Effects of phosphorus application and inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi and phosphorus-solubilizing bacteria on the photosynthetic characteristics and biomass of alfalfa

doi:10.11686/cyxb2022081

Abstract

Abstract:

This study explored the effects of inoculation with arbuscular mycorrhizal fungi （AMF） and phosphorus-solubilizing bacteria （PSB） on the photosynthetic characteristics and biomass of alfalfa under different phosphorous application levels. The ultimate aim of this research was to provide a theoretical basis for improving the efficiency of phosphorus fertilizer utilization for the production of high-quality， high-yielding alfalfa by formulating a scientifically based and appropriate fertilization system. A pot experiment was conducted with a randomized block design. There were 16 treatments in total， consisting of four inoculation treatments ［uninoculated control （CK， J₀）， single inoculation with Bacillus megaterium （Bm， J₁）， single inoculation with Funneliformis mosseae （Fm， J₂）， and double inoculation （Bm×Fm， J₃）］ and four phosphorus （P₂O₅） application levels ［0 （P₀）， 50 （P₁）， 100 （P₂） and 150 mg·kg^-1 （P₃）］. The net photosynthetic rate （P_n）， transpiration rate （T_r）， stomatal conductance （G_s）， intercellular CO₂ concentration （C_i）， light energy use efficiency （LUE）， water use efficiency （WUE）， chlorophyll ［Chl （a+b）］ content， and biomass of alfalfa leaves were measured. Correlation analyses were conducted to clarify the relationship between each photosynthetic index and the biomass of alfalfa. The best combination of bacteria and phosphorus conditions in terms of biomass accumulation and photosynthetic characteristics of alfalfa was identified using a membership function analysis. It was found that， under the same inoculation treatment， the P_n， T_r， G_s， LUE， WUE， Chl （a+b）， and biomass all initially increased and then decreased with increasing phosphorus levels， with the maximum values in the P₂ treatment. The values of these parameters were significantly higher in the phosphorus application treatments than in the no-phosphorus treatments （P<0.05）. The value of C_i gradually decreased with increasing phosphorus levels， and its value was significantly lower in the phosphorus application treatments than in the no-phosphorus treatments （P<0.05）. Under the same phosphorus application level， the P_n， T_r， G_s， LUE， WUE， Chl （a+b）， and biomass of leaves were significantly higher in alfalfa plants inoculated with AMF and PSB than in uninoculated plants （P<0.05）. The parameters P_n， T_r， G_s， LUE， WUE， and Chl （a+b） showed maximum values in the J₃ treatment， while C_i showed the minimum value in J₃ and was significantly lower in inoculated plants than in uninoculated ones （P<0.05）. Correlation analyses showed that C_i was significantly negatively correlated with P_n， T_r， G_s， LUE， WUE， Chl （a+b） and biomass （P<0.05）， and the other parameters were significantly and positively correlated with each other （P<0.05）. A multivariate evaluation ranked the treatments on the basis of the comprehensive membership function values， and the top three were J₃P₂>J₂P₂>J₃P₁. Therefore， a phosphorus application rate of 100 mg·kg^-1 and double inoculation with AMF and PSB can significantly increase photosynthesis and the chlorophyll content of alfalfa leaves， thereby increasing the biomass of alfalfa.

Key words: alfalfa, AMF, phosphorus-solubilizing bacteria, phosphorus fertilizer application, photosynthetic characteristics, biomass

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Figures/Tables 8

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因素 Factor	项目 Item	净光合速率 P_n	蒸腾速率 T_r	气孔导度 G_s	胞间CO₂ 浓度 C_i	光能利用效率 LUE	水分利用效率 WUE	叶绿素a 含量Chl a content	叶绿素b 含量Chl b content	叶绿素总含量Chl （a+b） content	生物量Biomass
J	F值F value	27.019	328.403	14973.605	3725.991	1636.166	573.374	23.100	1108.286	33.038	4.797
J	P值P value	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001	0.037	<0.001	<0.001	<0.001	0.029
P	F值F value	10.801	189.577	1401.009	1930.936	494.982	204.594	9.155	315.671	12.065	24.769
P	P值P value	0.002	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001	0.004	<0.001	0.002	<0.001
J×P	F值F value	121.347	6.234	157.332	31.519	40.454	32.397	159.307	38.547	30.442	1846.891
J×P	P值P value	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001	<0.015	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001

