菌根与间作对紫色土-水界面氮流失的削减效应*

李 婷，张 丽，刘大会，张乃明，宁东卫，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. 云南农业大学植物保护学院，昆明 650201；4. 湖北中医药大学药学院，武汉 430065；5. 云南农业大学水利学院，昆明 650201）

氮素是植物生长过程中需求量最大的营养元素之一，是陆地生态系统初级生产力的主要限制因子[1]。但我国集约农业区化肥氮的普遍不合理大量施用[2]，致使施用于田地的肥料超过50%进入环境中[3]，从而在降雨条件下随径流及淋溶作用流失，形成土-水界面的氮污染流。土-水界面氮污染流的形成实质是流失的氮素在土-水界面扩散的过程，是一种特殊的农业面源污染表现形式。研究表明[4]，除氮气外，化肥氮施用量的近19.1%会影响环境质量，成为地表水体富营养化、地下水硝酸盐化等环境问题的主要来源，加剧农业面源污染。据2010 年《我国第一次全国污染源普查公报》显示，种植业是农业源水体污染物排放中总氮的主要来源，其贡献率达59.1%，其中经地表径流流失总氮量达32.01万吨，地下淋溶流失量达20.74 万吨。这使得研究氮素在土-水界面的迁移规律及影响因素尤为迫切，对保护土壤及水环境、减缓农业非点源污染也具有十分重要的意义。

广泛分布于自然生态系统的丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungus，AMF），是与植物关系极为密切的土壤微生物之一，能够通过植物根系与陆地上约92%的植物建立共生关系[5]。在自然生态系统及农业生态系统中，菌根共生体的作用已被普遍证实[1，5]，在菌根共生体中，AMF 可以促进作物对土壤中矿质养分如氮、磷等的吸收，进而促进作物生长，提高作物产量[6]。AMF 还能够通过根系分泌物及根外菌丝促进土壤团聚体的形成，改善土壤质量，稳定土壤结构，增加土壤的抗蚀性等[7-8]，从而减少因水土流失带来的养分流失。间作是我国传统的农业耕作方式，合理的间作模式对农业生产所带来的优势已被广泛承认[9]。间作可以提高作物对营养元素的吸收利用率，减少土壤氮、磷等养分的残留，促进作物生长[10]，还可维持土壤肥力，减轻水土流失对坡地土壤的冲刷[11]。由此可见，AMF 与间作对减少土壤养分流失均表现出一定的积极作用。

关于菌根与间作协同对减缓农业非点源污染的影响，课题组前期研究表明[12]，菌根真菌与间作体系协同能在一定程度上减少因坡耕地红壤径流流失带来的土壤磷流失，而研究两者协同作用对紫色土-水界面不同形态氮流失的削减效应以及削减潜力，尚缺乏相关研究报道。基于此，本文结合AMF 共生理论与间作系统，研究土著AMF 对紫色土间作系统上径流及侧渗氮形态变化，分析其在削减坡耕地紫色土-水界面氮素流失方面的协同作用，可为控制西南地区紫色土坡耕地氮流失带来的农业面源污染提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤采自滇池流域宝象河水库坡地附近，其基本化学性质为：pH7.5，有机质24.8 g·kg-1，全氮1.2 g·kg-1，全磷0.2 g·kg-1，碱解氮45.5 mg·kg-1，有效磷5.9 mg·kg-1。

供试植物玉米为水果玉米“好滋味”，大豆为“滇豆4 号”。挑选籽粒饱满且大小匀称的种子，用10%H2O2浸泡消毒10 min，用蒸馏水冲洗多次，冲净后均匀置于放有湿润定量滤纸的培养皿中，于25 ℃恒温培养箱中催芽2 d 后播种。

供试抑菌剂为苯菌灵，一种AMF 专性抑制剂，可以抑制菌根共生体的生成，使植物的菌根侵染率降低。

1.2 试验设计

试验于2017 年5 月至9 月在云南农业大学科研基地内完成，在自然降雨条件下模拟地表径流氮素迁移试验，模拟坡度为8°，共采集7 次径流及侧渗水样。昆明6 月下旬以阴雨天气为主，下旬平均降雨量为101.2 mm，7 月中旬降雨天气明显，下旬强降雨天气频发，月均降雨量为294.9 mm，8 月中下旬降水偏多，多有阵雨，月均降雨量为153.2 mm，9 月上中旬降雨偏多，中旬以多云有阵雨天气为主，月平均降雨量为140.8 mm。模拟试验设置两个因素，分别为种植模式与菌根处理，其中种植模式包括单作玉米（MM）、玉米/大豆间作（MSI）、单作大豆（MS），菌根处理包括抑菌（MI）、未抑菌（NM），共6 处理，每处理重复3 次。

