玉米‖馬鈴薯接種AMF 對(duì)坡耕地水土及氮素流失的影響*

趙桂茹，程 易，楊友瓊，周 鋒，姚高乾，呂 凱，安曈昕

(云南農(nóng)業(yè)大學(xué) 農(nóng)學(xué)與生物技術(shù)學(xué)院，云南 昆明 650201)

目前，全球范圍內(nèi)的水土流失現(xiàn)象十分嚴(yán)重，水土流失導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境迅速退化，農(nóng)業(yè)面源污染加重，造成土壤貧瘠，嚴(yán)重阻礙生態(tài)農(nóng)業(yè)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展，其中隨水土流失產(chǎn)生的氮、磷等面源污染物成為河流和湖泊富營(yíng)養(yǎng)化的主要因素[1]。云南省的坡耕地水土流失面積為453.37 萬(wàn)hm2，占全省水土流失面積的43.29%，是主要的水土流失類(lèi)型[2]，控制水土流失和提高水土保持效果備受關(guān)注。

通常嚴(yán)重的坡耕地水土流失與不合理的耕作措施和種植模式相關(guān)，而合理的耕作與種植措施可以有效保持水土資源[3]。間作是常見(jiàn)的種植模式之一，它是指同一田塊上于同一生長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)，分行或分帶種植2 種或2 種以上作物的種植方式[4]。作物間作體系可增加地表覆蓋面積，有效防止雨水對(duì)地面的沖擊，減輕雨水的濺蝕，減緩徑流，攔截泥沙，減少營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)損失[5]；此外，間作群體的根系對(duì)土壤的固持作用可以減輕坡耕地土壤的養(yǎng)分流失[6]，如玉米間作蔬菜和牧草的發(fā)達(dá)根系能有效減輕坡耕地水土流失[7-9]。有學(xué)者進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)：根際微生物在促進(jìn)農(nóng)作物生長(zhǎng)發(fā)育等方面具有重要作用，并且能進(jìn)一步增強(qiáng)間作系統(tǒng)根系對(duì)養(yǎng)分的吸收能力，提高間作系統(tǒng)的生長(zhǎng)及環(huán)境保護(hù)優(yōu)勢(shì)[10-12]。真菌是一類(lèi)廣泛分布于土壤的非專(zhuān)一性微生物，能與絕大多數(shù)高等植物根系耦合形成共生體[13]，其中叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)對(duì)作物生長(zhǎng)發(fā)育影響尤為明顯。AMF 能與大多數(shù)農(nóng)作物共生，并從中獲得有機(jī)碳作為重要碳源[14]，而它們卻為寄主植物提供豐富的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)[15]。一方面，AMF 協(xié)同玉米大豆間作模式能夠通過(guò)促進(jìn)植株對(duì)氮、磷養(yǎng)分的吸收而減少土壤氮、磷殘留，進(jìn)而阻控氮、磷隨徑流遷移損失[16]；另一方面，AMF能將較小的團(tuán)聚體與根外菌絲纏繞，增強(qiáng)土壤團(tuán)聚體的穩(wěn)定性[17]。可見(jiàn)，AMF 有利于作物間作系統(tǒng)的良性發(fā)育。雖然作物間作接種AMF 對(duì)土壤的穩(wěn)定作用和控制氮素流失的報(bào)道較多[16,18]，但研究間作體系接種AMF 的水土保持和氮流失控制的綜合效果報(bào)道較少[18-19]。本研究通過(guò)玉米‖馬鈴薯間作體系接種AMF 措施，分析其對(duì)坡耕地的水土和氮素流失的影響，為合理利用與保持坡耕地水土及氮素資源提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)地位于云南省昆明市云南農(nóng)業(yè)大學(xué)教學(xué)試驗(yàn)農(nóng)場(chǎng)(N25°08.130′，E102°45.099′)，海拔1 974 m，屬低緯高原季風(fēng)氣候，年均溫14.7 ℃，年蒸發(fā)量2 384 mm，全年日照時(shí)間2 617 h，無(wú)霜期240 d。試驗(yàn)地土壤為旱地紅壤，0～20 cm 的土壤有機(jī)質(zhì)含量32.56 g/kg，全氮含量0.28 g/kg，全磷含量0.99 g/kg，全鉀含量8.77 g/kg，堿解氮含量114.81 mg/kg，速效磷含量24.14 mg/kg，速效鉀含量113.60 mg/kg。小區(qū)面積為30 m2，坡度為10°，每個(gè)小區(qū)底部有蓄水桶，用于收集徑流量和侵蝕量。

