菌丝营养钵栽培对烤烟根系生长的影响

艾 栋，刘青丽，常乃杰，闫芳芳，边立丽，李 斌，李志宏，冯文强，张宗锦，陈 曦，张文洪，郑敏瑞，彭志立，张云贵*

（1 中国农业科学院农业资源与农业区划研究所,北京 100081；2 四川烟草公司攀枝花市公司,四川攀枝花 617026；3 中国烟草总公司四川省公司,四川成都 610041；4 深圳市泽青源科技开发服务有限公司,广东深圳 518000；5 中国烟草总公司郑州烟草研究院,河南郑州450001；6 云南农业大学烟草学院,云南昆明 650201）

根系健康是植株正常生长的前提，而良好的根区环境则是根系生长健康的保障[1]。常规作物移栽时，根系和原土体直接接触，无法阻抗土传病害发生，导致作物减产、品质降低几率升高[2]。利用有机物料将根系与原状土隔离来阻抗土传病菌侵害，改善根区微生态环境，促进根系生长发育是经济作物栽培技术研究的热点之一。如朱荷琴等[3]和韩迎春等[4]在棉花上采用基质育苗，避免了土壤中病原菌对棉花幼苗的侵染，棉苗带基质一起移栽保留了大量的原生根，移栽后生根快、生根多。也有研究在营养基质上接种菌丝以改善和提高营养基质促进根系发育和生长的效果。如石青莲等[5]在以表土、草炭土、过磷酸钙等为主要原料的营养土中，接种固体红绒盖牛肝菌剂和棉毛丝膜菌剂，发现该措施可以促进板栗根系生长、增加侧根数量。王连润等[6]在栽培介质中添加菌剂，蓝莓的根长比未接种菌剂的处理提高了5.79%。也有研究证明基质接种菌根真菌，有利于根系养分吸收、增加地下部生物量[7]。这些研究主要集中于利用活菌改善根区环境和促进根系生长的生物学效应，较少关注菌丝侵染的有机材料对根区微生态及根系生长的影响。

真菌孢子在萌发过程中能不断形成菌丝，菌丝通过不断生长和缠绕植物纤维形成紧密的网状结构[8]，利用这种特殊方式制备的复合材料具有保温性强[9-10]、抗菌性强[11]、吸水性强[8]、能够自然降解等优良特性。因为取材天然、加工无污染、清洁无毒、可持续性发展等特点，菌丝复合材料也逐渐引起了国内农业领域专家的关注和重视。如菌丝复合材料在设施蔬菜上的研究发现，利用真菌菌丝将秸秆农业废弃物与椰糠、蛭石扭结形成定植块，能够增强蔬菜根区透气性、增加疏松度、提高保水性等，其根系鲜重比海绵定植块处理提高了179%～375%[12]。攀枝花地区11月至次年5月降水量仅占全年降水量的10%～20%，致使缓苗期烟苗严重缺水；伸根期的有效降雨量极小、缺水率极大，根区土壤水热难以协调、干旱严重，根系生长发育迟缓[13]。灰管层孔菌(Fomes lignosus)是一种菌丝生长快速、菌丝体扭结力强、可快速腐解纤维素的白腐真菌。彭志立等[14]在利用灰管层孔菌的菌丝侵染秸秆碎屑开发可降解生物质材料上的研究发现，灰管层孔菌的速生菌丝和分泌物仅需2～3天便可快速缠绕和胶结秸秆碎屑实现脱模。依据该研究成果，我们制备了菌丝营养体生长钵(mycelium-straw bowl，专利号CN201710018453.0)，利用菌丝复合材料的强保温性和高吸水性，将烟苗移植其中能够在根系附近形成局部的微环境，极有利于减轻根区旱害，保障缓苗及伸根期根系生长发育，促进烟株早生快发。我们尝试解决以下几个问题：1)研究菌丝营养钵对土壤微生态的影响；2)探究菌丝营养钵对根系形态的影响；3)探明菌丝营养钵对根系生物量的影响。通过此研究，以期为烟叶生产中解决移栽方式的转型和提升提供理论支持和科学指导。

1 材料与方法

1.1 菌丝营养钵和营养基质制备

主要原材料为玉米秸秆(0.1～5 mm)、麦麸、淀粉等天然可降解物料。菌种为灰管层孔菌(Fomes lignosus)。将玉米秸秆切碎后，与麦麸、淀粉等材料混匀，再调控含水量为55%～60%，经隧道式微波灭菌设备灭菌后制成直径13 cm、高13 cm、壁厚1 cm的圆锥型营养钵，灰管层孔菌(Fomes lignosus)液喷于营养钵上，在温度20℃～26℃、相对湿度60%～70%的无菌暗环境下培养2～3天，形成肉眼可见的菌丝缠绕营养钵，然后108℃下干燥(灰管层孔菌被灭活)至含水量低于15%，即可得到成品菌丝营养钵(图1A)，详细制作方法参照专利CN2017 10018453.0。

