設施土壤滅菌與摩西球囊霉對黃瓜幼苗生長及養分吸收的影響

樊婭萍，宋柏權，陳芳玲，賀苗苗，王倡憲

（黑龍江大學現代農業與生態環境學院，黑龍江哈爾濱 150080）

0 引言

【研究意義】設施蔬菜是我國農業生產的重要組成部分，據統計，截止2020年，我國的蔬菜種植面積達2148.5萬ha，且呈現逐年增加的趨勢。黃瓜作為我國設施的主要栽培蔬菜種類之一，連作現象十分普遍，黃瓜連作后生長受抑，長勢不良，土傳病害頻發，為解決設施黃瓜連作障礙問題，輪作、嫁接、土壤消毒等多項措施便應運而生（朱維偉，2020），其中，土壤消毒技術因其經濟、高效、便捷而在生產實踐中廣泛應用。土壤消毒諸多技術各有利弊，相較于化學消毒，物理消毒尤其是高溫蒸汽消毒因其環保、不產生病原的抗性等顯著優點而成為一種良好的化學消毒替代技術（曹坳程等，2010）。叢枝菌根（Arbuscular mycorrhizal，AM）真菌廣泛分布于各類生態系統中，其為專性活體營養共生真菌，能侵染90%的陸生維管植物根系，形成具有雙膜結構的菌根共生體（Redecker et al.，2000；Smith and Read，2008）。共生關系建成后，互惠型AM真菌能有效改善土壤微環境，并通過菌根方式促進各種礦質養分和水分的吸收，提高作物產量與品質（王秀芹和張福墁，2001；舒波等，2016；Luginbueh et al.，2017）。因此，明確AM真菌與連作土壤滅菌處理對黃瓜幼苗生長及養分吸收的影響，可為緩解設施黃瓜連作障礙提供必要的理論依據，對設施黃瓜生產意義重大。【前人研究進展】土壤滅菌處理能改良土壤理化性質，調節土壤pH、Eh和EC值，抑制甚至殺死土傳病原菌，從而有效降低植物發病率（周開勝，2015）。也有研究發現，高溫蒸汽消毒可提高沉積物可溶有機碳和活性磷含量（Covacevich et al.，2014；Hu et al.，2020）；對再植10年的桃樹土壤121 ℃濕熱滅菌45 min后發現，土壤速效磷含量在一定程度上有所提高（Li et al.，2019）。此外，土壤消毒處理對植物吸收養分及生長具有顯著促進作用（Biró et al.，2000）。高溫蒸汽消毒技術對病原的消殺作用毋庸置疑，但消毒后土壤微生物數量銳減，而土壤養分的有效化與土壤微生物的活動密不可分。因此，適時引入有益微生物以創造健康的微生態環境是關鍵。AM真菌可侵染黃瓜根系形成菌根（Kubota et al.，2005；Wang et al.，2008），適宜的共生體組合對黃瓜抗病能力的增強（王倡憲等，2012；Wang et al.，2012；王維華等，2017；Ravnskov et al.，2020），抗寒性和耐鹽性的提高（莊福金等，2017；Sallaku et al.，2019），以及連作障礙的緩解（唐艷領等，2018）具有積極作用。AM真菌對宿主植物的有效侵染是菌根作用發揮的關鍵，而介質中磷水平是決定侵染率的主要因素。通常，介質中低磷水平更有利于AM真菌侵染和菌根效應的發揮，反之，高磷水平則會表現不同程度的抑制作用（Smith and Read，2008）。AM真菌共包含1綱4目11科27屬約300種，其中，摩西球囊霉（）為球囊屬真菌，該真菌廣泛分布于農業生態系統，能與各種農作物形成互惠體，并在農作物的生長發育及抗逆方面顯示出了諸多有益作用（Naher et al.，2013；王幼珊和劉潤進，2017）。【本研究切入點】黃瓜作為菌根化連作植物，其與AM真菌的共生效應已有研究，而黃瓜育苗生產中，對連作土壤進行高溫滅菌并結合AM真菌接種技術的研究鮮有報道。【擬解決的關鍵問題】對設施黃瓜連作土壤進行高溫滅菌處理，并于黃瓜育苗時接種摩西球囊霉（），探討摩西球囊霉與土壤滅菌處理對黃瓜幼苗生長及氮磷鉀養分吸收的影響，明確連作土壤滅菌條件下摩西球囊霉與黃瓜的共生效應及相關機制，以期為設施黃瓜生產中連作障礙的緩解探索一條經濟有效的途徑。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試黃瓜品種為津春3號，由天津科潤黃瓜研究所提供。播種前溫湯浸種，先置于50～55 ℃蒸餾水中持續攪拌15 min，然后在10% HO中浸泡5 min表面消毒，再用滅菌的蒸餾水沖洗干凈，最后放入鋪有濕潤濾紙的培養皿中28 ℃黑暗催芽。摩西球囊霉菌種編號BJ01，購自北京市農林科學院植物營養與資源研究所。取自當地連棟日光溫室，黃瓜連作年限為3年，采集耕層土，混勻，四分法取樣，一部分風干用于基本理化性狀測定，剩余部分用于盆缽試驗。設施連作土壤基本理化性質：有機質含量37.2 g/kg，堿解氮102.15 mg/kg，速效磷91.82 mg/kg，速效鉀215.06 mg/kg，pH 7.92。育苗容器：營養缽上底徑10 cm、下底徑6 cm、高12 cm，使用前用70%的酒精表面消毒，晾干備用。

