兩種水分條件下真菌接種及氮肥施加對小麥生長、生理及氮磷吸收的影響

張蓓蓓，張 輝，景 琦，武悅萱，校思澤,王苗苗

(陜西省災害監測與機理模擬重點實驗室/寶雞文理學院地理與環境學院，陜西 寶雞 721013)

小麥品種Superb是生長在加拿大西部草原上的主要作物之一，西部草原生態區主要位于阿爾伯塔省，該區氣候特點是生長季節短，干旱和熱脅迫頻繁。小麥主要生長在雨養條件下，干旱在生長季節的任何時候都會發生。除了干旱脅迫之外，營養缺乏，特別是氮(N)和磷(P)缺乏，也是農業生態者關注的主要問題[1-2]。研究發現，叢枝菌根(AMF)與植物根系共生可以促進植物對水分和養分的吸收，促進植物生長[3-4]。這種共生關系往往導致植物吸收水分、體內流動及流出植物體速率的變化，進而影響組織水化和植物的生理學反應[5-6]。前人研究顯示，真菌接種可以改變寄主植物體的水分狀況[7-8]。同時，干旱脅迫條件下，真菌接種后植物葉片的水勢較高，使得植物體的水分狀況良好[9-10]。另外，接種后的植物比不接種的植物表現出較高的光合速率[11]。AMF可顯著改善干旱脅迫下植物的氣孔導度，蒸騰和光合作用[12]。另有報道顯示AMF可增加光合單位的數量，光儲存及光輸出，還可以提高植物的水分利用效率[13-15]。以往的研究主要集中在真菌接種對不同植物生長和產量的直接影響上[16-17]，但對真菌接種、氮(N)肥施加和不同水分條件下加拿大主栽小麥品種的水分利用效率(WUE)、穩定性碳同位素分辨率(Δ)和生長狀況研究較少。在該研究中，通過使用氣體交換方法和碳同位素法測定不同處理下小麥的水分利用效率來評估AMF、N肥施加在兩種水分條件下對小麥水分利用率和N、P吸收的影響，以期為不同脅迫條件下小麥的種植模式優化提供一定的理論依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

品種為加拿大西部草原廣泛種植的硬春紅麥品種Superb，基本特征為偏矮較壯、有芒、高產和晚熟。

1.2 試驗設計

試驗處理由兩個氮肥添加水平(0 kg·hm-2和 180 kg·hm-2)、兩個土壤水分水平(水分充足,95%田間最大持水量，WW;水分脅迫,40%田間最大持水量，WD)和兩個真菌(AMF,Glomusintraradices，每克大概含有1600個繁殖體)接種水平(接種和不接種)組成，隨機區組設計，8個處理且每個處理4次重復，在WW和WD處理下分別有4個處理，為(1)CK：無氮肥，不接種；(2)M：無氮肥,接種；(3)N：氮肥180 kg·hm-2不接種；(4)MN：氮肥180 kg·hm-2接種。所有盆栽隨機放置在光周期為16 h的溫室中，白天晚上的溫度分別為25℃和15℃。

試驗采用的是20 cm高和30 cm直徑的塑膠盆，每盆裝6.5 kg的混合土壤(為了增加土壤的松軟度，土壤由泥煤苔和大田土壤1∶1混合而成)，土壤pH值6.0，有機質含量86 g·kg-1，N含量56 mg·kg-1，P含量34 mg·kg-1，K含量296 mg·kg-1，S含量為41 mg·kg-1。種植前進行田間最大持水量測定，施加氮肥，并對小麥種子進行接種。每盆播種接種后的小麥種子10顆，后間苗為4株，保持水分充足至拔節期，對水分脅迫的盆栽停止澆水直到土壤水分含量為40%的田間最大持水量；水分充足的盆栽一直保持在95%田間持水量左右，兩種土壤水分處理一直保持到作物成熟。開始水分處理后，每1～2 d稱一次盆重，根據水分脅迫和水分充足處理計算水分利用及每天澆水量。

