劉圓圓, 趙乾旭, 鄧 曦, 王 豹, 張乃明, 宗慶富, 夏運(yùn)生

土著AMF與氮形態(tài)對(duì)辣椒||菜豆間作系統(tǒng)植株氮利用及其影響因素研究*

劉圓圓1,2, 趙乾旭1, 鄧 曦3, 王 豹1,2, 張乃明1,2, 宗慶富1, 夏運(yùn)生1,2**

(1. 云南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 昆明 650201; 2. 云南省土壤培肥與污染修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室 昆明 650201; 3. 廈門安防科技職業(yè)學(xué)院 廈門 361000)

近年來(lái)設(shè)施辣椒連作障礙日益突出, 其中氮肥的大量不合理施用和高殘留是限制辣椒高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)栽培的主要因素之一。研究土著叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)與間作體系強(qiáng)化蔬菜對(duì)不同形態(tài)氮(N)的利用并結(jié)合土壤菌絲密度、N形態(tài)及酶活性的反饋?zhàn)饔? 可為設(shè)施土壤N素的高效利用和降低土壤N殘留提供依據(jù)。本研究采用盆栽試驗(yàn), 設(shè)置辣椒||菜豆間作和各自單作種植模式, 不同AMF處理[不接種(NM)、接種土著AMF]和不同形態(tài)N處理[不施N(N0)、無(wú)機(jī)氮(碳酸氫銨120 mg·kg-1, ION)和有機(jī)氮(谷氨酰胺120 mg·kg-1, ON)], 探討了設(shè)施條件下接種土著AMF、施用不同形態(tài)N與間作對(duì)辣椒、菜豆根圍土壤菌根建成、酶活性及N利用的影響。結(jié)果表明, 與NM相比, 接種土著AMF使設(shè)施辣椒、菜豆植株生物量及N吸收量顯著增加(除菜豆單作-ON處理), 顯著降低土壤NH4+-N、NO3--N含量。無(wú)論施用何種形態(tài)N, 均顯著增加辣椒、菜豆植株生物量(除菜豆單作-AMF處理)及N吸收量, 表現(xiàn)為ON>ION。與單作-ON-AMF處理相比, 間作-ON-AMF處理下的辣椒N吸收量顯著增加39.9%、菜豆N吸收量顯著增加93.0%。對(duì)N利用影響因子的分析結(jié)果表明, 間作協(xié)同接種土著AMF較大程度上增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量及蛋白酶、脲酶、硝酸還原酶活性。相關(guān)性分析顯示, 辣椒、菜豆植株N吸收量與AMF侵染率呈極顯著正相關(guān)關(guān)系, 而土壤NH4+-N和NO3--N含量則與AMF侵染率呈現(xiàn)一定的負(fù)相關(guān)關(guān)系。此外, 土壤蛋白酶、脲酶和硝酸還原酶活性與辣椒、菜豆植株N吸收量呈正相關(guān)關(guān)系?？梢?jiàn), 所有復(fù)合處理中, 以間作體系接種土著AMF與施用適量有機(jī)氮的組合明顯促進(jìn)了設(shè)施辣椒、菜豆生長(zhǎng)和N素利用。

土著AMF; 氮形態(tài); 間作; 辣椒; 菜豆; 氮素利用

氮(N)素在作物產(chǎn)量和品質(zhì)形成中起著關(guān)鍵作用[1], 我國(guó)設(shè)施條件下作物化肥投入量遠(yuǎn)高于露地, 按照各作物單位面積化肥用量排序, 設(shè)施辣椒位居前列, 而氮肥表觀利用率平均僅10%左右[2]。土壤-植物系統(tǒng)中高含量硝態(tài)氮?dú)埩舨粌H造成施氮增產(chǎn)效應(yīng)不明顯、作物品質(zhì)下降, 導(dǎo)致農(nóng)戶習(xí)慣施肥條件下N素大量損失及氮肥利用率降低[3], 而且大量無(wú)法利用的N素以淋溶或徑流的形式流失, 污染地表和地下水[4]。因此, 提高土壤N素利用率成為當(dāng)前農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3]。

