趙德強, 元晉川, 侯玉婷, 李 彤, 廖允成

玉米||大豆間作對AMF時空變化的影響*

趙德強, 元晉川, 侯玉婷, 李 彤, 廖允成**

(西北農林科技大學農學院 楊凌 712100)

為探究農田生態(tài)系統(tǒng)中不同種植模式下叢枝菌根真菌(AMF)生長發(fā)育及產生孢子和球囊霉素狀況, 本試驗設置兩種結構的間作模式(6M6S: 6行玉米與6行大豆間作; 3M3S: 3行玉米與3行大豆間作)以及單作玉米(CKM)和單作大豆(CKS)4個處理, 分析不同種植模式對AMF生長時空變化的影響。結果表明: 菌根侵染率、侵染密度和菌絲密度隨著AMF與作物共生期延長逐漸增加,叢枝豐度呈現(xiàn)先增加后減少的趨勢。兩年試驗中, 玉米乳熟期(大豆鼓粒期), 3M3S處理的菌根侵染率、侵染密度和叢枝豐度, 土壤孢子密度、易提取球囊霉素含量和總球囊霉素含量均顯著高于單作。在作物生育期內, AMF的孢子密度從269.40個·(100g)-1增加至1 484.20個·(100g)-1, 易提取球囊霉素含量從430.88 μg·g-1增加至600.78 μg·g-1, 總球囊霉素含量從942.59 μg·g-1增加至1 304.03 μg·g-1。玉米乳熟期, 間作邊行玉米的菌絲密度、孢子密度、易提取球囊霉素和總球囊霉素含量最高; 大豆鼓粒期, 間作邊行大豆的菌絲密度和易提取球囊霉素含量最高, 孢子密度最低。相關性分析表明, 總球囊霉素和易提取球囊霉素與菌絲密度呈極顯著正相關, 相關系數(shù)分別達0.71和0.73; 孢子密度和菌絲密度與侵染率呈極顯著正相關, 相關系數(shù)分別達0.72和0.75。因此, 農田生境中AMF能與根系建立良好的共生關系, 并隨著季節(jié)變化和作物生長呈現(xiàn)周期性變化。間作促進了AMF的侵染, 增加了球囊霉素和孢子的產量, 間作處理中AMF與各行作物共生表現(xiàn)出邊際效應。3M3S處理是最有利于AMF生長的種植模式。

玉米||大豆間作; 叢枝菌根真菌; 侵染率; 球囊霉素; 孢子

菌根真菌(AMF)屬于專性寄生真菌, 能夠與大部分陸生植物建立共生關系。與植物根系相比, AMF纖細的菌絲和更強的分泌有機酸的能力能夠深入土壤團聚體中吸收礦質養(yǎng)分, 改善寄主養(yǎng)分狀況[1-2]。AMF菌絲構建的菌絲網絡在調節(jié)植物間相互作用和信息交流等方面具有重要作用, 如促進優(yōu)勢群體和緩解劣勢群體[3]。AMF菌絲和孢子壁上有球囊霉素蛋白, 隨菌絲腐解和孢子壁脫落進入土壤后黏結土壤顆粒, 在提高土壤質量方面有重要作用[4]。AMF以外來者身份侵入植物根系, 其生長發(fā)育受到自身、植物和土壤等多方面影響。前人研究發(fā)現(xiàn), 隨著四季交替AMF生長發(fā)生明顯的周期性變化, 如侵染率和叢枝結構在夏季達最高, 春秋季則較低[5-6]; 還發(fā)現(xiàn)寄主植物生長和衰老也會影響AMF生長, 如菌絲密度隨著植物生長和衰老在晚春和初秋形成兩次高峰[7]。前人關于球囊霉素的研究認為, 由于AMF種類不同或生長狀況不同, 分泌的球囊霉素蛋白的量有差異[8]; 受人為因素影響, 球囊霉素含量在原始林中較高, 在人工林和農田中較低[9]; 此外由于球囊霉素蛋白進入土壤前附著于AMF菌絲上, 因此與菌絲生長和分解有密切聯(lián)系[10]。前人集中于非人工生態(tài)系統(tǒng)的研究在AMF調節(jié)植物群落[11-12]、抵御外來入侵植物[13]等方面得出了重要理論, 但關于農田生態(tài)系統(tǒng)中AMF生長周期性變化的研究罕見報道; 此外關于球囊霉素的研究多集中于性質和功能等方面[14-17], 而對于土壤球囊霉素含量的周期性變化及與AMF生長相關性的研究較少。

玉米()和大豆()是我國重要的糧食和油料作物, 在間作種植模式下可以提高農田生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性和土地生產效率[18]。玉米和大豆是AMF良好的寄主[19], 在不同種植模式下作物會對AMF生長產生影響[20]。因此, 本研究設置玉米和大豆兩個單作處理以及兩個不同結構的間作處理, 揭示農田生境中AMF與作物的共生規(guī)律, 結合土壤AMF孢子數(shù)量和球囊霉素含量的變化, 探明不同種植模式農田生態(tài)系統(tǒng)中AMF生長發(fā)育和土壤球囊霉素的周期性變化規(guī)律及相關性, 為AMF菌肥生產和使用提供理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

1.2 試驗設計

如圖1所示, 試驗設置4個處理: 6行玉米6行大豆間作(6M6S)、3行玉米3行大豆間作(3M3S)、單作玉米(CKM)和單作大豆(CKS), 重復3次, 小區(qū)面積為22 m′6 m=132 m2。間作處理中, 玉米帶和大豆帶相鄰各行依次記為邊行、中行和內行。