1.3 生理指標和氮磷含量的測定

1.3.1 生理指標測定 開花期，測定旗葉的比葉面積(SLA)和葉片相對含水量(RWC)[18]；用Li-Cor6400測定旗葉的光合速率(Pn)和蒸騰速率(Tr)。瞬時水分利用效率(WUEi)=Pn/Tr。開花期時每盆收獲兩株小麥測定地上部分生物量，并根據該時間段所用水分計算從拔節期到開花期的水分利用效率(WUE)，WUE=地上生物量/用水重量。成熟期時測定株高、生物量及產量。

穩定性碳同位素分辨率(CID，Δ)測定[19]: 開花期時，每盆隨機選取5片旗葉剪下，所有葉片放置在105℃的烘箱殺青，然后80℃烘干48 h至恒重，烘干的葉片由Spex Sample Prep 8000D(GV Instruments Ltd, Manchester, UK)球磨儀磨碎后用同位素質譜儀MAT-253進行穩定性碳同位素豐度的測定。計算方式如下：

CID(‰)=[(δa-δp)/(1+δp)]×1000

其中,δa為大氣中的穩定性碳同位素豐度，δp為小麥葉片的穩定性碳同位素豐度。

1.3.2 氮磷含量測定 成熟后，小麥種子和莖稈磨碎后進行消解，然后用Flowsys連續流動分析儀進行總氮及總磷的測定。

1.4 數據分析

試驗數據采用Microsoft Office Excel 2003 和SPSS 22.0進行方差分析，Pearson進行相關分析；用Tukey’s HSD檢驗進行多重比較分析。

2 結果與分析

2.1 不同處理下小麥旗葉相對含水量和比葉面積差異分析

水分充足處理下，N肥施加和真菌接種顯著增加了旗葉的相對含水量(RWC)，但是水分脅迫降低了旗葉的RWC(表1和圖1A所示)。水分充足處理下，MN處理下比CK處理下葉片的RWC升高了12.9%；水分脅迫處理下，RWC升高了17.3%。氮肥施加、真菌接種及水分處理均對比葉面積(SLA)產生顯著的影響(表1)。其中，真菌接種提高了小麥葉片的SLA，但是MN處理下葉片的SLA降低(圖1B)。

表1 兩種水分處理下氮肥施加和真菌接種對小麥旗葉葉片相對含水量和比葉面積影響的差異分析

注：每一列的數字代表了F值，其中*P<0.05，**P<0.01。N：氮肥處理；M：真菌處理；WW：95%田間持水量；WD：40%田間持水量。下同。

Note: the numbers in the column mean the significantFvalue. *P<0.05, **P<0.01. N: nitrogen treatments; M: mycorrhizal fungi inoculation; WW: Well-watered (95% field capacity), WD: Water-deficit (40% field capacity). The same below.

注：CK：無氮肥不接種；M：無氮肥接種；N：氮肥180 kg·hm-2不接種；MN：氮肥180 kg·hm-2接種。下同。Note: CK: no N fertilization and non-mycorrhizal inoculation; M: no N fertilization and mycorrhizal inoculation; N: 180 kg·hm-2 N fertilization and non-mycorrhizal inoculation; MN: 180 kg·hm-2 N fertilization and mycorrhizal inoculation. The same below.圖1 兩種水分條件下真菌接種、氮肥施加對小麥旗葉葉片相對含水量(RWC)和比葉面積(SLA)的影響Fig.1 Effect of N, mycorrhizal inoculation under WW and WD treatments on relative water content (RWC) and specific leaf area (SLA) of flag leaves

2.2 不同處理下小麥旗葉光合速率、蒸騰速率、水分利用效率及穩定性碳同位素分辨率差異分析

葉片氣交換參數和水分利用效率見表2。葉片Pn和Tr在WW水分處理下較高。其中，氮肥施加及真菌接種均對Pn有顯著的正向作用，而Tr只有顯著的氮肥施加效應。水分充足條件下，MN處理下的Pn比CK高34%；水分脅迫條件下，MN處理下的Pn比CK高31%。氮肥施加和水分脅迫對拔節期到開花期的WUE有顯著促進的作用，只有在水分充足條件下，氮肥施加對WUEi有顯著的影響。氮肥施加顯著地提高了葉片的CID，但水分脅迫顯著降低了葉片的CID。

