3。根瘤菌肥和化肥对川西北箭舌豌豆生长的试验

摘要: 我们给箭舌豌豆提供当地根瘤菌和化肥(二次正交旋转设计).虽然施根瘤菌肥使根冠的根瘤数量增多,由于植物的自控制机制,根瘤总数量,总重量及作物产量都没提高.根瘤重量与植物重量成正比.化肥当中,磷酸二氢钾在河谷平地有效,尿素和小量石灰无效.

3.1. 材料与方法

3.1.1. 实验区: 试验区辖曼种养牧场(见第1.2节;其位置大概为33o33'20"N /102o27'45" ,在图M-1.2-C上大概"XIAMAN FARM"的'N').试验区的土壤多为砂质草甸湖土,层次发育明显,有黑褐色的腐质层,厚度为30--50cm,有机含量为3～5%,氮含量高(0.25～0.5%),微酸(pH:试纸:5.0～6.0;玻璃电极: 6.0～7.4).本田耕地有几年,周围该区的典型自然植被是垂穗披碱群落(#刘1994).试验区前两年的作物是燕麦.

3.1.2. 实验设计: 在围栏的试验区1995年5月17日拖拉机耕地以后使用二次正交旋转组合设计(#陈1986)恃芯克母鲆蛩赜形甯霾煌氖┞,即0%,25%,50%,75%,100%,一共36 个随机排列的小区.我们在这种设计中作两个重复:第一个用尿素为氮源,第二个用根瘤菌为氮源.在周围还排了一些单因素(施率一律为100%)的对照区,所以总共有 88个小区.为对照燕麦也施尿素四个小区.

3.1.3. 小区处理: 每个小区宽1.11m(南北方向),长1.8m(东西方向),相当2m2.不同化肥处理小区距离为0.5m,不同根瘤菌处理小区之间的距离为1.5m.5月17日( 天气润湿)在表面施石灰,微量元素,磷酸二氢钾和氯化钾以后耙地.5月18日开播种行, 每个小区设四条(距离0.25m,每条长1.8m).5月19 日(气侯潮湿)每个小区播浸泡了一整液的箭舌豌豆种子16g(相当干种子9.1g或123颗/m2),播种时天气润湿,有雨.6月15日用喷灌器施尿素.

───────────────────────────────────────
表T-3.1-A 肥料的全施量:
───────────────────────────────────────
因素 公斤/公顷 斤/亩 来源,备注
───────────────────────────────────────
根瘤菌液体 31.25 4.2 每升4.4*1012(血球计数版)细胞,菌肥是分别
发酵15种当地野生菌株(#曾1994;DATASET.RHI)的混合物
氮 84 11.2 186kg/hm2 尿素(四川化工厂),6月15日才追施
磷 75 10 328kg/hm2 磷酸二氢钾(成都化工股份有限公司)
钾 94 12.5 同上;或者(单因素)177kg/hm2 氯化钾
石灰 750 100 金马牌,乐山
微量元素: 钼 Mo 4 0.53 5.02kg Na2MoO4.2H2O+3.67kg(NH4)6Mo7O24.4H2O/hm2
硼 B 2 0.27 11.4kg/hm2 H3BO3
锌 Zn 0.2 0.027 0.88kg/hm2 ZnSO4.7H2O
───────────────────────────────────────

3.1.4. 施菌肥: 播种时把12.5g菌肥液稀释到25g,以后把菌肥和种子拌均, 再播到行里面,并立即用土覆盖.

3.1.5. 收草: 8月19到22日在每小区的宽1m长0.5m的面积收作物(切位地上2cm),当场测生物鲜量和根瘤鲜量.杂草每小区的0.1m2全部割光.所收的草以后首先在通风的地方进行空气干燥,以后24h在65℃下烘干.

3.1.6. 记录瘤的位置 每小区随机挖去10株植物,记录根瘤的部位.为此用了#Corbin等(1977)曾经发明的根瘤分布评分系统,道理为分别记录根冠(根系顶部5cm)上和远根(根系统的其他部分)上的根瘤.我们收草和根瘤的时候并不了解各随机分配的小区的以前的处理,所以可以排除主观的因素.

3.1.7. 土壤分析:土样采了深度0～20cm,每个测pH的土样来自1个小区的四个样, 测氮,钾和磷的小样来自5个小区的四个样(相当于20个单样的混合土),营养状况是成都中科院山地所土壤分析室罗英老师作的(方法见第2.1.4节).测速效钾她采用了中性乙酸钠分析(南土所定标,1993年).