试验装置（专利号：ZL 201420184013.4）为铁皮制作的长方体（见图1），规格长×宽×高=90 cm×30 cm× 0 cm，装等量0～25 cm 耕层原状土壤，下装碎石，出水孔内侧与土壤接触界面用60 目尼龙网封住，且在尼龙网与土壤接触面之间填入一层小石子，以防止土块随渗流水涌入造成渗流管堵塞，起到过滤作用。

试验采用带状种植，间作处理种植玉米1 列，大豆2 列，玉米和大豆均为6 行，列间距为7.5 cm，行间距为17 cm。单作玉米和单作大豆分别种植2列和4 列，均为6 行。单作玉米列间距为10 cm，单作大豆列间距为6 cm，单作处理行间距与间作处理相同。于2017 年5 月20 日开始播种，玉米和大豆每穴分别为3 颗和5 颗，长势稳定后依据生长势分别间苗至1 株和2 株，9 月1 日收获作物。

供试植物播种前不施用基肥，至植株生长中期分别以NH4NO3、KH2PO4、K2SO4溶液的形式向土壤中进行追肥（N 60 mg·kg-1，P 30 mg·kg-1，K 90 mg·kg-1），以避免植株在生长期间受养分缺失的胁迫。抑菌处理将5 g 体积分数为50%的苯菌灵溶于4 L 蒸馏水中，未抑菌处理以4 L 蒸馏水相应浇灌作为对照，每15 天处理一次。

1.3 样品采集与分析测定

试验水样的采集密度为抑菌处理达到一定时间，在降雨条件下产生有效径流后采集一次水样。采集水样时提前查看天气状况，若有降雨天气，则将矿泉水瓶提前固定于径流及侧渗出水口，若当日降雨产生有效径流及侧渗不足200 mL，则舍弃该次水样，重新采集试验水样。每次采集水样约500 mL，采样后立即加入2 mL 浓硫酸进行酸化处理，带回实验室放冰箱冷藏保存，于7 d 内完成水样总氮、硝态氮、铵态氮测定。其中总氮测定采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法，硝态氮测定采用紫外分光光度法，铵态氮测定采用纳氏试剂比色法[13]。植株根系氮吸收效率（mg·μg-1）依据单位根系生物量（mg）所对应的植株养分吸收量（μg）来计算。

1.4 数据分析

试验数据使用Excel 2007 统计软件对平均值和标准偏差进行分析，使用SPSS 19.0 统计软件对菌根处理和种植模式间进行Duncan 分析比较，检验菌根处理与种植模式间的差异显著性（P<0.05）。

2 结 果

2.1 径流与侧渗各形态氮浓度动态变化

由图2a 可知，6 月28 日采集的径流总氮、铵态氮浓度在所有处理间差异较为明显，除单作玉米—抑菌处理的硝态氮浓度达到峰值外，其在各处理间无明显差异。随后的采样时间内径流各形态氮浓度总体增加。8 月12 日采集的径流总氮、硝态氮浓度较前2 次采样时间明显下降，而铵态氮浓度总体达到最大值，随后总体达到最小值。随后的采样时间中径流总氮、硝态氮浓度总体表现出先下降后上升趋势，而铵态氮浓度整体呈现出先上升后下降趋势。在7 次取样时间内，径流总氮、硝态氮浓度总体呈现出波浪式上升的趋势，而铵态氮浓度则整体表现出先上升再下降的趋势。

据图2b 可得，6 月28 日采集的侧渗总氮浓度在未抑菌各处理下为最大值；硝态氮浓度除单作玉米—抑菌及间作—抑菌处理外，整体为最大值；铵态氮浓度在各处理间差异较小。7 月12 日采集的侧渗总氮、硝态氮浓度在所有处理间无明显差异。7月29 日采集的侧渗总氮浓度在抑菌各处理下达到峰值；硝态氮、铵态氮浓度出现明显增加趋势，且铵态氮浓度整体达到最大值。随后的采样时间内，侧渗各形态氮浓度均表现出明显下降并趋于平缓的趋势，在各处理下的差异较小。在7 次取样时间内，侧渗总氮浓度趋势总体呈现出先下降再上升后下降的趋势，并趋于平缓；硝态氮浓度整体表现出下降并趋于平缓的趋势；铵态氮浓度则整体表现出先上升再下降后趋于平缓的趋势。