2.3 不同處理下小麥籽粒、莖稈氮磷含量差異分析

由表3看出，水分充足條件下，氮肥施加及真菌接種可顯著影響莖稈及籽粒的氮含量。水分脅迫條件下，氮肥施加和真菌接種的綜合作用顯著提高了籽粒和莖稈的氮含量(圖2A)，以該條件MN處理下的氮含量最高。水分脅迫條件下，氮肥施加對籽粒和莖稈磷含量有顯著的影響；同時兩種水分條件下，僅真菌接種對籽粒的磷含量有顯著的影響(圖2B)。不同處理下，籽粒、莖稈氮含量和籽粒磷含量之間存在著顯著的相關關系，其中，籽粒磷含量與籽粒氮含量呈顯著的正相關關系(r=0.50，P<0.05)，籽粒磷含量與莖稈氮含量也呈顯著的正相關關系(r=0.68，P<0.01)。

表2 兩種水分條件下氮肥施加及真菌接種對小麥葉片光合速率、蒸騰速率、水分利用效率及穩定性碳同位素分辨率的影響

注：表里上半部分的值代表了平均值±標準誤，下半部分的值為F值，且*P<0.05，**P<0.01。

Note: The values presented in the first part of table are mean±standard errors. The last part of table means theFvalue. *P<0.05, **P<0.01.

表3兩種水分處理下氮肥施加和真菌接種對小麥籽粒、莖稈氮磷含量影響的差異分析

Table 3 Analysis of variance of effect of different N fertilization and AMF inoculation on N and P concentrations in stem and grain of wheat at maturity stage under WW and WD conditions

水分處理Water regime方差分析ANOVA氮含量N concentration莖稈Stem 籽粒Grain磷含量P concentration 莖稈Stem 籽粒GrainWWN30.47**31.97**28.93**44.05**M4.61*4.57*1.1415.15**M×N1.400.040.512.41WDN28.88**81.49**2.913.75M1.922.621.164.82*M×N1.031.520.130.22不同水分處理F值The F vaule underdifferent water regimes50.49**40.67**7.39*228.05**

2.4 不同處理下小麥株高、生物量和產量差異分析

由表4看出，兩種水分條件下，氮肥施加及真菌接種均顯著影響了小麥的株高。同時，氮肥施加及真菌接種促進了小麥的生物量及產量(圖3)。

表4 兩種水分處理下氮肥施加和真菌接種對小麥株高、生物量及產量影響的差異分析

2.5 不同處理下水分利用效率與籽粒、莖稈氮磷含量相關分析

由表5看出，WUE與籽粒氮含量和籽粒、莖稈磷含量之間存在顯著的正相關關系，與莖稈氮含量相關不顯著。葉片CID(Δ)與籽粒、莖稈氮磷含量之間存在顯著的負相關關系，但WUEi僅與籽粒磷含量呈正相關關系。

圖2 兩種水分條件下真菌接種、氮肥施加對小麥籽粒、莖稈氮磷含量的影響Fig.2 Effect of N, mycorrhizal inoculation under WW and WD treatments on grain, stem nitrogen, and phosphorus concentrations

圖3 兩種水分條件下真菌接種、氮肥施加對小麥株高、生物量和產量的影響Fig.3 Effect of N, mycorrhizal inoculation under WW and WD treatments on plant height, biomass, and yield

WUEWUEiCID籽粒 NGrain N莖稈 NStem N籽粒 PGrain P莖稈 PStem PWUE1WUEi0.221CID-0.71**-0.041籽粒NGrain N0.43*0.19-0.60**1莖稈 NStem N0.350.31-0.51**0.78**1籽粒 PGrain P0.59**0.53**-0.49**0.50**0.68**1莖稈 PStem P0.49**0.14-0.46*-0.28-0.260.281