3.1.8. 数据分析: 检查数据(DATASET.FER)的代表性采用过的是常用的Student's T检验法和线性回归运算及F检验法,为了方便运算编了两个C语言程序运算.为了便于理解,在讨论中我们对照零施率(没施肥)和全施率(见表T-3.1-A)由回归方程算出结果.从肉眼来看关系大概为线性.

3.2. 结果

3.2.1. 总产量

──────────────────────────────────────
表T-3.2-A 箭舌豌豆小区的生长数据
──────────────────────────────────────
受同样处理的26个小区 所有的88个小区
特征: 单位 平均 相对方差 平均 相对方差
──────────────────────────────────────
作物鲜量crop fresh w g/m2 360.2 0.200 371.2 0.352
作物干量crop DM g/m2 74.2 0.178 72.6 0.323
植株干量plantlet DM g/株植物plant 1.878 0.241 1.828 0.245
根干量 root DM g/株植物plant 0.0584 0.065 0.0578 0.146
根瘤总鲜量nodule fresh w g/株植物plant 0.1300 0.479 0.1229 0.812
根冠根瘤root crown nodules颗/株nod/plant 1.853 0.190 1.790 0.295
远根根瘤far root nodules 颗/株nod/plant 2.438 0.225 2.223 0.243
综合产量系数compos. yield 见注see below - 0.149 - 0.229
杂草干量weed DM g/m2 349.8 0.203 287.5 0.224
──────────────────────────────────────
注:相对方差用(具体数字/平均价)运算(TTEST),因此可以用于比较各种特征的方差. 可以
看得出来,在实验条件下,比较保守(方差不大)的因素是作物面积干量,根的干量和(为面积
干量/面积平均干量+株干量/株平均干量算出的)的作物综合产量系数.
──────────────────────────────────────

3.2.2. 土壤通气的影响: 翻掘地更深的话,会让综合系数增加为10.2%(但P>0.5), 让杂草减少为28.9%(P<0.02).因为面积鲜量的增加(23.2%,P<0.25)比单株量的增加高得多,耕地可能对萌发率产生良好的影响(增加为20.8%,P<0.25).

3.2.3. 矿物肥的影响: 在作物和土壤中,尿素(综合系数增加为5.5%土壤里的碱解氮从190增到216PPM)和石灰( 综合系数增加为5.9%,对此有机物含量很高的土壤的pH 没有影响)对作物的产量和土壤参数无影响.
在本试验中,微量元素好象对植物和根瘤率有害处:综合系数降为20.7%(P<0.1),特别明显的是根量的下降(38.9%,P<0.002);根瘤的重量降为23.1%(P<0.5) 而根瘤的数量增加为9.3%(P>0.5). 从此可以看出来微量元素液对植物的有害性比对根瘤菌的破坏性大.
比较起作用的是磷钾肥:该处理让综合系数升为60.0%(P<0.05), 而根瘤重量升为146%(P<0.002).根瘤重量的增加主要来源是每颗根瘤重量的增加一倍 ( 增为104.9%,P<0.1),次者在有根瘤总数的增加(31.0%,P<0.05).根瘤菌总数增加唯一来自根冠根瘤的增加(为97.3%,P<0.01);相反远根的根瘤数目及全根的重量没明显的变化(-7.0%及+3.0%).磷钾肥让杂草增加为17.8%(P<0.5), 此增加正好低于作物的增加.土壤中,速效磷增从1.1到3.6PPM,速效钾增加从77到128PPM. 磷钾肥的效果到底来自磷或者来自钾?在四个等量单独用钾的小区 中, 根瘤重量和全瘤数量增加了为62.5%及36.5%(两者P<0.05).因为四个小区不是很多, 对生产量的效果不明显(综合系数增加为17.1%),但是最少可以说明钾比较重要,也许是主要因素. Control plant: nodules on the far rootsInoculated: nodules on the root crown

3.2.4 根瘤菌肥的影响: 施肥让综合系数增加为1.54%(P>0.5),说明配合的菌液对产量没有影响.然而,在地下施肥处理有一个很明显(P<0.0001;见图D-3.2-A)的效应:根冠根瘤增多为32.7% (P<0.001),但远根的根瘤就同步减少(为19.1%,P<0.05).这就说明:菌肥确实能够使首先形成的根冠的根瘤增多,但是由植物的自我控制(#Caetano-Anolles and Gresshoff 1991)0在其余部分形成根瘤减少.所以不管是否施肥根瘤总数和总量比较一致(菌肥使之增加为15.4%及8.5%,而且因为挖除植物的时候,很可能使远根的根瘤稍微偏低, 远根的影响比实际测试的还高).
另外,施菌肥的副效应是不同的菌株优势 ,各菌株对不同的肥处理反应不同:上述的对磷钾肥的反应在施肥情况下比未施菌肥的情况下弱55%.而且,在施菌肥条件下石灰能够提高综合系数为68.7%(P<0.05), 但是在未施菌肥的条件下综合系数降为33.9%(P<0.25).

