接種不同根瘤菌對沙地苜蓿結(jié)瘤及生長狀況的影響

張慶昕，朱愛民，張玉霞，王顯國，田永雷，烏英噶,3，寶拉月,3，叢百明

(1.內(nèi)蒙古民族大學(xué)，內(nèi)蒙古 通遼 028041； 2.中國農(nóng)業(yè)大學(xué) 動(dòng)物科技學(xué)院，北京 100083；3.阿魯科爾沁旗畜牧局，內(nèi)蒙古 赤峰 025500)

紫花苜蓿(Medicagosativa)和雜花苜蓿(Medicagovaria)均屬于苜蓿屬(MedicagoLinn.)植物，多年生豆科牧草，因其具有粗蛋白含量高、適口性好且草質(zhì)優(yōu)良的特點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)被廣泛種植，是世界上栽培和利用價(jià)值最高的牧草[1]。給苜蓿接種高效根瘤菌是提高苜蓿產(chǎn)量和品質(zhì)的重要方法之一。苜蓿根瘤菌可以侵染苜蓿根部形成根瘤，將空氣中的氮分子還原成氨態(tài)氮供給寄主植物用以合成蛋白。苜蓿根瘤菌對寄主有很強(qiáng)的專一性，有效的苜蓿根瘤呈粉紅色，因?yàn)楦鰞?nèi)含有一種植物紅血蛋白，而無效的則呈淺綠色或白色[2-3]。

根瘤菌是一類革蘭陰性菌[4]，這類菌廣泛的分布于土壤中。早在19世紀(jì)，國外諸多學(xué)者已對根瘤菌的接種進(jìn)行了深入研究，首次用根瘤菌劑在試驗(yàn)中進(jìn)行接種[5-8]。隨后，根瘤菌劑在美國開始商業(yè)化生產(chǎn)，據(jù)統(tǒng)計(jì)美國等少數(shù)國家豆科牧草接種面積甚至超過70%[9-10]。在20世紀(jì)初，有張憲武[11]對大豆根瘤菌的研究，在20世紀(jì)中葉，豆科根瘤菌在我國開始大面積推廣與應(yīng)用，接種面積約350 hm2，增產(chǎn)10%。隨著苜蓿產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們發(fā)現(xiàn)在自然條件下苜蓿與野生根瘤菌的結(jié)瘤率不高，且多為無效根瘤，尤其在新開墾地區(qū)的第1次種植[12]。Gibson等[13]研究表明，苜蓿在生長期間30%～80%的氮是由生物固氮提供。諸多學(xué)者通過試驗(yàn)證明，人工接種苜蓿根瘤菌比不接種更快速地侵染根部，形成根瘤，結(jié)瘤率增加約80%，產(chǎn)量平均增加30%[14-18]，同時(shí)苜蓿在越冬及下年的返青、株高、分枝(分蘗)數(shù)量及產(chǎn)量上都有顯著優(yōu)勢，且苜蓿根瘤菌與苜蓿品種之間存在較強(qiáng)的選擇性，有報(bào)道從美國引進(jìn)的根瘤菌株對幾種中國苜蓿品種的侵染效果很差[19-21]。曾昭海等[22-23]在含氮量較低的土壤環(huán)境下篩選的高效苜蓿根瘤菌，干草產(chǎn)量相比對照增加12%。喻文虎等[24]對苜蓿接種根瘤菌的研究表明，接種根瘤菌后土壤中的有機(jī)質(zhì)和速效氮含量比不接種的有較大提高。

我國的苜蓿種類繁多，但卻缺少能與之匹配的優(yōu)良根瘤菌株，所以篩選出高效的苜蓿根瘤菌株是苜蓿產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程中必不可少的環(huán)節(jié)。通過在科爾沁沙地對4個(gè)紫花苜蓿品種和2個(gè)黃花苜蓿品種分別接種不同根瘤菌，與不接種根瘤菌作對照，探究接種根瘤菌后苜蓿植株及根瘤生長變化，以便篩選出適合本地區(qū)應(yīng)用和種植的根瘤菌苜蓿最佳匹配組合。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)自然概況

