间作与接种丛枝菌根真菌对新垦山地玉米产量和土壤肥力的影响

陶 晶，邬奇峰，石 江，李松昊，葛江飞，陈俊辉，徐秋芳，梁辰飞，秦 华，*

(1.浙江农林大学 环境与资源学院，浙江 杭州 311300； 2.杭州市临安区农林技术推广中心，浙江 杭州 311300； 3.杭州市农业科学研究院 农作物(生态)研究所，浙江 杭州 310008)

耕地是宝贵的战略资源。我国耕地面积仅占国土面积的14%，且2/3为中低产田，后备耕地资源严重不足[1]。尽管国家对耕地保护和占补平衡做出了明确的规定，但从各地的实践来看，“占地多为好地，补地多为次地”[2]，补充耕地的质量与占用耕地的质量不匹配，有违耕地占补平衡制度的设计初衷。各地新开垦的大多是山地或者坡地，存在着土层浅薄、砾石较多、养分含量低、抗旱能力差等问题。耕地对于保障国家粮食生产安全、国民经济发展、社会稳定具有不可替代的作用[3]；因此，提升新垦山地的土壤肥力势在必行。目前，新垦耕地大多通过施用有机肥和土壤调理剂等方式提升地力，关于利用土壤有益微生物提升新垦耕地地力的研究还不多见。此外，土壤有益微生物与种植制度联合对新垦耕地地力提升的影响等，也还有待于深入研究。

丛枝菌根真菌(AMF)是重要的土壤微生物，能与80%以上的陆生植物形成互惠共生关系，在促进植物养分吸收、修复根系功能、改良土壤结构、协调复垦土壤的水肥供应、修复生态等方面具有重要作用[4]。研究表明，AMF能够增加宿主植物对土壤营养元素碳、氮、磷、钾等的吸收利用，改善土壤结构，提高作物的产量与品质[5-6]。人工接种AMF对矿区采煤沉陷地复垦植物恢复具有促进作用，在土壤养分水平较低的情况下，AMF可与宿主植物根系形成良好的共生关系，进而发挥共生体优势，促进复垦植物对营养的吸收利用，从而提高植物成活率[7]。

间作是典型的利用不同物种空间生态位、营养生态位互补作用的资源高效型种植模式[8]。间作群体中，竞争是影响作物生长、产量形成和水分利用的关键因子[9]。不同类型的作物对有限资源的竞争、互补利用潜力不同。针对不同地区的资源条件，在了解不同作物生物学特征的基础上，合理配置不同类型的复合群体可以灵活利用不同形式的互补作用，达到充分发挥间作优势的目的[10]。张智晖[11]认为，玉米-大豆间作可显著提高土壤的速效钾含量，同时降低土壤的有机质含量；杜青峰等[12]通过竹豆、田菁、柽麻与夏玉米的间作试验，发现间作较玉米单作可提高根际土壤硝态氮、速效磷和速效钾含量，也利于作物对土壤养分的吸收利用[13]。

在新垦山地上，AMF与植物间作系统能否提高作物产量和土壤肥力？其相互作用机制如何？为此，本研究设置接种和不接种AMF两种处理，在每个处理下设置玉米单作或与不同作物间作的种植模式，旨在探讨AMF联合不同种植模式对作物产量和土壤肥力的影响，并以土壤团聚体、土壤养分含量、土壤酶活性为指标，揭示其对土壤养分有效性和植物养分利用的影响，以期为建立新垦山地地力提升技术体系提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验样地和材料

试验于2018年在临安市於潜镇海龙农场(地理坐标为119°44′E，30°11′N)进行。试验区气候温暖湿润，光照充足，雨量充沛，四季分明，属亚热带季风气候。试验样地为新开垦的山地，养分贫瘠，土壤结构差，障碍因素多，生产能力低。其基本理化性质如下：pH值5.01，有机质含量11.30 g·kg-1，碱解氮含量56.41 mg·kg-1，速效钾含量65.33 mg·kg-1，有效磷含量2.18 mg·kg-1。