大量研究表明, 叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)是土壤中與植物關(guān)系最為密切的微生物之一, 能夠與地球上80%的植物根系形成共生關(guān)系[5], 并能幫助寄主植物獲取根圍土壤不同形態(tài)N素養(yǎng)分[6-8], 減少因淋溶或反硝化導(dǎo)致的N素?fù)p失[9]。同時(shí), 能改善土壤酶活性, 進(jìn)一步強(qiáng)化寄主植物對(duì)無(wú)機(jī)氮的吸收和有機(jī)氮的礦化等, 而促進(jìn)植物的生長(zhǎng)發(fā)育[10-11]。豆科(Leguminosae)||非豆科作物間作模式運(yùn)用不同作物吸收利用土壤不同養(yǎng)分的特點(diǎn), 充分發(fā)揮間作優(yōu)勢(shì), 結(jié)合豆科植物生物固氮的優(yōu)點(diǎn), 合理的作物搭配將強(qiáng)化豆科的生物固氮作用[12], 并對(duì)間作作物的N利用產(chǎn)生重要影響[13-14], 同時(shí)減少化學(xué)氮肥施用量。另外, 間作可以通過(guò)伴生作物根系分泌物釋放化感物質(zhì), 從而影響土壤酶活性[15-16], 促進(jìn)植物對(duì)速效養(yǎng)分的吸收利用。

目前, 菌根技術(shù)在間作土壤N吸收利用方面的研究受到廣泛關(guān)注。趙乾旭等[17]在紫色土上研究了接種與間作大豆(L. Merr.)對(duì)玉米(L.)生長(zhǎng)的影響, 發(fā)現(xiàn)菌根真菌能強(qiáng)化玉米的種間競(jìng)爭(zhēng)能力, 提高了N素獲取能力而促進(jìn)植物生長(zhǎng)。相關(guān)研究表明, AMF可以提高辣椒(L.)栽培土壤脲酶等N素轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性[18], 加速土壤中有機(jī)態(tài)氮的轉(zhuǎn)化, 為辣椒生長(zhǎng)發(fā)育提供充足的N素養(yǎng)分。Anitha等[19]證實(shí)辣椒與菜豆(L.)間作后, 辣椒N、P、K吸收量明顯增加。但關(guān)于土著AMF與N形態(tài)對(duì)辣椒||菜豆植株生長(zhǎng)、N利用及主要土壤影響因素方面的研究尚鮮見(jiàn)報(bào)道?；诖? 本文以設(shè)施條件下辣椒||菜豆間作種植模式為研究對(duì)象, 研究了不同形態(tài)N施用對(duì)間作作物接種土著AMF后植株生長(zhǎng)、N利用與菌根特征、土壤酶活性及速效氮等因素間的關(guān)系, 以期探討土著AMF和間作對(duì)土壤酶活性及不同形態(tài)N的影響, 反過(guò)來(lái)揭示其協(xié)同強(qiáng)化辣椒、菜豆對(duì)土壤N素轉(zhuǎn)化利用的貢獻(xiàn)與效應(yīng)。

1 供試材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤為紫色土, 采集于昆明市滇池流域?qū)毾蠛铀畮?kù)附近坡耕地。其土壤基本理化性質(zhì)為pH 7.75, 有機(jī)質(zhì)18.68 g?kg-1, 全氮0.88 g?kg-1, 堿解氮40.25 mg?kg-1, 有效磷23.27 mg?kg-1, 速效鉀92.17 mg?kg-1。經(jīng)自然風(fēng)干后磨碎, 過(guò)2 mm篩, 混勻后裝入滅菌袋中進(jìn)行高壓蒸汽滅菌(121 ℃間歇滅菌2 h), 置于牛皮紙上晾置2~3 d, 然后裝入密封塑料袋中備用, 避免微生物污染。

供試植物辣椒為‘綠先鋒215’、菜豆為‘太空地豆王’, 均購(gòu)買于云南省昆明市小板橋種子交易市場(chǎng)。挑選籽粒均勻飽滿的種子, 用10% H2O2進(jìn)行表面消毒10 min, 再用蒸餾水沖洗多次, 然后置于放有濕潤(rùn)定量濾紙的培養(yǎng)皿中, 于25 ℃恒溫培養(yǎng)箱中催芽2 d后播種。

供試土著AMF采集于云南省昆明市官渡區(qū)小哨鄉(xiāng)坡耕地(102°96′E, 25°16′N, 坡度為8°)玉米||大豆間作試驗(yàn)田間根圍土壤, 本試驗(yàn)所用菌根菌劑是以高粱[(L.) Moench]和苜蓿(L.)為寄主植物, 以紫色土、粗砂和細(xì)沙按3∶1∶1比例混合均勻經(jīng)過(guò)121 ℃濕熱間歇滅菌2 h后的混合基質(zhì), 接種間作根圍土壤培育5個(gè)月收獲后獲得包含菌根真菌孢子和植物根段的擴(kuò)繁菌劑, 其中每100 g菌劑約含有1.0×103個(gè)真菌孢子。

