高雁琳， 李鈞敏， 閆　明*

( 1. 山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 山西 臨汾 041004； 2. 浙江省植物進(jìn)化生態(tài)學(xué)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臺(tái)州 318000； 3. 臺(tái)州學(xué)院 生態(tài)研究所， 浙江 臺(tái)州 318000 )

?

接種AMF對(duì)煤礦廢棄物上高丹草的生長和葉綠素?zé)晒獾挠绊?/p>

高雁琳1， 李鈞敏2,3， 閆明1*

( 1. 山西師范大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院， 山西 臨汾 041004； 2. 浙江省植物進(jìn)化生態(tài)學(xué)與保護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 臺(tái)州 318000； 3. 臺(tái)州學(xué)院 生態(tài)研究所， 浙江 臺(tái)州 318000 )

摘要：為改善采礦廢棄物上植被生長狀況，提高植物成活率，該研究采用盆栽試驗(yàn)法，以高丹草為材料，選用摩西球囊霉(Glomus mosseae，G. m)和地表球囊霉(G. versiforme,G. v)兩種AM真菌，分別研究單接種和混合接種對(duì)粉煤灰(S1)、煤矸石(S2)和粉煤灰與煤矸石混合物(S3)三種煤礦廢棄物基質(zhì)上高丹草(Sorghum bicolor × S. sudanense )生長及葉綠素?zé)晒獾挠绊?，并以正常沙?S4)作為對(duì)照。結(jié)果表明：(1)4種基質(zhì)上，3種接種處理均獲得較高侵染率，在基質(zhì)S1、S3和S4上均為接種摩西球囊霉對(duì)高丹草根系侵染率最高，分別為49.04%、57.40%、43.34% ，在基質(zhì)S2上，混合接種處理對(duì)高丹草根系侵染效果最好，達(dá)49.33%。(2)3種煤礦廢棄物基質(zhì)上高丹草根長、干重、葉綠素含量、Fv/Fo、qP和Yield顯著降低。接種AM真菌顯著提高了高丹草的生長和光合效率。與其他處理相比，在基質(zhì)S1、S3和S4上，接種摩西球囊霉顯著增加了根長、干重、葉綠素含量、Fv/Fo、qP和Yield，在基質(zhì)S2上，接種地表球囊霉顯著增加了根長、干重，接種地表球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉(G. mv)處理間葉綠素?zé)晒鈪?shù)均無顯著差異。這表明在煤礦廢棄物基質(zhì)的復(fù)合逆境中高丹草生長和光合作用顯著受到抑制，AM真菌可通過提高高丹草葉綠素含量，改善葉片葉綠素?zé)晒夂凸夂献饔?，促進(jìn)植物生長，來緩解該復(fù)合逆境對(duì)高丹草造成的傷害，增強(qiáng)其對(duì)煤礦廢棄物不良環(huán)境的抗逆性，提高煤礦區(qū)植被恢復(fù)效果。接種摩西球囊霉對(duì)粉煤灰以及粉煤灰和煤矸石混合基質(zhì)上高丹草的促進(jìn)作用最佳，而接種地表球囊霉更適于煤矸石基質(zhì)上高丹草的生長。

關(guān)鍵詞：叢枝菌根真菌(AMF)， 煤礦廢棄物， 高丹草， 生長， 葉綠素?zé)晒?/p>

煤礦開采對(duì)環(huán)境造成極大擾動(dòng)，引發(fā)了一系列如水土流失、土地貧瘠化、鹽堿化等亟待解決的生態(tài)環(huán)境問題，采煤沉陷區(qū)是煤礦廢棄地土地復(fù)墾與生態(tài)重建的主要類型，其綜合治理是目前礦區(qū)生態(tài)恢復(fù)的一個(gè)重大難題(袁宵梅等, 2008)。充填復(fù)墾作為采煤沉陷區(qū)植被重建的主要方式之一，使用煤矸石和粉煤灰等煤礦廢棄物作為充填復(fù)墾材料，一方面減少煤礦廢棄物的排放，另一方面也解決了由其堆放引發(fā)的環(huán)境污染等問題(畢銀麗等, 2005a; Zhao et al, 2015)。然而，由于煤矸石、粉煤灰通常具有物理結(jié)構(gòu)不良、保水保肥能力差、營養(yǎng)元素缺乏、重金屬濃度高、鹽分含量過高、極端pH值以及微生物區(qū)系稀少且活性極低等許多不利因子，這些不利因子對(duì)植物的脅迫或是單一的，或是多個(gè)脅迫因子同時(shí)對(duì)植物構(gòu)成交叉?zhèn)?趙仁鑫等, 2013)，從而引起植物生長以及生理活性降低，最終導(dǎo)致植被退化。因此，增強(qiáng)煤礦廢棄地植被的抗逆性，提高植物成活率的研究具有實(shí)際意義。叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)存在于幾乎所有類型的土壤中，可以與陸地上絕大部分的高等植物物種形成互惠共生體(Smith & Read, 2008)。AM真菌能夠改良土壤結(jié)構(gòu) (Daynes et al, 2013)，促進(jìn)植物的水分和礦質(zhì)營養(yǎng)的吸收(Zhao et al, 2015)，從而提高植物生長、光合效率以及對(duì)鹽堿、過酸和重金屬等不良環(huán)境的耐受性(劉潤進(jìn)和李曉林, 2000; Estrada et al, 2013; 田野等, 2013)。

