染率：菌根侵染率=菌根段數/被檢根段數×100%[16]。菌絲密度采用真空泵微孔濾膜抽濾-網格交叉法測定[17]。維生素C含量采用2，6-二氯酚靛酚滴定法測定；可溶性糖含量和粗纖維含量采用蒽酮比色法測定；馬鈴薯可溶性蛋白含量采用考馬斯亮藍G-250染色法測定[18-19]。

采用“S”形布點法采集土壤樣品，一部分低溫(4 ℃)保存，用于土壤微生物和菌絲密度測定；另一部分自然風干過篩，用于測定土壤理化性狀。土壤EC和pH值用 1 ∶1 水浸提液法測定，速效磷采用碳酸氫鈉浸提鉬銻抗比色法測定，有效鉀含量采用NH4OAC浸提-火焰光度法[20]；磷酸酶活性采用改進的Tabatabai和Brimner法測定[21]，以1 h內1 g土壤釋放的對硝基酚含量代表磷酸酶活性。

1.5 數據統計與分析

所有試驗數據用Microsoft Excel 2010進行均值和標準差計算并作圖；利用統計分析軟件SAS 8.0(SAS institute，Cary，NC，2003)進行方差分析，同時采用最小顯著差數法(LSD)進行多重比較，顯著性差異水平為0.05。

2 結果與分析

2.1 不同處理對馬鈴薯根系侵染率和土壤菌絲密度的影響

從圖1和圖2可以看出，接種AM真菌可顯著提高馬鈴薯花期和成熟期根系侵染率和土壤菌絲密度。同一生長時期，3個處理下的馬鈴薯根系侵染率和土壤菌絲密度均表現為接菌>對照>施肥，其中成熟期的馬鈴薯根系侵染率和土壤菌絲密度高于花期下的相應處理，土壤菌絲密度差異顯著。由于土壤中存在著一定數量的土著菌根真菌，對照與施肥處理下的馬鈴薯根系也一定程度被侵染，但顯著低于接菌處理，說明通過人工接種的方法可以強化外來AM真菌在宿主植物根系上的定殖。

2.2 不同處理對馬鈴薯生長的影響

不同處理對馬鈴薯植株生長狀況的影響各不相同，從表1可以看出，接菌處理、施肥處理與CK相比，顯著增加了地上部干質量和降低了根冠比(P<0.05)，同時提高了地下根系干質量，接菌處理與施肥處理間均未達到顯著性差異。與CK相比，接種AM真菌提高了馬鈴薯根系主根長，但未達到顯著差異；相反，施肥處理降低了馬鈴薯根系主根長和展度。同時，接種AM真菌相比施肥處理和CK提高了馬鈴薯根系的側根數，差異顯著。此外，接菌處理和施肥處理下的葉片葉色值顯著高于CK。

2.3 不同處理對馬鈴薯產量與品質的影響

不同處理間馬鈴薯塊莖直徑等級分布和產量差別較大(表2)。不同處理對馬鈴薯塊莖產量影響很大，接菌處理在CK基礎上增產4 747 kg/hm2，增產率達14.01%；相比于施肥處理，接菌處理增產效果略低，但差異性未達到顯著水平。接種叢枝菌根真菌對于提高該區域馬鈴薯塊莖產量有一定潛力。塊莖直徑在2～4、4～6 cm范圍時，接菌處理馬鈴薯所占比例低于對照和施肥處理，其中在2～4 cm范圍差異顯著；直徑在6～8 cm等級范圍，接菌處理和對照均顯著高于施肥處理，接菌處理在此等級范圍所占比例最高，為58.3%；塊莖直徑大于8 cm時，接菌處理>施肥處理>對照，各組之間差異顯著，接菌處理占統計總數的16.7%，對照處理則沒有統計到該直徑等級的馬鈴薯塊莖。可以看出，接種叢枝菌根真菌能夠促進馬鈴薯塊莖生長，增加大塊莖馬鈴薯數量。