1.2 試驗設計

設施連作土壤共設滅菌與未滅菌2個水平。將設施連作土壤等分為2份，其中1份采用濕熱滅菌法滅菌，即將土壤裝入布袋，于高壓滅菌鍋內0.105 MPa條件下濕熱滅菌30 min，土壤滅菌后平攤于通風處放置1周備用；另一份未滅菌，自然風干。最后，分別將滅菌土與未滅菌土裝盆，每盆裝土300 g。AM真菌共設置接種與不接種2個水平。接種AM真菌處理：在土壤表面平鋪AM菌劑30 g。不接種AM真菌處理：土壤表面平鋪30 g滅菌菌劑與30 mL菌劑濾液，以保證其他微生物種類與接種AM真菌處理相一致。將土壤處理（S）與AM真菌（M）兩因素各設2個水平組合，共設4個處理：（1）S1M1處理，即土壤滅菌條件（S1）下，育苗時接種摩西球囊霉（M1）；（2）S1M0處理，即土壤滅菌條件下，育苗時不接種摩西球囊霉（M0）；（3）S0M1處理，即土壤未滅菌條件（S0）下，育苗時接種摩西球囊霉（M1）；（4）S0M0處理，即土壤未滅菌條件下，不接種摩西球囊霉（M0）。每處理15盆，共計60盆。于2019年9月在日光溫室開展黃瓜育苗試驗，選擇芽長約1 cm的種子播于盆缽內，每盆播種2顆，出苗后每盆定植1株，置于日光溫室常規管理，子葉展開后采用重量法澆水至田間持水量的60%，播種7周后收獲。

1.3 測定項目及方法

1.3.1 供試土壤基本理化性狀測定 參照鮑士旦（2000）的方法，有機質含量測定采用KCrO容量法—外加熱法；堿解氮含量測定采用堿解擴散法；速效磷含量測定采用Olsen法；速效鉀含量測定采用火焰光度法；土壤pH測定采用電位法。

1.3.2 幼苗生長相關參數測定 幼苗收獲后，迅速分割地上部與根系，清洗后吸水，每處理隨機取5盆用于測定葉面積（Leaf area，LA）、菌根侵染率和根系活力，其中，葉面積測定采用打孔法，菌根侵染率測定采用根段法（Phillips and Hayman，1970），根系活力測定采用α-萘胺氧化法（李小方和張志良，2016）；新鮮樣品經兩步烘干后用于全氮、全磷和全鉀含量測定，全氮、全磷和全鉀含量測定分別采用奈氏比色法、釩鉬黃比色法與火焰光度法（鮑士旦，2000）。根據測定結果計算菌根效應和菌根貢獻率。