目前，煤礦區(qū)AM真菌的研究，一方面集中在對(duì)煤礦區(qū)AM真菌的調(diào)查、分類以及優(yōu)勢(shì)AM真菌的篩選(杜濤, 2013; 于淼, 2013)，一方面集中在通過添加污泥或堆肥，或與其他微生物聯(lián)合接種對(duì)煤礦區(qū)土壤進(jìn)行改良如土壤酶活性、養(yǎng)分等(Qian et al, 2012; 李少朋等, 2013)和對(duì)煤礦區(qū)植被修復(fù)如通過影響植物礦質(zhì)營養(yǎng)吸收、分配(Channabasava et al, 2015; Zhao et al, 2015)，重金屬吸收、轉(zhuǎn)移(Guo et al, 2014)，增強(qiáng)抗氧化酶活性(Kong et al, 2014)以及修復(fù)受損根系(岳輝, 2012)等，提高植物的生長活性。盡管在干旱(Ruiz-Sánchez et al, 2010)、鹽堿(Porcel et al, 2015)、重金屬(田野等, 2013)等單一脅迫下AM真菌對(duì)光合作用的影響已有研究，但是AM真菌對(duì)煤礦廢棄物復(fù)合逆境中植物的光合作用的影響相關(guān)研究較少。那么，在煤礦廢棄物不利因子復(fù)合脅迫下，AM真菌如何影響植物的光合熒光參數(shù)，能否提高植物的生長和光合效率，增強(qiáng)植物對(duì)該不良環(huán)境的抗逆性？本研究通過室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M室外煤礦區(qū)廢棄地環(huán)境，以高丹草為研究對(duì)象，分析了單接種和混合接種AM真菌對(duì)不同類型煤礦區(qū)廢棄物上高丹草的生長和葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響，并進(jìn)一步篩選出不同類型的煤礦廢棄物上高丹草接種的最適AM菌種，以期為運(yùn)用菌根技術(shù)提高煤礦區(qū)植被恢復(fù)效果提供理論基礎(chǔ)。

1材料與方法

1.1 材料

選擇禾本科草本植物高丹草(Sorghumbicolor×S.sudanense)，晉草1號(hào)，種子購自臨汾市小麥研究所。供試菌種選用摩西球囊霉(Glomusmosseae, G.m)和地表球囊霉(G.versiforme, G.v)，菌種購自北京市農(nóng)林科學(xué)院植物與營養(yǎng)資源研究所，接種劑為以高粱為宿主植物繁殖的土沙混合物，內(nèi)含供試菌種孢子、被侵染根段和根外菌絲。供試基質(zhì)以煤矸石、粉煤灰為主要材料，表層覆蓋土沙混合物(黃土和河沙體積比為3∶1)。煤矸石取自臨汾市煤運(yùn)公司煤炭轉(zhuǎn)運(yùn)站，粉煤灰取自漳澤電力臨汾熱電公司。盆栽容器是棕色的圓形塑料花盆(盆口直徑18 cm × 盆底直徑14 cm × 盆高15 cm)。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與處理

采用隨機(jī)區(qū)組設(shè)計(jì)，設(shè)置2個(gè)因素(菌根×基質(zhì))。其中接種菌根有4個(gè)水平，分別是不接種對(duì)照(CK)、接種摩西球囊霉、接種地表球囊霉以及兩者混合接種摩西球囊霉+地表球囊霉(G.mv)4個(gè)處理；栽培基質(zhì)也有4個(gè)水平，分別是粉煤灰、煤矸石、粉煤灰與煤矸石混合(按體積比1∶4)、沙土混合物(按體積比1∶3)作為對(duì)照，依次編號(hào)S1～S4，供試基質(zhì)基本理化性質(zhì)見表1。每個(gè)處理設(shè)4個(gè)重復(fù)，4種基質(zhì)共計(jì)64盆。試驗(yàn)采用盆栽法。播種前，挑選籽粒飽滿，大小均一的種子，用10% H2O2消毒10 min，無菌水沖洗數(shù)遍后，置于濕潤紗布上，于25 ℃培養(yǎng)箱催芽，種子露白即可播種。栽培容器用水清洗干凈后，用75%酒精消毒。栽培基質(zhì)調(diào)配前，煤矸石過3 mm篩，黃土、河沙和粉煤灰過1 mm篩，經(jīng)121 ℃高溫高壓蒸汽滅菌2 h，取出放置1周后待用。每盆裝厚度約8 cm的滅菌基質(zhì)，粉煤灰、煤矸石、粉煤灰與煤矸石混合物及沙土混合物的質(zhì)量分別為1 405、1 785、1 598、2 250 g，其上覆蓋滅菌沙土800 g，厚度約3 cm，采用菌種層接法，分別稱取接種劑摩西球囊霉、地表球囊霉以及2種菌劑按1∶1比例混合均勻后的接種劑，各120 g，將60 g菌劑均勻撒施在土壤表面，放入已催芽的種子20粒，在其上覆蓋60 g菌劑，再覆蓋沙土220 g，厚度約1 cm。不接種處理采用相同方法加入120 g的滅菌菌劑。用稱重法維持基質(zhì)含水量在田間持水量的80%左右。