供試N化合物均為分析純, 無(wú)機(jī)氮選用碳酸氫銨, 有機(jī)氮選用谷氨酰胺。種植容器為5 L白色塑料花盆, 洗凈晾干, 在塑料袋及花盆上統(tǒng)一編號(hào)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)于2017年5—8月在云南農(nóng)業(yè)大學(xué)科研大棚內(nèi)進(jìn)行, 大棚內(nèi)晝夜溫度分別為(23±3) ℃和(17±2) ℃, 采用自然光照, 用稱重法確保土壤含水量。本試驗(yàn)設(shè)置種植模式、接種方式和施氮處理3因素, 共涉及辣椒單作、辣椒||菜豆間作和菜豆單作3種種植方式和2種菌根處理[不接種AMF(NM)、接種AMF], 同時(shí)設(shè)不添加N、添加無(wú)機(jī)氮和添加有機(jī)氮共3個(gè)處理, N添加量為120 mg?kg-1, 分別用N0、ION和ON表示。共計(jì)18個(gè)處理, 每個(gè)處理重復(fù)4次, 共72盆。

試驗(yàn)所用花盆先用塑料袋襯于花盆內(nèi)壁, 之后裝土, 共裝土4 kg。每個(gè)花盆盛裝底層土2.6 kg, 中間土層裝入0.9 kg滅菌土, 其中土著AMF處理每盆添加100 g菌劑, NM處理下每盆添加等量的滅菌菌劑及經(jīng)過(guò)接種劑浸泡后的濾液10 mL, 再覆蓋土400 g, 表層再均勻撒25 g細(xì)沙。

挑選出芽1 cm左右顆粒飽滿的辣椒和菜豆種子, 單作辣椒和單作菜豆每盆分別播種6粒和8粒, 出苗1周后, 分別間苗至4株辣椒和6株菜豆; 間作處理每盆播種辣椒4粒、菜豆6粒, 辣椒和菜豆種植面積比例為1∶1, 出苗1周后, 分別間苗至2株和3株。為保證植物生長(zhǎng)期間免受養(yǎng)分缺失的脅迫, 試驗(yàn)前以溶液形式向混合土壤加入基礎(chǔ)肥料, 基礎(chǔ)肥料種類分別為NH4NO3、KH2PO4、K2SO4、CaCl2·2H2O、MgSO4·7H2O、MnSO4·H2O、CuSO4·5H2O、ZnSO4·7H2O、(NH4)6Mo7O24·4H2O, 按N 60 mg?kg-1、P 30 mg?kg-1、 K 67 mg?kg-1、Ca 20 mg?kg-1、Mg 4.5 mg?kg-1、Mn 0.92 mg?kg-1、Cu 0.54 mg?kg-1、Zn 1.24 mg?kg-1、Mo 0.06 mg?kg-1施用。待植株生長(zhǎng)20 d后, 進(jìn)行施氮處理。植物生長(zhǎng)期間每?jī)商觳捎梅Q重法澆水, 使土壤含水量保持在田間持水量的80%左右。

1.3 盆栽收獲與測(cè)定分析

植物生長(zhǎng)10周后收獲, 將植株地上部與地下部分開(kāi)收獲, 依次分別用自來(lái)水和蒸餾水沖洗干凈, 晾干, 根樣剪成1 cm根段。取部分根樣采用曲利苯藍(lán)-方格交叉法[20]測(cè)定植株根長(zhǎng)和菌根侵染率, 剩余根樣及植株地上部經(jīng)烘干(72 ℃, 72 h)、稱重、粉碎后放置待用。

