有机氮和土著AMF对辣椒||菜豆生长及竞争力的影响*

周洪印,张仕颖,赵乾旭,李秉轩,包 立,岳献荣,夏运生**

(1.云南农业大学资源与环境学院 昆明 650201; 2.云南省土壤培肥与污染修复工程实验室 昆明 650201; 3.河南省周口市淮阳区齐老乡政府 周口 466743)

辣椒(L)属于茄科辣椒属,是目前我国重要的夏季蔬菜作物,种植规模仅次于大白菜(L.Rupr)的种植面积,深受人们青睐。菜豆(L)属于豆科菜豆属,是我国重要的豆科蔬菜,也是目前我国重要的出口品蔬菜种类。

间套作是世界农业的精华,在亚洲和非洲国家具有广泛的应用,在我国100 多种间作种植方式中,70%的组合有豆科作物参与,豆科与非豆科作物间作在间作模式中占有重要位置。大量科学研究证实,间套作是一种对农业资源高效综合利用以及促进作物增产的高效种植模式。氮素的施用对有效促进作物高产、稳产具有重要意义。丛枝菌根真菌(AMF)是土壤微生物群落的重要结构组成。前人研究表明,AMF 不仅能够有效促进宿主作物的生长发育,增加宿主对土壤养分的吸收,还能与宿主根系形成一种互惠性的共生体。在间作系统内,AMF能够再分配土壤水分和养分,改变植物间的营养平衡,降低宿主植物对资源的竞争,影响植物种间或根际土壤微生物群落结构的多样性,因此AMF 对植物种间竞争、土壤微生物群落多样性及稳定性具有重要的调节作用。目前国内外研究者在建立植物种间形态竞争机制方面做了大量研究。赵乾旭等研究了土著AMF 与不同形态氮对大豆[(L.) Merr.]||玉米(L.)生长及氮利用的影响,结果表明土著AMF 与氮肥施用对促进间作大豆生长与提高氮素利用率尤为明显。刘圆圆等研究了氮和土著AMF 对大豆||黄瓜(L.)间作土壤酶活性及氮利用的影响,结果表明以间作体系接种土著AMF 与施用适量有机氮的组合明显促进了设施黄瓜生长和氮素利用率。刘圆圆等在土著AMF 与氮形态对辣椒||菜豆间作系统的氮形态利用及其影响因素进行了研究,发现间作体系接种土著AMF 与施用适量有机氮能显著促进设施辣椒、菜豆生长和氮素利用。Anitha 等证实辣椒与菜豆长期间作后,辣椒对氮素等的吸收量显著增加。

然而,关于土著AMF 与有机氮施用对辣椒||菜豆种间竞争影响方面的研究少见报道。基于此,本文以设施条件下辣椒||菜豆间作种植模式为研究对象,研究了施有机氮对间作蔬菜接种土著AMF 后种内种间的竞争关系,以期为设施蔬菜的多样性种植和养分高效利用奠定基础。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试辣椒品种为‘绿先锋215’,菜豆品种为‘太空地豆王’。供试土壤采集于滇池宝象河水库附近坡耕地。土壤基本理化性质为:pH 7.71,有机质19.62 g·kg,全氮0.79 g·kg,碱解氮41.35 mg·kg,有效磷15.62 mg·kg,速效钾89.68 mg·kg。取回后经自然通风干燥磨碎,过2 mm 筛,全部混匀后装入一个灭菌袋中进行120 ℃高压蒸汽灭菌3 次,每次灭菌45 min,然后置于牛皮纸上均匀摊平后再晾置3～4 d 后密封备用。

供试土著AMF 采集于云南省昆明市官渡区小哨乡坡耕地(102°96′E,25°16′N,坡度为8°)玉米||大豆间作试验田间根围土壤,将根围土样于阴凉处风干,用于土著AMF 菌根菌剂的制备。通过在云南农业大学科研大棚内以高粱[(L.)Moench]和苜蓿(L.)为寄主植物经多次扩繁后获得土著AMF 真菌菌剂的盆栽土,其含有AM 真菌侵染根段、菌丝片段、真菌孢子和根围基质混合物,其中根围基质是由1∶1 的灭菌土壤和河沙混匀而成。接种前测得每100 g 接种菌剂含有1.2×10个真菌孢子。