表 1　供試基質(zhì)基本理化性質(zhì)

1.3 測(cè)定參數(shù)和方法

1.3.1 侵染與生長狀況測(cè)定在對(duì)高丹草培養(yǎng)8周后，測(cè)定株高，將植株培養(yǎng)基質(zhì)連同花盆一起浸泡在水中，待基質(zhì)松軟后將植株從花盆中小心取出，洗凈根系后，使用WinRHIZO根系分析儀測(cè)定主根長度；每種處理隨機(jī)選取鮮根2 g保存于FAA固定液中，用Phillips & Hayman (1970)方法進(jìn)行染色，統(tǒng)計(jì)菌根侵染率；并將其按根和地上部分開，置于烘箱中105 ℃烘干至恒重，稱重。丙酮浸提法(孔祥生和易現(xiàn)鋒, 2008)測(cè)定高丹草葉片的葉綠素a (Chl a)、葉綠素b (Chl b)和總?cè)~綠素[Chl (a+b)]含量，并計(jì)算葉綠素a/b (Chl a/b)。

1.3.2 葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定植株生長至8周，使用美國Opti-science公司制造的OS5-FL型調(diào)制式葉綠素?zé)晒鈨x，選用完全展開的第三片葉進(jìn)行葉綠素?zé)晒鈪?shù)測(cè)定。測(cè)定前暗適應(yīng)20 min，測(cè)定參考高俊鳳(2006) 的方法步驟。

1.4 統(tǒng)計(jì)與分析

所有試驗(yàn)數(shù)據(jù)使用Excel整理，用SPSS 17.0計(jì)算平均值和標(biāo)準(zhǔn)差，并進(jìn)行方差分析和鄧肯多重比較，Origin 9.0繪圖。

2結(jié)果與分析

2.1 接種AM真菌對(duì)菌根侵染率和植株生長的影響

表2結(jié)果表明，4種基質(zhì)上，未接種處理菌根侵染率不超過5%，可能是由于植物培養(yǎng)過程屬于開放培養(yǎng)，空氣或水中傳播了真菌孢子導(dǎo)致污染，3種接種處理均獲得較高的菌根侵染率，且均存在顯著性差異。在基質(zhì)S1、S3和S4上，接種摩西球囊霉處理菌根侵染率均為最高，分別為49.04%、57.40%、43.34%，接種地表球囊霉處理菌根侵染率較低，分別為 30.67%、39.65%、35.67%，而在基質(zhì)S2上接種摩西球囊霉+地表球囊霉處理顯著高于其他兩種接種處理(為49.33%)，接種摩西球囊霉處理菌根侵染率較低(為33.43%)。接種摩西球囊霉處理在4種基質(zhì)上菌根侵染率是S3>S1>S4>S2，接種地表球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉處理基質(zhì)S2和S3間無顯著差異，但顯著高于基質(zhì)S4，未接種處理4種基質(zhì)間菌根侵染率無顯著差異。

表 2接種AM真菌對(duì)礦區(qū)廢棄物上高丹草菌根侵染率的影響

Table 2Effects of inoculation with AM fungi on mycorrhizal colonization rate ofSorghum

bicolor×S.sudanensein different substrates of coal wastes (%)

接種處理TreatmentS1S2S3S4摩西球囊霉G.m49.04±1.96Ba33.43±2.97Dc57.40±6.73Aa43.34±1.75Ca地表球囊霉G.v30.67±2.32Cc42.67±5.42Ab39.65±3.71Ac35.67±1.99Bb摩西球囊霉+地表球囊霉G.mv40.37±1.13Bb49.33±6.49Aa46.68±2.62Ab42.34±1.21Ba對(duì)照CK3.67±0.29Ad3.68±0.31Ad4.36±0.32Ad4.07±0.71Ac

注： 數(shù)據(jù)為平均值 ± 標(biāo)準(zhǔn)差，不同小寫字母表示同一基質(zhì)下不同處理間在P<0.05水平上差異顯著； 不同大寫字母表示同一處理下不同基質(zhì)間在P<0.05水平上差異顯著。下同。

Note: Values are mean ± SD, different lowercase letters mean significantly differences (P<0.05) between different treatments in same substrate; different capital letters mean significantly differences (P<0.05) between different substrates in same treatment. The same below.

