叢枝菌根真菌對還田麥稈分解及玉米生物量的影響

賈艷艷 顧大路 楊文飛 吳傳萬 孫愛俠 諸俊 王偉中 杜小鳳

摘要：通過盆栽試驗探索接種叢枝菌根真菌摩西管柄囊霉（Funnelifon7zis mosseae）對麥稈分解速率、土壤微生物量、分解酶活性和玉米生物量的影響。結果表明，培養90 d，F mosseae能與玉米根系形成共生系統，定殖率超過63%，秸稈還田同時接種F mosseae菌劑顯著提高了玉米根系干物質質量。與單獨秸稈還田（對照）相比，接種F.mosseae菌劑并進行秸稈還田處理顯著促進了麥稈的分解。培養90 d，接種F mosseae菌劑并進行秸稈還田處理的土壤微生物量以及與碳、氮、磷元素礦化相關的土壤纖維素酶活性、土壤蛋白酶活性和土壤堿性磷酸酶活性均顯著高于對照。說明，接種F mosseae菌劑并進行秸稈還田處理可以通過提高土壤微生物量和分解酶的活性，直接或間接地影響小麥秸稈的礦化過程，正向調節農田土壤生態系統中有機質的養分循環。

關鍵詞： 叢枝菌根真菌;秸稈分解;土壤酶活性;土壤微生物量

中圖分類號：S154.36

文獻標識碼：A

文章編號： 1000-4440（ 2019） 03-0612-06

作物秸稈是農作物的主要副產品，含有豐富的有機資源。近年來隨著栽培水平的不斷提高，秸稈量也不斷增大，秸稈就地還田是秸稈綠色處理，維持農業可持續發展的重要手段[1-4]。越來越多的秸稈在農田土壤中被分解，作物秸稈的分解主要是在土壤微生物及其分泌的各種酶系統作用下，通過將復雜的有機化合物分解為簡單的小分子來完成的[5-8]。土壤的生化過程受控于酶的催化活性，因此土壤微生物分解酶的活性決定著秸稈在土壤中的分解狀態和最終的還田培肥效果。

叢枝菌根（ Arbuscular mycorrhizal，AM）真菌是土壤微生物區系中分布最廣泛的一類真菌，能與80%的陸生植物形成共生體，這種共生體的互利性是通過雙向營養交換來體現的，即植物通過光合作用為菌根真菌提供碳水化合物，而菌根真菌通過其強大的外部菌絲系統提高植物對土壤礦質營養元素的吸收，增強植物對外界不良環境的抵抗能力[9]。自Hodge等[1O]報道AM真菌可加速有機物分解后，AM真菌對凋落物分解的積極作用日益受到重視。Cheng等[11]發現，增加二氧化碳濃度后，AM真菌能通過促進作物光合產物的釋放來調控分解系統，推測AM真菌與分解系統之間存在供求關系。采用分根裝置對AM真菌與凋落物的分解關系進行研究，證明接種AM真菌能夠通過提高土壤酶活性，增加作用于玉米秸稈[12-13]和蠶豆秸稈[14]的微生物量和活性，加快秸稈的分解。在中等土壤養分環境中，AM真菌通過增大菌絲密度和硝酸還原酶的活性顯著促進栓皮櫟凋落葉的分解[15]。

小麥是全球主要糧食作物之一，還田麥稈的分解對整個農田土壤的養分具有主導和支配作用。明確接種AM真菌對農田麥稈分解過程的影響，對深入理解AM真菌在農田土壤養分循環系統中的作用有重要意義。到目前為止，在小麥一玉米輪作農田土壤生態系統中，AM真菌對還田麥稈分解過程的影響還缺少深入研究。本研究擬以盆栽玉米作為宿主植物，研究接種AM真菌對還田麥稈分解的影響，并通過測定玉米生物量、麥稈分解速率和分解酶活性的變化情況，解析AM真菌對麥稈分解的作用機理及對宿主生物量的影響，以期為AM真菌對還田麥稈的有效分解和元素轉化機制研究提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

