全 文 ：根瘤菌在小麦与紫云英混作中的作用 3
钟增涛　沈其荣 3 3 　孙晓红　冉　炜　茆泽圣
(南京农业大学资源与环境科学学院 ,南京 210095)
【摘要】　采用盆钵实验 ,在小麦与紫云英混作系统中 ,通过对紫云英接种根瘤菌 ,研究了小麦与紫云英生
长过程中植株生长、植株生物量、植株与土壤氮素变化情况及根瘤菌的酶活性. 结果表明 ,在有根瘤菌接种
的混作体系中 ,植株的生长得到促进 ,植株及土壤全氮均有增加 ,酶活性比单作也有所提高.
关键词 　根瘤菌 　混作 　小麦 　紫云英 　生物量 　氮素
文章编号 　1001 - 9332 (2003) 02 - 0187 - 04 　中图分类号 　S144. 3 　文献标识码 　A
Role of Rhizobium in wheat2astragalus mixed cropping system. ZHON G Zengtao , SHEN Qirong , SUN Xiao2
hong , RAN Wei , MAO Zesheng ( College of Resources and Envi ronmental Sciences , N anjing A gricultural U2
niversity , N anjing 210095 , China) . 2Chin. J . A ppl . Ecol . ,2003 ,14 (2) :187～190.
Inoculation experiments were carried out in wheat2astragalus mixed cropping system to study the changes of plant
biomass , nitrogen content in plants and soil , and enzyme activity of Rhizobium . The results showed that in the
mixed cropping system inoculated with Rhizobium , the growth of plants was stimulated , total nitrogen of plants
and soil was increased significantly , and the increment of enzyme activity of Rhizobium was also found.
Key words 　Rhizobium , Mixed cropping , Wheat , Astragalus , Biomass , Nitrogen.
3 国家自然科学基金资助项目 (30070446) .3 3 通讯联系人.
2000 - 12 - 02 收稿 ,2001 - 08 - 19 接受.
1 　引 　　言
高量化学氮肥的施用已造成环境污染及土壤理
化性质的下降. 为解决这一问题 ,人们又转向对微生
物固氮的研究. 自然界中约 70 %的氮由固氮菌提
供 ,其中共生固氮的效率最高. 在相当长的时间 ,共
生固氮的研究只是基于豆科植物单作接种 ,提高产
量及作为绿肥在轮作中提高土壤肥力. 单作接种提
高产量 ,只是对豆科植物有作用 ,因而有一定局限
性 ,而作为绿肥 ,氮素需依靠微生物分解才能为作物
吸收 ,这是一个缓慢的过程 ,且会造成由于土壤微生
物迅速生长导致有机质大量分解的爆炸效应等其它
不利影响. 近年来对根瘤菌与非豆科植物关系的研
究取得了进展 ,发现根瘤菌能在非豆科植物根圈定
殖并有固氮能力[2 ,4 ,10～12 ] ,而且发现根瘤菌的胞外
多糖组分有提高作物抗病的能力[9 ] . 研究表明 ,禾本
科与豆科混作 ,经济产值比禾本科单作有所提高[5 ,6 ] ,
而单纯根瘤菌与禾本科植物拌种 ,对禾本科氮素提高
影响不大. 禾本科与豆科植物混作只是对植物之间
的相互关系进行研究 ,没有考虑根瘤菌固氮对植物
养分的影响. 为此 ,我们采用小麦与紫云英为混作系
统 ,通过紫云英在接种根瘤菌和不接种根瘤菌条件
下 ,植株、土壤氮素变化及植株生长情况的差异 ,阐
明根瘤菌对混作作物间氮素养分供应、吸收的作用.
2 　材料与方法
211 　菌株
紫云英根瘤菌 ( Mesorhizobium huakui 93) (表 1) .
212 　土壤及处理
供试土壤为高砂土 ,处理前的土壤性状为 :p H 8. 25 ,有
机质含量为 9. 5 g·kg - 1 ,全氮含量 0. 47 g·kg - 1 , 全磷为
24. 6 g·kg - 1 , 速效氮为 19. 47 mg·kg - 1 ,速效磷为 47. 11 mg
·kg - 1 . 土壤磨碎后混匀按 2. 2 kg·钵 - 1装盆. 种植前氮、钾和
磷分别按 28、57. 5 和 46. 5 mg·kg - 1 一次性施加尿素和
KH2 PO4 为基肥 ,另外每钵中加入相同量微量元素液. 接种
处理为紫云英种子催芽后于含菌量为 2 ×109 cell·ml - 1的菌
液中浸泡 2 h. 实验设 3 次重复 ,5 个处理分别为 : Ⅰ组小麦
单作 (6 株·钵 - 1) , Ⅱ组小麦 (3 株·钵 - 1)与紫云英 (接种根瘤
菌) (3 株·钵 - 1)混作 , Ⅲ组小麦 (3 株·钵 - 1 ) 与紫云英 (不接
种根瘤菌) (3 株·钵 - 1 ) 混作 , Ⅳ组紫云英单作 (6 株·钵 - 1 )
(接种根瘤菌) , Ⅴ组紫云英单作 (6 株·钵 - 1 ) (不接种根瘤
菌) . 在小麦拔节 (5 月 10 日) 、孕穗 (6 月 1 日)和收获期 (6 月
27 日)分别采集土壤和植株样品.