圖 1　接種AM真菌對(duì)不同礦區(qū)廢棄物基質(zhì)上高丹草生長的影響Fig. 1　Effects of inoculation with AM fungi on the growth of Sorghum bicolor×S. sudanense in different substrates of coal wastes

圖 2　接種AM真菌對(duì)不同礦區(qū)廢棄物上高丹草葉片葉綠素含量的影響　Fig. 2　Effects of inoculation with AM fungi on chlorophyll content in leaves of Sorghum bicolor × S. sudanense in different substrates of coal wastes

圖 3　接種AM真菌對(duì)礦區(qū)廢棄物上高丹草葉片葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響Fig. 3　Effects of inoculation with AM fungi on chlorophyll fluorescence parameters in leaves of Sorghum bicolor × S. sudanense in different substrates of coal wastes

在4種基質(zhì)上，接種AM真菌顯著增加了植物株高、根長和干重(圖1，P<0.05)，3種接種處理間株高差異不顯著。在基質(zhì)S1和S3上，接種摩西球囊霉顯著增加了根長和干重(P<0.05)，接種地表球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉處理間根長和干重差異不顯著。在基質(zhì)S2上接種地表球囊霉處理增加了根長和干重，接種摩西球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉處理間差異均不顯著。在基質(zhì)S4上，接種摩西球囊霉顯著增加了根長和地上干重(P<0.05)，3種接種處理間地下干重差異不顯著。無論接種與否，3種煤礦廢棄物基質(zhì)上高丹草各指標(biāo)均低于基質(zhì)S4。接種地表球囊霉處理，基質(zhì)S2和S3間各指標(biāo)均無顯著差異，顯著高于基質(zhì)S1。未接種和其他接種處理，根長和干重均為基質(zhì)S3較高。

2.2 接種AM真菌對(duì)高丹草葉綠素含量的影響

從圖2可以看出，與未接種處理相比，4種基質(zhì)上3種接種處理Chl a、Chl b、Chl (a+b)含量以及Chl a/b均顯著增加(P<0.05)。在基質(zhì)S1和S3上，接種摩西球囊霉處理Chl a和Chl (a+b)含量顯著高于其他處理(P<0.05)，Chl a含量分別是未接種處理的1.45倍和1.34倍，Chl (a+b)含量分別是未接種處理的1.37倍和1.31倍?；|(zhì)S4上，接種摩西球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉處理間Chl a、Chl (a+b)含量和Chl a/b均無顯著差異?；|(zhì)S1、S3和S4上，3種接菌處理相比，接種地表球囊霉處理Chl a、Chl (a+b)含量和Chl a/b均最低。在基質(zhì)S2上，3種接菌處理相比，接種地表球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉處理Chl a、Chl (a+b)含量和Chl a/b差異均不顯著，但顯著高于接種摩西球囊霉處理(P<0.05)。在基質(zhì)S1和S4上，3種接種處理間Chl b含量差異不顯著?；|(zhì)S2和S3上接種地表球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉處理間Chl b含量差異不顯著，但在基質(zhì)S2上顯著高于接種摩西球囊霉處理(P<0.05)，在基質(zhì)S3上顯著低于接種摩西球囊霉處理。無論接種與否，4種基質(zhì)上高丹草Chl a、Chl b、Chl (a+b)含量以及Chl a/b均為基質(zhì)S4最高，其次是基質(zhì)S3。

2.3 接種AM真菌對(duì)高丹草葉綠素?zé)晒鈪?shù)的影響

在4種基質(zhì)上，接種AM真菌顯著降低Fo值，在基質(zhì)S1上，3種接種處理間差異不顯著(圖3)?；|(zhì)S2上，接種摩西球囊霉處理的Fo顯著高于其他2種接種處理(P<0.05)，接種地表球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉處理間無顯著差異。在基質(zhì)S3和S4上，接種摩西球囊霉處理的Fo顯著低于其他處理，接種地表球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉處理間無顯著差異。在基質(zhì)S1和S3上，接種摩西球囊霉處理的Fv/Fo和Fv/Fm顯著高于其他處理(P<0.05)，接種地表球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉處理間差異不顯著。在基質(zhì)S2上，接種摩西球囊霉處理的Fv/Fo和Fv/Fm顯著低于其他2種接種處理，接種地表球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉處理間無顯著差異。在基質(zhì)S4上，接菌處理和未接菌處理間Fv/Fm無顯著差異，接種摩西球囊霉處理的Fv/Fo顯著高于其他處理(P<0.05)，接種地表球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉處理間Fv/Fo差異不顯著。4種基質(zhì)上，3種接種處理顯著增加了qP和Yield，降低了NPQ。在基質(zhì)S1上，3種接種處理間qP差異不顯著，接種摩西球囊霉處理的Yield顯著高于其他處理，接種摩西球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉處理間NPQ差異不顯著。在基質(zhì)S2上，接種地表球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉處理間qP、Yield和NPQ差異不顯著，但qP、Yield顯著高于接種摩西球囊霉處理，NPQ顯著低于接種摩西球囊霉處理。在基質(zhì)S3和S4上，接種摩西球囊霉處理qP和Yield顯著高于其他2種接種處理，NPQ顯著低于其他2種接種處理，接種地表球囊霉和摩西球囊霉+地表球囊霉處理間qP、Yield和NPQ無顯著差異。無論接種與否，4種礦區(qū)廢棄物基質(zhì)上高丹草Fv/Fo、Fv/Fm、qP和Yield均為基質(zhì)S4最高，其次是基質(zhì)S3；基質(zhì)S4上Fo顯著低于其他基質(zhì)，基質(zhì)S3上Fo較基質(zhì)S1和S2低，基質(zhì)S1上NPQ顯著高于其他基質(zhì)。