盆栽用土采集于江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所科研創新基地麥田（ll9°3′57″E，33°52′89″N）。土壤類型為沙壤土，肥力一般，pH值為7.65。土壤（0-20 cm）有機質含量22.84 g/kg，全氮1.26g/kg，速效磷26.27 mg/kg，速效鉀85. 35 mg/kg。采集的土壤風干后過2 mm篩，在121℃下濕熱滅菌2h，備用。

供試玉米品種為蘇玉30號。播種期為6月初，種子采用10% H202表面消毒10 min，用去離子水反復清洗數遍，瀝干水分備用。供試秸稈為新鮮收獲的淮麥30號地上部分麥稈，統一切割長度為（ 10+2） cm，室內60℃烘干后備用。試驗所用菌種為廣適菌種摩西管柄囊霉（Funnelifornzis nzosseae），購自北京市農林科學院叢枝菌根真菌種質資源庫。菌種預先經高粱盆栽繁殖，接種菌劑含有擴繁后產生的相應基質、AM真菌孢子、根外菌絲和植物根段，1g菌劑含有10-20個孢子。

1.2 試驗設計

本試驗采用室內盆栽法，設5個處理，分別為：盆栽玉米時接種滅活F.mosseae菌劑處理（M），盆栽玉米時接種F.mosseae菌劑（MG），盆栽玉米時接種滅活F.mosseae菌劑并進行秸稈還田處理（MS），盆栽玉米時接種F.mosseae菌劑并進行秸稈還田處理（MGS）以及單獨秸稈還田對照（s），每個處理設3個重復。所用塑料盆大小為20 cmx 20 cm（口徑×高），每盆放置4 kg滅菌土（含400g接種菌劑）。盆栽中秸稈還田量參考已報道的小麥草谷比，以中量級7 500 kg/hm在盆深15 cm土層處以網袋法直接還田[16]。各盆土壤放置麥稈后，在盆深10 cm處進行菌劑接種處理。玉米種子以1盆3粒進行播種。出苗后定苗1株，并每隔5d澆灌1次，1盆澆灌霍格蘭氏營養液100 ml。所有盆栽置于人工氣候室中隨機排列，生長期間控制土壤含水量保持在田間最大持水量的60% - 70%，室溫維持在25 - 30℃，光照時間為10 h/d。

1.3 測定項目與方法

叢枝菌根真菌定殖率采用脫色一酸性品紅染色法[7]測定。在成熟期進行測定，每個處理取100個0.5 -1.0 cm長的根段，在載玻片上染色固定，并進行鏡檢觀察，記錄染色結果。玉米生物量和秸稈剩余量采用稱質量法測定，最后一次取樣時取出盆中玉米的根系部分和麥稈網袋，小心去除表面土壤，65℃烘干至恒質量后稱量計算。

土壤微生物量的測定采用底物誘導呼吸法[18]。將1.0 g新鮮土樣加入100 ml的西林瓶中，加入1ml 0.01 g/ml的葡萄糖溶液，在通風處敞口放置30mm，測定瓶內CO，體積分數，封口25℃培養1 h后，再測一次CO，體積分數，計算2次測量結果的差值。土壤微生物量單位定義為1 g土樣th內分解0. 01g葡萄糖所產生的C02量。土壤分解酶活性的測定按照周禮愷等[19]的方法，土壤纖維素酶單位酶活性（IU）定義為1g土樣1 min分解產生1 mg葡萄糖所需的酶量，土壤脲酶IU定義為1g土樣1h分解產生1 mg氨基氮所需的酶量，土壤蛋白酶IU定義為1g土樣1 h分解生成1μg酪氨酸所需的酶量，土壤堿性磷酸酶IU定義為1g土樣1 h分解產生l mg P205所需的酶量。

室內試驗在江蘇徐淮地區淮陰農業科學研究所中心實驗室進行，所用溶液和化學試劑均為國藥分析純。

1.4 數據處理

90 d后的分解速率根據Olson[20]的方法計算，計算公式為：

根據玉米生物量計算AM真菌對玉米各部分菌根效應的貢獻情況，計算公式：菌根效應=（菌根植物某部分干物質質量一相應非菌根植物某部分干物質質量）/菌根植物某部分干物質質量×100%。