213 　测定方法
固氮菌固氮酶活性测定采用乙炔还原法 ,植物全氮测定
采用半微量开氏定氮法[8 ] ,土壤NO3 - 2N 、NH4 + 2N的测定
采用比色法[9 ] ,土壤全氮测定采用半微量开氏定氮法 [10 ] .
应 用 生 态 学 报 　2003 年 2 月 　第 14 卷 　第 2 期 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　
CHIN ESE JOURNAL OF APPL IED ECOLO GY ,Feb. 2003 ,14 (2)∶187～190
表 1 　紫云英根瘤重量及数量
Table 1 Weight and number of nodule
生长期
Growth
stage
组号
No.
　
　
瘤重
Weight of
nodule
(mg·plant - 1)
瘤数
Number of
nodule
(ind·Plant - 1)
拔节期 Ⅱ 40. 00 ±4. 023 23. 00 ±2. 01
Jointing Ⅳ 18. 98 ±0. 38 21. 24 ±1. 51
孕穗期 Ⅱ 105. 5 ±6. 34 52. 30 ±7. 07
Earing Ⅳ 76. 79 ±4. 85 70. 05 ±3. 17
收获期 Ⅱ 72. 57 ±4. 74 40. 67 ±5. 51
Harvest Ⅳ 0 0
Ⅱ. 混作接种组 Inoculuted intercrop , Ⅳ. 单作接种组 Inoculated astra2
galus.
3 　结果与讨论
311 　固氮酶活性的变化
　　接种根瘤菌后 ,混作紫云英的固氮酶活性显著
高于单作 (图 1) ,在小麦生长前两个时期其差异显
著 ( P < 0. 05) . 收获期由于植株养分供应给果实 ,根
瘤衰退 ,酶活性减弱 ,所以差异不显著. 表 2 表明 ,混
作紫云英的单株瘤数和单个瘤重都明显高于单作.
因此 ,混作紫云英的固氮酶活性较高的原因可能是
单株紫云英的瘤重较大有关. 混作体系中为何瘤重
较大的原因尚不明了. 据文献报道 ,低 NO32浓度和
近地面高 CO2 浓度能够促进紫云英单作时的固氮
酶活性 ,但在本研究中小麦与紫云英混作时虽然
NO32浓度稍低 ,并没有达到统计上的显著性 ,且因
为是盆栽试验 ,近地面的 CO2 浓度在不同的盆钵之
间不可能有明显的差异. 因此 ,本试验条件下这 2 个
因素可能都不能起到促进作用 ,最有可能的原因与
图 1 　小麦生长期间根瘤菌固氮酶活性变化
Fig. 1 Changes of nitrogenase activity of Rhizobium .
Ⅱ. 混作接种组 Inoculated intercrop , Ⅳ. 单作接种组 Inoculated astra2
galus. A)拔节期Jointing stage ,B)孕穗期 Earing stage , C)收获期 Har2
vest . 下同 The same below.
表 2 　不同混作体系中植株(地上部与地下部)全氮量
Table 2 Total nitrogen of plant in each experiment system ( mg·pot - 1)
生长期
Growth stage
全氮含量 Total N
Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ Ⅴ
拔节期 Jointing stage 134. 96 170. 49 148. 92 151. 57 59. 34
孕穗期 Earing stage 167. 72 255. 70 162. 64 238. 57 87. 46
收获期 Harvest 67. 04 214. 60 104. 08 0 0
Ⅰ. 小麦单作组 Wheat , Ⅲ. 混作不接种组 Uninoculated intercrop , Ⅴ.
单作不接种组 Uninoculated astragalus. 下同 The same below.
小麦混作有关 ,推测可能与小麦根系的分泌物对紫
云英根瘤生长发育的促进有关 ,但具体的作用机理
有待于进一步研究.