注 Note：*P<0.05，**P<0.01。

3 討 論

水分脅迫對植物生長、生物量及產量的影響與形態學和物候學相關，水分供應可顯著影響植物生長和作物產量的提高[20]，本研究與前人研究結果相似，水分脅迫(WD)可嚴重影響小麥的生長及產量的形成及提高。水分脅迫下，植物生物量及產量的降低主要通過改變一些生理過程而完成，比如干旱引起葉面積的縮小，影響冠層系統對光合有效輻射(PAR)的吸收，進而導致新的干物質生產減少，葉面積繼續縮小，光合產物減少，表現為生長發育的減慢及產量的降低，呈現一種負反饋的機制[21]。本研究中葉片RWC和SLA在干旱條件下顯著降低(圖1)，這與前人對小麥研究的結果相似[22]，主要的生理機制可能為干旱脅迫下葉片細胞的水力傳導率降低，使得葉片生長減慢，進而降低水分運移速率，阻礙細胞分裂和葉片膨大，最終阻礙葉片的發育[23]。此外，與前人對豇豆和大麥的研究結果相似[24]，溫室環境下水分脅迫提高了小麥的WUE和WUEi。水分脅迫條件下，葉片的氣孔導度(Gs)和葉片蒸騰(Tr)顯著降低，葉片光合速率(Pn)略有下降，使得葉片WUEi增加。此外，水分脅迫處理下，葉片細胞通過滲透調節提高葉片的保水能力，使得水的利用效率增強，進而提高植物的WUE[25]。該研究中，干旱降低了小麥的CID，真菌接種提高了小麥CID的值。Yasir等[26]也報道了類似的結果，干旱環境下49種小麥CID的值降低。同時本研究中CID與WUE呈顯著負相關關系，這與Farquhar等研究相似，該關系已被證實是一種可靠的預測WUE的分析測定方法[19]。

叢枝菌根真菌(AMF)是土壤微生物區系中生物量最大最重要的成員之一，能改善土壤理化特性和土壤微生物菌群結構。真菌接種的研究表明[27]，接種的玉米葉片葉面積顯著高于未接種處理的葉片，這與本研究真菌接種后對葉片的影響結果相一致(圖1B)。此外，真菌接種可顯著改善植物的含水量[28]。本研究中，真菌接種后葉片RWC提高了將近10%(圖1A)。同時，在不同水分條件下，真菌接種及氮肥施加均引起了小麥生長、生物量及產量的提高；引起該正向效應的原因可能為菌絲提高了作物對土壤中氮肥及水分的吸收[29]，最終促進了植物的生長發育[30]。此外，在水分脅迫條件下，接種的植物WUE高于未接種的植物，表明AMF接種可有效改善干旱脅迫下植物的生理性能[31]。分析原因，可能是真菌接種后菌絲大量繁殖，通過共生作用提高植物根系吸收水分的能力，借助廣泛的菌絲網絡，確保更好的氣孔調節和碳同化，進而減輕水分脅迫的影響，提高水分利用效率[32]。本研究也得到了相似的結果，水分脅迫條件下，接種后小麥的WUE升高了10%(表2)。本研究結果顯示莖稈氮磷含量均高于籽粒，此外，接種后小麥莖稈氮磷含量均高于未接種的小麥，這與Attia和Nemat的研究結果相似[33]。接種AMF后直接導致小麥吸收及獲取氮磷能力的提高；有結果表明，在干旱條件下，外源AM真菌菌絲對玉米的氮磷轉運增加，進而提高玉米不同器官的氮磷含量[34]。籽粒、莖稈磷含量與氮含量之間存在顯著的正相關關系，可能因為接種AMF后，菌絲通過提高氮素吸收來影響土壤中磷的利用；同時，菌絲提高根系吸收水分利用的能力，以水調肥，共同促進氮磷含量的提高[35]。

4 結 論

在許多地區，水成為作物生產及生長的主要限制因素，AMF接種作為改善植物吸收水分及養分的手段是一種很有前景的策略，在旱作條件下，可顯著提高小麥的產量。本研究在溫室條件下，AMF接種提高了小麥對磷、氮的吸收，促進了小麥的WUE和產量的提高。AMF接種可顯著提高水分脅迫條件下植物的水分利用效率，表明干旱環境下AMF接種可有效地改善植物生長。WUE與籽粒、莖稈氮磷含量呈顯著正相關,表明小麥的生理指標WUE與品質指標氮磷含量呈脅同性變化趨勢，下一步研究方向是選擇更多的小麥基因型進行大田試驗，綜合考慮各方面因素進行進一步的驗證。

致謝：在此感謝加拿大阿爾伯塔大學的Scott X. Chang 和Anthony O. Anyia教授對該試驗提供的幫助。