1.2 試驗(yàn)材料

選用的玉米(Zea maysL.)和馬鈴薯(Solanum tuberosumL.)品種分別為云瑞88(云南省農(nóng)業(yè)科學(xué)院提供)和云薯801(楚雄市農(nóng)業(yè)工作站提供)；叢枝菌根真菌(AMF)摩西球囊霉(Glomus mosseaeGerdemann &Trappe)為北京市農(nóng)林科學(xué)院植物營(yíng)養(yǎng)與資源研究所提供的BGC YN02；苯菌靈選用江蘇巴斯夫植物保護(hù)有限公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。

玉米單作種植規(guī)格為：行距0.65 m，株距0.45 m，雙株留苗，密度68 400 株/hm2。馬鈴薯單作種植規(guī)格為：行距0.50 m，株距0.35 m，密度57 200 株/hm2。玉米‖馬鈴薯種植規(guī)格：玉米為寬行1.40 m，窄行0.40 m，株距0.40 m，1 塘留苗2 株，密度55 600 株/hm2；馬鈴薯為寬行1.30 m，窄行0.50 m，株距0.35 m，密度31 800 株/hm2。馬鈴薯于2019 年3 月20 日播種至2019 年8 月25 日收獲，玉米于5 月13 日播種至2019 年9 月25 日收獲，構(gòu)成玉米馬鈴薯間作模式，作物田間管理各處理均保持一致。馬鈴薯底肥：專(zhuān)用馬鈴薯復(fù)合肥(mN∶mP∶mK=20∶7∶13)750 kg/hm2；玉米底肥：玉米專(zhuān)用復(fù)合肥(mN∶mP∶mK=24∶6∶10)600 kg/hm2。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用完全隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)5 個(gè)處理(T1～T5)。T1：玉米‖馬鈴薯+接種AMF；T2：玉米‖馬鈴薯+施用苯菌靈(抑菌處理)；T3：玉米‖馬鈴薯；T4：玉米單作；T5：馬鈴薯單作。每個(gè)處理3 次重復(fù)，共15 個(gè)小區(qū)。接種AMF 處理：接種時(shí)玉米和馬鈴薯相向接種，每1 穴接種30 g 菌劑；抑菌處理：苯菌靈為內(nèi)吸性殺菌劑，在植物體內(nèi)代謝為多菌靈及有揮發(fā)性的異氰酸丁酯，在本試驗(yàn)中將25 g 體積分?jǐn)?shù)為50%的苯菌靈溶于20 L 水中作為抑菌劑，每15 d 處理1 次，共處理3 次。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目及方法

1.4.1 氣象數(shù)據(jù)觀(guān)測(cè)

試驗(yàn)地旁建有一小型自動(dòng)觀(guān)測(cè)氣象站(Davis Vantage Pro2 型無(wú)線(xiàn)自動(dòng)氣象站)，每10 min 記錄氣象數(shù)據(jù)1 次。根據(jù)中國(guó)氣象局的降雨強(qiáng)度等級(jí)劃分4 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)[20]，即低降雨強(qiáng)度(＜10 mm/24 h)、中降雨強(qiáng)度(≥10～24.9 mm/24 h)、高降雨強(qiáng)度(≥25～49.9 mm/24 h)和極高降雨強(qiáng)度(≥50 mm/24 h)。在作物生長(zhǎng)的3—4 月期間有降雨，但由于降雨量較少并未產(chǎn)生徑流，從5 月降雨才開(kāi)始檢測(cè)到產(chǎn)流產(chǎn)沙量。