1.4 統計分析

試驗數據應用SPSS 19.0進行分析，應用LSD方法進行多重比較，顯著水平取0.05（≤0.05）。

2 結果與分析

2.1 滅菌處理對土壤基本理化性狀的影響

從表1可知，土壤經121 ℃濕熱滅菌30 min后，其肥力水平發生明顯變化，尤以速效養分含量的變化最為明顯。土壤速效養分是當季作物可吸收利用的養分，其含量高低與作物生長密切相關。與未滅菌處理相比，土壤滅菌后堿解氮、速效磷和速效鉀含量均顯著增加（＜0.05，下同），滅菌土壤的堿解氮、速效磷和速效鉀含量分別是滅菌前的1.28、1.31和1.52倍。土壤經滅菌處理后可在一定程度上可增加土壤有機碳量，表現為土壤有機質含量較滅菌前增加15.67%。滅菌處理后，土壤pH較滅菌前升高約0.40。土壤活性酸可通過pH反映，土壤pH不僅關系到土壤中微量元素營養的有效性，也關系到植物根系對生長介質的耐受性，土壤pH的升高對于酸化的設施土壤而言為有益。

2.2 摩西球囊霉與土壤滅菌處理對黃瓜幼苗生長的影響

干重和葉面積是評價植株長勢的重要參數。方差分析結果表明，土壤處理、摩西球囊霉及二者的互作對黃瓜幼苗的干重和葉面積均有極顯著影響（＜0.01，下同），即土壤滅菌處理與接種摩西球囊霉均對幼苗干重和葉面積增加有極顯著促進作用，且二者配合的作用也極顯著。所有處理中以滅菌土上菌根化幼苗的長勢最優（圖1）。由表2可知，4個處理中，滅菌土上接種摩西球囊霉的黃瓜幼苗地上部干重、根系干重及葉面積均顯著高于其他3個處理，較滅菌土上不接種摩西球囊霉處理分別增加46.58%、43.00%和35.16%；同時，在未滅菌土壤上，菌根化幼苗的長勢優于非菌根化幼苗，即土壤未滅菌條件下，接種摩西球囊霉的黃瓜幼苗地上部和根系干重也顯著高于相應的不接種摩西球囊霉處理，分別增加10.87%和17.69%，但葉面積無顯著差異（＞0.05，下同）。因此，就摩西球囊霉與土壤處理對黃瓜幼苗生長的影響來看，土壤滅菌優于未滅菌處理，接種摩西球囊霉優于不接種摩西球囊霉。滅菌土上接種摩西球囊霉長勢可達最優，即土壤滅菌條件下接摩西球囊霉對黃瓜幼苗生長有顯著促進作用，此時，摩西球囊霉與黃瓜幼苗根系可建成良好的共生關系，侵染率高達42.30%。結合土壤滅菌條件下較高的菌根效應，可認為該AM真菌在土壤滅菌條件下具有較大的應用潛力。

2.3 摩西球囊霉與土壤滅菌處理對黃瓜養分吸收的影響

方差分析結果表明，摩西球囊霉、土壤處理及二者的互作對黃瓜幼苗根系活力、全氮、全磷及全鉀養分吸收影響極顯著，表明接種摩西球囊霉與土壤滅菌處理都能極顯著提高根系活力并改善幼苗氮磷鉀營養水平，且二者配合的效果也達極顯著。