供试AMF菌种为光壁无梗囊霉(Acaulosporalaevis90034)，从中国科学院南京土壤研究所获得。以玉米为宿主植物，将供试AMF在灭菌河砂中繁殖4个月后，去除玉米地上部分，将根剪碎，制成菌丝体、真菌孢子、侵染根段的混合接种物。供试玉米品种为杭州市农业科学院选育的钱江糯3号，在育苗盘中接种AMF菌剂，培育菌根化玉米苗，待玉米生长至三叶一心时移栽。供试番薯品种为天目山小香薯，供试大豆购自当地农资公司。

1.2 试验设计

试验采用裂区设计，设置接种和不接种AMF两个处理，分别简记为NM和AM，每个处理下再设置玉米-番薯(C-P)和玉米-大豆(C-S)2个间作处理，同时以玉米单作(C)为对照，共计6个处理，每个处理3个重复，每个小区面积为14.4 m2。作物种植前，按玉米生长过程中所需养分，一次性施入有机肥(有机质含量≥45%， N+P2O5+K2O≥5.0%)7.64 t·hm-2、复合肥(N-P2O5-K2O，15%-15%-15%)0.76 t·hm-2、尿素(N 46%)0.15 t·hm-2，并与土壤混合均匀。作物生长过程中采用常规管理。

1.3 样品采集

2018年7月8日定穴种植，10月18日玉米成熟，测定玉米产量。采用土钻“S”形5点取样法采取0～20 cm的表层土壤，装入自封袋放入冰盒，带回实验室分析。取一部分原状土分析土壤团聚体，剩余土样过2 mm筛，鲜土尽快测定土壤酶活性，风干土用于测定土壤理化性质。

1.4 土壤团聚体和理化性质分析

土壤团聚体测定参照Elliott[14]湿筛的方法，称取风干原状土50 g置于2、0.25、0.053 mm的套筛上，将套筛放入水桶中浸泡5 min后，手动上下振荡2 min(振幅3 cm，频率30次·min-1)，按次序收集各级孔筛和桶中土样于铝盒中，依次分别为大团聚体(>2 mm)、较大团聚体(0.25～2 mm)、微团聚体(0.053～0.25 mm)和黏粉粒组分(<0.053 mm)，60 ℃烘干称重。

土壤理化性质分析参照鲁如坤[15]方法，简述如下：土壤pH值测定采用1∶2.5土水质量比浸提，用酸度计测定；有机质(SOM)采用重铬酸钾-硫酸外加热法，FeSO4滴定；碱解氮(AN)采用碱解扩散法，稀盐酸滴定；有效磷(AP)采用盐酸-氟化铵溶液浸提—钼锑抗比色法测定；速效钾(AK)采用醋酸铵提取—火焰光度计测定。

1.5 土壤酶活性测定

脲酶(Ure)，以尿素为底物，苯酚钠次氯酸钠显色法[16]；蛋白酶(AG)、β-葡萄糖苷酶(BG)、纤维二糖水解酶(CB)、亮氨酸氨基肽酶(LAP)、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶(NAG)、磷酸酶(PHOS)、β-木糖苷酶(XYL)等，参照陆海飞[17]的荧光微孔板检测技术，简述如下：称取2 g鲜土于离心管中，加入30 mL缓冲液，25 ℃ 180 r·min-1摇床振荡30 min，再用70 mL缓冲液冲洗至烧杯中，搅拌混匀后，取200 μL土壤悬液、50 μL底物分别加入96孔板中，于25 ℃培养箱中避光培养3 h，然后加入15 μL 0.5 mol·L-1氢氧化钠结束反应，荧光分光光度计检测，计算土壤酶活性。

1.6 数据分析

采用Excel 2003处理数据，利用SPSS 18.0对数据进行统计分析。单因素方差分析接种或不接种AMF条件下不同种植模式之间的差异显著性(P<0.05)，配对T检验分析同一种植模式下接种和不接种AMF处理之间的差异显著性(P<0.05)。采用一般线性模型(GLM)分析不同种植模式和是否接种AMF对作物产量和土壤理化性质的交互作用；采用皮尔逊相关分析探讨土壤酶活性与土壤理化性质的相关关系；采用Canoco 5.0分析不同处理土壤酶活性的总体差异；利用冗余分析(RDA)找出与土壤酶活性关系密切的环境因子，采用999次的蒙特卡罗排列检验(MonteCarlo permutation test，999 permutations，full model)进行显著性检验。