供试有机氮为谷氨酰胺(分析纯)。种植选用容器为塑料花盆,洗净之后晾干。

1.2 试验设计

试验在云南农业大学科研大棚内进行,大棚内昼夜温度分别为(24±3)℃和(16±2)℃,自然光照。设置种植模式、菌根处理和施氮处理3 个因素。种植模式设辣椒||菜豆间作、辣椒单作和菜豆单作3 种;菌根处理设不接种土著AMF 和接种土著AMF 两种,分别用NM、AMF 表示; 施氮处理设不添加氮、添加有机氮120 mg(N)∙kg两种,分别用N0、N120 表示。共计12 个处理,每个处理重复3 次,共36 盆。

试验所用花盆体积为4421 cm,每盆装土4 kg。先在每盆底层装土2.6 kg,中间土层再装入1 kg 灭菌土,其中需要接种土著AMF 处理每盆添加0.1 kg 菌剂,不接种土著AMF 处理下每盆添加等量的灭菌菌剂,最后在上面再覆盖土0.3 kg。每盆土初次浇水的量按土重的13%用蒸馏水灌溉,平衡放置1 周后再播种。

挑选大小一致且籽粒饱满的辣椒和菜豆种子,经10%的HO进行种子表面消毒10 min 后,经去离子水冲洗多次后,置于25 ℃恒温培养箱中培养2～3 d。挑选出芽整齐的辣椒和菜豆种子播种,单作辣椒和菜豆每盆分别播种6 颗和10 颗,出苗1 周后分别间苗至4 颗和8 颗; 间作处理每盆分别播种辣椒和菜豆4 颗和6 颗,两种作物种植面积比例为1∶1,出苗1 周后分别间苗至2 颗和4 颗。为保证所有处理植物正常生长发育,试验前以溶液形式向混合土壤加入基础肥料,基础肥料种类以及加入量分别为:NHNO、KHPO、KSO、CaCl·2HO、MgSO·7HO、MnSO·HO、CuSO·5HO、ZnSO·7HO、(NH)MoO·4HO 按N 60 mg·kg、P 30 mg·kg、K 67 mg·kg、Ca 20 mg·kg、Mg 4.5 mg·kg、Mn 0.92 mg·kg、Cu 0.54 mg·kg、Zn 1.24 mg·kg、Mo 0.06 mg·kg施用。每盆土按土重的13%用蒸馏水进行初次灌溉,待植株生长1 个月左右,进行施氮处理。定期定量浇水,使土壤含水量保持在田间持水量的75%～80%。

1.3 植株样品采集与测定分析

待作物生长10 周收获,分开收获植株地上部和地下部根系,分别用自来水和适量蒸馏水将其冲洗干净,晾干,测定收获植株的根长、株高等指标,将根修剪成1 cm 根段。取部分根样采用曲利苯蓝-方格交叉法测定植株菌根侵染率; 植株地下部及地上部经烘干(75 ℃,72 h)、称重、粉碎后放置待用。植株含氮量参考《土壤农化分析》测定。植株氮吸收量根据植株干重与植株氮含量的乘积计算。氮素吸收效率是植株地上地下部总体吸收的氮素占土壤总供氮量的比例计算,计算公式为:

菌根依赖性(MGD)是指在一定土壤肥力水平下植物通过形成菌根而能够达到的最大生物量或产量的程度,计算公式为:

式中:AMF 为接种土著AMF 处理的植物总生物量干重,NM 为未接种土著AMF 处理的植物总生物量干重。

种间相对竞争能力(LC)表示辣椒相对于菜豆的资源竞争能力,计算公式如下:

式中:和分别代表间作模式下辣椒和菜豆的生物量,和分别代表单作辣椒和单作菜豆的生物量,和分别代表间作模式下辣椒和菜豆种植面积比例。

1.4 数据分析

试验数据分析采用Microsoft Excel 2010 进行均值和标准差计算; 应用SPSS 20.0 统计软件进行基本分析与邓肯检验,分析同一指标处理间的差异显著性(<0.05)。