植株含N量參考《土壤農(nóng)化分析》[21]測(cè)定, 植株N吸收量根據(jù)單位植株干重所對(duì)應(yīng)的植株N含量計(jì)算。

植株收獲后收集盆栽土壤過(guò)2 mm篩后混勻, 取部分新鮮土樣置于4 ℃冰箱待測(cè)土壤NH4+-N、NO3--N及蛋白酶活性, 部分土樣經(jīng)風(fēng)干后分析有機(jī)質(zhì)、菌絲密度及土壤脲酶、硝酸還原酶活性。其中, 土壤NH4+-N、NO3--N含量分別用KCl浸提法、酚二磺酸比色法測(cè)定[21], 有機(jī)質(zhì)采用K2Cr2O7-H2SO4氧化法測(cè)定[21], 土壤脲酶活性采用靛酚藍(lán)比色法測(cè)定[22], 土壤蛋白酶活性采用Folin-Ciocalteu比色法測(cè)定[23], 硝酸還原酶活性采用酚二磺酸比色法測(cè)定[22]。土壤菌絲密度根據(jù)Jakobsen等[24]提供的方法測(cè)定。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel 2010和SPSS 19.0統(tǒng)計(jì)軟件對(duì)接種方式、施氮處理與種植模式間進(jìn)行方差分析與LSD多重比較, 檢驗(yàn)接種方式、施氮處理與種植模式的差異顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 土著AMF與N形態(tài)對(duì)辣椒||菜豆植株生長(zhǎng)及N利用的影響

經(jīng)多因素方差分析, 接種方式、施氮處理、種植模式的交互作用對(duì)辣椒和菜豆根系菌根侵染率、菜豆生物量及N吸收量均具有極顯著影響。

由圖1可知, 接種土著AMF的辣椒和菜豆根系菌根侵染率為21.0%~41.1%, 均以間作辣椒和間作菜豆種植模式下, ON處理的辣椒和菜豆菌根侵染率最高, 分別為41.1%和36.2%。單作種植模式下, 施氮顯著降低了辣椒和菜豆根系菌根侵染率。間作種植方式下, 與N0相比, 施氮顯著增加了辣椒和菜豆根系菌根侵染率, 均表現(xiàn)為: ON>ION>N0。

圖1 N形態(tài)對(duì)接種土著AMF的辣椒||菜豆間作系統(tǒng)植株根系菌根侵染率的影響

N0、ION和ON分別指不添加N、添加無(wú)機(jī)氮120 mg·kg-1和添加有機(jī)氮120 mg·kg-1處理。不同小寫(xiě)字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。N0, ION and ON are treatments of no N, addition of inorganic N 120 mg·kg-1and addition of organic N 120 mg·kg-1, respectively. Different lowercase letters indicate significant differences at< 0.05 level among different N treatments.

由圖2可知, 無(wú)論單作或是間作, 除單作菜豆外, 土著AMF處理促進(jìn)了植株生物量的增加。間作模式下, N0、ION、ON條件下土著AMF處理的辣椒生物量較NM處理分別顯著增加46.7%、66.2%、16.7%; 而AMF處理的菜豆生物量較NM處理明顯增加131.3%、77.2%、81.2%。在單作-NM條件下, 對(duì)于植株生物量, ON處理均高于N0和ION處理; 在間作-AMF條件下, 植株生物量呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。

由圖3可以看出, 無(wú)論何種種植模式、施氮處理, 除單作菜豆-ON, 接種土著AMF顯著增加植株N吸收量。與N0相比, 施氮有增加植株N吸收量的趨勢(shì), 且單作-ION-NM處理與單作-ION-AMF處理下, 辣椒N吸收量分別比單作-N0-NM增加84.4%、323.3%, 對(duì)菜豆N吸收量而言, 分別增加71.1%、92.0%; 無(wú)論何種接種方式, 相同施氮條件下, 間作辣椒、菜豆(除NM處理)N吸收量顯著高于單作, 增幅分別不低于89.1%、29.8%。

2.2 土著AMF與N形態(tài)對(duì)辣椒||菜豆種植土壤N殘留的影響

經(jīng)多因素方差分析, 接種方式、施氮處理、種植模式3者交互作用對(duì)土壤NH4+-N、NO3--N含量的影響均達(dá)極顯著水平(<0.001)。

由圖4可知, 無(wú)論何種種植方式下, 相同施氮處理接種土著AMF的土壤NH4+-N、NO3--N含量均低于NM處理, 降低幅度可分別高達(dá)66.9%、40.7%。相同菌根處理下, 無(wú)論單作或是間作, ION和ON處理的土壤NH4+-N和NO3--N含量均顯著高于N0處理。無(wú)論接種土著AMF與否, N0、ION和ON條件下間作土壤NH4+-N和NO3--N含量均低于單作辣椒和單作菜豆。

圖2 土著AMF與N形態(tài)對(duì)辣椒||菜豆間作系統(tǒng)植株生物量的影響

N0、ION和ON分別指不添加N、添加無(wú)機(jī)氮120 mg·kg-1和添加有機(jī)氮120 mg·kg-1處理。NM、AMF指不接種土著AMF、接種土著AMF。不同小寫(xiě)字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。N0, ION and ON are treatments of no N, addition of inorganic N 120 mg·kg-1and addition of organic N 120 mg·kg-1, respectively. NM and AMF are treatments of no inoculation and inoculation with indigenous AMF. Different lowercase letters indicate significant differences at< 0.05 level among different treatments.