图1 菌丝营养钵及其田间栽培示意图Fig. 1 Mycelium-straw bowl and its field cultivation diagram

营养基质由腐殖酸钾、腐熟有机肥、珍珠岩和无菌大田土(土壤经高温灭菌制得)按照4∶4∶1∶1比例混合而成，菌丝营养钵和混合基质的养分含量见表1。菌丝营养钵田间栽培示意图见图1B。

表1 菌丝营养钵和基质养分含量Table 1 Nutrient content of mycelium-straw bowl and nutrient matrix

1.2 试验点概况

试验地点在四川省攀枝花市仁和区平地镇26°11′43′N，101°48′4′E。试验区属亚热带季风气候，具有四季不分明，昼夜温差大，气候干燥，日照长等特点，年平均气温20.4℃，年积温达7450℃，年日照时数达2745 h，无霜期300天以上[15]。供试土壤为紫色土，试验前对土壤理化性质进行测试，土壤pH为6.0、全氮0.912 g/kg、碱解氮64.5 mg/kg、有效磷23.4 mg/kg、速效钾226.8 mg/kg、有机质14.9 g/kg。

1.3 试验设计

采用大田试验，以云烟87为供试品种，设置常规移栽方式(CF)和菌丝营养钵移栽方式(MF)，每个处理3次重复，每个小区面积为51 m2。烟苗移栽密度为16500株/hm2，氮、磷、钾纯养分投入量分别为112.5 、90、315 kg/hm2。试验用肥料包括：烟草专用肥(N∶P2O5∶K2O=12∶12∶24)、磷酸一铵(N 10%、P2O550%)、硝铵磷(N 32%、P2O54%)、普钙(P2O516%)、硫酸钾(K2O 51%)和硝酸钾(N 13.5%、K2O 44.5%)。基肥和追肥的比例为7∶3。基肥在垄面下深度15 cm的位置，施肥半径14 cm。MF处理小区烟苗移栽前先将菌丝营养钵浸泡至软化，再将带育苗基质的6片真叶烟苗移植在菌丝营养钵内，保持烟苗叶片露出营养钵上缘的状态下将整个营养钵栽于土壤中(图1B)。CF不接种灰管层孔菌，向栽苗器中依次添加与营养钵相同的原料及营养基质，与6片真叶烟苗一并栽入土壤。移栽时间为2020年5月8日，烟苗移栽当天施用提苗肥，提苗肥占追肥比例的10%，稀释100倍后随水浇施。追肥在移栽后25天施用，肥料稀释100倍后浇施。试验田烟苗移栽后全部覆膜，揭膜上厢时间为2020年6月8日。烤烟采烤时间为2020年8月4日—9月8日。

1.4 样品采集及测定方法

1.4.1 样品采集 试验地施用基肥前，多点取土壤样品1 kg；菌丝营养钵和基质各500 g制备样品。

试验移栽当天，取同规格的菌丝营养钵24个，使用网袋填埋法填埋于菌丝营养钵移栽的小区中。

移栽后 10、20、30、40、50、60、90、120天，取菌丝营养钵3个，带回实验室洗净制样。移栽后 10、20、30、40、50、60、75、90、120 天，选择代表性烟株，从垄面茎基部切割，分为地上和地下两部分，网袋收装地上部后，使用取土铲在烟垄两侧(横向距离为50 cm)作垂直切割，向内逐层挖掘、清理根系。再将完整部位带回制样。

1.4.2 指标测定 移栽后0、10、20、30、40、50、60、75、90、120 天，在距根茎 2.5、7.5、12.5、17.5 cm，距表土5、10、15 cm处测定土壤电导率(移栽后当天不测)和温、湿度，电导率仪型号为Spectrum ECTestr 11+，温湿度速测仪型号为JL-19-2(水分传感器型号为FDS-100)。MF处理去除适当表土至营养体上缘裸露后测定数据，CF处理去除与MF一致厚度的表土后测定数据。根区电导率和温湿度测定时，以小区为单位，电导率重复测定5次，温湿度重复测定2次。

