菌磷配施对紫花苜蓿根系非结构碳水化合物及碳氮磷化学计量特征的影响

doi:10.11686/cyxb2024221

摘要/Abstract

摘要：

为揭示磷肥配施解磷细菌对紫花苜蓿根系非结构碳水化合物及化学计量特征的影响，采用双因素完全随机设计，设置了2个施磷（P₂O₅）水平：0（P₀）和100 mg·kg^-1（P₁），4个接菌处理：不接菌（J₀）、单接种胶质芽孢杆菌（J₁）、单接种巨大芽孢杆菌（J₂）和混合接菌（J₃），共8个处理。测定了紫花苜蓿的根系活力、可溶性糖、可溶性蛋白、淀粉、丙二醛、根际土-根系碳（C）、氮（N）、磷（P）含量。双因素方差分析表明：施磷和接菌处理显著改变了紫花苜蓿的根系活力、丙二醛、可溶性糖、淀粉含量、根际土N/P、根系C/N、C/P及N/P（P<0.05），但对根系可溶性蛋白的影响不显著（P>0.05）。进一步分析表明，在相同施磷水平下，与不接菌相比，接种解磷菌提高了紫花苜蓿的根系活力、可溶性糖、可溶性蛋白（除J₂P₀和J₂P₁）、淀粉（除J₁P₁）、根际土-根系C、N、P含量（除J₂P₁的根系C及J₁P₀和J₂P₀的根系N含量）及根际土C/P（除J₃P₀）和N/P，降低了根际土C/N及根系丙二醛含量（除J₁P₁和J₂P₁）。在相同接菌处理下，与不施磷相比，施磷处理提高了紫花苜蓿的根系活力、可溶性糖、可溶性蛋白、淀粉、根际土C、根际土P、根系N及P含量，降低了根系C/N、C/P、N/P、丙二醛及根际土N/P。综合分析表明，不同处理的综合得分依次为：J₃P₁>J₂P₁>J₁P₁>J₀P₁>J₃P₀>J₂P₀>J₁P₀>J₀P₀。综上，施磷（100 mg·kg^-1）和混合接种胶质芽孢杆菌及巨大芽孢杆菌，可以有效提高紫花苜蓿根际土养分含量并促进根系非结构碳水化合物的积累。

关键词: 解磷细菌, 磷, 紫花苜蓿, 非结构碳水化合物, 化学计量特征

Abstract:

The aim of this study was to determine the effects of phosphorus fertilizer applied with phosphate-solubilizing bacteria on the non-structural carbohydrate content and stoichiometric characteristics of alfalfa （Medicago sativa） roots. An experiment with a two-factor completely randomized design was established with two phosphorus （P₂O₅） fertilizer levels： 0 （P₀） and 100 mg·kg^-1 （P₁）； and four inoculation treatments： no inoculation （J₀）， single inoculation with Bacillus mucilaginosus （J₁）， single inoculation with Bacillus megaterium （J₂） and mixed inoculation （J₃）， making a total of eight treatments. The root vigor， contents of soluble sugars， soluble protein， starch， and malondialdehyde， and the contents of carbon （C）， nitrogen （N） and phosphorus （P） in the rhizosphere soil and roots of alfalfa were determined. Two-way ANOVA showed that phosphorus application and bacterial inoculation significantly affected the root vigor， the contents of malondialdehyde， soluble sugars， and starch in the roots， rhizosphere soil N∶P， and root C∶N， C∶P， and N∶P （P<0.05）， but did not significantly affect the root soluble protein content （P>0.05）. Further analyses showed that at the same level of phosphorus application， inoculation with phosphate-solubilizing bacteria increased alfalfa root vigor， soluble sugar content， and soluble protein content （except for J₂P₀ and J₂P₁）； increased root starch content （except for J₁P₁）； increased rhizosphere soil and root C， N， and P contents （except for root C in J₂P₁ and root N content in J₁P₀ and J₂P₀）； and increased rhizosphere soil C∶P （except for J₃P₀） and N∶P； but reduced the rhizosphere soil C∶N and root malondialdehyde content （except for J₁P₁ and J₂P₁）. Under the same inoculation treatment， phosphorus application increased root vigor and the contents of soluble sugars， soluble protein， and starch in the roots， increased rhizosphere soil C and P and root N and P contents， and decreased root C∶N， C∶P， N∶P， malondialdehyde content， and rhizosphere soil N∶P， compared with their respective values in the no-phosphorus control. On the basis of these comprehensive analyses， the treatments could be ranked， from the highest composite score to lowest， as follows： J₃P₁>J₂P₁>J₁P₁>J₀P₁>J₃P₀>J₂P₀>J₁P₀>J₀P₀. In conclusion， phosphorus application （100 mg·kg^-1） and mixed inoculation with B. mucilaginosus and B. megaterium effectively increased the nutrient content of alfalfa rhizosphere soil and increased the accumulation of non-structural carbohydrates in alfalfa roots.