3討論

本研究中，4種基質(zhì)上3種接種處理均具有較高的菌根侵染率，表明AM真菌與高丹草建立了良好的共生關(guān)系。4種基質(zhì)不同，菌根侵染率以及菌種間的相互作用有差異，這可能是因?yàn)?種基質(zhì)的pH、營養(yǎng)成分和有機(jī)質(zhì)含量及基質(zhì)類型等理化性質(zhì)存在顯著差異，菌根侵染率及菌種間的相互作用受到基質(zhì)類型、pH值、礦質(zhì)營養(yǎng)和有機(jī)質(zhì)含量等理化性質(zhì)以及宿主植物等因素的綜合影響。菌根與基質(zhì)以及宿主植物有一定選擇性，不同菌種對(duì)不同基質(zhì)的適應(yīng)和生存能力以及宿主植物的親和力不同，從而造成 AM真菌的侵染率以及真菌之間的相互作用不同(畢銀麗等, 2005b; 陳寧等, 2006)。此外，接種AM真菌，基質(zhì)的pH值、礦質(zhì)元素以及有機(jī)物的含量等理化性質(zhì)會(huì)發(fā)生一定變化(畢銀麗和吳福勇, 2006)，這可能對(duì)AM真菌的侵染率及真菌間的互作效應(yīng)產(chǎn)生一定影響。但在4種基質(zhì)上2種AM真菌間的互作效應(yīng)有待進(jìn)一步研究。

煤礦廢棄物基質(zhì)上高丹草的生長發(fā)育顯著受到抑制，接種AM真菌顯著提高了高丹草株高、根長和干重。一般認(rèn)為AM真菌對(duì)宿主植物侵染率越高，對(duì)促進(jìn)植物生長的可能性也就越大(Hallett et al, 2009)。本試驗(yàn)中基質(zhì)S1、S3和S4均符合侵染率越高，對(duì)植物生長促進(jìn)效果越明顯，這與趙仁鑫等(2013)和劉德良等(2013)的研究結(jié)果一致；然而在基質(zhì)S2上，混合接種處理對(duì)高丹草的侵染率較其他接種處理高，但對(duì)高丹草的促進(jìn)作用反而顯著低于接種地表球囊霉處理。這與Bi et al (2003)的研究結(jié)果相似。這兩種結(jié)果不一致的原因可能是因?yàn)榫鶎?duì)宿主植物的作用不完全由侵染率決定(Koide & Elliott,1989)。從經(jīng)濟(jì)學(xué)的角度來說，AM真菌共生體對(duì)宿主植物產(chǎn)生的影響取決于菌根共生關(guān)系中宿主植物的成本與收益之間的平衡(Alkaraki, 2002)。宿主植物為AM真菌供應(yīng)碳水化合物(成本)，AM真菌促進(jìn)宿主植物對(duì)土壤中養(yǎng)分等的吸收以及提高宿主植物的抗逆能力(收益)。當(dāng)宿主植物在菌根共生關(guān)系中投入成本與收益達(dá)到一定平衡時(shí)，表現(xiàn)為AM菌根侵染率越高，對(duì)宿主植物的促進(jìn)效果越好；由于煤礦廢棄物基質(zhì)類型、條件以及菌種的適應(yīng)性不同，可能造成菌根共生關(guān)系中的成本-收益不平衡，導(dǎo)致高的菌根侵染率反而對(duì)宿主植物的促進(jìn)效果較差甚至抑制宿主植物的生長。無論接種與否，4種基質(zhì)上高丹草的生長均表現(xiàn)為S4>S3>S2>S1。說明基質(zhì)S3對(duì)植物生長的抑制程度較其他兩種基質(zhì)輕，粉煤灰和煤矸石按一定比例混合可對(duì)粉煤灰和煤矸石的理化性質(zhì)起到一定的改良作用。畢銀麗和吳福勇(2006)研究發(fā)現(xiàn)接種摩西球囊霉白三葉草干重表現(xiàn)為粉煤灰基質(zhì)>煤矸石基質(zhì)。王輝等(2005)則發(fā)現(xiàn)煤矸石上紅豆的長勢(shì)較粉煤灰好。本試驗(yàn)結(jié)果與王輝相似，這可能由于培養(yǎng)基質(zhì)理化性質(zhì)以及不同植物對(duì)基質(zhì)類型和條件的適應(yīng)性不同所致。由此可得，植物在煤礦廢棄物基質(zhì)上的生長效應(yīng)由礦區(qū)基質(zhì)類型和條件、菌種以及宿主植物共同決定，因此應(yīng)合理篩選適合不同煤礦廢棄物類型以及植物的菌種進(jìn)行植被恢復(fù)。