312 　小麦地上部分干重及全氮变化
　　由图 2 可知 ,混作时小麦的各生长期全氮及生
物量均比单作要高 ,说明混作能促进小麦生长 ,这与
文献报道相符[6 ] ,在本实验中紫云英接种后 ,小麦
的干重和全氮高于不接种的混作体系 ,表明接种根
瘤菌对混作体系小麦的生长和氮素吸收有促进作
用. 在拔节期 ,混作接种体系与混作不接种体系的小
麦干重及全氮差异不显著 ,这可能是由于在生长初
期根瘤菌需要一个侵入、形成根瘤及成熟的过程 ,而
对植株的促进作用不显著. 随着作物生长 ,光合产物
运输到根瘤而对固氮过程的促进 ,根瘤对植株生长
的作用越来越显著. 以上结果说明 ,根瘤菌接种后由
于紫云英生长的繁茂而对小麦生长的促进作用比不
接种的混作体系要高. 近来有报道 ,根瘤菌能在非豆
科植物根圈定殖及固氮[1 ,2 ,4 ,11 ] ,具有植物根圈促生
(PGPR)作用[12 ] ,能促进作物生长. 因此 ,在本实验
中小麦生长的促进可能是由于紫云英根瘤菌在小麦
根系的内生、定殖及其在此过程中的促生作用 ( PG2
PR) . 由此可以看出 ,根瘤菌对植株生长的促进不只
局限于豆科植物 ,这对进一步扩大根瘤菌的应用范
围提供了很好的理论依据.
图 2 　小麦各生长期地上部分含氮量及干重
Fig. 2 Changes of total nitrogen and biomass of wheat at different grow2
ing stage.
Ⅰ.小麦单作组 Wheat astragalus , Ⅱ. 混作接种组 Inoculated inter2
crop , Ⅲ. 混作不接种组 Uninoculated intercrop .
313 　紫云英地上部分的干重及全氮变化
　　由图 3 可见 ,紫云英孕穗期、收获期地上部分干
重、全氮含量明显比拔节期高 ,各期间紫云英接种比
不接种高 ,表明根瘤菌接种对紫云英的生长有促进
作用. 混作接种的 Ⅱ组比单作接种的 Ⅳ组的紫云英
干重、全氮含量要低 . 小麦生长有优势 ,而紫云英的
881 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷
图 3 　紫云英地上部分含氮量及干重
Fig. 3 Total nitrogen and biomass of astragalus at different growing stage
of wheat .
采光处于劣势 ,光合效率受影响 ,而对根瘤的固氮作
用产生不利的作用. 但从图 1 可知 ,混作接种体系固
氮酶活性显著高于单作接种 ,因此本实验中这个因
素不是主要原因. 另有报道 ,在禾本科植物与豆科植
物间作中 ,禾本科植物有更强的养分竞争能力[7 ] ,
这可能是另一个原因. 由表 3 可见 ,体系的含氮量还
是混作接种的高 ,推测这可能是由于混作中紫云英
通过分泌供给小麦氮素 ,因而生长不如单作 ,具体的
原因尚需进一步研究. 从图 1 和表 2、3 还可看出 ,混
作接种的根瘤固氮活性比单作接种要高 ,而且固氮
量也高于单作接种 ,根瘤菌在混作体系中对植株的
贡献要大于单作接种. 收获期单作紫云英因气候原
因 (主要是温度) 已全部死亡 ,而混作紫云英仍生长
良好 ,表明混作中小麦对紫云英有保护作用 ,使其生
长期延长 ,这可能是由于其对光线有遮蔽作用的缘
故. 由此可见 ,小麦与紫云英混作接种体系中存在植
株间相互促进、协调作用.
314 　麦粒干重及全氮
　　从混作和单作的产量统计比较来看 (表 3) ,混
作明显高于单作 ,无论干重及含氮量差异均显著 ,表
明在混作体系中小麦的生长优于单作. 混作产量优
势是以养分吸收为物质基础的 ,在共同生长期间作
物养分吸收必然发生相互影响 ,这种影响包括养分
吸收的种间竞争作用和促进作用 ,二者共同决定了
表 3 　麦粒的干重及全氮含量
Table 3 Weight and total nitrogen of wheat kernel
组号
No.
干重 Weight
(g·plant - 1)
全氮含量 Total nitrogen
(mg·plant - 1)
Ⅰ 0. 570 ±0. 096a 4. 570 ±0. 772a
Ⅱ 1. 043 ±0. 045b 26. 34 ±2. 420c
Ⅲ 0. 928 ±0. 059b 18. 76 ±1. 106b
混作作物吸收养分的状况. 本实验中小麦与紫云英
混作对小麦的生长的影响 ,促进作用占主要地位. 另
外接种根瘤菌的 Ⅱ组小麦产量与混作不接种相比要
高 ,但无显著差异 ,而含氮量则存在显著差异 ,说明
在混作体系中接种根瘤菌对小麦的生长及产量的提
高有促进作用 ,尤其对于提高小麦品质有显著作用.