供試品種為‘陜單609’(玉米)和‘陜豆125’(大豆), 兩種作物同時于2017年6月18日和2018年6月15日播種, 于2017年9月22日和2018年9月22日收獲, 共生期在兩年分別為96 d和99 d。采用穴播的方式, 玉米和大豆的行距均為60 cm、株距均為15 cm, 玉米帶和大豆帶之間的距離為60 cm。供試肥料為尿素、磷酸二銨、硫酸鉀, 于整地前撒施, 施肥量為180 kg(N)·hm-2、58 kg(P2O5)·hm-2和30 kg(K2O)·hm-2。試驗小區(qū)種植按照玉米大豆自西向東依次安排, 保證大豆的光照條件。

1.3 測定項目和方法

于玉米(大豆)的拔節(jié)期(分枝期)、吐絲期(盛花期)和乳熟期(鼓粒期)取樣。間作處理的每行選取4株植株, 單作處理共選取4株植株, 在離植株15 cm處打土鉆(取樣位置見圖1), 取0~20 cm土壤用于測定菌絲密度和孢子密度; 將植株根系挖出, 選取≤2 mm的根系30根, 洗凈后保存于FAA中用于測定侵染率、侵染密度和叢枝豐度。

圖1 不同處理玉米、大豆間作及單作種植和取樣示意圖

6M6S: 6行玉米與6行大豆間作; 3M3S: 3行玉米與3行大豆間作; CKM: 單作玉米; CKS: 單作大豆。6M6S: 6 rows of maize intercropped with 6 rows of soybean; 3M3S: 3 rows of maize intercropped with 3 rows of soybean; CKM: monoculture of maize crop; CKS: monoculture of soybean.

按照Trouvelot等[21]建立的侵染強度分級法將被侵染的根段分為5級, 再根據(jù)是否有叢枝結構將每一級細分為4級, 將數(shù)據(jù)輸入MYCOCALC軟件計算得到侵染率、侵染密度和叢枝豐度。侵染率為所有含AMF的根數(shù)與整個根系根數(shù)的比值, 表示AMF的侵染能力; 侵染密度為整個根系被AMF侵染的程度, 表示AMF在根系內的發(fā)育情況; 叢枝豐度為整個根系叢枝結構的豐富度, 表示AMF與寄主物質交換能力。

用網格交叉法[22]測定土壤中的菌絲密度, 用濕篩傾柱法[23]測定土壤中的孢子密度。用Wright等[24]的方法提取易提取球囊霉素和總球囊霉素, 用Wright等[10]的方法測定其含量。

1.4 數(shù)據(jù)分析

用Excel 2017進行數(shù)據(jù)整理, 用MYCOCALC軟件計算AMF侵染的各項參數(shù), 用SPSS 19進行數(shù)據(jù)方差分析和相關性分析, 用Excel 2017和Origin 8繪圖。

2 結果與分析

2.1 玉米大豆間作條件下AMF侵染規(guī)律

玉米和大豆的侵染率隨著生育期推進逐漸增加(圖2), 在乳熟期和鼓粒期時兩年均值分別達68.97%和61.89%。兩年結果均表明間作提高了根系侵染率, 其中3M3S處理最高, 乳熟期和鼓粒期時玉米和大豆分別比單作高27.24%和25.69%, 差異達顯著水平。與2017年相比, 2018年玉米乳熟期和大豆鼓粒期時的侵染率分別提高10.57%和5.72%。兩年試驗中, 玉米的侵染率均高于大豆, 拔節(jié)期、吐絲期和乳熟期時兩年均值分別平均高14.57%、11.39%和11.44%。

玉米和大豆的菌根叢枝豐度表現(xiàn)為先升高后下降的趨勢, 在吐絲期和盛花期時兩年均值分別達27.10%和17.15%(圖3)。兩年試驗中, 與CKM相比, 間作提高了玉米根系的叢枝豐度, 其中與3M3S處理之間的差異達顯著水平; 與CKS相比, 在盛花期和鼓粒期時, 3M3S處理顯著提高了大豆根系的叢枝豐度, 6M6S處理則表現(xiàn)為降低, 但差異不顯著。與2017年相比, 2018年玉米乳熟期和大豆鼓粒期時的菌根叢枝豐度分別提高13.27%和12.85%。玉米的侵染率均高于大豆, 拔節(jié)期、吐絲期和乳熟期時兩年均值分別高25.34%、50.87%和25.59%。

玉米和大豆的侵染密度在吐絲期和盛花期時增長較快, 在乳熟期和鼓粒期增長較慢(圖4)。兩年結果均表明, 間作提高了兩種作物根系的侵染密度, 其中3M3S處理最高, 顯著高于CKM。與2017年相比, 2018年玉米乳熟期和大豆鼓粒期時的侵染密度分別提高22.11%和5.81%。玉米的侵染密度均高于大豆, 拔節(jié)期、吐絲期和乳熟期時兩年均值分別高15.07%、25.10%和25.56%。

2.2 農田生境中玉米||大豆間作下AMF菌絲密度和孢子密度的時空變化

玉米帶和大豆帶的菌絲密度隨著生育期推進逐漸增加(圖5), 在乳熟期和鼓粒期兩年均值分別為25.11 m·g-1和19.98 m·g-1。間作提高了玉米帶的菌絲密度, 其中3M3S處理最高, 乳熟期時兩年均值比CKM處理顯著提高54.28%, 比6M6S處理玉米帶提高15.16%, 但差異不顯著。2017年, 間作大豆帶菌絲密度與CKS差異不顯著, 其中只有3M3S處理高于CKS; 2018年, 盛花期和鼓粒期間作處理大豆帶菌絲密度均高于CKS, 其中3M3S處理與CKS之間差異顯著。與2017年相比, 2018年玉米乳熟期和大豆鼓粒期的菌絲密度分別提高34.23%和28.87%。玉米帶菌絲密度均高于大豆帶, 拔節(jié)期、吐絲期和乳熟期兩年均值分別高34.80%、28.16%和25.68%。

圖2 2017年和2018年玉米||大豆間作系統(tǒng)的AMF侵染狀況

不同小寫字母表示同一生育期不同種植模式間<0.05水平差異顯著。6M6S: 6行玉米與6行大豆間作; 3M3S: 3行玉米與3行大豆間作; CKM: 單作玉米; CKS: 單作大豆。Different lowercase letters mean significant differences at< 0.05. 6M6S: 6 rows of maize intercropped with 6 rows of soybean; 3M3S: 3 rows of maize intercropped with 3 rows of soybean; CKM: monoculture of maize; CKS: monoculture of soybean.