葉綠素是高等植物進(jìn)行光合作用的重要色素，在一定程度上可作為判斷植物光合作用高低的指標(biāo)。葉綠素a/b的值可反映葉綠體類囊體膜的穩(wěn)定性和垛疊程度，垛疊程度越小，葉片對(duì)光抑制抵抗力越弱(胡夢(mèng)蕓等, 2009)。本試驗(yàn)中，3種煤礦廢棄物基質(zhì)上，高丹草葉綠素含量和葉綠素a/b均顯著降低，這與胡夢(mèng)蕓等(2009) 和田野等(2013)的研究結(jié)果一致。說明煤礦廢棄物基質(zhì)不利因子的復(fù)合脅迫破壞了高丹草葉片葉綠體結(jié)構(gòu)和類囊體膜的穩(wěn)定性，光抑制增強(qiáng)，抑制了葉綠素合成或促進(jìn)其降解，并且Chl a較Chl b對(duì)煤礦廢棄物基質(zhì)脅迫更敏感，同時(shí)，葉片對(duì)光能的捕獲減少，降低光氧化對(duì)光合機(jī)構(gòu)破壞風(fēng)險(xiǎn)，這是高丹草適應(yīng)煤礦廢棄物不良環(huán)境的自我保護(hù)調(diào)節(jié)機(jī)制。接種AM真菌有助于保持煤礦廢棄物脅迫下葉綠體膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，緩解了葉綠素的降解或提高了Chl a和Chl b的合成，并對(duì)Chl a含量促進(jìn)程度大于Chl b含量，導(dǎo)致Chl a/b升高，說明在煤礦廢棄物基質(zhì)脅迫下高丹草通過增強(qiáng)類囊體膜的垛疊程度，提高其對(duì)光抑制的抵抗力，保證光合作用的正常進(jìn)行。田野等(2013)研究發(fā)現(xiàn)Cd污染的土壤上接種AM真菌對(duì)黑麥草Chl b含量影響不大，這與本研究結(jié)果不同，可能與菌根真菌類型不同以及不同宿主植物對(duì)紅光和藍(lán)紫光的利用存在差異有關(guān)。

葉綠素?zé)晒鈪?shù)可作為逆境脅迫對(duì)光合機(jī)構(gòu)傷害的內(nèi)在響應(yīng)的理想探針(趙昕等, 2009)。本研究表明，與基質(zhì)S4相比，3種煤礦廢棄物基質(zhì)上高丹草葉片初始熒光(Fo)顯著升高，表明煤礦廢棄物不利因子造成高丹草葉片類囊體膜損傷，PSⅡ反應(yīng)中心不可逆破壞或可逆失活，這可能是由于煤礦廢棄物基質(zhì)脅迫下產(chǎn)生過多的活性氧攻擊PSⅡ所致。煤礦廢棄物基質(zhì)脅迫下，PSⅡ潛在光化學(xué)效率 (Fv/Fo)、PSⅡ最大光化學(xué)效率(Fv/Fm)、光化學(xué)猝滅系數(shù)(qP)和PSⅡ?qū)嶋H光化學(xué)量子產(chǎn)量(Yield)均顯著降低，非光化學(xué)猝滅系數(shù)(NPQ)升高，這與其他植物在逆境脅迫下的研究結(jié)果一致(陳笑瑩等, 2014; 冉瓊和鐘章成, 2015)。這說明在煤礦廢棄物復(fù)合逆境中高丹草葉片PSⅡ反應(yīng)中心實(shí)際光化學(xué)效率下降，光合電子傳遞受阻，從天線色素捕獲的光能用于光化學(xué)反應(yīng)的份額減少，導(dǎo)致過剩光能積累，光抑制加劇，PSⅡ反應(yīng)中心的光化學(xué)活性降低，從而導(dǎo)致ATP、NADPH合成減少，碳同化能力降低。高丹草可通過增加熱耗散緩解煤礦廢棄物脅迫對(duì)光合機(jī)構(gòu)破壞，是高丹草對(duì)該環(huán)境的適應(yīng)機(jī)制。在基質(zhì)S4上，接種AM真菌對(duì)Fv/Fm無顯著影響，這是因?yàn)樵谡５沫h(huán)境條件下Fv/Fm比較穩(wěn)定(許大全等, 1992)。接種AM真菌顯著降低了Fo和NPQ，提高了Fv/Fo、Fv/Fm、qP和Yield值，這與其他逆境脅迫下，接種AM真菌緩解的效果一致(Zhu et al, 2010; Porcel et al, 2015; 冉瓊和鐘章成, 2015)。這可能是由于AM真菌通過一定途徑如促進(jìn)根系對(duì)水分和礦質(zhì)元素吸收(Sailo & Bagyaraj, 2005)，影響重金屬的吸收和轉(zhuǎn)移(劉德良等, 2013)，提高抗氧化物酶活性，增強(qiáng)活性氧清除能力(Kong et al，2014)等抑制了煤礦廢棄物不利因子復(fù)合脅迫對(duì)PSⅡ反應(yīng)中心的破壞，阻止了光合色素降解，提高了PSⅡ反應(yīng)中心活性，促進(jìn)高丹草葉片將吸收的光能更多用于光合反應(yīng)，緩解光抑制，使高丹草葉片在該脅迫下保持較高的PSⅡ光化學(xué)效率，從而提高其光合能力和對(duì)煤礦廢棄物脅迫的耐受性。

