菌絲營養缽栽培對烤煙根系生長的影響

艾 棟，劉青麗，常乃杰，閆芳芳，邊立麗，李 斌，李志宏，馮文強，張宗錦，陳 曦，張文洪，鄭敏瑞，彭志立，張云貴*

（1 中國農業科學院農業資源與農業區劃研究所,北京 100081；2 四川煙草公司攀枝花市公司,四川攀枝花 617026；3 中國煙草總公司四川省公司,四川成都 610041；4 深圳市澤青源科技開發服務有限公司,廣東深圳 518000；5 中國煙草總公司鄭州煙草研究院,河南鄭州450001；6 云南農業大學煙草學院,云南昆明 650201）

根系健康是植株正常生長的前提，而良好的根區環境則是根系生長健康的保障[1]。常規作物移栽時，根系和原土體直接接觸，無法阻抗土傳病害發生，導致作物減產、品質降低幾率升高[2]。利用有機物料將根系與原狀土隔離來阻抗土傳病菌侵害，改善根區微生態環境，促進根系生長發育是經濟作物栽培技術研究的熱點之一。如朱荷琴等[3]和韓迎春等[4]在棉花上采用基質育苗，避免了土壤中病原菌對棉花幼苗的侵染，棉苗帶基質一起移栽保留了大量的原生根，移栽后生根快、生根多。也有研究在營養基質上接種菌絲以改善和提高營養基質促進根系發育和生長的效果。如石青蓮等[5]在以表土、草炭土、過磷酸鈣等為主要原料的營養土中，接種固體紅絨蓋牛肝菌劑和棉毛絲膜菌劑，發現該措施可以促進板栗根系生長、增加側根數量。王連潤等[6]在栽培介質中添加菌劑，藍莓的根長比未接種菌劑的處理提高了5.79%。也有研究證明基質接種菌根真菌，有利于根系養分吸收、增加地下部生物量[7]。這些研究主要集中于利用活菌改善根區環境和促進根系生長的生物學效應，較少關注菌絲侵染的有機材料對根區微生態及根系生長的影響。

真菌孢子在萌發過程中能不斷形成菌絲，菌絲通過不斷生長和纏繞植物纖維形成緊密的網狀結構[8]，利用這種特殊方式制備的復合材料具有保溫性強[9-10]、抗菌性強[11]、吸水性強[8]、能夠自然降解等優良特性。因為取材天然、加工無污染、清潔無毒、可持續性發展等特點，菌絲復合材料也逐漸引起了國內農業領域專家的關注和重視。如菌絲復合材料在設施蔬菜上的研究發現，利用真菌菌絲將秸稈農業廢棄物與椰糠、蛭石扭結形成定植塊，能夠增強蔬菜根區透氣性、增加疏松度、提高保水性等，其根系鮮重比海綿定植塊處理提高了179%～375%[12]。攀枝花地區11月至次年5月降水量僅占全年降水量的10%～20%，致使緩苗期煙苗嚴重缺水；伸根期的有效降雨量極小、缺水率極大，根區土壤水熱難以協調、干旱嚴重，根系生長發育遲緩[13]。灰管層孔菌(Fomes lignosus)是一種菌絲生長快速、菌絲體扭結力強、可快速腐解纖維素的白腐真菌。彭志立等[14]在利用灰管層孔菌的菌絲侵染秸稈碎屑開發可降解生物質材料上的研究發現，灰管層孔菌的速生菌絲和分泌物僅需2～3天便可快速纏繞和膠結秸稈碎屑實現脫模。依據該研究成果，我們制備了菌絲營養體生長缽(mycelium-straw bowl，專利號CN201710018453.0)，利用菌絲復合材料的強保溫性和高吸水性，將煙苗移植其中能夠在根系附近形成局部的微環境，極有利于減輕根區旱害，保障緩苗及伸根期根系生長發育，促進煙株早生快發。我們嘗試解決以下幾個問題：1)研究菌絲營養缽對土壤微生態的影響；2)探究菌絲營養缽對根系形態的影響；3)探明菌絲營養缽對根系生物量的影響。通過此研究，以期為煙葉生產中解決移栽方式的轉型和提升提供理論支持和科學指導。