試驗(yàn)地設(shè)在內(nèi)蒙古自治區(qū)通遼市阿魯科爾沁旗草原合作社，地理位置E 116°21′～120°58′，N 41°17′～45°24′，溫帶半干旱大陸性氣候。年平均氣溫0～6℃，≥10℃積溫3 000～3 200℃，無霜期140～150 d，年平均降水量350～400 mm，蒸發(fā)量是降水量的5倍，年平均風(fēng)速3.0～4.4 m/s。試驗(yàn)地是新開墾草地，土壤為沙土。

1.2 試驗(yàn)材料

供試紫花苜蓿和雜花苜蓿品種及來源(表1)。

表1 紫花苜蓿及雜花苜蓿品種及來源

1.3 供試菌株及來源

代號為9、8-3、5-1、18-1、Z12.3的根瘤菌菌株均來自中國農(nóng)業(yè)大學(xué)根瘤菌保存中心。

1.4 接種

通過篩選試驗(yàn)，表明表2中苜蓿-根瘤菌組合苗期生長相對較好，因此，選擇苜蓿-根瘤菌組合進(jìn)行大田試驗(yàn)。按照苜蓿-根瘤菌組合接種，稱取6個(gè)供試材料的種子(播量22.5 kg/hm2，小區(qū)12 m2)，將包好的種子置入菌液中浸泡30 min(對照除外)，取出后通風(fēng)陰干，供撒播時(shí)使用。

1.5 試驗(yàn)方法

采用隨機(jī)區(qū)組排列，每小區(qū)面積為3 m×4 m，4個(gè)重復(fù)，共64個(gè)小區(qū)，小區(qū)設(shè)50 cm過道。科爾沁沙地漏水漏肥、土壤瘠薄，苜蓿幼苗固氮能力較弱，為保證其苗期正常生長，施少量氮肥(60 kg/hm2)，后期不施氮肥，所有小區(qū)底肥均施750 kg/hm2安琪有機(jī)肥、300 kg/hm2過磷酸鈣、7 kg/hm2硫酸鉀，2015年8月4日播種，人工撒播，試驗(yàn)地正常管理。

表2 供試品種-根瘤菌接種組合

1.6 測定項(xiàng)目及方法

地上生物量：10月20號，每個(gè)小區(qū)齊地刈割地上部分1 m2，測鮮質(zhì)量，并記錄。同時(shí),統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣方供試品種的枝條數(shù)(1 m2)，隨機(jī)取30株測定株高并記錄。

根瘤調(diào)查：產(chǎn)量測定同時(shí)，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選取10株供試品種，將根挖起，統(tǒng)計(jì)每株根瘤數(shù)，并收集10株根瘤于干燥離心管中帶回實(shí)驗(yàn)室稱總質(zhì)量。

1.7 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)用Microsoft Excel 軟件處理，SPSS 17.0軟件進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同苜蓿品種接種不同根瘤菌的株高比較

不同苜蓿品種接種不同根瘤菌與對照之間株高的變化差異不同(圖1)。肇東-(9)組合苜蓿植株高度顯著高于對照，較對照高2.75 cm，肇東-(18-1)組合苜蓿植株高度較對照無顯著性差異；農(nóng)菁8號-(8-3)組合苜蓿植株高度較對照增加1.85 cm；東苜1號-(5-1)組合苜蓿植株高度為34.03 cm，較對照顯著增加，增幅為6.9%；草原2號-(9)和草原2號-(18-1)苜蓿根瘤菌組合植株高度與對照均差異不顯著(P<0.05)，草原2號-(8-3)組合苜蓿植株高度顯著低于對照，株高降低7.1%；草原3號-(5-1)組合苜蓿植株高度顯著高于對照，較對照增高4.88 cm；公農(nóng)1號-(18-1)組合苜蓿植株高度為35.65 cm，顯著高于對照，公農(nóng)1號-(Z12.3)苜蓿植株高度與對照差異不顯著性(P<0.05)。