2.3.1 對黃瓜氮吸收的影響 摩西球囊霉和土壤滅菌處理對黃瓜氮素吸收的影響見表3。無論接種摩西球囊霉與否，滅菌土上黃瓜幼苗的根系活力、全氮含量和單株氮吸收量均顯著高于未滅菌處理，其中，未接種摩西球囊霉條件下，滅菌土上黃瓜幼苗的根系活力、全氮含量及氮吸收量分別是未滅菌處理的2.43、1.04和1.26倍。土壤滅菌后黃瓜幼苗對氮營養吸收能力的提高，一方面得益于連作土壤環境的改善，另一方面可能與高溫條件下土壤氮水平變化有關。同時，無論土壤是否滅菌，摩西球囊霉對黃瓜幼苗根系活力及氮吸收都表現出顯著的促進作用，摩西球囊霉對氮吸收的促進作用可通過菌根貢獻率間接反映。滅菌土上的菌根貢獻率遠高于土壤未滅菌處理，土壤滅菌條件下，摩西球囊霉對氮吸收的貢獻率是未滅菌處理的3.21倍，且未滅菌土上菌根化幼苗的全氮含量也達到滅菌土上不接種摩西球囊霉處理的全氮含量水平。此外，土壤處理與摩西球囊霉對黃瓜根系活力和氮吸收的促進效應以二者協同作用最為突出，即土壤滅菌條件下，菌根化幼苗的根系活力、全氮含量和氮吸收量分別為非菌根化幼苗的1.19、1.18和1.74倍，顯著高于其他處理。土壤未滅菌條件下，接種摩西球囊霉的幼苗根系活力、全氮含量和單株氮吸收量分別為相應不接種摩西球囊霉處理的2.04、1.04和1.15倍。對比不同土壤處理條件下的菌根貢獻率可知，土壤滅菌處理條件下，接種摩西球囊霉更有利于黃瓜對土壤中氮營養的吸收。

2.3.2 對黃瓜磷吸收的影響 土壤的有效磷水平不僅是植株吸收利用磷營養的基礎，同時也是AM真菌侵染植株根系的限制因素之一，通常介質中含有較高的有效磷不利于互惠共生體的建成。由表4可知，無論接種摩西球囊霉與否，與土壤未滅菌處理相比，土壤經滅菌處理后，黃瓜幼苗的全磷含量和單株磷吸收量均顯著提高，這與土壤滅菌后速效磷含量增加有關。滅菌土上不接種摩西球囊霉的幼苗與菌根化苗的全磷含量分別為土壤未滅菌處理的1.48和1.85倍。與此同時，摩西球囊霉對黃瓜幼苗磷吸收的作用卻因土壤處理而異，其中，土壤滅菌條件下，摩西球囊霉可明顯提高黃瓜幼苗的全磷含量和單株磷吸收量，滅菌土上菌根化幼苗地上部全磷含量和單株磷吸收量分別為非菌根化幼苗的1.33和1.95倍。本研究中供試土樣在滅菌前速效磷含量高達91.82 mg/kg，菌根貢獻率達48.8%，結合摩西球囊霉在滅菌土上對黃瓜幼苗磷吸收的顯著促進作用可看出，摩西球囊霉是一種耐高磷AM真菌。盡管如此，在未滅菌土上，摩西球囊霉對黃瓜幼苗地上部磷吸收并未表現出明顯的促進作用，土壤未滅菌條件下，接種摩西球囊霉幼苗的地上部全磷含量和單株磷吸收量與其不接種摩西球囊霉處理間的差異均未達顯著水平，且菌根貢獻率僅15.5%。

2.3.3 對黃瓜鉀吸收的影響 由表5可看出，與氮磷相同，黃瓜幼苗不論是否接種摩西球囊霉，滅菌條件下幼苗的全鉀含量和單株鉀吸收量均顯著高于土壤未滅菌處理，滅菌土上不接種摩西球囊霉的黃瓜幼苗全鉀含量是未滅菌處理的1.21倍。摩西球囊霉對黃瓜幼苗鉀吸收也具有促進作用，但促進的程度隨土壤處理而變化，只有在土壤滅菌條件下，摩西球囊霉的促進作用才達顯著水平，即土壤滅菌條件下，菌根化處理的黃瓜幼苗地上部全鉀含量和單株鉀吸收量為所有處理中最高，其中，菌根化處理的黃瓜幼苗地上部全鉀含量和單株鉀吸收量分別為非菌根化幼苗的1.31和1.92倍。然而，土壤未滅菌條件下，接種摩西球囊霉的幼苗地上部全鉀含量與不接種摩西球囊霉處理間無顯著差異，菌根化幼苗地上部全鉀含量是非菌根化幼苗的1.11倍；同時，未滅菌土上菌根化幼苗的全鉀含量與滅菌土上不接種摩西球囊霉處理間也未達到顯著差異，這表明摩西球囊霉在未滅菌土上對黃瓜幼苗地上部鉀營養有一定的改善作用，其改善作用與土壤只進行滅菌處理的效果相當。