1 材料與方法

1.1 菌絲營養缽和營養基質制備

主要原材料為玉米秸稈(0.1～5 mm)、麥麩、淀粉等天然可降解物料。菌種為灰管層孔菌(Fomes lignosus)。將玉米秸稈切碎后，與麥麩、淀粉等材料混勻，再調控含水量為55%～60%，經隧道式微波滅菌設備滅菌后制成直徑13 cm、高13 cm、壁厚1 cm的圓錐型營養缽，灰管層孔菌(Fomes lignosus)液噴于營養缽上，在溫度20℃～26℃、相對濕度60%～70%的無菌暗環境下培養2～3天，形成肉眼可見的菌絲纏繞營養缽，然后108℃下干燥(灰管層孔菌被滅活)至含水量低于15%，即可得到成品菌絲營養缽(圖1A)，詳細制作方法參照專利CN2017 10018453.0。

圖1 菌絲營養缽及其田間栽培示意圖Fig. 1 Mycelium-straw bowl and its field cultivation diagram

營養基質由腐殖酸鉀、腐熟有機肥、珍珠巖和無菌大田土(土壤經高溫滅菌制得)按照4∶4∶1∶1比例混合而成，菌絲營養缽和混合基質的養分含量見表1。菌絲營養缽田間栽培示意圖見圖1B。

表1 菌絲營養缽和基質養分含量Table 1 Nutrient content of mycelium-straw bowl and nutrient matrix

1.2 試驗點概況

試驗地點在四川省攀枝花市仁和區平地鎮26°11′43′N，101°48′4′E。試驗區屬亞熱帶季風氣候，具有四季不分明，晝夜溫差大，氣候干燥，日照長等特點，年平均氣溫20.4℃，年積溫達7450℃，年日照時數達2745 h，無霜期300天以上[15]。供試土壤為紫色土，試驗前對土壤理化性質進行測試，土壤pH為6.0、全氮0.912 g/kg、堿解氮64.5 mg/kg、有效磷23.4 mg/kg、速效鉀226.8 mg/kg、有機質14.9 g/kg。

1.3 試驗設計

采用大田試驗，以云煙87為供試品種，設置常規移栽方式(CF)和菌絲營養缽移栽方式(MF)，每個處理3次重復，每個小區面積為51 m2。煙苗移栽密度為16500株/hm2，氮、磷、鉀純養分投入量分別為112.5 、90、315 kg/hm2。試驗用肥料包括：煙草專用肥(N∶P2O5∶K2O=12∶12∶24)、磷酸一銨(N 10%、P2O550%)、硝銨磷(N 32%、P2O54%)、普鈣(P2O516%)、硫酸鉀(K2O 51%)和硝酸鉀(N 13.5%、K2O 44.5%)。基肥和追肥的比例為7∶3?；试趬琶嫦律疃?5 cm的位置，施肥半徑14 cm。MF處理小區煙苗移栽前先將菌絲營養缽浸泡至軟化，再將帶育苗基質的6片真葉煙苗移植在菌絲營養缽內，保持煙苗葉片露出營養缽上緣的狀態下將整個營養缽栽于土壤中(圖1B)。CF不接種灰管層孔菌，向栽苗器中依次添加與營養缽相同的原料及營養基質，與6片真葉煙苗一并栽入土壤。移栽時間為2020年5月8日，煙苗移栽當天施用提苗肥，提苗肥占追肥比例的10%，稀釋100倍后隨水澆施。追肥在移栽后25天施用，肥料稀釋100倍后澆施。試驗田煙苗移栽后全部覆膜，揭膜上廂時間為2020年6月8日。烤煙采烤時間為2020年8月4日—9月8日。