2.2 菌根真菌与间作对径流与侧渗各形态氮浓度的影响

由图3a 可见，在抑菌处理下，间作处理的径流总氮浓度较单作玉米与单作大豆处理显著降低18.2%、17.2%；在未抑菌处理下，间作处理的径流总氮浓度较单作大豆处理显著降低20.3%，较单作玉米处理降低13.4%。与抑菌—单作玉米、抑菌—单作大豆相比，未抑菌—间作处理的径流总氮浓度降低约33.8%、30.9%。所有复合处理中，间作—未抑菌处理的径流总氮浓度最低，说明这一复合处理对径流总氮浓度有一定的削减潜力。无论何种种植模式，未抑菌处理的径流硝态氮浓度明显低于抑菌处理。在抑菌处理下，间作处理的径流硝态氮浓度较单作玉米处理显著降低约19.0%，较单作大豆处理明显降低约11.5%；在未抑菌处理下，相比单作玉米与单作大豆处理，间作处理的径流硝态氮浓度分别降低约10.0%、16.7%。在所有复合处理中，间作—未抑菌处理的径流硝态氮浓度最低，与单作玉米—抑菌、单作大豆—抑菌相比，径流硝态氮浓度显著降低34.0%、28.0%。由此可知，菌根真菌对径流硝态氮浓度具有一定的削减作用。无论抑菌与否，间作处理的径流铵态氮浓度明显低于单作处理。在抑菌处理下，间作处理的径流铵态氮浓度较单作大豆显著降低约18.3%，较单作玉米处理降低约2.4%；在未抑菌处理下，间作处理的径流铵态氮浓度较单作玉米处理降低约10.5%，较单作大豆处理显著降低约26.0%。在所有复合处理中，间作—未抑菌处理的径流铵态氮浓度最低，相比单作玉米—抑菌与单作大豆—抑菌处理的径流铵态氮浓度降低约18.3%、31.6%，说明玉米/大豆间作种植模式对径流铵态氮也有一定的削减作用。

据图3b 可知，间作—未抑菌处理下的侧渗总氮浓度较其他复合处理显著最低。在抑菌处理下，间作处理的侧渗总氮浓度较单作玉米处理显著降低约35.6%，较单作大豆处理降低约5.5%；在未抑菌处理下，间作处理的侧渗总氮浓度较单作玉米和单作大豆处理显著降低约56.5%、48.7%。与单作玉米—抑菌、单作大豆—抑菌处理处理相比，间作—未抑菌处理的侧渗总氮浓度显著降低约51.3%、28.6%，表明间作—未抑菌这一复合处理对侧渗总氮浓度有一定的削减潜力。对于侧渗硝态氮浓度，在抑菌处理下，较单作玉米与单作大豆处理，间作处理增加了侧渗硝态氮浓度；在未抑菌处理下，间作处理的侧渗硝态氮浓度较单作玉米和单作大豆处理分别显著降低约57.0%、47.6%。相比单作玉米—抑菌处理，间作—未抑菌处理的侧渗硝态氮浓度降低约12.1%。在所有复合处理中，间作—未抑菌处理的侧渗铵态氮浓度显著最低。在抑菌处理下，相比单作玉米与单作大豆处理，间作处理下的侧渗铵态氮浓度降低约6.1%、1.3%；在未抑菌处理下，较单作玉米与单作大豆处理，间作处理显著降低侧渗铵态氮浓度，降幅分别约为29.6%、33.7%。与单作玉米—抑菌、单作大豆—抑菌处理相比，间作—未抑菌处理的侧渗铵态氮浓度显著降低约26.8%、23.1%，说明玉米/大豆间作这一种植模式对削减侧渗铵态氮浓度具有一定的作用。

2.3 菌根真菌与间作对根系氮吸收效率及氮流失的影响

由表1 可知，无论种植模式如何，未抑菌处理的根系氮吸收效率均高于抑菌处理，且未抑菌处理均能不同程度减少径流各形态氮流失量，与间作处理协同降低了侧渗各形态氮流失量。表明土著菌根真菌能够促进植株根系对氮的吸收利用，对径流各形态氮素流失能够发挥一定的削减作用，与间作协同能够减少侧渗各形态氮素流失。

表1 菌根真菌对根系氮吸收效率及氮削减量的影响Table 1 Effect of native AMF on N uptake efficiency of roots and different forms of nitrogen in runoff and lateral infiltration