1.4.2 徑流量及土壤侵蝕量

每次降雨產(chǎn)生徑流后，用直尺測(cè)定每個(gè)小區(qū)蓄水桶中的徑流水深，之后充分?jǐn)嚢柰皟?nèi)的徑流，分上、中、下3 層共取水樣250 mL 帶回實(shí)驗(yàn)室過(guò)濾，然后置于105 ℃烘箱中恒溫烘干至恒質(zhì)量，稱(chēng)泥沙質(zhì)量(m，kg)。徑流量和侵蝕量計(jì)算公式為：

式中：V為徑流量，m3/hm2；h為徑流水深，cm；R為蓄水桶開(kāi)口外徑，cm，r為蓄水桶底面外徑，cm；E為土壤侵蝕量，kg/hm2。

1.4.3 氮素流失量

每次降雨產(chǎn)生徑流后，將蓄水桶中的水及泥沙攪拌均勻，取中間部分水樣，每次采集1 L。采用過(guò)硫酸鉀氧化—紫外分光光度法測(cè)定水樣中總氮含量[21]。

1.5 數(shù)據(jù)處理

采用Excel 和SPSS 等軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算、整理和統(tǒng)計(jì)分析，并用Duncan’s 法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異性檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 玉米‖馬鈴薯接種AMF 對(duì)水土流失的影響

由表1 可知：各處理在不同月份的徑流量表現(xiàn)不同。5—7 月，T4處理的徑流量極顯著高于其他4 個(gè)處理(P＜0.05)；T2處理的徑流量次之；8 月，T1、T2、T3和T4處理的徑流量極顯著低于T5處理(P＜0.01)。對(duì)于作物整個(gè)生育期內(nèi)的徑流總量，間作較單作能有效減少?gòu)搅髁?，其中，T1處理徑流總量最小，較T2、T3、T4和T5處理分別減少47.67%、22.52%、72.97%和77.23%，說(shuō)明間作并接種AMF 能更有效地控制徑流的產(chǎn)生。

表1 玉米‖馬鈴薯接種AMF 對(duì)徑流量的影響Tab.1 Effects of maize intercropping potato inoculation with AMF on runoff m3/hm2

由表2 可知：5—7 月，各處理間的侵蝕量變化規(guī)律較一致，即：T1、T2、T3和T5處理的侵蝕量極顯著低于T4處理(P＜0.01)；8—9 月的侵蝕量及和整個(gè)作物生育期的總侵蝕量變化規(guī)律一致，即：T5處理的侵蝕量極顯著大于T1～T4處理(P＜0.01)，其中T1處理的侵蝕總量最小，較T2、T3、T4和T5處理分別減少65.20%、50.01%、77.10%和96.95%。間作較單作能有效減少侵蝕量，間作接種AMF 能有效減少坡耕地侵蝕量。

表2 玉米‖馬鈴薯接種AMF 對(duì)侵蝕量的影響Tab.2 Effects of maize intercropping potato inoculation with AMF on erosion amount kg/hm2

2.2 不同雨強(qiáng)下玉米‖馬鈴薯接種AMF 對(duì)水土流失量的影響

由表3 可知：低強(qiáng)度降雨下，T4處理徑流量極顯著高于T1、T2、T3和T5處理(P＜0.01)，其中T1處理徑流量最小，較T2、T3、T4和T5處理分別減少59.91%、53.38%、85.30%和68.06%；中強(qiáng)度降雨下，T1處理徑流量極顯著低于其他處理(P＜0.01)，較T2、T3、T4和T5處理分別減少63.55%、44.56%、78.89%和74.32%；高強(qiáng)度降雨下，T4和T5處理徑流量極顯著高于T1、T2和T3處理(P＜0.01)，其中，T1處理徑流量最小，較T2、T3、T4和T5處理分別減少53.05%、26.95%、80.88%和74.42%；極高強(qiáng)度降雨下，T5處理徑流量極顯著高于其他處理(P＜0.01)。除極高強(qiáng)度降雨外，T1處理徑流量均最小，間作較單作對(duì)徑流量的控制效果好，間作處理間徑流量表現(xiàn)為T(mén)1＜T3＜T2，玉米‖馬鈴薯接種AMF 對(duì)徑流量的控制效果最好。