1.4 樣品采集及測定方法

1.4.1 樣品采集 試驗地施用基肥前，多點取土壤樣品1 kg；菌絲營養缽和基質各500 g制備樣品。

試驗移栽當天，取同規格的菌絲營養缽24個，使用網袋填埋法填埋于菌絲營養缽移栽的小區中。

移栽后 10、20、30、40、50、60、90、120天，取菌絲營養缽3個，帶回實驗室洗凈制樣。移栽后 10、20、30、40、50、60、75、90、120 天，選擇代表性煙株，從壟面莖基部切割，分為地上和地下兩部分，網袋收裝地上部后，使用取土鏟在煙壟兩側(橫向距離為50 cm)作垂直切割，向內逐層挖掘、清理根系。再將完整部位帶回制樣。

1.4.2 指標測定 移栽后0、10、20、30、40、50、60、75、90、120 天，在距根莖 2.5、7.5、12.5、17.5 cm，距表土5、10、15 cm處測定土壤電導率(移栽后當天不測)和溫、濕度，電導率儀型號為Spectrum ECTestr 11+，溫濕度速測儀型號為JL-19-2(水分傳感器型號為FDS-100)。MF處理去除適當表土至營養體上緣裸露后測定數據，CF處理去除與MF一致厚度的表土后測定數據。根區電導率和溫濕度測定時，以小區為單位，電導率重復測定5次，溫濕度重復測定2次。

移栽后60天的煙草根系經掃描成像后，使用WinRHIZO分析根長度、根系體積、根尖數、根表面積，及直徑分別為≤1.0 mm (極細根)、1.0～2.0 mm (細根)、≥2.0 mm (粗根)的根長度和根尖數。干物質重、腐解率使用烘干法測定。

土壤樣品測定pH、全氮、堿解氮、有效磷、速效鉀和有機質含量；菌絲營養缽和基質樣品測定pH、全氮、全磷、全鉀和全碳含量[16]。菌絲營養缽密度使用充填體積法測定[17]，基質密度使用自然堆積體積法測定[18]。

1.4.3 計算方法 試驗地塊灌溉水量折算為降水量，根區特征電導率采用反距離權重法計算[19]，計算公式如下：

式(1)中 ：x0,y0為權重中心；n為實測點數；xi,yi表示第i個取樣點距權重中心的橫縱距離；Ei(xi,yi)為第i個取樣點的電導率或者溫度、濕度值。

腐解率采用重量法計算[20]，腐解率隨時間的動態變化使用一級動力學模型擬合[21-22]，計算公式如下：

式(2)和(3)中：W為菌絲營養缽腐解率；M1為菌絲營養缽烘干重量；M0為菌絲營養缽原始重量；K為常數，指菌絲營養缽腐解率最大值，表征腐解潛力；b為常數，是腐解速率常數，表征菌絲營養缽腐解的快慢；t為菌絲營養缽填埋后天數。

生物量隨時間的動態變化使用Logistic模型擬合[23]，計算公式如下：

式(4)中：x為煙株移栽后天數；y為根系生物累積量；a0、x0、k為模型參數。

1.5 統計分析

使用Microsoft Excel 2016進行數據整理和T檢驗；用Sigmplot 14.0進行繪圖及回歸分析。

2 結果與分析

2.1 菌絲營養缽腐解特征

圖2顯示，菌絲營養缽在烤煙生育期腐解呈現“先快后慢”的特征，腐解率前期逐漸增大，最后趨于穩定。填埋后第10至30天，腐解較快，累積腐解率為10.3%～30.5%；第40至60天，腐解減緩，累積腐解率為34.4%～41.4%；第90至120天，累積腐解率為49.6%～59.0%。采用一級動力學方程對菌絲營養缽的腐解過程進行擬合，方程擬合精度較高(R2=0.96，P< 0.01)，通過對方程求解可知，腐解速率常數為0.0197，理論最大腐解率為62.4%，腐解率達50%時所需的時間為82天。