由表2 可知，在抑菌处理下，间作处理的根系氮吸收效率均高于单作玉米与单作大豆处理，且间作处理均能减少径流、侧渗总氮流失量；在未抑菌处理下，单作玉米与单作大豆处理的根系氮吸收效率均低于间作处理，同时，间作处理均能不同程度减少径流、侧渗各形态氮流失量。无论是否抑菌，间作处理的根系氮吸收效率均高于单作处理，且间作处理均能削减径流及侧渗总氮流失量。表明，间作能在一定程度上促进植株对氮素的吸收，减少土壤氮素残留，削减氮素流失。

表2 间作对根系氮吸收效率及氮削减量的影响Table 2 Effect of intercropping on N uptake efficiency of roots and different forms of nitrogen in runoff and lateral infiltration

由表3 可知，径流和侧渗各形态氮流失的主要形态为硝态氮，侧渗是各形态氮流失的主要途径，通过侧渗流失的总氮、硝态氮含量均占总的流失量的70%以上，铵态氮含量占总的流失量的50%左右。无论是否抑菌，玉米/大豆间作处理均能不同程度减少各形态氮流失量。在抑菌处理下，较单作玉米处理，间作处理显著减少总流失量中总氮流失量，降幅约达32.0%，且明显减少总流失量中硝态氮和铵态氮流失量；在未抑菌处理下，相比单作玉米和单作大豆处理，间作处理显著减少总流失量中各形态氮含量，其中总流失量中总氮、硝态氮、铵态氮流失量较单作玉米显著减少约50.1%、51.3%、21.7%，较单作大豆显著降低了约43.5%、42.9%、30.2%。无论何种种植模式，无论是否抑菌，间作—未抑菌处理的各形态氮总流失量最小。这说明侧渗即壤中流为紫色土氮素流失的主要途径，硝态氮为紫色土氮素流失的主要形态，间作系统与土著AMF 协同具有削减紫色土氮素流失的潜力。

表3 菌根真菌与间作对径流、侧渗氮总流失量及分配比例的影响Table 3 Total N loss and its distribution ratio in runoff and lateral infiltration relative to treatment

3 讨 论

氮是许多生态系统中的关键限制营养元素，植物主要通过无机形式获取土壤中的氮，其中N和N是土壤中最易被植物吸收和利用的两类基础无机氮源，而土壤中的氮大多以有机形式存在，植物吸收有机形式氮依赖于微生物将其分解成无机形式[14]。菌根真菌在植物获取土壤养分中起着关键作用，是农业和生态系统中最重要的土壤微生物，能够促进土壤中营养元素的吸收和流动[15]，可为宿主植物吸收和转运大量的无机氮[16]。研究表明，AMF 可以加快土壤中植物难以利用的有机氮的矿化并直接从有机物质中获取氮，增加植物可利用的氮素[14]，同时还可促进植物对土壤中氮素的吸收，增强植物对氮素的吸收利用效率，减少土壤氮残留。本研究中，无论种植模式如何，未抑菌处理的根系氮吸收效率均高于抑菌处理。汪新月等[17]研究发现，接种AMF 显著提高了玉米和大豆氮吸收量，减少了玉米和大豆根际土壤的碱解氮残留。此外，AMF 可以改良土壤结构，其侵染植物后生成的菌丝网络及菌丝分泌物可以促进土壤水稳性团聚体的形成和稳定，增强土壤的抗蚀性，减少水土流失[18-19]，从而减少因水土流失带来的氮素养分流失。说明AMF可通过增强植株对氮素的吸收，减少土壤中氮素残留的同时，稳定土壤结构，阻控水土流失，进而削减土壤中的氮素流失。本试验中，无论何种种植模式，抑菌处理的径流总氮、硝态氮、铵态氮浓度均明显高于未抑菌处理；且间作处理下，未抑菌处理的侧渗总氮、硝态氮、铵态氮浓度均明显低于抑菌处理。张淑娟[20]研究发现，接种AMF 提高了水稻对氮磷的吸收量及其分配至稻穗的比例，且能够降低稻田退水的氮磷浓度的平均值，以及溶解态氮磷浓度和颗粒态氮磷浓度，可减少水稻季农田氮磷流失。此外，6 月28 日以及7 月29 日采集的侧渗水样各形态氮浓度均明显高于其他采样时间，这可能是因为该采样期间玉米和大豆植株尚处于生长前期，而玉米和大豆生长前期对土壤中的氮、磷、钾等养分吸收较少，土壤中留有多余未被利用氮素，且昆明6 月下旬降雨量较大，7 月下旬多强降雨天气。降雨强度越大，紫色土坡面产沙量和侵蚀率越大，水土流失越严重[21]，从而使土壤中未被利用的氮素在降雨条件下大量流失。在整个采样时间内，单作玉米和单作大豆处理下，未抑菌处理的侧渗总氮、硝态氮、铵态氮浓度高于抑菌处理，这可能是因为AMF 对土壤中无机态氮发挥了较强的活化作用[14]，加之整个取样时间处于雨季，降雨量大，降雨频繁，且紫色土本身易被侵蚀，增强了土壤的淋溶作用，加剧了土壤养分的流失。