2 结果与分析

2.1 接种土著AMF、施氮量和种植方式对辣椒和菜豆菌根侵染率的影响

辣椒和菜豆只有在接种土著AMF 时才能观察到菌根侵染。所有复合处理中,N120-间作处理的辣椒根系菌根侵染率最高,而N0-间作处理的菜豆根系菌根侵染率最低,说明施用一定量的氮能促进间作植物的菌根侵染。在N120 处理下,间作辣椒和间作菜豆根系的菌根侵染率相对较高,分别为39.4%和34.2%,较单作辣椒、单作菜豆分别增加20%和14%; 而N0 处理下间作辣椒和间作菜豆根系的菌根侵染率分别较相应的单作降低13%和17%,其中间作菜豆的降幅比辣椒大,说明间作模式下土著AMF更容易侵染辣椒根系。辣椒和菜豆对接种相同来源的土著AMF 表现出一定的宿主差异性(图1)。

图1 不同施氮量对辣椒||菜豆间作系统土著AMF 菌根侵染率的影响Fig.1 Effects of N application rates on infection rate of indigenous arbuscular mycorrhizal fungi (AFM) in peppercommon bean intercropping system

2.2 接种土著AMF、施氮量和种植方式对间作辣椒和菜豆生长的影响

由表1 可知,在NM-N120 处理下单作菜豆和AMF-N120 处理下的单作辣椒植株相对较高,且前者与相应的间作差异显著(<0.05),说明间作抑制了菜豆和辣椒的植株生长。与NM 处理相比,不施氮下接种土著AMF 的单作辣椒和单作菜豆株高分别增加28%和17%。说明接种土著AMF 促进低氮条件辣椒和菜豆植株生长,且对辣椒的促进作用强于菜豆。在NM 处理下,间作辣椒的根长在同样氮处理下比间作菜豆根系大。

由表1 可知,在同样氮处理-种植模式下接种土著AMF 的菜豆和辣椒植株的地上生物量均大于NM 处理下的辣椒和菜豆植株地上生物量,说明接种土著AMF 能促进寄主植物菜豆和辣椒植株地上生物量。在接种土著AMF 处理下,间作菜豆的地上生物量比在同样氮处理下的单作菜豆显著增加(<0.05),N0 处理和N120 处理下分别显著增加26%和25%; 而间作辣椒的地上生物量与同样氮处理下的单作辣椒相比无显著变化。说明辣椒和菜豆对种植方式响应表现为:菜豆>辣椒。施氮处理对菜豆和辣椒地上生物量的影响不显著。与NM 处理下间作菜豆相比,接种土著AMF 的间作菜豆根系生物量在同样氮处理下显著增加(<0.05),N0 和N120 处理下分别增加41%和53%,说明接种土著AMF 能显著促进菜豆根系的生长。

在NM 处理下,间作辣椒和菜豆的根冠比与同样氮处理下的单作辣椒和菜豆降低,在N0 处理下间作辣椒和菜豆分别比单作降低29%和26%,N120 处理下分别降低15%和26%。但AMF 处理下,间作辣椒和菜豆的根冠比与同样氮处理下的单作辣椒和菜豆的根冠比差异均不显著,说明接种土著AMF 可能影响了间作辣椒和菜豆的生长投资策略(表1)。

表1 接种土著AMF、施氮量和种植模式对辣椒和菜豆株高、根长、生物量及根冠比的影响Table 1 Effects of inoculation of indigenous arbuscular mycorrhizal fungi (AFM),N application rates and planting patterns on plant height,root length,biomass and root/shoot ratio of intercropped pepper and kidney bean

2.3 接种土著AMF、施氮量和种植方式对辣椒和菜豆间作系统土壤pH 的影响

由图2 可知,N0 条件下接种土著AMF,单作辣椒土壤pH 降低3%,单作菜豆的土壤pH 增加3%; 而接种土著AMF 对间作辣椒和菜豆的土壤pH 的影响较小。而N120 条件下接种土著AMF 使单作辣椒的土壤pH 显著增加7% (<0.05),使单作菜豆土壤pH 降低3%,对辣椒菜豆间作系统土壤pH 无显著影响。说明施一定量的氮和接种土著AMF 能改变土壤的酸碱度。