圖2 菌絲營養缽隨煙草生長的腐解動態Fig. 2 Decomposition dynamics of mycelium-straw bowl with tobacco growth

2.2 菌絲營養缽對土壤溫濕度的影響

年度烤煙生長季補水(灌溉和降水)過程大致可以分為3個階段，為移栽后第0～10、37～38、70～120天。栽后第10天的土壤溫度比栽后當天下降了8.4℃～10.2℃，土壤濕度則提高了12.0%～12.4%；栽后第40天的土壤溫度比栽后第30天下降了8.2℃～8.5℃，土壤濕度則提高了9.3%～15.9%；栽后第120天的土壤溫度比栽后第60天下降了3.4℃～4.1℃，土壤濕度則提高了16.4%～18.1% (圖3A)。移栽當天澆施提苗肥水后，MF處理根區土壤濕度較常規低6.2%；移栽后10天降水43.2 mm，MF處理土壤濕度較常規低5.7%；移栽后第20、30天，未灌溉或降水，MF處理土壤濕度分別高于常規2.0%、3.5%，但差異不顯著。氣候因素決定著土壤濕度和溫度的變化，營養缽栽培在一定程度上對土壤濕度有一定的調節作用，為前期根系生長發育創造了良好的環境條件。

圖3 不同移栽方式下根區溫濕度及電導率Fig. 3 Temperature,humidity and electrical conductivity in flue-cured tobacco rhizosphere under different transplanting methods

隨著菌絲營養缽腐解程度的增加，MF處理對根區土壤溫濕度的影響逐漸變弱。菌絲營養缽的保水性能具有腐解前期優于腐解中后期的特點，隨著菌絲營養缽逐漸腐解，菌絲營養缽移栽方式與常規移栽方式的土壤溫濕度在大田烤煙生育中后期差異并不顯著。

2.3 菌絲營養缽對土壤電導率的影響

由烤煙全生育期根系縱向和橫向不同間距測試的電導率平均值（圖3B）可知，移栽后10～30、40～60、75～90天，隨移栽天數的增加土壤電導率下降。

烤煙生育期的主要降水過程分別為移栽后8、37～38、70～120天(圖3B)，降水量分別為43.0、79.8、419.5 mm。栽后20天與栽后10天相比，MF、CF的土壤電導率分別下降了251.3、419.5 μS/cm；栽后50天與栽后40天相比，MF、CF的土壤電導率分別下降了487.2、601.5 μS/cm；第3次降雨過程中，菌絲營養缽移栽后120天的土壤電導率較栽后60天提高了35.0 μS/cm，常規對照的土壤電導率則下降了 53.0 μS/cm。

2.4 菌絲營養缽對烤煙根系形態的影響

根系形態表征根系生長發育的質量，根系伸展廣度和深度體現煙株吸收養分和水分能力的強弱。從表2可知，菌絲營養缽移栽處理(MF)的根系表面積、體積和根尖數顯著高于常規移栽(CF)，分別比CF處理高27.5%、55.7%和36.4%。根系體積、表面積的顯著增加，擴大了根系與土壤的接觸面積，為根系從土壤中吸收養分提供了更多的場所；而根尖數的顯著增加，則直接增加了根系吸收土壤養分的能力。

表2 不同移栽方式下烤煙根系形態的影響Table 2 Root morphology of flue-cured tobacco under different transplanting methods

菌絲營養缽移栽方式的烤煙總根長和根直徑與常規移栽的沒有顯著差異(表2)。但依據根直徑進行分類發現，根直徑≥2.0 mm時，菌絲營養缽處理的根長度顯著高于常規移栽；根直徑≤1.0 mm時，菌絲營養缽處理的根尖數顯著多于常規移栽(表3)。直徑≥2.0 mm的粗根長度值高，根系可以擴展到更深更廣的位置獲取土壤的養分和水分；根直徑≤1.0 mm的根尖數多，增強了根系吸收養分和水分的能力。根系形態和結構分析結果表明，菌絲營養缽處理的植物根系吸收養分和水分的范圍更寬廣，根系結構更加合理，增強了烤煙根系吸收養分和水分的能力。