3.2.5 根瘤和生产量的关系: 在八十余个小区中, 宿主植物地上生物量与根瘤总量(F=55.8)比与根瘤数量的关系(F=0.62)密切得多,前者几乎成比例(方程为:地上生物干量=123.82*根瘤干量-0.003克).根瘤这个器官的重量比例就为0.8%,与人体比喻起来,在肾和肝之间.此说明植物自我控制主要在根瘤重量水平上,而和根瘤数量没有多少关系.长得比较好的植物每颗根瘤就大,长得不好的植物每颗根瘤就小(P<0.001).

3.3. 讨论

3.3.1. 生产量: 显而易见,此实验生产量很低(740kg/hm2,相当24.5元/亩收回). 这可能是因为播种量少(只播了22.5kg/HA)而发芽率低(32.0%), 并且因避免受不同菌肥处理的小区的互相感染,没有去杂草,所以杂草(其中禾本科占46%,菊科和藜科各占21%)较作物长4.7倍,总生物量就接近自然草地的数字(见第3.2.1节). 在毗邻的燕麦田生产量为4650kg/HA.有十来个小区受到轻度的鼠害.虽然总产量的结果不理想, 但还可以看出各种不同的肥料处理的区别.

3.3.2. 微量元素的破坏性: 最可能是因为用的钼量太高了(五十年代报告中用的钼量较高,比如#EVANS 1951,以后发现当代用的钼肥量不到本实验用的全施量的五十分之一;#屠1992)9,但也许与少量锌对生物固氮的抑制作用有关(#PORTER 1981).

3.3.3. 土壤PH影响: 以前已经提到(第2.2.1节),不同的测试方法的结果不一致,因为有的根瘤菌对于酸比较敏感(第1.3.3节). 豆科植物多数喜欢干燥(高PH)环境.(第2.3.1节). 本实验的施用石灰毫不起作用的结果支持豌豆根瘤菌不受到酸度的影响的结论. 不过,在根瘤菌当中豌豆根瘤菌的耐酸性本身较强,比如比苜蓿中华根瘤菌好.不能一概而论酸度对其它豆科植物无影响.

3.3.4. 磷,钾在河谷平地豆科植物的良好作用: 在图(D-2.2-A已经提到了在野生草地速效磷与总生物量成反比例,这就招致1995年8月低,河谷草地的生产可能受到磷的限制. 甚至如果假设这个表面的相关与磷无关(我们比较的是不同的N/P动态(#NADELHOFFER 1991)炔煌耐寥)而如果我们担心有机质高的土壤有效磷的测试比较复杂(#绍煜庭1991) ,野豌豆的反应比较明显. 另外, 有效磷与样条(甲)野生植物根瘤菌总数有正关性(P<0.105,KT17)而磷对根瘤大小的效果在栽培的野豌豆也比较大(第3.2.3节).

磷和钾的效果比较好,特别是在钾含量高的豆科植物这是很常见的(#杨和张在红原1995, #汪和陈1992B, #汪和陈1993, #金1994, #李和朱1993, #Pinkerton 1993, #Dodd 1995, #Peoples 1995A),在青藏高原有时对整个草地生产量影响比较好(#佐1980) .因为草原上大量施磷钾肥费用较高, 所以开发本区的菌根真菌并形成一种比较好的菌肥,在箭舌豌豆上可能是一条值得考虑的途径. 有关配合施用根瘤菌和根菌的报告多(#Buttery 1992 (摘要;对再绿化项目也有用);#Hwang 1993 (北极环境)及#Lynd 1995).

当然该提到上述不是很纯肥料的效应也许是不由于磷酸钾而是某种污染矿物. 除非钼, 锌及硼酸可以再筛选其它的微量元素.