圖3 2017年和2018年玉米||大豆間作系統(tǒng)的AMF菌根叢枝豐度

不同小寫字母表示同一生育期不同種植模式間<0.05水平差異顯著。6M6S: 6行玉米與6行大豆間作; 3M3S: 3行玉米與3行大豆間作; CKM: 單作玉米; CKS: 單作大豆。Different lowercase letters mean significant differences at< 0.05. 6M6S: 6 rows of maize intercropped with 6 rows of soybean; 3M3S: 3 rows of maize intercropped with 3 rows of soybean; CKM: monoculture of maize; CKS: monoculture of soybean.

圖4 2017年和2018年玉米||大豆間作系統(tǒng)的AMF侵染密度

不同小寫字母表示同一生育期不同種植模式間<0.05水平差異顯著。6M6S: 6行玉米與6行大豆間作; 3M3S: 3行玉米與3行大豆間作; CKM: 單作玉米; CKS: 單作大豆。Different lowercase letters mean significant differences at< 0.05. 6M6S: 6 rows of maize intercropped with 6 rows of soybean; 3M3S: 3 rows of maize intercropped with 3 rows of soybean; CKM: monoculture of maize; CKS: monoculture of soybean.

圖5 2017年和2018年玉米||大豆間作系統(tǒng)的AMF菌絲密度

不同小寫字母表示同一生育期不同種植模式間<0.05水平差異顯著。6M6S: 6行玉米與6行大豆間作, 3M3S: 3行玉米與3行大豆間作; CKM: 單作玉米; CKS: 單作大豆。Different lowercase letters mean significant differences at< 0.05. 6M6S: 6 rows of maize intercropped with 6 rows of soybean; 3M3S: 3 rows of maize intercropped with 3 rows of soybean; CKM: monoculture of maize; CKS: monoculture of soybean.

兩年結果均表明, 全生育期內, 間作玉米帶各行菌絲密度均高于CKM, 且表現(xiàn)為距離大豆帶越遠, 菌絲密度越小的趨勢(圖6); 3M3S處理的邊行和中行分別比CKM高54.42%和46.43%, 6M6S處理的邊行、中行和內行分別比CKM高48.44%、31.01%和12.41%。兩年試驗中, 大豆分枝期間作大豆帶表現(xiàn)為距離玉米帶越遠, 菌絲密度越大的趨勢(圖6), 其中6M6S處理的邊行和中行低于CKS; 而大豆鼓粒期, 間作大豆帶表現(xiàn)為距離玉米帶越遠, 菌絲密度越小的趨勢; 3M3S處理的邊行和中行兩年均值分別比CKS高34.60%和21.82%, 6M6S處理的邊行、中行和內行兩年均值分別比CKS高31.28%、10.39%和7.02%。

玉米帶和大豆帶的孢子密度隨著AMF與作物共生期延長逐漸增加(圖7), 各處理變化規(guī)律與菌絲密度(圖5)基本一致, 玉米乳熟期和大豆鼓粒期兩年平均達1 519.20個×(100g)-1和1 389.98個×(100g)-1。玉米乳熟期, 3M3S處理的孢子密度最高, 兩年結果均顯著高于CKM, 但只在2017年顯著高于6M6S處理; 大豆鼓粒期, 3M3S處理的孢子密度也表現(xiàn)為最高, 兩年結果均顯著高于CKS, 但與6M6S處理未達到顯著。與2017年相比, 2018年玉米乳熟期和大豆鼓粒期的孢子密度兩年均值分別提高13.03%和9.76%。兩年試驗中, 玉米帶的孢子密度均高于大豆帶, 拔節(jié)期、吐絲期和乳熟期時兩年均值分別高19.67%、8.37%和9.30%。

全生育期內間作玉米各行孢子密度均高于CKM, 且呈現(xiàn)隨距離大豆帶越遠, 孢子密度越小的趨勢(圖8)。玉米乳熟期, 3M3S處理玉米邊行和中行的孢子密度兩年均值分別比CKM高32.83%和27.54%, 6M6S處理玉米的邊行、中行和內行兩年均值分別比CKM高26.48%、16.94%和10.06%。兩年試驗中, 分枝期和盛花期間作大豆各行呈現(xiàn)距離玉米帶越遠, 孢子密度越大的趨勢(圖8)。鼓粒期, 3M3S處理的邊行和中行兩年均值比CKS高10.04%和27.73%, 6M6S處理的邊行、中行和內行, 兩年均值分別比CKS高10.99%、23.88%和15.38%。

2.3 玉米大豆間作條件下球囊霉素的時空變化

如圖9所示, 2017年和2018年乳熟期(鼓粒期)較拔節(jié)期(分枝期)玉米帶易提取球囊霉素含量分別平均增加161.22 μg×g-1和180.31 μg×g-1, 大豆帶易提取球囊霉素含量分別增加117.16 μg×g-1和195.48 μg×g-1; 玉米帶和大豆帶2018年比2017年分別增加21.43 μg×g-1和37.71 μg×g-1。兩年試驗中, 在全生育期內玉米帶和大豆帶的易提取球囊霉素含量均表現(xiàn)為3M3S>6M6S>單作; 且玉米帶易提取球囊霉素含量均高于大豆帶, 拔節(jié)期、吐絲期和乳熟期兩年均值分別高28.47%、29.78%和22.75%。