表3 烤煙不同移栽方式下不同直徑范圍內的根系長度及根尖數Table 3 Length and tip number of flue-cured tobacco roots at various diameter as influenced by transplanting methods

2.5 菌絲營養缽對烤煙根系生物量積累的影響

烤煙生育期的根系生物量增長動態符合生長型曲線規律(表4)，采用Logistic方程對不同處理根系生物量的增長過程進行擬合，擬合精度均較高(R2≥0.94，P<0.01)。進行方程求導可知，MF處理的根系生物量快速累積初始時間和終止時間分別是栽后53.4天和栽后85.2天，分別比CF處理提前3.9天和9.9天，快速累積期比CF處理縮短了6天。試驗地所在區域烤煙生長前期處于旱季，本研究菌絲營養缽移栽方式改善了干旱條件下的煙株生長發育狀況，有利于煙株提前進入旺盛生長，縮短了根系生物量累積周期。模型二階求導可知，MF處理的根系生物量最大累積速率為1.6 g/(plant·d)，最大累積速率出現時間為栽后69.3天，比CF提高33.3%、提前6.9天。說明菌絲營養缽移栽方式改善煙株根系生物量累積狀況，促進根系生物量的快速積累，可以有效避免后期多雨貪青現象的發生。

表4 不同移栽方式下烤煙根系生物量的影響 (g/plant)Table 4 Root biomass of flue-cured tobacco under different transplanting methods

在移栽后第60天、75天和90天，菌絲營養缽處理(MF)的田間根系生物量高于常規移栽(CF)，分別比CF處理高6.3、19.3和10.8 g/株。菌絲營養缽處理的土壤溫濕度條件優于常規移栽，土壤養分流失少，良好的養分水分供應維持了根系的活力，使根系形態結構更加合理，獲得了更高的根系生物量累積。

3 討論

3.1 菌絲營養缽腐解特征及其影響因素

已有研究表明，5 cm長度的玉米秸稈填埋 365至730天后，腐解率為60.6%～79.6%[24]。本研究結果表明，菌絲營養缽填埋120天后，腐解率達59.0%，盡管菌絲營養缽田間使用前經過干燥灰管層孔菌被滅活，但仍具有遠高于秸稈填埋的腐解潛力。一般微生物對有機物降解的適宜碳氮比為25∶1[25]，本研究中菌絲營養缽碳氮比為27.7∶1，加上碎屑被菌絲侵染后形成了多孔的錐體結構，可能加快了微生物對菌絲營養缽的降解。一級動力學方程擬合結果表明，菌絲營養缽腐解速率常數為0.0197，理論最大腐解率為62.4%，腐解率達50%時所需要的時間為82.0天。黃菲等[22]的研究表明，水稻、小麥的秸稈理論最大腐解率分別為72.1%和57.2%，腐解速率常數分別為0.024和0.030，與本研究不同的是其秸稈使用了水作的翻壓處理，充足的田間飽和水有利于秸稈腐解。秸稈腐解受到秸稈長度[26]、還田量[27]、氣候[28]等復雜因素的影響，腐解特征表現為“前期快后期慢”[29-31]。土壤微生物群落組成和可溶性有機物含量均受溫度和水分的影響，適宜范圍內的溫度升高可增強微生物活性[32-33]、促進秸稈分解[34-36]。