圖3 土著AMF與N形態(tài)對(duì)辣椒||菜豆間作系統(tǒng)植株N吸收量的影響

N0、ION和ON分別指不添加N、添加無(wú)機(jī)氮120 mg·kg-1和添加有機(jī)氮120 mg·kg-1處理。NM、AMF指不接種土著AMF、接種土著AMF。不同小寫(xiě)字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。N0, ION and ON are treatments of no N, addition of inorganic N 120 mg·kg-1and addition of organic N 120 mg·kg-1, respectively. NM and AMF are treatments of no inoculation and inoculation with indigenous AMF. Different lowercase letters indicate significant differences at< 0.05 level among different treatments.

2.3 土著AMF與N形態(tài)對(duì)辣椒||菜豆種植土壤酶活性的影響

經(jīng)多因素方差分析, 接種方式、施氮處理、種植模式的交互作用對(duì)蛋白酶、脲酶和硝酸還原酶活性均具有極顯著的影響。

由表1可以看出, 無(wú)論何種種植模式, 相同施氮處理下接種土著AMF根圍土壤蛋白酶活性均顯著高于NM處理。此外, 相同菌根處理下, 與N0相比, ION和ON處理均可顯著提高根圍土壤蛋白酶活性。間作-N0-NM和間作-N0-AMF分別比辣椒單作- N0-NM顯著增加128.0%和236.0%, 菜豆根圍土壤呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。

處理間比較來(lái)看, 土壤脲酶活性以間作-ION-土著AMF處理下最高。無(wú)論何種種植模式及施氮處理, 接種土著AMF根圍土壤脲酶活性均高于NM處理。此外, 相同菌根處理下, 與N0相比, ION和ON處理均顯著提高了根圍土壤脲酶活性, 其中均以ION處理下增加幅度最大。相同施氮形態(tài)下, 無(wú)論接種土著AMF與否, 間作根圍土壤脲酶活性均顯著高于辣椒單作和菜豆單作。

圖4 土著AMF與N形態(tài)對(duì)辣椒||菜豆間作系統(tǒng)土壤N殘留的影響

N0、ION和ON分別指不添加N、添加無(wú)機(jī)氮120 mg·kg-1和添加有機(jī)氮120 mg·kg-1處理。NM、AMF指不接種土著AMF、接種土著AMF。不同小寫(xiě)字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。N0, ION and ON are treatments of no N, addition of inorganic N 120 mg·kg-1and addition of organic N 120 mg·kg-1, respectively. NM and AMF are treatments of no inoculation and inoculation with indigenous AMF. Different lowercase letters indicate significant differences at< 0.05 level among different treatments.

表1 土著AMF與N形態(tài)對(duì)辣椒||菜豆間作系統(tǒng)土壤酶活性的影響

N0、ION和ON分別指不添加N、添加無(wú)機(jī)氮120 mg·kg-1和添加有機(jī)氮120 mg·kg-1處理。NM、AMF指不接種土著AMF、接種土著AMF。同列不同小寫(xiě)字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。N0, ION and ON are treatments of no N, addition of inorganic N 120 mg·kg-1and addition of organic N 120 mg·kg-1, respectively. NM and AMF are treatments of no inoculation and inoculation with indigenous AMF. Different lowercase letters in a column indicate significant differences at< 0.05 level among different treatments.

