菌根共生條件下施加生物炭對玉米根系及生長的影響

楊怡森， 袁小會， 廖國婷， 馬俊卿， 孫晨瑜， 覃圣峰， 周勛波， 黃京華

(廣西大學農學院/廣西高校作物栽培學與耕作學重點實驗室，廣西南寧 530000)

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)分布最廣泛，且能與植物根系形成共生關系。研究表明，接種叢枝菌根真菌能夠顯著提高玉米根系活力和吸收能力，對植物的生長發育產生積極的影響，在改善植物水分代謝和提高植物抗逆性中發揮重要作用。李少朋等研究證明，接種AM真菌可以顯著降低玉米中脯氨酸、可溶性糖的含量從而降低鹽堿化對玉米的傷害，提高玉米的抗逆性。目前，我國的化肥使用量已經達到了極限，將菌根作為一種生物菌肥用于農業生產是一種新的發展方向，通過AMF與有機肥的配施來調控硝化和反硝化基因的表達，可以提高植物對氮素的轉化和利用，提高肥料利用率，達到增產的目的。

生物炭是木材和農業廢棄物在350～600 ℃的無氧或厭氧條件下熱解的產物，它具有比表面積大、吸附能力強等特點，被用來改善土壤的通氣條件，提高保水能力和營養保持能力，同時，生物炭也可以提高植物合成生化組分(如蛋白質、總糖)的含量，從而促進植物生長。鄧松華等將生物炭作為種植玉米的基肥，發現施用生物炭作為基肥的處理相較于不施生物炭的處理來說，玉米的產量有所提高，同時也改善了土壤的pH值，而施用不同的生物炭含量對玉米的產量也有一定的影響。

目前，國內外對生物炭在農業生產中的應用和植物-菌根共生的研究已有不少，但在玉米-AM真菌共生條件下施入生物炭探討其對玉米與AMF共生的影響的研究還較少。因此，本試驗設置不同的生物炭施用量，研究生物炭的施用對玉米-菌根共生體系的影響，為生物炭和菌根共生在農業生產中的應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

1.1.1 試驗材料 玉米正大619購于當地農資公司。所用叢枝菌根真菌為摩西管柄囊霉(，編號：NM02A)，由青島農業大學提供，筆者所在課題組擴繁。河沙購于當地建材市場。

1.1.2 試驗儀器 UV-2450紫外-可見分光光度計(島津制作所，日本)，MRS-9600TFU2L(上海中晶科技有限公司，中國)，LEICA DM3000顯微鏡(徠卡顯微系統，德國)。

1.2 試驗方法

1.2.1 盆栽試驗設計 試驗于2019年7月22至11月4日在廣西大學農學院科研教學基地網室進行。采用盆栽法種植玉米，花盆(尺寸：20 cm×15 cm×16 cm)使用前先進行滅菌處理。試驗設置0%、0.75%、1.50%、2.25%、3.00%共5個不同的生物炭施用量(生物炭施加量根據基質質量計算)，分別記為CK、C1、C2、C3、C4，每個處理設置12個重復，共計60盆。每盆加入2.5 kg滅菌的河沙與 400 g 菌沙(每盆約5 600個孢子)，在網室隨機擺放，每周澆1次霍格蘭營養液(100 mL)，在玉米出苗后30、50、70 d進行取樣測定。

1.2.2 試驗方法 使用根系掃描儀對根系進行掃描，并用Win RHIZO分析根系的根長、根表面積、根尖數、根體積；根系侵染率測定采用墨水醋酸染色法；孢子數量測定采用濕篩傾析-蔗糖離心法；根系活力測定采用TTC法；細胞膜透性測定采用電導儀法。

接種勢測定公式：=××+，式中：為單位長度根段內含有的孢子數、泡囊和根上菌絲位點的總和；為根質量；為單位質量根系長度；為單位質量或體積接種菌劑內孢子數量。菌劑的越大，菌劑的質量就越好。

1.3 數據處理

用Excel 2016和SPSS 23.0對數據進行統計學分析，采用單因素方差分析(one-way ANOVA)進行差異顯著性分析(=0.05)，并用Origin 2021作圖，圖表中數據為“平均值±標準差”。

2 結果與分析

2.1 根系侵染率

由圖1可知，在30、50 d時，施加生物炭處理相比CK侵染率顯著下降。30 d時，C1、C2、C3、C4的侵染率相比CK處理分別降低30.62%、48.53%、69.86%、35.81%；50 d時，C1、C2、C3、C4相比CK處理分別降低68.13%、67.08%、74.94%、77.94%；70 d時，C1、C2相比CK處理分別降低55.66%、55.66%，C3相比CK無顯著差異，而C4相比CK增加31.57%。

2.2 施加生物炭對取樣后基質的接種勢和孢子數的影響

由表1可知，在30 d時，除C4處理外，玉米的接種勢隨著生物炭施加量的增加而降低，C2、C3、C4相比CK分別降低26.23%、59.46%、21.34%；在 50 d 時，C1、C2、C3處理的接種勢高于CK，而C4處理卻顯著下降66.81%(<0.05)；在70 d時，C1、C3處理相比CK明顯下降，而C2、C4處理分別增加22.10%、57.05%。