表3 不同雨強(qiáng)下的徑流量Tab.3 Runoff under different rainfall intensities m3/hm2

由表4 可知：低、中和極高強(qiáng)度降雨下，T5處理侵蝕量均極顯著高于其他處理(P＜0.01)；高強(qiáng)度降雨下，T4處理侵蝕量極顯著高于其他處理(P＜0.01)，T1處理侵蝕量最小，較T2、T3、T4和T5處理分別減少48.87%、24.97%、92.50%和75.47%。不同降雨強(qiáng)度下，間作處理的侵蝕量均較單作??；間作處理間侵蝕量均表現(xiàn)為T(mén)1＜T3＜T2，T1處理對(duì)侵蝕量的控制效果最好。說(shuō)明不同降雨強(qiáng)度下，玉米‖馬鈴薯接種AMF 均能夠有效減少侵蝕量。

表4 不同雨強(qiáng)下的侵蝕量Tab.4 Erosion amount under different rainfall intensities kg/hm2

2.3 玉米‖馬鈴薯接種AMF 對(duì)氮素流失的影響

由表5 可知：7—9 月，T1和T3處理的氮素流失量均極顯著低于T2和T4處理(P＜0.01)，但二者的氮素流失量未達(dá)到顯著水平。T1處理的氮素流失總量最小，較T2、T3、T4和T5處理分別減少56.48%、21.45%、69.70%和70.66%?？傮w來(lái)看，與單作玉米和單作馬鈴薯相比，玉米‖馬鈴薯對(duì)氮素流失的防制效果較好，其中，玉米‖馬鈴薯接種AMF 處理的氮素流失最少。

表5 不同處理的氮素流失量Tab.5 Nitrogen loss under different treatments kg/hm2

由表6 可知：在低、高和極高強(qiáng)度降雨條件下，T4和T5處理的氮素流失量極顯著高于T1、T2和T3處理(P＜0.01)；中強(qiáng)度降雨下，T5處理的氮素流失量極顯著高于T1、T2、T3和T4處理(P＜0.01)。不同降雨強(qiáng)度下，T1處理的氮素流失最少；間作處理間氮素流失量均表現(xiàn)為T(mén)1＜T3＜T2?？梢?jiàn)，玉米‖馬鈴薯接種AMF 對(duì)氮素流失控制效果最好。

表6 不同雨強(qiáng)下的氮素流失量Tab.6 Nitrogen loss under different rainfall intensities kg/hm2

3 討論

3.1 玉米‖馬鈴薯接種AMF 對(duì)水土流失的影響

無(wú)論是否接種AMF，間作處理徑流總量和侵蝕總量均低于玉米單作和馬鈴薯單作，這與王菊芬等[22]的研究結(jié)果較一致，這是由于間作覆蓋可增加單位面積的地表覆蓋，減少雨水對(duì)地表的直接沖刷力，延遲徑流下滲時(shí)間，減緩徑流速度，進(jìn)而減少侵蝕量[23-24]。由于水分和養(yǎng)分等資源的激烈競(jìng)爭(zhēng)，間作群體的水分利用效率與單作相比并不存在優(yōu)勢(shì)[25]，但叢枝菌根真菌(AMF)可以對(duì)植物水分吸收與生長(zhǎng)產(chǎn)生積極效應(yīng)[26-27]，并在緩解土壤侵蝕方面具有重要意義[28]。已有研究表明：土壤根際中擴(kuò)展的根外菌絲能增強(qiáng)土壤聚集作用，通過(guò)形成穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體從而間接減少土壤侵蝕[29-31]。玉米‖馬鈴薯接種AMF 處理的徑流總量和侵蝕總量均小于抑菌處理和未抑菌處理，這可能是由于A(yíng)MF 與玉米和馬鈴薯根際形成的根外菌絲能增強(qiáng)植株的養(yǎng)分和水分吸收，同時(shí)形成較穩(wěn)定的土壤團(tuán)聚體，從而減少?gòu)搅髁亢颓治g量。