3.2 菌絲營養缽對土壤和作物的影響

菌絲營養缽對土壤溫濕度的影響表現為烤煙生長前期大于后期，能夠保持根區電導率的相對穩定，與程宏波[37]、鄧亞鵬等[38]的研究結果并不一致，二者的研究結果表明，秸稈還田對土壤溫度的影響為前期提高、后期降低，能夠顯著增加土壤濕度和提高土壤電導率。究其原因為土壤中秸稈隔層可以阻隔水鹽流動[39]，在烤煙生長前期錐型營養缽將根系包圍成一個整體，營養缽腐解少、保水性能更好，而烤煙生長后期由于營養缽腐解較多，其保水性能減弱，逐漸降低兩種移栽方式的土壤溫濕度差異。菌絲營養缽對土壤溫度和濕度有著相反的效應，原因可能是菌絲直徑通常在1～30 μm[40]，其纏繞秸稈碎屑后形成了更多微型孔徑，灌溉或降水時能夠促進根區水分輸運，保障烤煙根系不會出現澇害；但菌絲經干燥處理后導熱系數低至0.05～0.07 W/(m·k)[41]，對土壤溫度傳遞有阻礙作用。

本研究結果表明，菌絲營養缽移栽能夠改善根系形態、優化根系結構、增加極細根分布量、提高根系生物累積量，與曾宇[42]研究結果較為一致。姜英等[43]、嚴奉君等[44]研究也發現，秸稈還田可改善根系形態、增加根系干物質積累。而甄安忠[45]、呂世俊[46]、王艷麗[47]的研究表明，烤煙根系快速生長期為栽后45～90天，最大值出現時間為栽后54.8～59.7天，最大累積速率為1.6～3.0 g/(plant·d)，這與本試驗結果并不一致，究其原因可能為氣候、品種、土壤等環境條件影響Logistic模型的坡度和飽和值[48]，本試驗烤煙生育前期氣候干燥、晝夜溫差大，試驗區少雨多旱推遲了煙株生長發育的關鍵節點。

盡管本研究通過田間試驗分析了烤煙生長過程中菌絲營養缽對烤煙根區微生態環境及根系生長的影響，肯定了菌絲營養缽移栽方式的積極作用。但是，本研究結果的應用仍存在諸多限制，主要有以下幾方面：1)生態因素的不可復制性，烤煙生長受到當季生育期氣候和植煙土壤理化性質影響較大，本試驗于攀枝花當地氣候條件下進行，供試土壤為紫色土，不能代表其它地區特殊氣候環境及土壤條件；2)試驗年限，本研究僅進行了一年的田間試驗，隨著種植年限增加，菌絲營養缽腐解產物對土壤微生態環境和根系生長的影響有待研究；3)缺乏煙株生理指標的測試，本試驗指標是土壤溫濕度、電導率、根系形態等宏觀指標，不能代表烤煙生長過程中菌絲營養缽對根系生長影響的全部。

4 結論

菌絲營養缽移栽方式的烤煙根系生物量快速累積初始時間、終止時間和最大累積速率出現時間比常規移栽方式分別提前了3.9、9.9和6.9 天，累積持續時間比常規移栽方式縮短了6 天，生物量最大累積速率比常規移栽方式提高了33.3%，更加有效地利用了移栽灌水和早期降雨有利條件，促進了根系的早生快發。采用菌絲營養缽移栽方式較常規移栽方式顯著增加了烤煙的根系表面積、體積和根尖數，尤其是直徑≥2.0 mm根的長度和直徑≤1.0 mm根的根尖數，根系結構更加合理，進而提高了根系吸收養分和水分的范圍和能力。

菌絲營養缽移栽方式對土壤濕度有一定的調節作用，移栽當天和移栽后第10天的土壤濕度分別比常規移栽方式降低5.7%和6.2%，移栽后第20天和30天的土壤濕度分別比常規移栽方式提高2.0%和3.5%。為根系生長發育創造了良好的環境條件。利用菌絲營養缽移栽方式土壤電導率在烤煙全生育期的變幅小于常規栽培，可以為烤煙提供更加穩定的養分供應。