2 结果与分析

2.1 不同处理对玉米产量的影响

不接种AMF条件下，2种间作模式均显著(P<0.05)提高了玉米产量。接种AMF后，仅玉米-番薯间作处理的玉米产量显著(P<0.05)高于玉米单作处理(图1)。双因素方差分析结果表明，仅种植模式对玉米产量有显著(P<0.05)影响，而是否接种AMF及其与种植模式的互作效应对玉米产量并无显著作用。

在相同的接种或不接种AMF模式下，不同种植方式柱上无相同字母的表示不同处理间差异显著(P<0.05)。下同。Bars marked without the same letters indicated significant (P<0.05) difference within treatments of different planting patterns under the same AM inoculation status. The same as below.图1 不同处理的玉米产量Fig.1 Corn yield under different treatments

2.2 不同处理对土壤理化性质的影响

在不接种AMF的条件下，各处理的土壤pH值和养分含量均没有显著差异(表1)。接种AMF后，玉米-番薯间作的有效磷含量显著(P<0.05)高于玉米-大豆间作，玉米单作处理的碱解氮含量显著(P<0.05)高于玉米-番薯间作和玉米-大豆间作，玉米-大豆间作处理的土壤pH值显著(P<0.05)低于玉米单作。与不接种AMF相比，接种AMF后玉米单作处理的土壤pH值和碱解氮含量显著(P<0.05)升高。双因素方差分析结果表明，种植模式对土壤有效磷、碱解氮和pH值影响显著(P<0.05)，是否接种AMF对土壤pH值影响显著(P<0.05)，两者的互作效应对土壤碱解氮含量具有显著(P<0.05)影响。

2.3 不同处理对土壤团聚体的影响

由表2可知，无论是否接种AMF，不同种植模式的土壤粒径组成均无显著差异。玉米单作处理下，接种AMF后，>2 mm的大团聚体比例较不接种AMF显著(P<0.05)增高。双因素方差分析结果表明，是否接种AMF和种植模式均对土壤2～0.25 mm的较大团聚体占比有显著(P<0.05)影响。

2.4 不同处理对土壤酶活性的影响

如图2所示，在未接种AMF条件下：与玉米单作相比，玉米-大豆间作处理显著(P<0.05)提高了蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶活性；玉米-大豆间作处理的纤维二糖水解酶活性显著(P<0.05)高于玉米单作和玉米-番薯间作；玉米单作和玉米-大豆间作模式下磷酸酶活性显著(P<0.05)高于玉米-番薯间作。接种AMF后，玉米-番薯间作处理的土壤脲酶活性显著(P<0.05)高于玉米单作和玉米-大豆间作，而玉米单作处理的N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶活性显著(P<0.05)高于玉米-番薯和玉米-大豆间作模式。

表1 不同处理的土壤理化性质Table 1 Soil physicochemical properties under different treatments

同列数据后无相同小写字母的表示在接种或不接种AMF条件下不同处理间差异显著(P<0.05)，无相同大写字母的表示同一种种植方式下接种和不接种AMF间差异显著(P<0.05)。下同。
In the same column， data marked without the same lowercase letters indicated significant (P<0.05) difference within treatments under the same AM inoculation status， and the data marked without the same uppercase letters indicated significant (P<0.05) difference between the treatments with different AM inoculation status under the same planting pattern. The same as below.

表2 不同处理下不同粒径土壤团聚体的质量比例Table 2 Mass fraction of soil aggregates under different treatments

玉米-番薯间作模式下，接种AMF显著(P<0.05)提高了土壤脲酶和纤维二糖水解酶活性；玉米-大豆间作模式下，接种AMF显著(P<0.05)降低了β-葡萄糖苷酶、磷酸酶活性；在玉米单作模式下，接种AMF显著(P<0.05)提高了蛋白酶和N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶活性。

双因素方差分析结果表明，种植模式对土壤中脲酶、磷酸酶活性有显著(P<0.05)影响，是否接种AMF对土壤脲酶、蛋白酶、N-乙酰-β氨基葡萄糖苷酶活性有显著影响(P<0.05)，两者的交互效应对土壤蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、磷酸酶、脲酶、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶活性有显著(P<0.05)影响。