因素 Factor	项目 Item	净光合速率 P_n	蒸腾速率 T_r	气孔导度 G_s	胞间CO₂ 浓度 C_i	光能利用效率 LUE	水分利用效率 WUE	叶绿素a 含量Chl a content	叶绿素b 含量Chl b content	叶绿素总含量Chl （a+b） content	生物量Biomass
J	F值F value	27.019	328.403	14973.605	3725.991	1636.166	573.374	23.100	1108.286	33.038	4.797
J	P值P value	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001	0.037	<0.001	<0.001	<0.001	0.029
P	F值F value	10.801	189.577	1401.009	1930.936	494.982	204.594	9.155	315.671	12.065	24.769
P	P值P value	0.002	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001	0.004	<0.001	0.002	<0.001
J×P	F值F value	121.347	6.234	157.332	31.519	40.454	32.397	159.307	38.547	30.442	1846.891
J×P	P值P value	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001	<0.015	<0.001	<0.001	<0.001	<0.001

指标 Index	净光合速率 P_n	蒸腾速率 T_r	气孔导度 G_s	胞间CO₂ 浓度C_i	光能利用效率LUE	水分利用效率WUE	叶绿素总含量Chl （a+b）
蒸腾速率Transpiration rate （T_r）	0.905**
气孔导度Stomatal conductance （G_s）	0.734**	0.846**
胞间CO₂浓度Intercellular CO₂ concentration （C_i）	-0.716**	-0.893**	-0.874**
光能利用效率Light use efficiency （LUE）	0.988**	0.924**	0.764**	-0.769**
水分利用效率Water use efficiency （WUE）	0.954**	0.740**	0.568*	-0.513*	0.925**
叶绿素总含量Chlorophyll content ［Chl （a+b）］	0.854**	0.778**	0.662**	-0.731**	0.854**	0.814**
生物量Biomass	0.714**	0.728**	0.585*	-0.610**	0.704**	0.605*	0.746**

指标 Index	净光合速率 P_n	蒸腾速率 T_r	气孔导度 G_s	胞间CO₂ 浓度C_i	光能利用效率LUE	水分利用效率WUE	叶绿素总含量Chl （a+b）
蒸腾速率Transpiration rate （T_r）	0.905**
气孔导度Stomatal conductance （G_s）	0.734**	0.846**
胞间CO₂浓度Intercellular CO₂ concentration （C_i）	-0.716**	-0.893**	-0.874**
光能利用效率Light use efficiency （LUE）	0.988**	0.924**	0.764**	-0.769**
水分利用效率Water use efficiency （WUE）	0.954**	0.740**	0.568*	-0.513*	0.925**
叶绿素总含量Chlorophyll content ［Chl （a+b）］	0.854**	0.778**	0.662**	-0.731**	0.854**	0.814**
生物量Biomass	0.714**	0.728**	0.585*	-0.610**	0.704**	0.605*	0.746**

处理 Treatment	净光合速率 P_n	蒸腾速率 T_r	气孔导度 G_s	胞间CO₂浓度 C_i	光能利用效率 LUE	水分利用效率 WUE	叶绿素总含量 Chl （a+b）	生物量 Biomass	平均值 Average	排序Rank
J₀P₀	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	0.000	16
J₀P₁	0.060	0.114	0.043	0.157	0.036	0.029	0.192	0.295	0.116	15
J₀P₂	0.241	0.429	0.077	0.214	0.202	0.137	0.288	0.538	0.266	12
J₀P₃	0.202	0.371	0.102	0.365	0.179	0.108	0.164	0.099	0.199	14
J₁P₀	0.296	0.171	0.070	0.191	0.298	0.431	0.521	0.033	0.251	13
J₁P₁	0.589	0.486	0.128	0.317	0.536	0.716	0.630	0.267	0.459	10
J₁P₂	0.720	0.714	0.267	0.432	0.786	0.765	0.781	0.803	0.659	5
J₁P₃	0.525	0.590	0.123	0.534	0.595	0.520	0.548	0.407	0.480	9
J₂P₀	0.475	0.533	0.506	0.354	0.536	0.480	0.178	0.053	0.389	11
J₂P₁	0.623	0.619	0.613	0.471	0.643	0.667	0.534	0.294	0.558	7
J₂P₂	0.804	0.867	0.861	0.613	0.810	0.784	0.836	0.937	0.814	2
J₂P₃	0.452	0.686	0.805	0.757	0.512	0.324	0.452	0.527	0.564	6
J₃P₀	0.539	0.619	0.564	0.449	0.536	0.529	0.575	0.114	0.491	8
J₃P₁	0.585	0.638	0.754	0.719	0.643	0.588	1.000	0.720	0.706	3
J₃P₂	1.000	1.000	1.000	0.849	1.000	1.000	0.932	1.000	0.973	1
J₃P₃	0.553	0.895	0.885	1.000	0.655	0.343	0.753	0.424	0.689	4