全生育期內間作玉米呈距離大豆帶越遠土壤易提取球囊霉素含量越低的趨勢, 且均高于單作(圖10)。乳熟期時, 3M3S處理玉米邊行和中行的易提取球囊霉素含量兩年均值分別比CKM高49.36%和33.26%, 6M6S處理玉米的邊行、中行和內行兩年均值分別比CKM高35.60%、24.78%和8.55%。兩年試驗中, 6M6S處理的大豆帶在分枝期和盛花期呈隨距離玉米帶越遠, 易提取球囊霉素含量越高的趨勢, 其中邊行大豆易提取球囊霉素含量低于CKS; 在鼓粒期, 中行大豆易提取球囊霉素含量低于邊行和內行, 但均高于CKS。兩年試驗中, 3M3S處理的大豆帶在分枝期呈隨距離玉米帶越遠易提取球囊霉素含量越高的趨勢, 其中2017年邊行大豆低于CKS; 盛花期和鼓粒期則相反, 呈現(xiàn)隨與玉米帶距離增加, 易提取球囊霉素含量逐漸降低的趨勢, 各行易提取球囊霉素含量均高于CKS。

各處理的土壤總球囊霉素含量的變化規(guī)律(圖11), 與易提取球囊霉素含量(圖9)的變化基本相同。2017年和2018年, 乳熟期(鼓粒期)較拔節(jié)期(分枝期)玉米帶總球囊霉素含量分別增加430.04 μg×g-1和410.58 μg×g-1, 大豆帶總球囊霉素含量分別增加309.64 μg×g-1和299.47 μg×g-1; 玉米帶和大豆帶2018年比2017年分別增加94.63 μg×g-1和60.57 μg×g-1。玉米帶總球囊霉素含量均高于大豆帶, 拔節(jié)期、吐絲期和乳熟期兩年均值分別高13.38%、13.52%和16.79%。

間作處理玉米帶總球囊霉素含量均表現(xiàn)為距離大豆帶越遠, 含量越低的趨勢(圖12), 且間作均高于單作。2017年和2018年最高的邊行在乳熟期分別比CKM高37.27%和43.24%。兩年試驗中, 6M6S處理的大豆在分枝期和鼓粒期時總球囊霉素含量表現(xiàn)為中行>內行>邊行; 3M3S處理的大豆帶, 2017年盛花期和鼓粒期總球囊霉素含量表現(xiàn)為邊行>中行, 2018年則表現(xiàn)為中行>邊行。

2.4 AMF生長與土壤球囊霉素含量和孢子密度的相關性

AMF侵染根系形成叢枝結構與寄主交換營養(yǎng)物質, 向根外延伸菌絲吸收土壤礦質養(yǎng)分, 產生繁殖體厚垣孢子, 附著于菌絲上的球囊霉素蛋白隨腐解釋放于土壤, 它們之間關系密切(表1)?？偳蚰颐顾?、易提取球囊霉素、孢子密度、菌絲密度與菌根侵染率、侵染密度、叢枝豐度均呈正相關, 除孢子密度與叢枝豐度外, 其他相關性均達到顯著?？偳蚰颐顾睾鸵滋崛∏蚰颐顾嘏c菌絲密度的相關性最高, 孢子密度和菌絲密度與侵染率的相關性最高。

圖6 2017年和2018年玉米||大豆間作系統(tǒng)中AMF菌絲密度的時空變化

6M6S: 6行玉米與6行大豆間作; 3M3S: 3行玉米與3行大豆間作; CKM: 單作玉米; CKS: 單作大豆。6M6S: 6 rows of maize intercropped with 6 rows of soybean; 3M3S: 3 rows of maize intercropped with 3 rows of soybean; CKM: monoculture of maize; CKS: monoculture of soybean.

圖7 2017年和2018年玉米||大豆間作系統(tǒng)的AMF孢子密度

不同小寫字母表示同一生育期不同種植模式間<0.05水平差異顯著。6M6S: 6行玉米與6行大豆間作, 3M3S: 3行玉米與3行大豆間作; CKM: 單作玉米; CKS: 單作大豆。Different lowercase letters mean significant differences at< 0.05. M6S: 6 rows of maize intercropped with 6 rows of soybean; 3M3S: 3 rows of maize intercropped with 3 rows of soybean; CKM: monoculture of maize; CKS: monoculture of soybean.

圖8 2017年和2018年玉米||大豆間作系統(tǒng)AMF孢子密度的時空變化

6M6S: 6行玉米與6行大豆間作; 3M3S: 3行玉米與3行大豆間作; CKM: 單作玉米; CKS: 單作大豆。6M6S: 6 rows of maize intercropped with 6 rows of soybean; 3M3S: 3 rows of maize intercropped with 3 rows of soybean; CKM: monoculture of maize; CKS: monoculture of soybean.

圖9 2017年和2018年玉米||大豆間作系統(tǒng)的土壤易提取球囊霉素含量

不同小寫字母表示同一生育期不同種植模式間<0.05水平差異顯著。6M6S: 6行玉米與6行大豆間作; 3M3S: 3行玉米與3行大豆間作; CKM: 單作玉米; CKS: 單作大豆。Different lowercase letters mean significant differences at< 0.05. 6M6S: 6 rows of maize intercropped with 6 rows of soybean; 3M3S: 3 rows of maize intercropped with 3 rows of soybean; CKM: monoculture of maize; CKS: monoculture of soybean.