3 討論

3.1 土壤滅菌與連作障礙

連作是一種常見的農業栽培方式，尤其在設施條件下，隨著栽培年限的增加，便引發了一系列連作障礙問題，對土壤和作物產生了諸多不利影響。其中，土壤質量會嚴重退化，主要表現為土壤酸化、鹽漬化、養分失調、有機質含量下降、酶活性降低及重金屬元素累積等。同時，土壤微生物環境也會遭到破壞，主要表現為細菌群落多樣性降低、真菌多樣性增加（盧維宏等，2020；Lei et al.，2020）。對于作物而言，因連作障礙造成的土壤營養元素虧缺限制了其生長發育，表現為作物各項生長指標受到不同程度的影響。此外，長期連作還會使作物土傳病害及化感自毒作用加劇（蘇一諾等，2019）。因此，改善土壤生態環境并培育適齡壯苗對緩解連作障礙至關重要。

土壤滅菌是農業生產中緩解連作障礙的重要措施之一。本課題組前期采用甲醛熏蒸的方法對設施黃瓜連作土壤進行消毒處理，將發育完善的菌根共生體移栽于消毒土壤上，移苗初期，地表球囊霉（）對津綠3號表現出明顯的促生作用，直至生長后期，菌根效應逐漸消失（王倡憲等，2018）。結果表明，菌根效應的消失與后期土著菌的大量繁殖有關，這也間接反映出該滅菌方法存在滅菌不徹底的問題。該問題在以氯仿為熏蒸劑處理土壤的研究中得到證實（鄭嘉慧等，2017）。此外，甲醛在殺滅土壤病原的同時，殘留于土壤中的甲醛對AM真菌的消殺也是影響菌根效應的一個重要因素。相關研究表明，使用包括甲醛在內的諸多殺菌劑會在一定程度上抑制抑制AM真菌侵染寄主，進而降低菌根效應（Covacevich et al.，2014；濮春娟等，2021）；與之不同，高溫蒸汽熏蒸具有較好的土壤微生物滅活效果，無化學藥劑殘留，且在一定程度上可改變土壤肥力狀況。

3.2 高溫滅菌對土壤養分的影響

本研究中，不接種摩西球囊霉條件下，連作土壤經滅菌處理后，幼苗根系干重和地上部干重均顯著高于土壤未滅菌處理。眾所周知，幼苗根系作為土壤環境變化最直接的感知器官，土壤的養分狀況尤其是速效養分變化對其生長發育至關重要。諸多研究結果證實，土壤經滅菌處理后，有機質、有效磷和速效鉀含量均會顯著增加。其中，高溫滅菌對土壤理化性狀的影響與土壤有機質含量、粘粒含量及土壤種類等因素密切相關（張輝等，2011；倪國榮等，2018）。結合本研究結果，分析認為，土壤經滅菌處理后，肥力退化的土壤在一定程度上質量有所改善，有機質作為衡量土壤肥力水平的主要指標，其含量變化是土壤質量變化的直接體現。較高的有機質含量是植物保持良好長勢的前提，與此同時，有機氮作為土壤氮的主要形態，需經過微生物參與的礦化作用，才能轉化為植物可吸收利用的形態。高溫殺滅了土壤微生物，生物固持氮量增加，間接增加了土壤氮礦化基質；在高溫處理過程中，土壤水分發生變化，進而引起微生物活性變化，導致土壤氮水平改變，多方面綜合作用的結果使土壤氮有效性增加。另外，滅菌處理對土壤供鉀也會產生有益影響。礦物態鉀是土壤鉀的主要形態，是植株較難利用的鉀形態，而高溫處理使部分礦物態鉀分解，這在一定程度上提高了土壤的供鉀水平，為植株鉀營養的改善打下基礎。本研究中，土壤經121 ℃濕熱滅菌30 min后，有機質含量約增加15%，pH升高約0.40，該探索性研究中所用土樣雖然不是盆栽用土，相關機理尚待深入研究，但研究結果具有一定的普適性，推而廣之，土壤經濕熱滅菌后的這些微小的變化對于土壤因連作而造成的有機質含量降低及土壤酸化的緩解作用卻不容忽視。