試驗數據用SPASS 19.0軟件進行顯著性分析，采用雙因素方差法分析比較接種AM真菌和秸稈還田對土壤微生物量、土壤分解酶活性和玉米生物量的影響。

2 結果與分析

2.1 玉米菌根定殖率

菌根定殖率反映了菌根真菌與玉米之間的親和力，是菌株在土壤中與宿主共生生長狀況的重要指示參數。M處理和MS處理的玉米根系中未檢測出菌根真菌，菌根定殖率為0，MG處理和MGS處理的根際菌根定殖率分別為64.14%和63. 32%，二者間差異不顯著（表1）。說明在當地土壤環境中Fmosseae成功與蘇玉30號玉米形成菌根共生體。

2.2 接種AM真菌對還田麥稈分解速率的影響

分解系數是衡量分解速率的一個指標，分解系數越大其分解速度就越快。表1顯示，經過90 d的盆栽分解試驗，MS和MGS處理中小麥秸稈的分解系數均高于S對照，其中MGS處理顯著促進麥稈的分解，與S對照相比，分解系數的增幅為7. 23%。MS處理下的麥稈分解系數為0.085，雖然高于S對照的0.083，但無顯著差異。說明，接種叢枝菌根真菌能加快小麥秸稈的分解，提高麥稈中元素的礦化速率。

2.3 接種AM真菌對土壤微生物量和分解酶活性的影響

2.3.1 土壤微生物量 土壤微生物量是評價土壤基質中碳穩定性的重要指標。表1顯示，S對照中土壤微生物量最低，與M處理、MS處理、MG處理相比無顯著差異。與MS處理相比，MGS處理下土壤微生物量顯著增加（P<0.05）。雙因素方差分析結果（表2）表明，單獨接種AM真菌以及接種AM真菌與秸稈還田二者的交互作用均顯著影響土壤微生物量。 2.3.2 土壤分解酶活性圖1顯示，經過90 d的分解試驗，與M處理、MS處理和S處理相比，MG處理和MGS處理下與碳分解相關的土壤纖維素酶活性、與氮分解相關的土壤蛋白酶活性以及與磷轉化相關的土壤堿性磷酸酶活性較高。在整個試驗過程中，土壤纖維素酶活性在MG處理和MGS處理下均高于其他處理，在第90 d表現出顯著差異。培養90 d的雙因素方差分析結果（表2）也表明，單獨接種AM真菌以及秸稈還田和接種AM真菌二者的交互作用均對土壤纖維素酶活性有顯著影響。

土壤蛋白酶和脲酶直接參與土壤含氮有機化合物的轉化，其活性強度常用來表征土壤氮素供應強度。圖1顯示，MGS處理下的土壤蛋白酶活性最強，顯著高于S對照。在30 d取樣時，MS處理土壤脲酶活性最高，隨著培養時間的增加，MGS處理脲酶的活性逐漸升高，在第90 d取樣時，MGS處理脲酶活性最高。雙因素方差分析結果（表2）顯示，秸稈還田和接種AM真菌的交互作用會顯著影響土壤蛋白酶和脲酶的活性，而且在第90 d取樣時，MGS處理下的土壤蛋白酶和脲酶活性最高，說明秸稈還田條件下接種AM真菌能促進土壤蛋白酶和脲酶的分泌，加快秸稈中含氮有機化合物的分解。

土壤堿性磷酸酶的主要功能是水解有機質中的磷脂鍵，提高有機磷的脫磷速度，提高土壤磷素的有效性。圖l顯示，在第90 d取樣時，MGS處理下的土壤堿性磷酸酶活性顯著高于M處理和S處理。第60 d取樣時，MGS處理下土壤堿性磷酸酶活性最強，與S處理相比增加了40. 32% （P