移栽后60天的烟草根系经扫描成像后，使用WinRHIZO分析根长度、根系体积、根尖数、根表面积，及直径分别为≤1.0 mm (极细根)、1.0～2.0 mm (细根)、≥2.0 mm (粗根)的根长度和根尖数。干物质重、腐解率使用烘干法测定。

土壤样品测定pH、全氮、碱解氮、有效磷、速效钾和有机质含量；菌丝营养钵和基质样品测定pH、全氮、全磷、全钾和全碳含量[16]。菌丝营养钵密度使用充填体积法测定[17]，基质密度使用自然堆积体积法测定[18]。

1.4.3 计算方法 试验地块灌溉水量折算为降水量，根区特征电导率采用反距离权重法计算[19]，计算公式如下：

式(1)中 ：x0,y0为权重中心；n为实测点数；xi,yi表示第i个取样点距权重中心的横纵距离；Ei(xi,yi)为第i个取样点的电导率或者温度、湿度值。

腐解率采用重量法计算[20]，腐解率随时间的动态变化使用一级动力学模型拟合[21-22]，计算公式如下：

式(2)和(3)中：W为菌丝营养钵腐解率；M1为菌丝营养钵烘干重量；M0为菌丝营养钵原始重量；K为常数，指菌丝营养钵腐解率最大值，表征腐解潜力；b为常数，是腐解速率常数，表征菌丝营养钵腐解的快慢；t为菌丝营养钵填埋后天数。

生物量随时间的动态变化使用Logistic模型拟合[23]，计算公式如下：

式(4)中：x为烟株移栽后天数；y为根系生物累积量；a0、x0、k为模型参数。

1.5 统计分析

使用Microsoft Excel 2016进行数据整理和T检验；用Sigmplot 14.0进行绘图及回归分析。

2 结果与分析

2.1 菌丝营养钵腐解特征

图2显示，菌丝营养钵在烤烟生育期腐解呈现“先快后慢”的特征，腐解率前期逐渐增大，最后趋于稳定。填埋后第10至30天，腐解较快，累积腐解率为10.3%～30.5%；第40至60天，腐解减缓，累积腐解率为34.4%～41.4%；第90至120天，累积腐解率为49.6%～59.0%。采用一级动力学方程对菌丝营养钵的腐解过程进行拟合，方程拟合精度较高(R2=0.96，P< 0.01)，通过对方程求解可知，腐解速率常数为0.0197，理论最大腐解率为62.4%，腐解率达50%时所需的时间为82天。

图2 菌丝营养钵随烟草生长的腐解动态Fig. 2 Decomposition dynamics of mycelium-straw bowl with tobacco growth

2.2 菌丝营养钵对土壤温湿度的影响

年度烤烟生长季补水(灌溉和降水)过程大致可以分为3个阶段，为移栽后第0～10、37～38、70～120天。栽后第10天的土壤温度比栽后当天下降了8.4℃～10.2℃，土壤湿度则提高了12.0%～12.4%；栽后第40天的土壤温度比栽后第30天下降了8.2℃～8.5℃，土壤湿度则提高了9.3%～15.9%；栽后第120天的土壤温度比栽后第60天下降了3.4℃～4.1℃，土壤湿度则提高了16.4%～18.1% (图3A)。移栽当天浇施提苗肥水后，MF处理根区土壤湿度较常规低6.2%；移栽后10天降水43.2 mm，MF处理土壤湿度较常规低5.7%；移栽后第20、30天，未灌溉或降水，MF处理土壤湿度分别高于常规2.0%、3.5%，但差异不显著。气候因素决定着土壤湿度和温度的变化，营养钵栽培在一定程度上对土壤湿度有一定的调节作用，为前期根系生长发育创造了良好的环境条件。

图3 不同移栽方式下根区温湿度及电导率Fig. 3 Temperature,humidity and electrical conductivity in flue-cured tobacco rhizosphere under different transplanting methods

随着菌丝营养钵腐解程度的增加，MF处理对根区土壤温湿度的影响逐渐变弱。菌丝营养钵的保水性能具有腐解前期优于腐解中后期的特点，随着菌丝营养钵逐渐腐解，菌丝营养钵移栽方式与常规移栽方式的土壤温湿度在大田烤烟生育中后期差异并不显著。