3.3 高溫滅菌對土壤生物環境的影響

也有研究認為，土壤滅菌處理可基本消除因連作造成的不利影響，且土壤滅菌的主要作用是改善了前茬形成的土壤生物環境，而對土壤養分狀況的變化無顯著影響（Zurawicz et al.，2013）。土壤微生物作為生物環境的重要組成部分，其與土壤生態系統中養分的轉化密不可分。有研究發現，土壤經121 ℃濕熱滅菌3次、每次30 min，即可殺滅土壤中的所有微生物（曹鵬等，2016）。本研究中，在土壤滅菌條件下，接種摩西球囊霉的黃瓜長勢最好，表現為幼苗地上部干重、根系干重和葉面積均顯著高于其他處理。從共生體角度來看，這是共生體雙方協同作用的結果，也是二者互惠效應的直接體現。一方面，滅菌處理殺死了土壤中包括病原菌和土著菌在內的微生物，從而降低了AM真菌與土著菌間的競爭作用，有利于AM真菌更好地侵染幼苗根系，此時菌根侵染率高達42.3%，遠高于土壤未滅菌處理；另一方面，無病原菌生存的土壤環境更有利于幼苗根系生長，健壯的根系為AM真菌生長發育提供了充足的碳水化合物和脂類，這是AM真菌有益作用發揮的基礎。鑒于盆栽試驗的局限性，本研究中土壤經濕熱滅菌后其微生物群落組成有待進一步深入研究。

3.4 高溫滅菌對菌根效應的影響

根系活力是衡量植物根系對水分與養分吸收能力的重要指標，該指標對植物地上部的營養狀況有直接影響（岳松青等，2019）。土壤滅菌處理為幼苗根系創造了良好的生長環境，這有利于根系更高效地吸收氮磷鉀，這種吸收促進作用在接種摩西球囊霉后表現尤為明顯，即滅菌土壤上接種摩西球囊霉后，黃瓜幼苗根系活力達最大，且菌根對養分吸收的貢獻率都超過40%。本研究結果與紫花苜蓿、小麥和玉米等作物上得到的結論相一致（Biró et al.，2000；Miransari et al.，2009；張學林等，2021）。但在可可上的研究卻發現，AM真菌對植株氮與磷營養水平的改善在未滅菌土壤上更明顯（Aggangan et al.，2019）。氮磷鉀作為植物營養三要素，在植物體內都有各自重要的營養功能（陸景陵，2003）。本研究結果表明，土壤無論滅菌與否，接種摩西球囊霉處理的黃瓜幼苗地上部全氮含量均顯著高于不接種摩西球囊霉處理。已有研究證實，黃瓜幼苗各項生長指標的增加主要源于光合產物的積累，而光合產物的積累是葉綠素含量增加、光合速率加快、光合能力增強的結果（秦海濱等，2008；任志雨等，2008）。氮是葉綠素的重要組成元素，植物進行光合作用時光能的吸收依賴于葉綠素。因此，黃瓜幼苗地上部全氮含量的增加會間接促進其光合作用，加之較大的葉面積，最終使菌根化幼苗地上部生物量顯著累積。磷在植物體中參與碳水化合物的代謝與運輸，地上部較高的全磷含量有利于光合產物向根系運移，根系光合產物的顯著增加為共生體的建成及互惠效應的發揮打下了基礎。土壤未滅菌條件下，由于土著菌的存在，使得摩西球囊霉無法成為根際優勢種，這也在一定程度上影響了摩西球囊霉對磷與鉀吸收的促進作用。

4 結論

綜上所述，高溫滅菌不僅改善了土壤肥力，而且為黃瓜幼苗根系的發育提供了健康的生物環境；同時，滅菌土上接種摩西球囊霉有利于菌根際微生物區系的重建，這些均為連作土壤上黃瓜幼苗的健康生長與養分吸收打下基礎。因此，在設施黃瓜生產中，將高溫滅菌與接種AM真菌結合以緩解黃瓜苗期生長障礙具有極大的應用潛力。