图2 不同处理的土壤酶活性Fig.2 Soil enzymes activity under different treatments

2.5 土壤酶活性和土壤养分含量的相关性

由表3可知，β-木糖苷酶活性与pH值呈显著(P<0.05)正相关，蛋白酶和N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶活性与pH值呈极显著(P<0.01)正相关。有机质含量与磷酸酶活性呈极显著(P<0.01)负相关，速效钾含量和脲酶活性均呈显著(P<0.05)负相关。碱解氮含量与N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶、磷酸酶活性呈显著(P<0.05)正相关，与β-葡萄糖苷酶活性呈极显著(P<0.01)正相关。有效磷含量与脲酶活性呈显著(P<0.05)正相关。

2.6 冗余分析

对土壤酶活和相关理化因子进行冗余分析，结果(图3)表明，第1排序轴和第2排序轴的特征值分别为0.556和0.019，即其分别解释了55.6%和1.9%的酶活性变化。由此可知，前两轴能较好地反映出土壤酶活性与土壤理化因子的相关性，且主要由第一轴决定。接种AMF条件下，玉米单作与不同间作处理的土壤酶活性有明显区分，而不接种AMF条件下，两种间作模式的土壤酶活性存在明显差异，但与玉米单作没有差异。玉米与大豆间作条件下，接种与不接种AMF的处理在第一轴上差异明显。冗余分析的二维排序图表明，土壤有机质和碱解氮含量对土壤酶活性有极显著(P<0.01)影响。

表3 土壤酶活性和养分含量的相关关系Table 3 Correlation within soil enzyme activities and soil nutrient contents

*和**分别表示相关性达到显著(P<0.05)和极显著(P<0.01)水平。
* and ** indicated significant correlation atP<0.05 andP<0.01， respectively.

图3 不同处理下微生物酶活性与环境因子的RDA 排序图Fig.3 RDA sequencing of microbial enzymes activity and environmental factors under different treatments

3 讨论

3.1 AMF和种植模式对作物产量和土壤养分的影响

本研究表明，无论是否接种AMF，间作均可提高玉米的单位面积产量，但2种间作模式下玉米产量没有显著差异，这与之前的研究结果一致，即合理配置的间作体系对于作物增产具有较大的潜力[10]。尽管许多研究表明接种AMF可以促进植物生长，但本研究中没有发现其与不接种的处理间存在差异。AMF在人工控制条件下可以提高植物产量已经得到了广泛证明[5-6]，但是其在田间的应用效果仍然受到多种因素的干扰。通常来看，接种菌根的玉米在种植初期可以表现出一定的优势，但是随着土著菌根真菌的侵染，菌根之间的养分竞争加剧，可能反而使这种前期优势逐渐消失。因此，如何显著提高AMF在田间的实际应用效果仍是今后的重点研究方向。

AMF可以通过菌丝的缠绕、分泌球囊霉素相关土壤蛋白促进土壤水稳性团聚体形成从而改善土壤的通透性和持水性，增强植物的抗旱能力，同时提高土壤有机碳积累[20-21]。本研究中，玉米单作处理下，接种AMF后，>2 mm的大团聚体比例较不接种AMF显著增高，而其他处理下土壤的各级团聚体比例均无显著变化，说明不同的植物品种及其管理方式差异均会对土壤团聚体形成产生影响[22]。

3.2 AMF和种植模式对土壤酶活性的影响

土壤酶是生态系统物质循环和能量流动等生态过程中最活跃的生物活性物质，与土壤理化特性、肥力状况和农业措施有着显著的相关性，是土壤肥力评价的重要指标之一。土壤碳、氮、磷等环境因子与土壤酶活性的变化息息相关[23-24]。双因素方差分析结果表明，接种AMF显著提高了土壤脲酶、蛋白酶、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶的活性。这可能是因为AMF提高了植物根系或其他微生物的活性，或通过自身根外菌丝分泌分泌物，促进了土壤有机氮的矿化[19]，而上述3种酶均与氮素循环相关：脲酶是土壤氮素转化的关键酶，土壤蛋白酶活性在一定程度上可反映土壤氮素营养状况，N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶的作用是将复杂的有机质转化为微生物和植物可利用的氮素小分子。本试验中，玉米单作接种AMF后提高了蛋白酶和N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶的活性，玉米-番薯间作接种AMF后显著提高了脲酶活性，也说明AMF提高了土壤有机氮的矿化速率，促进了宿主植物对有效氮的吸收。