對(duì)硝酸還原酶而言, 與NM相比, 接種土著AMF均可顯著提高其在土壤中的活性。無(wú)論是否接種土著AMF, 施氮處理的根圍土壤硝酸還原酶活性均顯著高于N0處理, 且以ION處理下提高幅度最大。此外, 無(wú)論何種施N形態(tài)及接種土著AMF與否, 間作根圍土壤硝酸還原酶活性均高于辣椒單作和菜豆單作。

2.4 土著AMF與N形態(tài)對(duì)辣椒||菜豆種植土壤菌絲密度和有機(jī)質(zhì)含量的影響

經(jīng)多因素方差分析, 接種方式、施氮處理、種植模式3者交互作用對(duì)土壤菌絲密度、有機(jī)質(zhì)含量的影響均達(dá)極顯著水平(<0.001)。

由表2可知, 接種土著AMF, 土壤中均有一定量的菌絲存在, 菌絲密度為0.76~4.21 m?g-1。間作-ON條件下, 接種土著AMF的土壤菌絲密度最高, 是辣椒單作-ON和菜豆單作-ON的5.5倍和1.7倍。辣椒和菜豆單作條件下, 施氮均顯著降低了根圍土壤的菌絲密度; 間作條件下, 結(jié)果與之相反, 施氮使其顯著增加。

單作種植N0條件下, 土著AMF處理的辣椒和菜豆土壤有機(jī)質(zhì)含量較NM處理分別顯著增加33.9%和25.8%; 而施氮條件下, 與NM相比, 土著AMF處理顯著降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量。辣椒單作-NM和菜豆單作-NM條件下, 施氮均顯著提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量; 而辣椒單作-土著AMF和菜豆單作-土著AMF條件下, 施氮均顯著降低了土壤有機(jī)質(zhì)含量。間作種植方式下, 接種土著AMF和施氮均不同程度上提高了土壤有機(jī)質(zhì)含量, 以間作-ON-土著AMF處理下土壤有機(jī)質(zhì)含量最高。

表2 土著AMF與N形態(tài)對(duì)辣椒||菜豆間作系統(tǒng)土壤菌絲密度和有機(jī)質(zhì)的影響

N0、ION和ON分別指不添加N、添加無(wú)機(jī)氮120 mg·kg-1和添加有機(jī)氮120 mg·kg-1處理。NM、AMF指不接種土著AMF、接種土著AMF。同列不同小寫(xiě)字母表示不同處理間在<0.05水平差異顯著。N0, ION and ON are treatments of no N, addition of inorganic N 120 mg·kg-1and addition of organic N 120 mg·kg-1, respectively. NM and AMF are treatments of no inoculation and inoculation with indigenous AMF. Different lowercase letters in a column indicate significant differences at< 0.05 level among different treatments.

2.5 影響辣椒||菜豆植株N吸收利用主要因素間的相關(guān)性分析

由表3可知, 辣椒、菜豆根系菌根侵染率均與菌絲密度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)。辣椒植株N吸收量與土壤菌絲密度和有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01), 與土壤脲酶和硝酸還原酶活性呈顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.05), 與土壤蛋白酶活性呈一定的正相關(guān)關(guān)系。菜豆植株N吸收量與土壤菌絲密度和有機(jī)質(zhì)呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01), 與土壤蛋白酶、脲酶及硝酸還原酶活性正相關(guān), 但未達(dá)到顯著水平。土壤NH4+-N和NO3--N含量與菌絲密度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。而土壤蛋白酶、脲酶和硝酸還原酶活性分別與菌絲密度和土壤有機(jī)質(zhì)含量均呈一定的正相關(guān)關(guān)系, 其中土壤脲酶與有機(jī)質(zhì)、土壤硝酸還原酶與菌絲密度、有機(jī)質(zhì)的相關(guān)關(guān)系達(dá)到顯著水平(<0.05)。

表3 辣椒和菜豆植株N吸收量、菌根侵染率及土壤各指標(biāo)的相關(guān)性

**和*表示相關(guān)性分別在0.01和0.05水平上顯著。** and * indicate significant correlations at 0.01 and 0.05 levels, respectively.

3 討論

3.1 土著AMF與N形態(tài)對(duì)辣椒||菜豆根系菌根侵染率的影響

有關(guān)研究[17-18]表明, 大多數(shù)豆科、非豆科植物, 如玉米、大豆、辣椒和菜豆均能被AMF侵染。此外, 一定的施氮水平可以促進(jìn)AMF對(duì)寄主植物根系的侵染, 使得AMF在促進(jìn)植物對(duì)N素利用方面發(fā)揮最大的有益效應(yīng)[25]。本研究中, 無(wú)論單作或是間作, 接種土著AMF均能與辣椒、菜豆根系形成良好的共生體, 其中單作條件下, 施氮均顯著降低了辣椒與菜豆的菌根侵染率, 而在間作條件下施氮均顯著提高了AMF對(duì)兩種植物的侵染能力, 這可能與種植模式有關(guān)。單作條件下, 施氮為植物帶來(lái)了充足的N源, 從而抑制了土著AMF對(duì)寄主植物根系的侵染; 而間作條件下, 辣椒與菜豆根系互作使得辣椒從土壤中獲得更多的N, 降低土壤N含量, 緩解菜豆生物固氮“氮遏制”作用, 促進(jìn)豆科作物菜豆根瘤的發(fā)育, 固定空氣中更多的N素[14], 維持菌絲生長(zhǎng), 反過(guò)來(lái)增加AMF侵染辣椒、菜豆植株根系的概率。