表1 不同處理對馬鈴薯植株生長狀況的影響

注：同列數據后不同小寫字母表示不同處理之間差異顯著(P<0.05)。下同。

表2 不同處理對馬鈴薯塊莖的大小及其分布頻率的影響

接菌處理馬鈴薯單個塊莖平均質量顯著高于其他2個處理(圖3)，比對照和施肥處理分別顯著高出25.96%、30.79%。相比于對照和接菌處理，施肥處理增加了馬鈴薯的產量，但其馬鈴薯塊莖平均質量小于對照和接菌處理，可見施肥處理只是增加了小塊莖馬鈴薯的數量，降低了馬鈴薯的品相。

維生素C(vitamin C)是一種水溶性維生素，水果和蔬菜中濃度豐富，在氧化還原代謝反應中起調節作用。可溶性蛋白和可溶性糖是人體必需的的營養物質，其濃度可以反映果實的品質。接菌顯著增加了馬鈴薯塊莖中可溶性蛋白的濃度，且對可溶性糖和粗纖維的合成有一定的促進作用(表3)。不同處理間的可溶性蛋白含量、可溶性糖濃度和粗纖維濃度均表現出以下規律：接菌處理>施肥處理>對照，其中接菌處理可溶性蛋白濃度達2.91 mg/kg，分別比對照和施肥處理顯著提高了12.79%和12.36%；接菌處理馬鈴薯可溶性糖和粗纖維濃度分別為2.93 mg/kg、14.69 g/kg，均顯著高于對照濃度，但與施肥處理差異不顯著。接菌處理馬鈴薯塊莖中維生素C濃度最高，但與對照和施肥處理間差異不顯著。可見人工接種AM真菌，對于提升馬鈴薯品質具有積極影響。

2.4 不同處理對土壤養分改良效應

從表4可以看出，試驗田土壤pH值為7.99～8.16，呈弱堿性。相比于對照和施肥處理， 接菌處理土壤 pH值在馬鈴薯各生長時期始終維持在較為穩定的水平，且呈下降趨勢，有利于為植物生長創造更加穩定的根際環境。各處理不同時期EC均為播前>花期>成熟期，說明隨著植物的生長，土壤中的養分離子不斷被消耗，EC呈下降趨勢，施肥處理成熟期土壤EC下降最多。與花期相比，接菌處理成熟期有效磷濃度有增加的趨勢，且成熟期接菌處理有效磷濃度顯著高于其他2種處理，分別是對照和施肥處理的1.74、2.26倍，說明接種叢枝菌根在成熟期有效地提高了馬鈴薯根際土壤中有效磷的濃度，降低了土壤養分虧損。有效鉀濃度的變化規律與有效磷相似，成熟期有效鉀濃度都存在不同程度的減少，施肥處理降幅最大，達105.65 mg/kg，接菌處理降幅最小。接菌處理成熟期土壤有效鉀濃度顯著高于施肥處理。馬鈴薯成熟期時根際土壤磷酸酶活性與該時期有效磷濃度呈相同趨勢：接菌處理>對照處理>施肥處理，但差異不顯著。接種叢枝菌根真菌對土壤理化性狀有明顯改善效果，接菌提高了成熟期馬鈴薯根際土壤中有效磷和有效鉀濃度，提高了土壤電導率，表現出綜合的土壤培肥效果。