间作能通过资源互补提高间作植物对土壤养分的利用效率，其中对土壤酶活的提高能有效改善植物对土壤养分的利用。如刘均霞等[25]通过玉米-大豆盆栽间作试验，发现2种作物根际土壤脲酶活性均显著高于相应单作。本研究也发现，在不接种AMF的条件下，玉米-大豆间作显著提高了土壤蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、纤维二糖水解酶、亮氨酸氨基肽酶的活性，而在接种AMF条件下这些酶的活性差异不显著。这可能是由于AMF与土壤微生物竞争氮素，从而抑制了酶活性。此外，AMF对根系周围的微生物也具有较强的影响，在同时接种同种AMF的情况下可能使酶活性趋同。一般线性模型分析结果表明，是否接种AMF和种植模式对土壤脲酶、蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶、磷酸酶活性均具有显著的协同效应，表明接种AMF与种植模式相结合对于改善土壤酶活性、提高作物产量具有重要的潜力。未接种AMF条件下，玉米-大豆间作和玉米单作中的磷酸酶活性显著高于玉米-番薯间作，接种AMF后三者的土壤磷酸酶活性无显著差异。原因可能是，土壤酶活性主要取决于某一类微生物的数量和多样性指数，如针对某一酶类的专一性微生物数量下降，则相应酶活性也会随之下降[26]。以往较多研究表明，间作条件下土壤磷酸酶和脲酶活性高于单作[25，27]。本研究发现，接种AMF后玉米-番薯间作较玉米单作显著提高了土壤脲酶的活性，但不接种AMF条件下，玉米单作的磷酸酶活性高于玉米-番薯间作。这可能是由于在新垦山地上单作土壤中玉米的根系更发达，从而具有更多的根系分泌物，刺激了磷酸酶的活性。

Kandeler[28]指出，土壤酶活性与土壤养分的存在状况、形态和含量等相关；李为等[29]的研究也表明，土壤水解酶类活性与土壤养分水平密切相关。本试验冗余分析结果表明，土壤碱解氮含量与有机质含量对土壤微生物酶活性有显著影响。有机质作为土壤酶作用底物的主要来源，其含量与各种酶的活性有关。有机质同时又是各种酶类的重要载体，为土壤酶发挥作用提供场所与适宜的条件。Taylor等[30]研究也表明，土壤酶与土壤有机质之间存在显著的正相关性。此外，由酶所催化的有机氮的矿化影响了土壤有效氮的含量，因此碱解氮与各种酶活性的关系与有机质含量表现一致。在新垦山地上，接种AMF、开展合理间作可以增加作物生物量，从而提高土壤有机质含量和与土壤养分循环相关酶的活性，继而逐渐熟化新垦耕地土壤，提升土壤肥力。

4 结论

在本试验条件下，合适的间作模式可显著提高玉米产量，而是否接种AMF对玉米产量并没有明显影响。接种AMF显著提高了单作玉米的土壤pH值和碱解氮含量，增加了>2 mm土壤大团聚体的比例。在接种AMF条件下，玉米-番薯间作较玉米-大豆间作显著提高了土壤有效磷含量。种植模式对土壤中脲酶、磷酸酶活性有极显著影响，接种AMF对土壤脲酶、蛋白酶、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶活性有显著影响，种植模式与是否接种AMF对土壤蛋白酶、β-葡萄糖苷酶、亮氨酸氨基肽酶、磷酸酶、脲酶、N-乙酰-β-氨基葡萄糖苷酶活性具有显著的协同效应。土壤酶活性受有机质和碱解氮含量的显著影响。与单作相比，玉米-番薯间作在接种AMF后不仅增加了玉米产量，对土壤有效养分和酶活的提高也具有明显的促进作用，说明该种植模式下接种AMF对提升土壤肥力和提高作物产量颇具潜力。