2.2 不同苜蓿品種接種不同根瘤菌的根瘤重比較

不同苜蓿品種接種不同根瘤菌與對照相比根瘤重均有差異(圖2)。肇東-(18-1)和肇東-(9)兩組合苜蓿有效根瘤重較對照均差異不顯著(P<0.05)；農(nóng)菁8號-(8-3)組合10株苜蓿有效根瘤重為0.297 g，顯著高于對照，增幅為43.1%；草原2號-(9)、草原2號-(8-3)和草原2號-(18-1)各組合10株苜蓿根瘤重分別為0.223 g，0.205 g和0.261 g，較對照均顯著降低，降低幅度分別為26.0%，31.8%和13.3%；東苜1號-(5-1)組合10株苜蓿根瘤重為0.167 g，較對照降低56.7%，變化差異顯著；草原3號-(5-1)組合10株苜蓿根瘤重為0.23 g，顯著高于對照；公農(nóng)1號-(Z12.3)和公農(nóng)1號-(18-1)兩組合10株苜蓿根瘤重分別為0.228 g、0.213 g，均顯著低于對照，分別減少16.5%和22.0%。

圖2 不同苜蓿品種接種根瘤菌的根瘤重Fig.2 Comparison of nodule weight of different alfalfa varieties inoculated with different rhizobium

2.3 不同苜蓿品種接種不同根瘤菌的根瘤數(shù)比較

不同苜蓿品種接種不同根瘤菌與對照相比單株根瘤數(shù)變化不同(圖3)。肇東-(18-1)和肇東-(9)兩組合苜蓿單株根瘤數(shù)分別是10.7、10.1個(gè)/株，顯著高于對照，增幅分別為22.0%、15.2%；農(nóng)菁8號-(8-3)組合苜蓿單株根瘤數(shù)較對照增加不顯著；東苜1號-(5-1)組合苜蓿單株根瘤數(shù)為8.68個(gè)，較對照顯著減少，平均單株減少36.4%；草原2號-(8-3)和草原2號-(18-1)兩組合苜蓿單株根瘤數(shù)與對照相比差異不顯著(P<0.05)，草原2號-(9)組合苜蓿單株根瘤數(shù)為11.2個(gè)/株，較對照顯著降低。草原3號-(5-1)組合苜蓿單株根瘤數(shù)為13.95個(gè)/株，顯著高于對照，增幅達(dá)到21.8%；公農(nóng)1號-(Z12.3)和公農(nóng)1號-(18-1)兩組合根瘤數(shù)分別是11.83、10.03個(gè)/株，均顯著低于對照，分別減少17.2%、29.8%。

2.4 不同苜蓿品種接種不同根瘤菌的枝條數(shù)比較

不同苜蓿品種接種不同根瘤菌與對照比較單位面積枝條數(shù)變化較大(圖4)。肇東-(9)組合枝條數(shù)為527.3枝/m2，而對照單位面積苜蓿枝條數(shù)為625.2枝/m2，差異顯著(P<0.05)，肇東-(18-1)組合枝條數(shù)與對照相比差異不顯著(P<0.05)；農(nóng)菁8號-(8-3)組合枝條數(shù)為705.0枝/m2，顯著低于對照，較對照減少11.7%；草原2號-(9)組合枝條數(shù)為600.6枝/m2，顯著低于對照，草原2號-(8-3)和草原2號-(18-1)兩組合枝條數(shù)較對照高，分別是660.6和686.1枝/m2，但未達(dá)到顯著水平；東苜1號-(5-1)組合枝條數(shù)為678.5枝/m2，增加幅度9.8%，差異顯著；公農(nóng)1號-(18-1)組合枝條數(shù)為670.8枝/m2，顯著高于對照，公農(nóng)1號-(Z12.3)組合枝條數(shù)與對照差異不顯著；草原3號-(5-1)組合枝條數(shù)為798.6，與對照相比顯著增加，增加幅度8.9%。

2.5 不同苜蓿品種接種不同根瘤菌與對照之間干草產(chǎn)量的比較

不同苜蓿品種接種根瘤菌與對照相比干草產(chǎn)量具有差異(圖5)。肇東-CK干草產(chǎn)量為2 682.23 kg/hm2，與對照相比肇東-(18-1)組合苜蓿干草產(chǎn)量顯著降低，降幅達(dá)15.6%，肇東-(9)組合苜蓿干草產(chǎn)量較對照亦減少，但差異不顯著(P<0.05)；農(nóng)菁8號-(8-3)組合苜蓿干草產(chǎn)量為2 645.01 kg/hm2，較對照無顯著變化；東苜1號-(5-1)組合苜蓿干草產(chǎn)量也與對照差異不顯著；草原2號-(18-1)組合苜蓿干草產(chǎn)量為2 749.07 kg/hm2，較對照顯著增加，增幅為19.1%，草原2號-(9)和草原2號-(8-3)兩組合苜蓿干草產(chǎn)量較對照變化均未達(dá)到顯著水平；草原3號-(5-1)組合苜蓿干草產(chǎn)量為2 389.06 kg/hm2，與對照相比差異不顯著；公農(nóng)1號-(18-1)組合苜蓿干草產(chǎn)量為2 684.54 kg/hm2，與對照相比顯著增加，增幅為13.5%，公農(nóng)1號-(z12.3)組合苜蓿干草產(chǎn)量為2 428.28 kg/hm2，較對照增加不顯著。說明草原2號-(18-1)和公農(nóng)1號-(18-1)組合較其他組合具有明顯優(yōu)勢。