2.3 菌丝营养钵对土壤电导率的影响

由烤烟全生育期根系纵向和横向不同间距测试的电导率平均值（图3B）可知，移栽后10～30、40～60、75～90天，随移栽天数的增加土壤电导率下降。

烤烟生育期的主要降水过程分别为移栽后8、37～38、70～120天(图3B)，降水量分别为43.0、79.8、419.5 mm。栽后20天与栽后10天相比，MF、CF的土壤电导率分别下降了251.3、419.5 μS/cm；栽后50天与栽后40天相比，MF、CF的土壤电导率分别下降了487.2、601.5 μS/cm；第3次降雨过程中，菌丝营养钵移栽后120天的土壤电导率较栽后60天提高了35.0 μS/cm，常规对照的土壤电导率则下降了 53.0 μS/cm。

2.4 菌丝营养钵对烤烟根系形态的影响

根系形态表征根系生长发育的质量，根系伸展广度和深度体现烟株吸收养分和水分能力的强弱。从表2可知，菌丝营养钵移栽处理(MF)的根系表面积、体积和根尖数显著高于常规移栽(CF)，分别比CF处理高27.5%、55.7%和36.4%。根系体积、表面积的显著增加，扩大了根系与土壤的接触面积，为根系从土壤中吸收养分提供了更多的场所；而根尖数的显著增加，则直接增加了根系吸收土壤养分的能力。

表2 不同移栽方式下烤烟根系形态的影响Table 2 Root morphology of flue-cured tobacco under different transplanting methods

菌丝营养钵移栽方式的烤烟总根长和根直径与常规移栽的没有显著差异(表2)。但依据根直径进行分类发现，根直径≥2.0 mm时，菌丝营养钵处理的根长度显著高于常规移栽；根直径≤1.0 mm时，菌丝营养钵处理的根尖数显著多于常规移栽(表3)。直径≥2.0 mm的粗根长度值高，根系可以扩展到更深更广的位置获取土壤的养分和水分；根直径≤1.0 mm的根尖数多，增强了根系吸收养分和水分的能力。根系形态和结构分析结果表明，菌丝营养钵处理的植物根系吸收养分和水分的范围更宽广，根系结构更加合理，增强了烤烟根系吸收养分和水分的能力。

表3 烤烟不同移栽方式下不同直径范围内的根系长度及根尖数Table 3 Length and tip number of flue-cured tobacco roots at various diameter as influenced by transplanting methods

2.5 菌丝营养钵对烤烟根系生物量积累的影响

烤烟生育期的根系生物量增长动态符合生长型曲线规律(表4)，采用Logistic方程对不同处理根系生物量的增长过程进行拟合，拟合精度均较高(R2≥0.94，P<0.01)。进行方程求导可知，MF处理的根系生物量快速累积初始时间和终止时间分别是栽后53.4天和栽后85.2天，分别比CF处理提前3.9天和9.9天，快速累积期比CF处理缩短了6天。试验地所在区域烤烟生长前期处于旱季，本研究菌丝营养钵移栽方式改善了干旱条件下的烟株生长发育状况，有利于烟株提前进入旺盛生长，缩短了根系生物量累积周期。模型二阶求导可知，MF处理的根系生物量最大累积速率为1.6 g/(plant·d)，最大累积速率出现时间为栽后69.3天，比CF提高33.3%、提前6.9天。说明菌丝营养钵移栽方式改善烟株根系生物量累积状况，促进根系生物量的快速积累，可以有效避免后期多雨贪青现象的发生。

表4 不同移栽方式下烤烟根系生物量的影响 (g/plant)Table 4 Root biomass of flue-cured tobacco under different transplanting methods

在移栽后第60天、75天和90天，菌丝营养钵处理(MF)的田间根系生物量高于常规移栽(CF)，分别比CF处理高6.3、19.3和10.8 g/株。菌丝营养钵处理的土壤温湿度条件优于常规移栽，土壤养分流失少，良好的养分水分供应维持了根系的活力，使根系形态结构更加合理，获得了更高的根系生物量累积。

3 讨论

3.1 菌丝营养钵腐解特征及其影响因素

已有研究表明，5 cm长度的玉米秸秆填埋 365至730天后，腐解率为60.6%～79.6%[24]。本研究结果表明，菌丝营养钵填埋120天后，腐解率达59.0%，尽管菌丝营养钵田间使用前经过干燥灰管层孔菌被灭活，但仍具有远高于秸秆填埋的腐解潜力。一般微生物对有机物降解的适宜碳氮比为25∶1[25]，本研究中菌丝营养钵碳氮比为27.7∶1，加上碎屑被菌丝侵染后形成了多孔的锥体结构，可能加快了微生物对菌丝营养钵的降解。一级动力学方程拟合结果表明，菌丝营养钵腐解速率常数为0.0197，理论最大腐解率为62.4%，腐解率达50%时所需要的时间为82.0天。黄菲等[22]的研究表明，水稻、小麦的秸秆理论最大腐解率分别为72.1%和57.2%，腐解速率常数分别为0.024和0.030，与本研究不同的是其秸秆使用了水作的翻压处理，充足的田间饱和水有利于秸秆腐解。秸秆腐解受到秸秆长度[26]、还田量[27]、气候[28]等复杂因素的影响，腐解特征表现为“前期快后期慢”[29-31]。土壤微生物群落组成和可溶性有机物含量均受温度和水分的影响，适宜范围内的温度升高可增强微生物活性[32-33]、促进秸秆分解[34-36]。