3.2 土著AMF與N形態(tài)對(duì)辣椒||菜豆種植土壤N殘留的影響

土壤NH4+-N和NO3--N是植物可直接吸收利用的兩種主要無(wú)機(jī)氮形態(tài), 是植物的重要N源。研究表明, AMF根外菌絲在一定程度上擴(kuò)大了根的吸收面積, 充分吸收遠(yuǎn)距離土壤養(yǎng)分[6-7]。另外, 菌絲在不同植物種間形成菌絲橋, 將植物根系連接起來(lái), 形成巨大的菌絲網(wǎng)絡(luò), 促進(jìn)植物的N轉(zhuǎn)移[8-9], 并加快土壤中難以利用有機(jī)氮的礦化從而增加植物可利用的N素[10], 表明植物可以依賴AMF從更大范圍吸收更多的N, 減少土壤N殘留。Asghari等[26]在AMF侵染的植物栽培土壤濾出液中, 測(cè)得NH4+-N和NO3--N濃度較低。本研究中, 接種土著AMF后, 辣椒、菜豆植株生物量和N吸收量顯著增加, 土壤NO3--N含量均不同程度減少, NH4+-N呈現(xiàn)相同趨勢(shì)。相關(guān)性分析也顯示, 間作條件下, 辣椒、菜豆根系菌根侵染率越高, 菌絲密度越大, 相對(duì)應(yīng)的根圍土壤NH4+-N和NO3--N含量也越低, 并且植株N吸收量與侵染率、菌絲密度呈極顯著正相關(guān)關(guān)系(<0.01)。不難看出, 接種土著AMF和間作的組合在提高辣椒、菜豆對(duì)N吸收利用的基礎(chǔ)上, 不同程度減少了根圍土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩? 在提高土壤養(yǎng)分資源吸收利用的同時(shí)可望減少氮肥施用, 或間接減少養(yǎng)分的流失。

3.3 土著AMF與施氮條件下辣椒||菜豆對(duì)土壤N利用的協(xié)同機(jī)制

研究證明, AMF不能進(jìn)行光合作用, 需要依靠寄主植物提供生長(zhǎng)發(fā)育所需要的碳, 才得以形成大量菌絲, 龐大的菌絲網(wǎng)不斷向土壤分泌各種有機(jī)物、無(wú)機(jī)物和生長(zhǎng)激素等物質(zhì), 增強(qiáng)土壤酶活性[8], 同時(shí), AMF與微生物相互作用, 直接或間接影響根圍土壤酶活性[18]。鄭舜怡等[18]的研究發(fā)現(xiàn), 接種AMF提高了辣椒根圍土壤脲酶活性, 能加速有機(jī)氮的分解與轉(zhuǎn)化, 為辣椒生長(zhǎng)發(fā)育提供充足養(yǎng)分。本研究中, 接種土著AMF增加了土壤中蛋白酶、脲酶和硝酸還原酶活性, 而這3種酶可以影響土壤N素的礦化、硝化、氨化及尿素水解過(guò)程, 并且接種土著AMF還顯著增加辣椒、菜豆植株N吸收量。同時(shí)相關(guān)性分析顯示, 辣椒、菜豆植株N吸收量與蛋白酶、脲酶和硝酸還原酶有正相關(guān)關(guān)系, 可見(jiàn)AMF作用下的土壤酶在植株N利用過(guò)程中發(fā)揮著重要作用。另外, Anitha等[19]證實(shí)與菜豆間作的辣椒植株N吸收量明顯增加, 且施加氮肥的間作模式提高了土壤蛋白酶、脲酶活性[27]。本研究結(jié)果顯示, 間作- ION-AMF條件下根圍土壤蛋白酶、脲酶及硝酸還原酶顯著高于其他處理, 這可能是由于適宜的施氮量緩解了間作種植模式下辣椒與菜豆的種間競(jìng)爭(zhēng), AMF得以與寄主植物形成良好的共生關(guān)系, 進(jìn)而提高N素轉(zhuǎn)換相關(guān)酶活性。相關(guān)性分析也表明, 土壤中有機(jī)質(zhì)含量與根系菌根侵染率及菌絲密度之間皆呈正相關(guān)關(guān)系, 且達(dá)顯著水平(<0.05), 進(jìn)一步說(shuō)明接種土著AMF增加了土壤有機(jī)質(zhì)含量, 為微生物提供了充足的碳源。土壤蛋白酶活性、脲酶和硝酸還原酶活性分別與根系菌根侵染率和土壤菌絲密度呈一定的正相關(guān)關(guān)系, 說(shuō)明可通過(guò)接種土著AMF提高土壤硝酸還原酶、蛋白酶和脲酶活性, 促進(jìn)土壤N循環(huán)和礦化速率, 提高根圍土壤有效氮含量, 從而提高植物對(duì)土壤N素的利用率。