这可能是因为根瘤菌在紫云英中固氮 ,一部分氮素
通过紫云英根瘤的分泌作用进入土壤而被小麦吸
收 ,从而小麦氮吸收增加 ,养分竞争能力强 ,含氮量
提高. 这对于合理利用混作提高小麦产量及品质提
供了理论依据.
315 　根干重及全氮
　　由图 4 可见 ,混作接种体系根的生长要好于单
作接种体系 ,而接种要好于不接种 ,表明根瘤菌固氮
能促进植株根系的生长. 混作体系根系的生长要好
于单作接种体系 ,这与文献报道[11 ,12 ]相符 ,说明在
本实验中也存在紫云英根瘤菌向小麦根系的定殖 ,
形成内生细菌 ,发生了促生效应 ,促进小麦根系的生
长. 在实验中小麦根系没有结瘤 ,表明 Nod 基因没
有表达 ,有文献报道[1 ]在根瘤菌入侵过程是一个不
倚赖 Nod 基因表达的过程. 因此本实验表明 ,在禾
本科作物与豆科作物混作中接种根瘤菌 ,小麦氮素
的增加不是因为根瘤菌进入小麦根系固氮造成的 ,
而可能是氮素迁移的原因[1 ,3 ] . 结果表明 ,小麦与紫
云英有相互促进作用 ,同时根瘤菌的 PGPR 作用也
利于植株根系的生长.
图 4 　根干重及全氮
Fig. 4 Biomass and total nitrogen of root .
316 　土壤有效氮 (N H4 +2N、NO3 - 2N)含量的变化
　　由图 5 可知 ,土壤铵态氮含量很低 ,土壤中的无
机氮主要是 NO3 - 2N ,试验组 Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ组 NO3 - 2N
含量一直很低 ,而且无差异. 紫云英单作的 NO3 - 2N
9812 期 　　　　　　　　　　　　　　钟增涛等 :根瘤菌在小麦与紫云英混作中的作用 　　　　　
含量高可能是因为紫云英对氮素的吸收较弱 ,导致
氮素累积 ,随着作物的生长 NO3 - 2N 含量逐渐降
低. 在收获期其土壤 NO3 - 2N 含量高则主要是由于
温度较高植株死亡后被土壤中的微生物分解 ,使土
壤中的 NO3 - 2N 含量上升. 紫云英单作接种的 Ⅳ组
比不接种的 Ⅴ组 NO3 - 2N 含量低. 从图 3 及表 3 可
以看出 , Ⅴ组的生物量及体系含氮量很低 ,因此其吸
收氮素少 ,土壤的 NO3 - 2N 不能被很好地吸收利
用 ,含量较高. 结合植株生长情况 ,由于试验体系中
氮的含量一直很低 ,因此土壤中无机氮含量不高 ,相
互之间没有明显差异.
图 5 　土壤铵态氮及硝态氮的变化
Fig. 5 Changes of NH4 +2N and NO3 - 2N of soil at different growing
stage of wheat .
图 6 　土壤含氮率的变化
Fig. 6 Ratio of nitrogen in soil.
317 　土壤全氮变化
　　由图 6 可见 ,接种根瘤菌的土壤含氮率较高 ,说
明根瘤菌对土壤氮素增加有促进作用. 混作不接种
的土壤含氮率低于单作小麦 ,小麦生长较好 ,但土壤
氮素受到影响. 而接种根瘤菌之后小麦生长良好 ,而
且土壤含氮量有所提高 ,表明根瘤菌对提高混作体
系的氮素有促进作用 ,对改良混作模式提供了理论
指导. 单作接种含氮量高可能是因紫云英生长缓慢 ,
吸收较弱 ,致使土壤含氮量较高. 从以上结果分析 ,
我们认为接种根瘤菌在小麦与紫云英混作体系中对
小麦的生长及氮素供应有促进作用 ,而且混作体系
比单作体系小麦生长要好 ,这可能与不同植株间的
相互促进有关.
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作者简介 　钟增涛 ,男 ,1974 年生 ,讲师 ,主要从事土壤微生
物学研究. E2mail : microb @mail. njau. edu. cn
091 应 　用 　生 　态 　学 　报 　　　　　　　　　　　　　　　　　　14 卷