3.2 菌丝营养钵对土壤和作物的影响

菌丝营养钵对土壤温湿度的影响表现为烤烟生长前期大于后期，能够保持根区电导率的相对稳定，与程宏波[37]、邓亚鹏等[38]的研究结果并不一致，二者的研究结果表明，秸秆还田对土壤温度的影响为前期提高、后期降低，能够显著增加土壤湿度和提高土壤电导率。究其原因为土壤中秸秆隔层可以阻隔水盐流动[39]，在烤烟生长前期锥型营养钵将根系包围成一个整体，营养钵腐解少、保水性能更好，而烤烟生长后期由于营养钵腐解较多，其保水性能减弱，逐渐降低两种移栽方式的土壤温湿度差异。菌丝营养钵对土壤温度和湿度有着相反的效应，原因可能是菌丝直径通常在1～30 μm[40]，其缠绕秸秆碎屑后形成了更多微型孔径，灌溉或降水时能够促进根区水分输运，保障烤烟根系不会出现涝害；但菌丝经干燥处理后导热系数低至0.05～0.07 W/(m·k)[41]，对土壤温度传递有阻碍作用。

本研究结果表明，菌丝营养钵移栽能够改善根系形态、优化根系结构、增加极细根分布量、提高根系生物累积量，与曾宇[42]研究结果较为一致。姜英等[43]、严奉君等[44]研究也发现，秸秆还田可改善根系形态、增加根系干物质积累。而甄安忠[45]、吕世俊[46]、王艳丽[47]的研究表明，烤烟根系快速生长期为栽后45～90天，最大值出现时间为栽后54.8～59.7天，最大累积速率为1.6～3.0 g/(plant·d)，这与本试验结果并不一致，究其原因可能为气候、品种、土壤等环境条件影响Logistic模型的坡度和饱和值[48]，本试验烤烟生育前期气候干燥、昼夜温差大，试验区少雨多旱推迟了烟株生长发育的关键节点。

尽管本研究通过田间试验分析了烤烟生长过程中菌丝营养钵对烤烟根区微生态环境及根系生长的影响，肯定了菌丝营养钵移栽方式的积极作用。但是，本研究结果的应用仍存在诸多限制，主要有以下几方面：1)生态因素的不可复制性，烤烟生长受到当季生育期气候和植烟土壤理化性质影响较大，本试验于攀枝花当地气候条件下进行，供试土壤为紫色土，不能代表其它地区特殊气候环境及土壤条件；2)试验年限，本研究仅进行了一年的田间试验，随着种植年限增加，菌丝营养钵腐解产物对土壤微生态环境和根系生长的影响有待研究；3)缺乏烟株生理指标的测试，本试验指标是土壤温湿度、电导率、根系形态等宏观指标，不能代表烤烟生长过程中菌丝营养钵对根系生长影响的全部。

4 结论

菌丝营养钵移栽方式的烤烟根系生物量快速累积初始时间、终止时间和最大累积速率出现时间比常规移栽方式分别提前了3.9、9.9和6.9 天，累积持续时间比常规移栽方式缩短了6 天，生物量最大累积速率比常规移栽方式提高了33.3%，更加有效地利用了移栽灌水和早期降雨有利条件，促进了根系的早生快发。采用菌丝营养钵移栽方式较常规移栽方式显著增加了烤烟的根系表面积、体积和根尖数，尤其是直径≥2.0 mm根的长度和直径≤1.0 mm根的根尖数，根系结构更加合理，进而提高了根系吸收养分和水分的范围和能力。

菌丝营养钵移栽方式对土壤湿度有一定的调节作用，移栽当天和移栽后第10天的土壤湿度分别比常规移栽方式降低5.7%和6.2%，移栽后第20天和30天的土壤湿度分别比常规移栽方式提高2.0%和3.5%。为根系生长发育创造了良好的环境条件。利用菌丝营养钵移栽方式土壤电导率在烤烟全生育期的变幅小于常规栽培，可以为烤烟提供更加稳定的养分供应。