4 結(jié)論

盆栽試驗(yàn)研究表明, 采用間作種植模式, 接種土著AMF均可明顯降低土壤無(wú)機(jī)氮?dú)埩? 適量外源N的施用可提高N素轉(zhuǎn)化相關(guān)酶活性。間作-有機(jī)氮- AMF復(fù)合處理可大幅促進(jìn)辣椒、菜豆對(duì)土壤N的吸收利用, 促生效果明顯。相關(guān)性分析表明, 可通過(guò)間作協(xié)同適量施氮提高蔬菜根系菌根侵染率, 增加土壤酶活性, 改善土壤微域環(huán)境, 進(jìn)而提高蔬菜的N素利用率?？傊? 接種土著AMF、施適量有機(jī)氮和間作均可在一定程度上促進(jìn)蔬菜對(duì)N的吸收利用。

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Effects of indigenous arbuscular mycorrhizal fungi and nitrogen forms on plant nitrogen utilization and the influencing factors in a pepper-common bean intercropping system*

LIU Yuanyuan1,2, ZHAO Qianxu1, Deng Xi3, WANG Bao1,2, ZHANG Naiming1,2, ZONG Qingfu1,XIA Yunsheng1,2**

(1. College of Resources and Environment, Yunnan Agricultural University, Kunming 650201, China; 2. Yunnan Engineering Laboratory of Soil Fertilityand Pollution Remediation, Kunming 650201, China; 3. Xiamen Security Science and Technology College, Xiamen 361000, China)

Indigenous arbuscular mycorrhizal fungi (AMF); Nitrogen from; Intercropping; Pepper; Common bean; Nitrogen utilization

S344.2; S641.3; S643.1

10.13930/j.cnki.cjea.190575

* 國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41561057)、云南省重大科技專項(xiàng)·綠色食品國(guó)際合作研究中心專項(xiàng)課題(2019ZG00907-01)和云南省土壤資源利用與保護(hù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目(2015HC018)資助

夏運(yùn)生, 主要研究方向?yàn)榫砑拔廴究刂蒲芯俊-mail: yshengxia@163.com

劉圓圓, 主要研究方向?yàn)樵O(shè)施土壤改良。E-mail: Liuyuandz@163.com

2019-08-02

2019-10-17

* This study was supported by the National Natural Science Foundation of China (41561057), the Special Project of International Cooperation and Research Center for Green Food in Yunnan Province (2019ZG00907-01) and the Innovation Team Project of Utilization and Protection of Soil Resources in Yunnan Province (2015HC018).

, E-mail: yshengxia@163.com

Oct. 17, 2019

Aug. 2, 2019;

劉圓圓, 趙乾旭, 鄧曦, 王豹, 張乃明, 宗慶富, 夏運(yùn)生. 土著AMF與氮形態(tài)對(duì)辣椒||菜豆間作系統(tǒng)植株氮利用及其影響因素研究[J]. 中國(guó)生態(tài)農(nóng)業(yè)學(xué)報(bào)(中英文), 2020, 28(2): 245-254

LIU Y Y, ZHAO Q X, DENG X, WANG B, ZHANG N M, ZONG Q F, XIA Y S. Effects of indigenous arbuscular mycorrhizal fungi and nitrogen forms on plant nitrogen utilization and the influencing factors in a pepper-common bean intercropping system[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(2): 245-254