圖3 不同苜蓿品種接種根瘤菌與對照的根瘤數(shù)的比較Fig.3 Comparison of nodule number of different alfalfa varieties inoculated with different rhizobium

圖4 不同苜蓿品種接種根瘤菌與對照的單位面積枝條數(shù)比較Fig.4 Comparison of the number of branches of different alfalfa varieties inoculated with different rhizobium

3 討論

苜蓿根瘤菌共生體系的一個(gè)重要特性是寄主專一性[26]。即每種根瘤菌只能在特定種類的豆科植物上結(jié)瘤。同樣，每種豆科植物只能被特定的根瘤菌侵染，苜蓿根瘤菌的寄主專一性很強(qiáng)。試驗(yàn)表明，同一品種苜蓿接種不同根瘤菌其對苜蓿生長特性和根瘤生長狀況影響不同，肇東-(9)組合的株高顯著高于對照，干草產(chǎn)量較對照變化不明顯，而肇東-(18-1)組合株高較對照則無明顯變化，但干草產(chǎn)量較對照顯著減少15.6%，呈負(fù)增長，這與楊建等[27]研究結(jié)果相同。試驗(yàn)中，草原2號-(18-1)和公農(nóng)1號(18-1)兩組合干草產(chǎn)量較對照顯著增加，增幅分別達(dá)19.1%、13.5%。表明同種苜蓿接種不同種根瘤菌，不同品種苜蓿接種相同根瘤菌效果不同[28]。

國內(nèi)外研究表明，豆科牧草接種根瘤菌可有效提高豆科牧草產(chǎn)量和品質(zhì)[29-31]。試驗(yàn)表明，根瘤數(shù)和根瘤重增加的根瘤菌苜蓿匹配組合，其干草產(chǎn)量不一定顯著增加，草原2號-(18-1)和公農(nóng)1號-(18-1)兩組合苜蓿根瘤數(shù)和根瘤重較其對照均減少，但干草產(chǎn)量均較對照顯著增加；農(nóng)菁8號-(8-3)和草原3號-(5-1)兩匹配組合苜蓿根瘤數(shù)、根瘤重較其對照均顯著增加，但干草產(chǎn)量均較對照變化不明顯；說明苜蓿根瘤數(shù)、根瘤重與苜蓿干草產(chǎn)量沒有必然相關(guān)性。云錦鳳等[10]研究結(jié)果表明，苜蓿根瘤菌菌株對苜蓿品種是有選擇的，同一苜蓿品種分別用幾株菌株接種和不同苜蓿品種接種相同根瘤菌，會(huì)出現(xiàn)不同的共生效果，彼此間差異較大，對其根瘤的生長影響也不盡相同。不同苜蓿品種接種不同根瘤菌后多數(shù)匹配組合苜蓿單位面積枝條數(shù)均呈增加趨勢，但也有少數(shù)單位面積苜蓿枝條數(shù)減少，如肇東-(9)、農(nóng)菁8-(8-3)、草原2號-(9)。可能是因?yàn)檐俎Ｆ贩N與根瘤菌株的共生不匹配造成。

圖5 不同品種苜蓿接種不同根瘤菌與對照的干草產(chǎn)量比較Fig.5 Comparison of hay yield of different alfalfa varieties inoculated with different rhizobium

4 結(jié)論

草原2號-(18-1)和公農(nóng)1號(18-1)兩組干草產(chǎn)量分別是2 749.07、2 684.54 kg/hm2，較其他組合干草產(chǎn)量高，具有明顯優(yōu)勢，適合在科爾沁地區(qū)推廣應(yīng)用。