图2 土著AMF 与施氮量对辣椒||菜豆间作系统土壤pH 的影响Fig.2 Effects of inoculation of indigenous arbuscular mycorrhizal fungi (AFM) and N application rate on soil pH of pepper||common bean intercropping system

2.4 接种土著AMF、施氮量和种植方式对间作辣椒和菜豆氮吸收效率的影响

由图3 可以看出,在所有复合处理中，除N120-接种AMF 处理对单作菜豆氮素吸收效率影响较小外,在同样的氮处理和种植模式下接种土著AMF 的氮素吸收效率都相对较高,说明接种土著AMF 可以提高辣椒和菜豆的氮素吸收效率。在N0 条件下接种土著AMF 显著增加了单作菜豆的氮素吸收效率,而N120 条件下接种土著AMF 对单作菜豆氮素吸收效率没有显著影响,说明施一定量的氮可能反而抑制菜豆的氮素吸收。与NM 处理相比,接种土著AMF 处理的间作菜豆和辣椒在同样氮处理下氮素吸收效率增加,其中间作菜豆在N0 和N120 处理下显著增加108%和98%(<0.05),间作辣椒在N0 和N120 处理下增加40%和22%,且同样氮处理下间作菜豆的增幅均大于间作辣椒。说明在土著AMF 处理下两种植物吸氮效率对种植模式的响应强弱表现为菜豆>辣椒,菜豆的氮素吸收竞争强于辣椒的氮素吸收。

图3 土著AMF 与施氮量对辣椒||菜豆间作系统氮素吸收效率的影响Fig.3 Effects of inoculation of indigenous arbuscular mycorrhizal fungi (AFM) and N application rate on N absorption efficiency of pepper||common bean intercropping system

2.5 接种土著AMF、施氮量对辣椒相对菜豆的种间竞争能力的影响

由图4 可知,在NM 条件下辣椒相对菜豆的种间竞争能力大于零,表明辣椒对资源的竞争能力比菜豆更强; 与N0 相比,N120 条件下辣椒对菜豆的竞争能力提高125%。在AMF 条件下辣椒相对菜豆的种间竞争能力小于零,表明辣椒对资源的竞争能力比菜豆弱,与N0 相比N120 条件下辣椒对菜豆的竞争能力降低19%。由此可见土著AMF 处理下菜豆的种间竞争能力强于辣椒的种间竞争能力,且施氮有显著影响(<0.05)。

图4 土著AMF 与施氮量对辣椒相对菜豆的种间竞争能力的影响Fig.4 Effects of inoculation of indigenous arbuscular mycorrhizal fungi (AFM) and N application rate on interspecific competitiveness of pepper relative to common bean

2.6 接种土著AMF、施氮量和种植方式对辣椒和菜豆的菌根依赖性的影响

由图5 可以看出,在所有处理中,施氮处理对单作辣椒的菌根依赖性无显著变化(>0.05),而在其他种植模式下显著降低(<0.05),单作模式下菜豆菌根依赖性显著降低82%,间作模式下辣椒和菜豆的菌根依赖性分别显著降低35.8%和38.5%。间作种植模式下施氮处理对菜豆的菌根依赖性降幅比辣椒降幅大,在单作种植模式下施氮处理对辣椒的菌根依赖性无显著变化,对菜豆却显著降低其菌根依赖性,说明两种植株的菌根依赖性对施肥量响应的强弱表现为菜豆>辣椒。在同样氮处理下间作种植模式能显著降低辣椒(<0.05)的菌根依赖性,N0 处理下显著降低25%,N120 处理下显著降低57.6%,而在同样的氮处理下间作种植模式却能显著增加菜豆(<0.05)的菌根依赖性,N0 处理下显著增加38.5%,N120 处理下显著增加386%,说明两种植株菌根依赖性对种植模式响应的强弱表现为:菜豆>辣椒。

图5 种植模式与施氮量对辣椒||菜豆间作系统菌根依赖性的影响Fig.5 Effects of planting pattern and N application rate on mycorrhizal dependence of pepper||common bean intercropping system