3 討論與結論

3.1 農田生境中AMF生長變化規(guī)律

本研究中AMF與根系建立了良好的共生關系, 隨著與作物共生期延長, AMF的侵染率、侵染密度和菌絲密度逐漸提高, 這與李媛媛等[19]研究結果一致, 且在玉米拔節(jié)期至吐絲期(大豆分枝期至盛花期)的增加量高于玉米吐絲期至乳熟期(大豆盛花期至鼓粒期)。AMF的叢枝豐度則表現(xiàn)為在玉米吐絲期(大豆盛花期)迅速增加, 之后緩慢降低。在玉米和大豆的吐絲期和盛花期, 迅速增加的根系生物量[25]以及AMF侵染率和侵染密度表明AMF與作物建立了良好的共生關系且生長旺盛; AMF的叢枝結構是其與根系養(yǎng)分交換的場所[26], 此時期達到最高, 表明AMF與作物根系發(fā)生密集的養(yǎng)分交換; 作物后期菌根叢枝豐度下降并且侵染率、侵染密度和菌絲密度增長緩慢, 暗示了作物生長后期AMF與作物的交流減弱。

本研究中AMF侵染率在作物生長期呈現(xiàn)出一直增加的趨勢, 這與Mandyam等[7]在草地的研究發(fā)現(xiàn)多年生植物的AMF侵染率隨著四季呈現(xiàn)周期性變化的規(guī)律不同。這是由于農田生態(tài)環(huán)境中植物多為1年生農作物, 本研究只探究了作物生長旺盛時期, 根系活力較高時的共生狀況, 作物乳熟期以后, 植株逐漸枯死, 根系逐漸失去活力, AMF營養(yǎng)體勢必逐漸凋亡。本研究中根系侵染率小于李媛媛等[19]的盆栽試驗, 這可能是由于農田生境中, 部分土壤生物以AMF孢子和菌絲為食, 破壞了AMF繁殖體和營養(yǎng)器官[27]; 此外盆栽試驗中土壤經過高溫或輻射滅菌, 部分試驗還額外接種AMF繁殖體。這也暗示農田生境中作物侵染率有望繼續(xù)增加, 為作物養(yǎng)分吸收提供支持。2018年試驗中, AMF的侵染率、侵染密度和叢枝豐度較高, 可能是由于降雨量多造成的, Candido等[28]研究發(fā)現(xiàn)土壤含水量較高有利于AMF的侵染和生長。

3.2 農田生境中玉米||大豆間作對AMF生長的影響

作為AMF優(yōu)良的寄主作物, 本研究中玉米和大豆均與AMF形成了良好的共生關系, 且與單作相比, 間作提高了AMF的侵染率, 這是由于不同作物相間種植豐富了農田生態(tài)系統(tǒng)物種豐富度, 有利于AMF對寄主的選擇和寄生[29]。Hiiesalu等[30]的研究結果也表明, 在物種更豐富的草地和森林生態(tài)系統(tǒng)中, AMF侵染率更高。AMF的叢枝結構和根外菌絲是其獲取養(yǎng)分的器官[31], 本研究中間作處理的叢枝豐度和菌絲密度均高于單作處理, 這可能是由于間作條件下作物生長旺盛、根系發(fā)達, 能將更多的碳水化合物供給AMF生長發(fā)育。

圖10 2017年和2018年玉米||大豆間作系統(tǒng)土壤易提取球囊霉素含量的時空變化

6M6S: 6行玉米與6行大豆間作; 3M3S: 3行玉米與3行大豆間作; CKM: 單作玉米; CKS: 單作大豆。6M6S: 6 rows of maize intercropped with 6 rows of soybean; 3M3S: 3 rows of maize intercropped with 3 rows of soybean; CKM: monoculture of maize; CKS: monoculture of soybean.

圖11 2017年和2018年玉米||大豆間作系統(tǒng)的土壤總球囊霉素含量

不同小寫字母表示同一生育期不同種植模式間<0.05水平差異顯著。6M6S: 6行玉米與6行大豆間作; 3M3S: 3行玉米與3行大豆間作; CKM: 單作玉米; CKS: 單作大豆。Different lowercase letters mean significant differences at< 0.05. 6M6S: 6 rows of maize intercropped with 6 rows of soybean; 3M3S: 3 rows of maize intercropped with 3 rows of soybean; CKM: monoculture of maize; CKS: monoculture of soybean.

圖12 2017年和2018年玉米||大豆間作系統(tǒng)中土壤總球囊霉素含量的時空變化

6M6S: 6行玉米與6行大豆間作; 3M3S: 3行玉米與3行大豆間作; CKM: 單作玉米; CKS: 單作大豆。6M6S: 6 rows of maize intercropped with 6 rows of soybean; 3M3S: 3 rows of maize intercropped with 3 rows of soybean; CKM: monoculture of maize; CKS: monoculture of soybean.

表1 AMF生長與球囊霉素的相關性分析

表中數(shù)據(jù)為相關系數(shù), *和**分別表示<0.05和<0.01水平顯著相關。Data in the table is correlation coefficient. * and ** mean signficant correlation at< 0.05 and< 0.01, respectively.

本研究中, 間作玉米具有較高的侵染率、侵染密度、叢枝豐度和菌絲密度, 這與Mcgonigle等[32]的研究結果一致。這主要是由于玉米發(fā)達的根系提高了寄主與萌發(fā)孢子接觸的效率[33], 此外AMF最初侵染的位置是幼嫩的細根[19], 玉米的須根系有利于AMF侵染。分枝期時邊行大豆較低的菌絲密度可能是由于間作減少了大豆根系供給AMF賴以生存的碳水化合物導致的[34]; 而盛花期和鼓粒期時邊行大豆較高的菌絲密度是邊行玉米菌根的菌絲延伸所導致, 因為根外菌絲可向外延伸120 cm[35], 玉米帶較高的菌絲勢必會伸長至大豆帶。