表3 不同處理對馬鈴薯塊莖品質的影響

表4 接菌處理對花期和成熟期馬鈴薯根際土壤因子的影響

3 討論

AM真菌可以侵染80%以上的有花植物根系，促進植物生長[22]。AM真菌顯著增加植物根系側根數，這可能是由于菌根孢子自身含有微量生長素，且菌根可以誘導根系內源多胺和激素代謝[23]，因而能改善植物根系形態，也能改善馬鈴薯的品相。AM真菌對作物株高、側根數、葉綠素濃度等指標的影響，最終體現在作物的產量與品質上。AM真菌能增加植株側根數量，提高根系吸收能力，從而促進地上部分的生長，為高產打下基礎[24]。且發達的根系有助于植物更好地吸收水分和營養物質，從而提高果實品質。馬鈴薯植株生長旺盛期和塊莖迅速膨大期，需要葉片積累大量光合產物并轉移到根莖[25]。接菌處理能促進植物地上部分生長，提高葉面積和SPAD值，使植物合成更多碳水化合物并將其向塊莖中轉移，從而提高作物產量。磷對馬鈴薯營養生長、塊莖形成和淀粉積累有重要作用[26]。AM真菌促進了作物對磷營養的吸收，促進了作物的生長，改善了葉綠素含量[27]，有利于更多的光合產物運輸到地下塊莖中積累，提高單個塊莖的質量和直徑。施用化肥能夠起到促進作物生長的效果，但由于其養分供應不持續性，如在作物生長的前期可能過分地促進枝葉徒長，在塊莖有機物積累階段又會出現營養虧缺的現象，從而導致單株所產的塊莖數量較多，單個塊莖的質量和直徑較小。AM真菌通過建立互惠共生體來滿足植株對養分的需求，均衡植株營養，提高農產品品質。接菌處理提高了塊莖中可溶性糖和維生素C濃度，其可溶性蛋白和粗纖維濃度均顯著增加，這與吳建新等對草莓接菌處理影響其品質的研究成果[28]相一致。接種AM真菌能夠改善植物對營養的吸收和利用，以此來獲得較好的增產和提高品質的效果[29]。接菌處理顯著提高了植株地上部干質量，使植株地上部分發達，更有利于進行光合作用，有利于維生素C的積累。相對于傳統農業的施肥處理，接種AM真菌不僅提高了農產品產量，還改善了馬鈴薯品質，對于提高當地農業生產的可持續性有著巨大的潛力。

土壤-AM真菌-根系三者形成的有機整體對根際微環境和土壤質量存在深刻影響[30-31]。先前的研究發現，AM真菌能夠提高宿主對難溶性磷的利用[32]，岳輝等研究發現，接種AM真菌增加了根際土壤有效磷濃度[33]，本試驗結果與其一致。接種AM真菌在增加馬鈴薯產量的同時提高了成熟期土壤中速效養分濃度，這可能是由于馬鈴薯生長過程中吸收了土壤中大量有效磷，導致土壤中磷濃度降低，觸發了AM真菌將磷向有效態的轉化，從而提高了土壤有效磷濃度。施肥處理產量最高，但施肥處理馬鈴薯植株對土壤中有效磷、有效鉀吸收量較高，土壤養分嚴重虧損，不利于持續性農業生產。以往的研究多是對AM真菌在貧瘠土壤中促進植物生長和土壤改良進行報道。本研究發現，在長年施肥連作土壤環境下，AM真菌對改善植物營養狀況和土壤質量有較好的效果，AM真菌與植物形成互惠共生體，調節植物生長和營養狀況，促進土壤中營養元素轉化為有效態，改善土壤肥力，減小土壤養分虧損，有利于農田土壤的可持續利用。

4 結論

接種AM真菌可以促進馬鈴薯生長、改善品質，改良土壤養分，對于西北黃土高原區綠色有機農業具有重要的應用價值與潛力。取得的主要結論如下：(1)AM真菌和馬鈴薯形成良好互惠共生關系，接菌處理顯著增加了馬鈴薯植株地上部干質量和側根數，降低根冠比，促進植物生長與產量提高，促進了磷、鉀養分的積累，改良了土壤性狀，為其高產打下基礎。(2)接種AM真菌提高了馬鈴薯品相與品質，具有明顯的菌根效應。接菌后單個馬鈴薯塊莖質量和直徑均有顯著增加，直徑>8 cm馬鈴薯塊莖顯著高于施肥和對照。相比于對照處理，接菌處理均顯著提高馬鈴薯塊莖可溶性糖含量、可溶性蛋白含量和粗纖維濃度，同時接菌處理下的可溶性蛋白質含量也顯著高于施肥處理。

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