3.3.5. 在河谷施氮肥效率低: 在样条(甲), 碱解氮和有效磷的关系虽然密切(**P<0.0023,KT17), 但碱解氮的关系疏松一些(P<0.13,KT17), 这可能意味这磷的限制性比氮大. 又该强调, 此是由于什么其它掩饰的因素而产生. 但是尿素的效应,无论在靠近试验区的燕麦田(每kg尿素使燕麦的生物干量增加6kg, P<0.25), 在野豌豆田中的杂草(每kg尿素使杂草的生物干量增加2.3kg, P<0.2)及野豌豆本身(每kg尿素使野豌豆的生物干量增加0.2kg, 无明显)一律比较差. 虽然有的北极(#ULRICH 1978)燃案呱(#BOWMAN 1993)环境是由于氮而限制的,而虽然在红原的两个试验区,#李1991通过土壤微量动态分析得到氮的限制性比磷和钾大, 在比较干燥的河谷中,调查青藏高原施肥效应的#王大明(1994)的在高寒区,氮含量高的草毡土上氮肥的效果低
好象有效. 固然,在润湿苔草草土壤营养动态可能迥然不同(#NADELHOFFER 1991).

3.3.6. 土壤氮的可动用及根瘤菌数量对结瘤的影响: 可动用氮及根冠的结瘤抑制(侧)根及总根结瘤状况是一个很早期的发现(#HILTNER 1904),从此有很多人作同样的报告(#Caetano-Anolles和Gresshoff 1991, #汪和陈1992a; 在很像我们的实验条件下#Egorov 1985)l. 尿素对根瘤的抑制作用在本试验并不明显(根冠上降为14. 2%,远根降为14.6%),有可能是因为尿素施得比较晚.

在第2.2节已提到,在样条(甲)碱解氮与甘肃棘豆的多寡, 重量及每平方米总根瘤数是正关的(P<0.08,P<0.055,*P<0.032;KT17). 与此相反, 每样的相对总结瘤率(设为(对数(根瘤/(各种植物干量*参数)))之合计 如根瘤>0 和植物干量>0); 参数是来自表T-2.2-A的平均根瘤数/克植物干量)与可得到的氮有明显的反关系(P<0.0068,KT17). 当然这种结果完全无视根瘤菌效应(或颜色),每样的相对总结瘤率比如与黄芪的多样性及黄芪生物量在总生物量形成正关系(*P<0.05,KT35; *P<0.0143,KT19),那很可能取样伪迹. 但是从样条试验数据来判断,氮不影响某物种棘豆的结瘤,只有可能它影响不同种的分布.

箭舌豌豆的自我控制作用说明很可能该土壤中的根瘤菌的群体数量足以形成足够的粉红色的根瘤(加更多的根瘤菌没有明显的效果).当然, 不能排除比较有效的菌株比比较无效的菌株被控制的可能性.

3.3.7. 不同的豆科(作物)的结瘤率差距很大: 野豌豆大概占总干量的0.8%, 此比野生的甘肃棘豆高的的多,如果我们假设或者我们挖出的根瘤仅占实际的根瘤数50%,甘肃棘豆的根瘤重量只占其生量的0.1%. 其它的野生豆科植物此比例更差,但有可能是由于采样不全而产生的作用. 从种子生长来的作物每克生物量的代谢率比野生植物高(因此可以假设每克生物量的结瘤量应该更高).但在辖曼种的时候苜蓿几乎无根瘤而红豆草根瘤很少(采30株年龄5个月的幼嫩植物,根瘤干量对总干量比例0.16%,此比例比箭舌豌豆的瘤重比小5倍.

虽然用当地根瘤菌没有提高, 其它作物的接种研究更大. 在甘孜州的红豆草(#DUKE 1981)菟到崃銮榭鲆膊. 值得注意, 接种研究大部分,最少在不太酸的土壤上,没研究豌豆等"易结瘤"的作物,而是以苜蓿(#沈1990,#宁1995)8及红豆草(在中国草地根瘤菌研究可以说已经是"模型"系统,#余文勒1995,陈宝树1993,#吴勒1995)5等"难得结瘤"的豆科植物为主. 实际上,当时也设计了红豆草结瘤试验,但因为萌发律太低(每作萌发试验)没得到可靠的数据.

在寒冷条件下Bordeleau和Prevost(1994)对加拿大的红豆草作比较有希望的报告;聂等(1989)在甘肃的年均温度与辖曼相似的条件下在紫花苜蓿有了成功,但是他们试验区(碱性栗钙土)土壤中氮含量比辖曼低多了.所以开发那些饲料的根瘤菌之前需要更详细的摸索. 这就是豌豆接种试验没提高生产之后主要研究了红豆草根瘤菌的特征的原因.