表3顯示，經過90 d的盆栽試驗，秸稈還田和接種AM真菌對玉米地上和地下部分的生長均有很大影響。與M處理和MS處理相比，MG處理顯著增加了玉米地上部干物質質量。MG處理玉米地上部干物質質量與MGS處理的差異不顯著，說明接種AM真菌條件下進行秸稈還田并未顯著增加玉米地上部生物量。與MS處理相比，MG處理和MGS處理玉米根系干物質質量顯著增加。與MG處理相比，MGS處理顯著促進了玉米地下部分的生長發育。雙因素方差分析結果（表2）也表明，接種AM真菌顯著促進玉米地上部干物質質量和根系干物質質量的增加，秸稈還田處理顯著影響玉米根系干物質質量，而且接種AM真菌與秸稈還田處理之間的交互作用對玉米根系干物質質量的影響極顯著，說明秸稈直接還田條件下接種AM真菌加快了玉米根系的生長，對根系的促生作用強。

3 討論

接種AM真菌對玉米葉片養分含量、莖粗、總生物量和產量均有促進作用[21-22]。這種增產促進作用一般依賴于AM真菌與宿主之間的親和力，即菌根定殖率。本試驗中，MG處理下，AM真菌F.mosseae在宿主蘇玉30號玉米根系中的定殖率達到64.14%。與MG處理相比，MGS處理下宿主植物玉米的地上部干物質質量沒有顯著變化，但玉米根系干物質質量顯著提高，秸稈還田與接種AM真菌處理之間的交互作用對玉米根系干物質質量的影響極顯著，這可能是因為秸稈還田條件下，玉米植株本身與AM真菌的共生作用，改變了根際的生態環境，影響了植株生物量的分配比例。

接種AM真菌能夠促進麥稈的分解，增加土壤微生物量。AM真菌定殖宿主植物形成共生體，導致植物殘體分解速率發生變化[23-24]。Nuccio等‘25]發現，AM真菌主要通過氮輸出對土壤微生物群落結構進行調控，約10%的細菌群落、放線菌群落對AM真菌做出積極響應。有數據顯示，在凋落物分解后期（180 d），AM真菌與土壤微生物群落相互競爭養分，抑制土壤中真菌和細菌的生長[24]。AM真菌對凋落物分解的促進作用與所在土壤的養分含量有關，在中等營養土壤環境中接種叢枝菌根真菌能夠調控凋落物中氮素的礦化速度，加快分解[15]。本研究中，接種AM真菌處理的土壤微生物量與對照相比明顯增加，可能盆栽玉米的適時追肥保證了土壤中足夠的養分供給，使得AM真菌與土壤微生物分解功能群之間協調生長，減少了AM真菌與土壤微生物分解功能群對土壤養分的競爭。

土壤分解酶直接參與了土壤有機物質的礦化過程，是土壤系統生化反應大小和方向的調控者[26]。土壤酶主要來自土壤微生物的代謝，還有部分來自動植物分泌，其活性在一定程度上反映了微生物的代謝速率和土壤養分轉化的動態進程[27-28]。AM真菌不能像腐生微生物群一樣直接分泌分解酶，菌絲單獨存在時并不能礦化土壤中的凋落物[29]，但AM真菌能夠促進土壤中多種酶的分泌，增強多種土壤酶（如β一葡萄糖苷酶[30]、堿性磷酸酶[31-32]、過氧化氫酶[13]、脲酶[32]和硝酸還原酶[15]）的活性，對植物殘體的降解產生作用[33]。本研究發現，接種AM真菌處理對與碳、氮和磷分解相關的土壤纖維素酶、土壤蛋白酶以及土壤堿性磷酸酶的活性有顯著影響，故而本研究中AM真菌能夠促進麥稈分解，是因為其除了通過對土壤微生物量進行調控外，還通過增加參與麥稈分解過程中的各種土壤酶活性來促進有機質的分解。

綜上所述，小麥秸稈還田同時接種AM真菌的處理能夠增加玉米根系干物質質量，通過提高土壤微生物量、土壤蛋白酶活性和土壤堿性磷酸酶活性，直接或間接地參與催化小麥秸稈的礦化過程，促進小麥秸稈的分解。通過根系微環境調控地下凋落物分解的過程是多元且復雜的，AM真菌與宿主根系活動以及秸稈分解之間的相互作用機制尚需進一步研究。摩西管柄囊霉菌作為優化促生菌種之一，可應用于玉米一小麥輪作農田地下有機質的養分循環研究中。

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（責任編輯：王妮）