3 讨论

3.1 有机氮施用对辣椒||菜豆种间竞争力的影响

植物竞争能力决定了该物种在自然生态系统中的生存能力。本研究表明在不接种AMF 条件下,不施氮处理辣椒相对菜豆的种间竞争能力为0.60,施一定量氮处理辣椒相对菜豆的种间竞争能力为1.35,施用有机氮比不施氮处理辣椒对菜豆的竞争能力提高125%,说明施氮处理能提高辣椒对菜豆的种间竞争能力,在间作系统中辣椒处于优势地位(图4)。这与其他学者得出的结论一致,一方面由于辣椒地上生物量在外源氮输入下显著增加、根冠比相应降低,说明辣椒在获得更多的氮素营养后将进一步增加对地上生物量的供应,而由于地上生物量增加,植物对光资源竞争渐趋激烈; 另一方面与豆科作物的氮转移及氮节约效应有关。有结果表明,豆科||禾本科间作在低氮土壤中能够显著促进豆科作物结瘤、固氮,而非豆科作物促进了豆科作物固氮和氮素向非豆科作物转移,增加了间作作物对养分的吸收利用以及产量的建成。随着菜豆固氮能力的增强,辣椒进入氮素吸收高峰期,菜豆向辣椒转移的氮替代了部分外源氮,辣椒对氮素竞争力增强,两者由氮素竞争关系转变为互补关系,表现为间作促进了辣椒的氮素吸收累积。本研究也表明氮施用对辣椒和菜豆生长和吸氮效率都有显著促进作用,这与刘圆圆等的研究结果一致。例如当辣椒和菜豆单独种植时氮施用显著增加了辣椒和菜豆的生物量,但辣椒和菜豆混合种植时,氮施用对辣椒生物量影响较大而对菜豆生物量影响微弱(表1),这说明不同植物间作对氮施用会产生不同的响应。也有研究表明在全球氮沉降日益增加的趋势下,基于物种竞争排除的原理,对氮响应积极的喜氮物种将占据更大的优势。

3.2 接种土著AMF 对辣椒和菜豆种间竞争力的影响

种间相对生长竞争力是一种衡量一种作物相对于另一种作物对资源环境综合生长竞争能力大小的重要综合指标,与作物生长密切相关。

本研究表明,NM-N120 处理下单作菜豆和AMFN120 处理下的单作辣椒植株相对较高,且分别与同样菌根-氮处理下的间作菜豆和间作辣椒的株高差异显著(<0.05)(表1),不施有机氮处理下,单作辣椒的菌根依赖性显著高于菜豆，而间作辣椒对菌根依赖性显著低于菜豆(图5),这与土著AMF的寄主专一性有关。Klironomos研究指出,虽然AMF 对植物的侵入感染繁殖过程没有严格的专一性,但是不同AMF 与不同宿主植物间亲和力仍然存在一定差异,不同寄主植物对菌根的依赖性不同,因此获得的效益程度也有所不同。本研究也表明在未接种土著AMF 条件下,辣椒相对菜豆的种间竞争能力大于零,在接种土著AMF 条件下,辣椒相对菜豆的种间竞争能力小于零(图4),说明辣椒对资源的竞争能力强于菜豆,但与土著AMF 的共生增强了菜豆的竞争能力而相对降低了菜豆的竞争能力,这与其他学者在研究接种土著AMF 对相邻二者的竞争力产生了差异性影响的结果基本一致,土著AMF 的上述作用使个体较小的植物在AMF 帮助下提高获取养分资源的能力从而增加了相对竞争能力,并可以抗衡处于竞争优势个体较大的植物,使竞争趋于动态平衡,实现物种共存。

4 结论

本研究结果表明,接种土著AMF 可一定程度促进辣椒和菜豆生长,并在有机氮施用下促生效果更好,且间作条件下可减弱处于优势作物的养分竞争能力而增强处于劣势地位的作物的相对竞争力,从而证实了AMF 在辣椒和菜豆生长和在调节与改善豆科作物种间竞争中的重要作用,这在一定程度上说明土著AMF 在调控间作植物间的资源利用和维持农田作物多样性方面具有重要的生态学意义。