表1 施加生物炭對不同時期玉米接種勢和基質孢子數量的影響

與CK相比，施加生物炭處理基質中的孢子數在30 d時顯著降低，降低幅度為23.61%～77.16%(<0.05)；在50、70 d時表現為先增加后降低，C4處理在2個時期均為最低值，相比CK分別降低54.02%、23.66%。

2.3 施加生物炭對玉米葉綠素含量的影響

由圖2可知，在30、70 d時，施加生物炭處理玉米葉綠素含量相比CK顯著升高，增加幅度分別為44.81%～72.76%、83.98%～126.37%；在 50 d 時，只有C3和C4處理相比CK顯著增加，分別增加12.23%、14.65%(<0.05)。

2.4 施加生物炭對玉米根系形態的影響

由圖3-A可知，在30 d時，C4處理的根長顯著高于CK，高 44.00%，而C2、C3處理的根長相比CK明顯降低；50 d時，C2、C3處理的根長相比CK分別增加19.22%、12.39%，而C1和C4明顯降低；70 d時，施加生物炭處理的根長均低于CK，且C1、C3、C4達到顯著水平(<0.05)。

由圖3-B可知，除70 d時的C4處理僅下降1.67%外，其他處理在30、70 d時，施加生物炭顯著降低玉米根系表面積；在50 d時，除了C4處理有所下降外，C1、C2、C3處理的根系表面積均高于CK。

由圖3-C可知，30 d時C2、C3、C4處理的玉米根尖數顯著低于CK；50 d時C2、C3處理的根尖數相比對照分別顯著提高62.88%、93.09%；在70 d時，C1、C3處理的根尖數相比對照分別顯著降低27.06%、28.76%(<0.05)。

由圖3-D可知，在30、70 d時，施加生物炭處理玉米根系體積分別降低36.82%～74.17%、23.45%～50.09%；在50 d時，C2、C3處理的根系體積相比CK分別顯著增加98.94%、82.39%(<0.05)。

2.5 施加生物炭對玉米根系活力的影響

由圖4可知，在30 d時施加生物炭處理(C3處理除外)根系活力高于對照，其中C1、C2處理達到顯著水平(<0.05)；在50 d時，施加生物炭處理根系活力降低2.78%～30.56%；而在70 d時，施加生物炭處理根系活力提高6.67%～86.67%，且C1和C4處理達到顯著水平。

2.6 施加生物炭對玉米干質量的影響

由圖5-A可知，在30 d時施加生物炭處理的玉米地上部干質量增加22.62%～209.52%；50 d時，C1、C2、C3處理相比對照顯著增加72.04%～97.85%；70 d時，C1、C2、C3處理相比對照顯著降低22.76%～30.75%(<0.05)。

由圖5-B可知，30 d時，C1、C2處理使玉米地下部干質量顯著增加75.00%～78.13%，而C3、C4處理則使地下部干質量降低；50 d時，施加生物炭處理的地下部干質量增加6.67%～100.00%；70 d時，只有C4處理使地下部干質量增加8.00%，其他施加生物炭處理的地下部干質量均低于CK(<0.05)。

3 討論與結論

由于化肥的過量使用，土壤結構和肥力均受到破壞，此外，氮磷肥的長期混合使用也會影響土壤叢枝菌根真菌的多樣性，影響菌根與植物的共生。生物炭能吸附大氣中的碳并進行長期保存，提高土壤有機碳及氮磷含量，土壤養分的提高會使AMF對宿主植物的依賴性降低，從而降低植物的菌根侵染率，研究表明，土壤磷含量的升高會使植物根系皮層細胞的質膜透性降低，植物傳遞給AMF的養分減少，從而限制AM真菌的生長。因此，在本試驗中施加生物炭處理的接種勢和基質孢子數在30 d時相比CK降低，最終表現為玉米根系侵染率顯著下降。

菌根共生通過提高植物根系的長度、表面積等指標來促進植物對深層土壤養分的吸收利用。而生物炭借助自身獨特的多孔性結構，增大土壤的孔隙度，降低土壤容重，為土壤微生物提供繁殖場所，使植物根系能夠更好地吸收土壤養分，提高土壤保水保肥能力。因此，整體上來看在施加生物炭后，玉米根系不需要通過增大表面積和根長來促進養分吸收，故而玉米根長、表面積、根尖數和根系體積有所降低，這一結果與菌根侵染率的降低也有一定關系。

生物炭有利于提高植物葉綠素含量，進而增強植物的光合作用，本試驗也發現，施加生物炭顯著提高玉米葉片的葉綠素含量，有利于植物的光合作用。

生物炭改善了根系的生長環境，使植物根系活力顯著提高。試驗發現，在30、70 d時，施加生物炭可以提高玉米根系的活力(除30 d時的C3處理)，而在50 d時根系活力卻顯著降低(除C1處理)，50 d時玉米根系的長度、表面積等指標相比30、70 d較低，說明此時玉米根系生長較差，與 50 d 時根系活力低的表現一致。

綜上所述，施加生物炭抑制了菌根及玉米根系的生長，但是在生物炭獨特的多孔性結構和較大比表面積等特性的作用下，提高了玉米葉綠素的含量，促進玉米生長，使玉米干物質積累量增加。本試驗未進行生理抗性指標及玉米養分含量的分析，故下一階段將從這兩方面著手，進一步深入剖析生物炭對菌根生長產生抑制卻促進玉米生長的內在機理。