本研究表明：不同降雨強(qiáng)度下，間作處理的徑流量和侵蝕量顯著低于玉米單作和馬鈴薯單作，并且隨降雨強(qiáng)度增加，各間作處理的水土流失量較單作處理減少幅度增大，說(shuō)明間作對(duì)徑流量的控制效果較單作好，這與侯沛軒[32]的研究結(jié)果相似。不同降雨強(qiáng)度下，玉米‖馬鈴薯接種AMF的徑流量和侵蝕量均最小，這是因?yàn)锳MF 菌根分泌的球囊霉素等相關(guān)蛋白可以增加土壤有機(jī)碳和水穩(wěn)性團(tuán)聚體含量，從而改善土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤滲透率和增強(qiáng)土壤抗沖性[27]。因此，玉米‖馬鈴薯接種AMF 可以有效地控制水土流失。

3.2 玉米‖馬鈴薯接種AMF 對(duì)氮素流失的影響

本研究表明：不同降雨強(qiáng)度下間作處理對(duì)氮素流失控制效果比單作好，其中，間作處理總體上表現(xiàn)為玉米‖馬鈴薯接種AMF 的氮素流失量低于抑菌處理和未抑菌處理，玉米‖馬鈴薯接種AMF 處理對(duì)氮素流失的控制效果最好，與前人的研究結(jié)果[33-35]一致，這可能是由于A(yíng)MF 的根外菌絲網(wǎng)絡(luò)交錯(cuò)蔓延在土壤中，且AMF 分泌的球囊霉素對(duì)土壤顆粒的黏結(jié)以及菌絲密度的纏繞形成土壤水穩(wěn)性大團(tuán)聚體[36]，從而間接控制土壤徑流量、侵蝕量和氮素流失量。此外，玉米‖馬鈴薯能改善降雨再分配，AMF 與作物共生后，通過(guò)促進(jìn)根系生長(zhǎng)發(fā)育[37]，增強(qiáng)根系固土能力，從而增強(qiáng)土壤抗侵蝕力和抗濺蝕力。

在低強(qiáng)度和極高強(qiáng)度降雨條件下，單作馬鈴薯處理的氮素流失量最大，其原因是馬鈴薯單作覆蓋度高，隨生育時(shí)期的變化伴隨部分馬鈴薯葉片凋亡和腐解，當(dāng)產(chǎn)生地表徑流時(shí)，氮素隨地表徑流流出小區(qū)，導(dǎo)致氮素流失量較大。將AMF應(yīng)用到豆科作物與禾本科作物間作系統(tǒng)中，可提高作物對(duì)養(yǎng)分元素氮的吸收，降低土壤氮素含量[38-39]。何躍軍等[40]和李元敬等[41]研究表明：AMF吸收并向植株傳遞氮素可能是宿主植物吸收氮的有效途徑；但在低氮土壤中，AMF 會(huì)與植物競(jìng)爭(zhēng)氮素，降低玉米的氮素吸收[42-43]。因此，接種AMF 后減少的氮素是下滲到土壤還是被植物吸收利用有待進(jìn)一步開(kāi)展研究。

4 結(jié)論

間作處理的徑流量、侵蝕量和氮素流失量均低于單作處理。玉米‖馬鈴薯接種AMF 處理的徑流量、侵蝕量和氮素流失量最少，說(shuō)明玉米‖馬鈴薯接種AMF 對(duì)水土保持效果及控制氮素流失效果最好，特別在降雨強(qiáng)度增大的情況下，該措施對(duì)水土的保持及控制氮素流失的效果更明顯。