4結(jié)論

在煤礦廢棄物基質(zhì)復(fù)合逆境中高丹草的生長受到抑制，光合系統(tǒng)遭到破壞。4種基質(zhì)上，3種接種處理均可很好地侵染高丹草根系并顯著促進(jìn)了高丹草的生長和光合作用。通過接種AM真菌可顯著促進(jìn)3種煤礦廢棄物基質(zhì)上高丹草葉片光合色素的合成或緩解其降解，提高了植物葉片F(xiàn)v/Fo、qP和Yield，降低了Fo和NPQ，增強(qiáng)了植物的光合能力，增加高丹草的根長、株高以及生物量積累，提高植物的生長活性和對(duì)礦區(qū)廢棄物基質(zhì)不利因子如重金屬、鹽堿等的耐受性。綜合分析3種接種處理對(duì)礦區(qū)廢棄物基質(zhì)上高丹草的生長和光合熒光特性的影響，表明接種摩西球囊霉對(duì)粉煤灰以及粉煤灰和煤矸石混合基質(zhì)上高丹草的促進(jìn)作用最佳，而接種地表球囊霉更適于煤矸石基質(zhì)上高丹草的生長。因此，在煤礦區(qū)廢棄地生態(tài)恢復(fù)中，為更好地發(fā)揮菌根的作用，應(yīng)針對(duì)不同類型煤礦廢棄地接種不同的AM真菌，在一定程度上可解決礦區(qū)廢棄地植被生長受脅迫和易退化等問題，提高植被恢復(fù)效果。

參考文獻(xiàn):

ALKARAKI GN, 2002. Benefit, cost, and phosphorus use efficiency of mycorrhizal field-grown garlic at different soil phosphorus levels [J]. J Plant Nutr, 25(6): 1 175-1 184.

BI YL, WU FY, WU YK, 2005a. Application of arbuscular mycorrhizas in ecological restoration of areas affected by coal mining in China [J]. Acta Ecol Sin, 25(8): 2 068-2 073. [ 畢銀麗, 吳福勇, 武玉坤, 2005a. 叢枝菌根在煤礦區(qū)生態(tài)重建中的應(yīng)用 [J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 25(8): 2 068-2 073.]

BI YL, WU FY, LIU BH, 2005b. Preliminary study on ecological adaptability of arbuscular mycorrhizal fungi in coal solid wastes [J]. Mycosystema, 24(4): 570-575. [ 畢銀麗, 吳福勇, 柳博會(huì), 2005b. AM真菌在煤礦廢棄物中生態(tài)適應(yīng)性的初步研究 [J]. 菌物學(xué)報(bào), 24(4): 570-575.]

BI YL, WU FY, 2006. Effects of mycorrhiza on ecological restoration of solid wastes from coal mine and their nutritional dynamics [J]. Trans CSAE, 22(5): 147-152. [ 畢銀麗, 吳福勇, 2006. 菌根對(duì)煤礦廢棄物生態(tài)恢復(fù)的營養(yǎng)動(dòng)力學(xué)影響 [J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào), 22(5): 147-152.]

BI YL, LI XL, CHRISTIE P, et al, 2003. Growth and nutrient uptake of arbuscular mycorrhizal maize in different depths of soil overlying coal fly ash [J]. Chemosphere, 50(6): 863-869.

CHEN N, WANG YS, YANG TJ,et al, 2006. Effect of host plants on development of arbuscular mycorrhizal fungi [J]. Acta Agric Boreal-Sin, 21(6): 103-106. [ 陳寧, 王幼珊, 楊廷杰, 等, 2006. 宿主植物對(duì)AM真菌生長發(fā)育的影響 [J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào), 21(6): 103-106.]

CHANNABASAVA A, LAKSHMAN HC, MUTHUKUMAR T, 2015. Fly ash mycorrhizoremediation throughPaspalumscrobiculatumL. inoculated withRhizophagusfasciculatus[J]. C R Biol, 338(1): 29-39.CHEN XY, SONG FB, ZHU XC,et al, 2014. Effect of arbuscular mycorrhizal fungus on morphology, growth and photosynthetic characteristics in maize seedlings under low temperature stress [J]. Acta Agric Boreal-Sin, 29(Suppl.): 155-161. [ 陳笑瑩, 宋鳳斌, 朱先燦, 等, 2014. 低溫脅迫下叢枝菌根真菌對(duì)玉米幼苗形態(tài)、生長和光合的影響 [J]. 華北農(nóng)學(xué)報(bào), 29(增刊): 155-161.]

DAYNES CN, FIELD DJ, SALEEBA JA, et al, 2013. Development and stabilisation of soil structure via interactions between organic matter, arbuscular mycorrhizal fungi and plant roots [J]. Soil Biol Biochem, 57(3): 683-694.

DU T, 2013. Influence laws of coal mining on plant rhizosphere microenvironment and ecological remediation effect [D].Beijing: China University of Mining and Technology: 7-8. [杜濤, 2013. 煤炭開采對(duì)植物根際微環(huán)境影響規(guī)律及生態(tài)修復(fù)效應(yīng) [D]. 北京: 中國礦業(yè)大學(xué): 7-8.]

ESTRADA B, AROCA R, BAREA JM,et al, 2013. Native arbuscular mycorrhizal fungi isolated from a saline habitat improved maize antioxidant systems and plant tolerance to salinity [J]. Plant Sci, 201-202(3): 42-51.

GUO W, ZHAO R, FU R, et al, 2014. Contribution of arbuscular mycorrhizal fungi to the development of maize (ZeamaysL.) grown in three types of coal mine spoils [J]. Environ Sci Poll Res, 21(5): 3 592-3 603.GAO JF, 2006. Experimental guidance for plant physiology [M]. Beijing: Higher Education Press: 77-79. [ 高俊鳳, 2006. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) [M]. 北京: 高等教育出版社: 77-79.]