Key words: phosphate-solubilizing bacteria, phosphorus, alfalfa, non-structural carbohydrates, stoichiometry

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图/表 11

表1 供试土壤理化性质

Table 1 Physico-chemical properties of test soils

有机质

Organic matter

（g·kg^-1）

容重

Bulk weight

（g·cm^-3）

全氮

Total nitrogen

（g·kg^-1）

全磷

Total phosphorus

（g·kg^-1）

碱解氮

Alkaline nitrogen

（mg·kg^-1）

速效磷

Available phosphorus

（mg·kg^-1）

速效钾

Available potassium

（mg·kg^-1）

表2 2种解磷菌基本信息

Table 2 Basic information of the two phosphate solubilizing bacteria

序号Rank	名称Name	菌种编号Strain No.	培养基名称Medium name	简称Abbreviation
1	胶质芽孢杆菌Bacillus mucilaginosus	ACCC 10013	钾细菌琼脂Potassium bacterial agar	J₁
2	巨大芽孢杆菌Bacillus megaterium	ACCC 10245	营养肉汁琼脂Nutrient agar	J₂

表3 接菌处理和施磷水平对各因子影响的方差分析

Table 3 Analysis of variance of the effects of inoculation treatments and phosphorus application levels on the factors

变异来源 Source of variation	根际土 Rhizosphere soil						根Root
	碳 C		氮 N		磷 P		碳 C		氮 N		磷 P
	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P
J	5.164	0.011	7.722	0.002	6.467	0.004	6.235	0.005	33.650	<0.001	10.818	<0.001
P	5.937	0.027	3.610	0.076	73.533	<0.001	0.848	0.371	66.381	<0.001	115.144	<0.001
J×P	1.854	0.178	1.053	0.396	0.833	0.495	4.619	0.016	5.763	0.007	4.623	0.016

图1 接菌处理和施磷水平下紫花苜蓿根际土及根系碳、氮、磷含量不同小写字母表示在同一施磷水平下不同接菌处理之间差异显著（P<0.05）。*，**分别表示在同一接菌处理下不同施磷水平之间差异显著（P<0.05）和极显著（P<0.01），下同。Different lowercase letters indicate significant differences among different inoculation treatments at the same level of phosphorus application （P<0.05）. * and ** indicates significant differences （P<0.05） and extremely significant differences （P<0.01） between different levels of phosphorus application at the same inoculation treatment， respectively， the same below.

Fig.1 Carbon， nitrogen and phosphorus content of alfalfa rhizosphere soil and root under inoculation treatment and phosphorus application level

表4 接菌处理和施磷水平对化学计量比影响的方差分析

Table 4 Analysis of variance of the effect of inoculation treatments and phosphorus application levels on stoichiometric ratios

变异来源Source of variation	根际土Rhizosphere soil						根Root
	碳氮比 C/N		碳磷比 C/P		氮磷比 N/P		碳氮比 C/N		碳磷比 C/P		氮磷比 N/P
	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P
J	0.762	0.532	1.655	0.217	5.158	0.011	5.285	0.010	8.344	0.001	16.181	<0.001
P	0.028	0.868	7.395	0.015	10.618	0.005	23.008	<0.001	63.950	<0.001	33.266	<0.001
J×P	0.128	0.942	1.626	0.223	1.219	0.335	2.667	0.083	0.773	0.526	2.944	0.065

图2 接菌处理和施磷水平下紫花苜蓿根际土及根系化学计量比的变化

Fig.2 Changes in rhizosphere soil and root stoichiometric ratios of alfalfa under inoculation treatments and phosphorus application levels

表5 接菌处理和施磷水平对根系生理指标影响的方差分析

Table 5 Analysis of variance of the effects of inoculation treatment and phosphorus application level on root physiological index

变异来源 Source of variation	根系活力Root activity		丙二醛Malondialdehyde		可溶性糖Soluble sugar		可溶性蛋白Soluble protein		淀粉Starch
变异来源 Source of variation	F	P	F	P	F	P	F	P	F	P
J	218.751	<0.001	21.612	<0.001	40.824	<0.001	3.067	0.058	7.402	0.003
P	166.668	<0.001	98.983	<0.001	26.717	<0.001	2.678	0.121	32.372	<0.001
J×P	73.885	<0.001	6.397	0.005	2.120	0.138	0.154	0.926	1.442	0.268

图3 接菌处理和施磷水平下紫花苜蓿根系活力及丙二醛含量

Fig.3 Root vigour and malondialdehyde content of alfalfa under inoculation treatment and phosphorus application level

图4 接菌处理和施磷水平下紫花苜蓿根系可溶性糖、可溶性蛋白及淀粉含量

Fig.4 Soluble sugars， soluble protein and starch content of alfalfa roots under inoculation treatments and phosphorus application level

图5 紫花苜蓿根际土及根系各指标相关性热图*表示P<0.05，**表示P<0.01。图例中数字为皮尔逊相关系数。* denotes P<0.05， ** denotes P<0.01. The numbers on the legend are Pearson correlation coefficients.

Fig.5 Heat map of the correlation of rhizosphere soil and root indexes of alfalfa

图6 不同菌磷处理下各指标间主成分分析及综合评价得分

Fig.6 Principal component analysis and comprehensive evaluation score among indicators under different bacterial-phosphorus treatments

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