3.3 農田生境中玉米||大豆間作對AMF產生孢子的影響

AMF生活史包括植物根系分泌獨腳金內酯等萌發(fā)因子促進孢子萌發(fā), 侵入根系后形成叢枝結構, 再向根外延伸菌絲, 菌絲發(fā)育產生孢子[36]。Li等[37]研究發(fā)現(xiàn)只有不到6%的孢子有機會發(fā)育成菌根, 定植的啟動孢子密度為500個×(100g)-1。本研究中玉米拔節(jié)期和大豆分枝期孢子密度小于此值, 是由于此時孢子大部分已經萌發(fā), 玉米乳熟期和大豆鼓粒期孢子密度遠遠高于此值。本研究中孢子密度與侵染率和菌絲密度的相關系數(shù)分別達0.88和0.84, 表明它們密切相關, Li等[37]研究結果與之類似。但Cardoso等[38]的研究認為孢子密度與侵染率和菌絲密度沒有很強的相關性, 這可能是由于本試驗中玉米和大豆是AMF很好的寄主, 有利于AMF生長和產生孢子。

農田生境中, 隨著AMF與作物共生時間推進, 孢子數(shù)量呈增加趨勢, 尤其是作物生長后期(吐絲期至乳熟期或盛花期至鼓粒期)增加迅速, 這與Fontenla等[39]在森林中的研究結果一致。這是由于隨著作物進入衰老或休眠期, 會刺激AMF形成更多的孢子。本研究中玉米帶的孢子密度總是高于大豆帶, 李媛媛等[19]研究也發(fā)現(xiàn), 用玉米作為寄主植物擴繁AMF, 會比豆科植物產生更多的孢子, 這與玉米根生物量大密切相關。兩個間作處理中, 玉米帶孢子密度呈現(xiàn)隨與大豆帶距離增加, 密度降低的趨勢, 這與Ren等[40]對玉米||大豆間作系統(tǒng)中玉米干物質積累的規(guī)律一致, 因此認為AMF孢子產生受寄主植物生長狀況影響, 寄主玉米生長旺盛, 將更多的光合產物運輸至AMF, 有利于產生更多的孢子。

3.4 農田生境中玉米||大豆間作對AMF產生球囊霉素的影響

球囊霉素為AMF菌絲特異性產生的一類熱激蛋白, 結構穩(wěn)定[20], 對提高土壤質量有重要意義。玉米||大豆間作提高了土壤球囊霉素含量, 其中玉米帶含量遠高于大豆帶含量, 這與間作提高作物生物量, 有利于AMF獲取更多光合產物密不可分。Rillig等[41]認為易提取球囊霉素附著于菌絲和孢子上, 未與土壤顆粒緊密結合, 其含量與菌絲生長狀況密切相關。本研究中各行易提取球囊霉素含量變化規(guī)律與菌絲密度一致, 鼓粒期邊行大豆土壤易提取球囊霉素含量高于中行和內行, 是由于鄰近的玉米菌根菌絲延伸釋放球囊霉素蛋白所致。

本研究中易提取球囊霉素和總球囊霉素與侵染率和菌絲密度密切相關, 相關系數(shù)達0.51以上, 這與Driver等[4]的研究結果一致。農田生境中, 易提取球囊霉素含量和總球囊霉素含量保持增加, 但是年際間只增長29.57 μg×g-1和77.60 μg×g-1, 這與Rillig等[42]發(fā)現(xiàn)球囊霉素在土壤中穩(wěn)定存在6~42年的結果相差較大, 這可能是由于不同于室內培養(yǎng)試驗, 農田生境中土壤動物會取食球囊霉素, 造成球囊霉素年際保存率較低; 也可能是由于提取方法缺陷, 提取的球囊霉素上清液包含其他雜質蛋白質, 造成球囊霉素測定值偏高, 只適用于相同試驗條件下相對含量的比較, 不適用于絕對含量比較[43]。

綜上所述, 農田生境中AMF能夠與作物形成良好的共生關系, 菌根的侵染率、侵染密度和叢枝豐度隨著共生期延長呈上升趨勢, 此外玉米由于根系生物量大, 質地柔軟, 更有利于AMF寄生。土壤菌絲密度、孢子密度、球囊霉素含量與AMF生長狀況密切相關, 并隨著作物生長和環(huán)境變化具有明顯的周期性規(guī)律, 在間作條件下還表現(xiàn)出邊際效應。玉米||大豆間作促進了AMF與作物共生, AMF生長受寄主作物生長狀況影響, 寄主植物生長旺盛有利于AMF菌絲延伸和孢子的產生, 增加易提取球囊霉素和總球囊霉素的產量。

[1] Hodge A, Helgason T, Fitter A H. Nutritional ecology of arbuscular mycorrhizal fungi[J]. Fungal Ecology, 2010, 3(4): 267–273

[2] Parniske M. Arbuscular mycorrhiza: The mother of plant root endosymbioses[J]. Nature Reviews Microbiology, 2008, 6(10): 763–775

[3] Workman R E, Cruzan M B. Common mycelial networks impact competition in an invasive grass[J]. American Journal of Botany, 2016, 103(6): 1041–1049

[4] Driver J D, Holben W E, Rillig M C. Characterization of glomalin as a hyphal wall component of arbuscular mycorrhizal fungi[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2005, 37(1): 101–106

[5] Reinhardt D R, Miller R M. Size classes of root diameter and mycorrhizal fungal colonization in two temperate grassland communities[J]. New Phytologist, 1990, 116(1): 129–136

[6] Sanders I R, Fitter A H. The ecology and functioning of vesicular — arbuscular mycorrhizas in co-existing grassland species: I. Seasonal patterns of mycorrhizal occurrence and morphology[J]. New Phytologist, 1992, 120(4): 517–524

[7] Mandyam K, Jumpponen A. Seasonal and temporal dynamics of arbuscular mycorrhizal and dark septate endophytic fungi in a tallgrass prairie ecosystem are minimally affected by nitrogen enrichment[J]. Mycorrhiza, 2008, 18(3): 145–155