间作在我国传统农业发展的过程中具有重要作用，对于维护农业的可持续性发展具有重要意义。豆科/禾本科间作是一种典型、常见的间作种植模式，能够使禾本科作物获得更多氮养分同时使豆科作物的结瘤固氮作用充分发挥，实现两者氮素利用的生态位分离[22]，促进其生长，提高植株对氮素的吸收利用率，降低土壤氮残留[23-24]。本研究中，间作处理的植株根系氮吸收效率均高于单作处理。此外，间作还可以通过提高植株根系密度及根型分布，改善土壤水稳性团聚体结构，提高土壤有机质含量[11]，增强土壤的固土能力，从而有效保持水土，降低因水土流失带来的氮素流失风险。另有研究报道[25]，玉米与花椒间作，对径流流失量和泥沙流失量的控制均有较好的效果，对控制径流中氮素流失的也有较好的效果。说明间作可能通过提高植株氮素吸收利用率，降低土壤氮素残留的同时，增强土壤抗蚀能力，保持水土，减少水土流失，从而削减土壤氮素流失。本试验表明，无论抑菌与否，间作处理的径流及侧渗总氮浓度较单作玉米与单作大豆处理均有不同程度降低。已有研究[26]证实，玉米/大豆间作均能在一定程度上降低径流及侧渗总氮、总磷浓度，对土壤中氮磷养分的流失具有一定的控制作用，这与本研究一致。此外，整体取样时间内，抑菌处理下，间作处理的侧渗硝态氮浓度大于单作玉米与单作大豆，这可能是间作条件下，玉米对土壤中氮素始终处于竞争优势地位[27]，缓解了大豆固氮的“氮阻遏”作用[22]，使大豆植株发挥了较强的固氮作用，使土壤中氮含量增加，在降雨条件下随水土流失。

目前，在利用菌根技术与间作系统相结合探讨两者协同作用对植株生长及养分吸收、生态环境修复等方面的影响方面，已引起相关研究人员的关注，但关于土著菌根菌与间作模式的协同作用对削减地表径流及侧渗氮的影响却少有研究。本研究结果表明，对于径流，在所有处理中，间作—未抑菌处理的径流各形态氮含量最低；对于侧渗，除单作大豆—抑菌处理的侧渗硝态氮浓度外，间作—未抑菌处理均不同程度上降低了侧渗各形态氮浓度；对于流失总量，间作—未抑菌处理的各形态氮总流失量最低；间作—未抑菌处理的玉米及大豆根系氮吸收效率均高于其他处理。表明土著菌根真菌协同豆科/禾本科间作模式可能通过增强植株对土壤中氮的吸收利用率，减少土壤中氮素残留，同时稳定土壤结构，提高土壤的抗蚀能力，阻控水土流失，从而削减径流及侧渗氮流失。此外，也有研究显示，壤中流是紫色土氮素流失的主要途径[28-29]，硝态氮是其流失的主要形态[30]，这与本研究一致。这可能是由于紫色土本身土层浅薄且质地疏松，易于使土壤养分淋失，而降雨条件下壤中流在相同降雨时间内产流小于径流，对流失的氮含量稀释作用小[31]，从而使土壤养分大量通过壤中流流失[29]，而硝态氮由于易溶于水和流动性强，更易于流失。可见，土著菌根真菌与合理的间作系统相结合可有望减少因坡耕地紫色土N 流失而造成的水体富营养化，对减缓农业非点源污染有一定的潜力。

4 结 论

坡耕地氮迁移模拟研究发现，侧渗即壤中流为紫色土氮素流失的主要途径，硝态氮为紫色土氮素流失的主要形态。无论何种种植模式，土著菌根真菌处理的径流各形态氮含量均低于抑菌处理。且间作处理下，土著菌根真菌处理的侧渗各形态氮含量亦低于抑菌处理。无论抑菌与否，间作处理的径流、侧渗总氮浓度低于单作处理。所有复合处理中，间作-土著菌根真菌处理的径流、侧渗总氮浓度最低；且间作-土著菌根真菌处理的各形态氮总流失量最小。可见土著菌根真菌与间作种植模式协同对削减紫色土-水界面各形态氮素流失显示出了较大潜力。