[8] 唐宏亮, 劉龍, 王莉, 等. 土地利用方式對球囊霉素土層分布的影響[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報, 2009, 17(6): 1137–1142Tang H L, Liu L, Wang L, et al. Effect of land use type on profile distribution of glomalin[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2009, 17(6): 1137–1142

[9] Wang Q, Wang W j, He X y, et al. Role and variation of the amount and composition of glomalin in soil properties in farmland and adjacent plantations with reference to a primary forest in North-Eastern China[J]. PLoS One, 2015, 10(10): e0139623

[10] Wright S F, Upadhyaya A. A survey of soils for aggregate stability and glomalin, a glycoprotein produced by hyphae of arbuscular mycorrhizal fungi[J]. Plant and Soil, 1998, 198(1): 97–107

[11] Hart M M, Reader R J, Klironomos J N. Plant coexistence mediated by arbuscular mycorrhizal fungi[J]. Trends in Ecology & Evolution, 2003, 18(8): 418–423

[12] Courty P E, Buée M, Diedhiou A G, et al. The role of ectomycorrhizal communities in forest ecosystem processes: New perspectives and emerging concepts[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2010, 42(5): 679–698

[13] Zhang Q, Yang R Y, Tang J J, et al. Positive feedback between mycorrhizal fungi and plants influences plant invasion success and resistance to invasion[J]. PLoS One, 2010, 5(8): e12380

[14] Bedini S, Pellegrino E, Avio L, et al. Changes in soil aggregation and glomalin-related soil protein content as affected by the arbuscular mycorrhizal fungal speciesand[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2009, 41(7): 1491–1496

[15] Chern E C, Tsai D W, Ogunseitan O A. Deposition of glomalin-related soil protein and sequestered toxic metals into watersheds[J]. Environmental Science & Technology, 2007, 41(10): 3566–3572

[16] Hammer E C, Rillig M C, Kirsten N. The influence of different stresses on glomalin levels in an arbuscular mycorrhizal fungus — salinity increases glomalin content[J]. PLoS One, 2011, 6(12): e28426

[17] Bedini S, Turrini A, Rigo C, et al. Molecular characterization and glomalin production of arbuscular mycorrhizal fungi colonizing a heavy metal polluted ash disposal island, downtown Venice[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2010, 42(5): 758–765

[18] Addo-Quaye A A, Darkwa A A, Ocloo G K. Yield and productivity of component crops in a maize-soybean intercropping system as affected by time of planting and spatial arrangement[J]. Journal of Agricultural and Biological Science, 2011, 6(9): 50–57

[19] 李媛媛, 王曉娟, 豆存艷, 等. 四種宿主植物及其不同栽培密度對AM真菌擴繁的影響[J]. 草業(yè)學報, 2013, 22(5): 128–135Li Y Y, Wang X J, Dou C Y, et al. Effects of four host plants and different cultivation densities on the propagation of arbuscular mycorrhizal fungi[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2013, 22(5): 128–135

[20] Meng L B, Zhang A Y, Wang F, et al. Arbuscular mycorrhizal fungi and rhizobium facilitate nitrogen uptake and transfer in soybean/maize intercropping system[J]. Frontiers in Plant Science, 2015, 6: 339

[21] Trouvelot A, Kough J L, Gianinazzi-Pearson V. Mesure du taux de mycorhization VA d'un système radiculaire. Recherche de méthodes d'estimation ayant une signification fonctionnelle[M]//GIANINAZZI-PEARSON V, GIANINAZZI S. Physiological and Genetical Aspects of Mycorrhizae. Paris: INRA, 1986: 217–221

[22] Abbott L K, Robson A D, De Boer G. The effect of phosphorus on the formation of hyphae in soil by the vesicular-arbuscular mycorrhizal fungus,[J]. New Phytologist, 1984, 97(3): 437–446

[23] Ianson D C, Allen M F. The effects of soil texture on extraction of vesicular-arbuscular mycorrhizal fungal spores from arid sites[J]. Mycologia, 1986, 78(2): 164–168

[24] Wright S F, Upadhyaya A. Extraction of an abundant and unusual protein from soil and comparison with hyphal protein of arbuscular mycorrhizal fungi[J]. Soil Science, 1996, 161(9): 575–586

[25] Li L, Sun J H, Zhang F S, et al. Root distribution and interactions between intercropped species[J]. Oecologia, 2006, 147(2): 280–290

[26] GIaninazzi-Pearson V. Plant cell responses to arbuscular mycorrhizal fungi: Getting to the roots of the symbiosis[J]. The Plant Cell, 1996, 8(10): 1871–1883

[27] Hodge A, Campbell C D, Fitter A H. An arbuscular mycorrhizal fungus accelerates decomposition and acquires nitrogen directly from organic material[J]. Nature, 2001, 413(6853): 297–299

[28] Candido V, Campanelli G, D’ADDABBOT, et al. Growth and yield promoting effect of artificial mycorrhization on field tomato at different irrigation regimes[J]. Scientia Horticulturae, 2015, 187: 35–43

[29] YANG H S, ZANG Y Y, YUAN Y G, et al. Selectivity by host plants affects the distribution of arbuscular mycorrhizal fungi: Evidence from ITS rDNA sequence metadata[J]. BMC Evolutionary Biology, 2012, 12: 50

[30] Hiiesalu I, P?rtel M, Davison J, et al. Species richness of arbuscular mycorrhizal fungi: Associations with grassland plant richness and biomass[J]. New Phytologist, 2014, 203(1): 233–244

[31] Smith S E, Smith F A. Structure and function of the interfaces in biotrophic symbioses as they relate to nutrient transport[J]. New Phytologist, 1990, 114(1): 1–38

[32] Mcgonigle T P, Miller M H, Young D. Mycorrhizae, crop growth, and crop phosphorus nutrition in maize-soybean rotations given various tillage treatments[J]. Plant and Soil, 1999, 210(1): 33–42

[33] Koltai H, Kapulnik Y. Arbuscular Mycorrhizas: Physiology and Function[M]. 2nd ed. Dordrecht: Springer, 2010: 47–68

[34] Prasad R B, Brook R M. Effect of varying maize densities on intercropped maize and soybean in nepal[J]. Experimental Agriculture, 2005, 41(3): 365–382

[35] Gao Y, Duan A W, Qiu X Q, et al. Distribution of roots and root length density in a maize/soybean strip intercropping system[J]. Agricultural Water Management, 2010, 98(1): 199–212

[36] Friese C F, Allen M F. The spread of VA mycorrhizal fungal hyphae in the soil: Inoculum types and external hyphal architecture[J]. Mycologia, 1991, 83(4): 409–418

[37] Li L F, Zhang Y, Zhao Z W. Arbuscular mycorrhizal colonization and spore density across different land-use types in a hot and arid ecosystem, Southwest China[J]. Journal of Plant Nutrition and Soil Science, 2007, 170(3): 419–425

[38] Cardoso I M, Boddington C, Janssen B H, et al. Distribution of mycorrhizal fungal spores in soils under agroforestry and monocultural coffee systems in Brazil[J]. Agroforestry Systems, 2003, 58(1): 33–43

[39] Fontenla S, Godoy R, Rosso P, et al. Root associations inforests and seasonal dynamics of arbuscular mycorrhizas[J]. Mycorrhiza, 1998, 8(1): 29–33

[40] Ren Y Y, Liu J J, Wang Z L, et al. Planting density and sowing proportions of maize-soybean intercrops affected competitive interactions and water-use efficiencies on the Loess Plateau, China[J]. European Journal of Agronomy, 2016, 72: 70–79

[41] Rillig M C, Mummey D L. Mycorrhizas and soil structure[J]. The New Phytologist, 2006, 171(1): 41–53

[42] Rillig M C, Wright S F, Nichols K A, et al. Large contribution of arbuscular mycorrhizal fungi to soil carbon pools in tropical forest soils[J]. Plant and Soil, 2001, 233(2): 167–177

[43] Janos D P, Garamszegi S, Beltran B. Glomalin extraction and measurement[J]. Soil Biology and Biochemistry, 2008, 40(3): 728–739

Tempo-spatial dynamics of AMF under maize soybean intercropping*

ZHAO Deqiang, YUAN Jinchuan, HOU Yuting, LI Tong, LIAO Yuncheng**

(College of Agronomy, Northwest Agriculture and Forestry University, Yangling 712100, China)

A field experiment was conducted to investigate whether AMF growth and yield of spores and glomalin were influenced by planting patterns. Four systems consisting of 6 rows of maize intercropped with 6 rows of soybean (6M6S), 3 rows of maize intercropped with 3 rows of soybean (3M3S), sole maize crop (CKM), and sole soybean crop (CKS) were used to examine spatial and temporal dynamics of AMF. The results showed that mycorrhizal colonization, colonization density, and hypha density increased gradually with the symbiotic period between AMF and crops; and mycorrhizal arbuscular richness at first showed an increase, then decreased. In the milking stage of maize (the filling stage of soybean), two-year results showed that mycorrhizal colonization, colonization density, arbuscular richness of mycorrhiza, soil spore density, and glomalin content of 3M3S were significantly higher than those of monoculture. With the growth of crops, the spore density of AMF increased from 269.40 spores·(100g)-1to 1 484.20 spores·(100g)-1, the content of easily extractable glomalin increased from 430.88 μg·g-1to 600.78 μg·g-1, and the content of total glomalin increased from 942.59 μg·g-1to 1 304.03 μg·g-1. In the milking stage of maize, the border row of intercropped maize had the highest hypha density, spore density, easily extractable glomalin, and total glomalin. In the filling stage of soybean, the border row of intercropped soybean had the highest hypha density and easily extractable glomalin, and the lowest spore density. Correlation analysis indicated that contents of easily extractable glomalin and total glomalin were significantly positively correlated with hypha density, with coefficients up to 0.71 and 0.73, respectively. The spore density and hypha density were significantly positively correlated with colonization, with coefficients up to 0.72 and 0.75, respectively. Therefore, this study showed that AMF could establish a good symbiotic relationship with crops on agricultural land and showed periodical variation with both the change of seasons and the growth of crops. Intercropping promoted the colonization of AMF and increased the production of glomalin and spores, and the symbiosis between AMF and crops showed marginal effect. The 3M3S treatment was the most lucrative planting system for AMF.

Maize and soybean intercropping; Arbuscular mycorrhizal fungi; Colonization; Glomalin; Spore

, E-mail: yunchengliao@163.com

Oct. 23, 2019;

Q945.79

10.13930/j.cnki.cjea.190720

趙德強, 元晉川, 侯玉婷, 李彤, 廖允成. 玉米||大豆間作對AMF時空變化的影響[J]. 中國生態(tài)農業(yè)學報(中英文), 2020, 28(5): 631-642

ZHAO D Q, YUAN J C, HOU Y T, LI T, LIAO Y C. Tempo-spatial dynamics of AMF under maize soybean intercropping[J]. Chinese Journal of Eco-Agriculture, 2020, 28(5): 631-642

* 國際(地區(qū))合作與交流項目(31761143003)資助

廖允成, 主要研究方向為作物栽培與耕作和農田生態(tài)。E-mail: yunchengliao@163.com

趙德強, 主要研究方向為作物高產栽培與農田生態(tài)。E-mail: zhaodeqiang@nwafu.edu.cn

2019-10-23

2020-01-08

* This study was supported by the International (regional) Cooperation and Exchange Project of China (31761143003).

Jan. 8, 2020