HALLETT PD, FEENEY DS, BENGOUGH AG, et al, 2009. Disentangling the impact of AM fungi versus roots on soil structure and water transport [J]. Plant Soil, 314(1-2): 183-196.

HU MY, LI H, ZHANG YJ, et al, 2009. Photosynthesis and related physiological characteristics affected by exogenous glucose in wheat seedlings under water stress [J]. Acta Agron Sin, 35(4): 724-732. [ 胡夢(mèng)蕓, 李輝, 張穎君, 等, 2009. 水分脅迫下葡萄糖對(duì)小麥幼苗光合作用和相關(guān)生理特性的影響 [J]. 作物學(xué)報(bào), 35(4): 724-732.]

KONG J, PEI ZP, DU M, et al, 2014. Effects of arbuscular mycorrhizal fungi on the drought resistance of the mining area repair plant sainfoin [J]. Int J Min Sci Technol, 24(4): 485-489.

KONG XS, YI XF, 2008. Experimental technology of plant physiology [M]. Beijing: China Agriculture Press: 131-135. [ 孔祥生, 易現(xiàn)鋒, 2008. 植物生理學(xué)實(shí)驗(yàn)技術(shù) [M]. 北京: 中國農(nóng)業(yè)出版社: 131-135.]

KOIDE R, ELLIOTT G, 1989. Cost benefit and efficiency of the vesicular arbuscular mycorrhizal symbiosis [J]. Funct Ecol, 3(2): 253-255.LI SP, BI YL, KONG WP, et al, 2013. Effects of the arbuscular mycorrhizal fungi on environmental phytoremediation in coal mine areas [J]. Environ Sci, 34(11): 4 455-4 459. [李少朋，畢銀麗，孔維平，等，2013. 叢枝菌根真菌在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)中應(yīng)用及其作用效果 [J]. 環(huán)境科學(xué), 34(11):4 455-4 459.]

LIU DL, WANG KF, YANG QH, 2013. Study on effects ofCrotalariapallidainoculated with arbuscular mycorrhizal fungi in coal mining area [J]. J Soil Water Conserv, 27(2): 282-287. [ 劉德良, 王開峰, 楊期和, 2013. 煤礦區(qū)先鋒植物豬屎豆接種叢枝菌根的效應(yīng)研究 [J]. 水土保持學(xué)報(bào), 27(2): 282-287.]LIU RJ, LI XL, 2000. Arbuscular mycorrhizal fungi and their applications [M]. Beijing: Science Press: 125-128. [ 劉潤進(jìn), 李曉林, 2000. 叢枝菌根及其應(yīng)用 [M]. 北京: 科學(xué)出版社: 125-128.]

PHILLIPS JM, HAYMAN DS, 1970. Improved procedures for clearing root and staining parasitic and vesicular arbuscular mycorrhizal fungi for rapid assessment of infection [J]. Trans Brit Mycol Soc, 55(1): 158-161.

PORCEL R, REDONDO-GMEZ S, MATEOS-NARANJO E, et al, 2015. Arbuscular mycorrhizal symbiosis ameliorates the optimum quantum yield of photosystem II and reduces non-photochemical quenching in rice plants subjected to salt stress [J]. J Plant Physiol, 185: 75-83.

QIAN KM, WANG LP, YIN NN, 2012. Effects of AMF on soil enzyme activity and carbon sequestration capacity in reclaimed mine soil [J]. Int J Mining Sci Technol, 22(4): 553-557.

RAN Q, ZHONG ZC, 2015. Effect of AMF on the photosynthetic characteristics and growth of maize seedlings under the stress of drought, high calcium and their combination in karst area [J].Acta Ecol Sin, 35(2): 460-467. [ 冉瓊, 鐘章成, 2015. 模擬巖溶旱鈣土壤基質(zhì)中AM真菌對(duì)玉米幼苗光合生長的影響 [J]. 生態(tài)學(xué)報(bào), 35(2): 460-467.]

SMITH SE, READ DJ, 2008. Mycorrhizal symbiosis [M]. London: Academic Press: 31-35.

SAILO GL, BAGYARAJ DJ, 2005. Influence of different AM-fungi on the growth, nutrition and forskolin content ofColeusforskohlii[J]. Mycol Res, 109(7): 795-798.

TIAN Y, ZHANG HH, MENG XY,et al, 2013. Effects of arbuscular mycorrhizal fungi (Glomusmosseae) on growth and photosynthesis characteristics ofLoliumperenneL. under Cd contaminated soil [J]. Acta Agres Sin, 21(1): 135-141. [ 田野, 張會(huì)慧, 孟祥英, 等, 2013. 鎘(Cd)污染土壤接種叢枝菌根真菌(Glomusmosseae)對(duì)黑麥草生長和光合的影響 [J]. 草地學(xué)報(bào), 21(1): 135-141.]WANG H, BIE ZF, MA CZ, et al, 2005. Influence of the mining offal on the crop growth [J]. J Agro-Environ Sci, 24(Suppl)：209-211. [ 王輝, 卞正富, 馬昌忠, 等, 2005. 采煤廢棄物對(duì)作物生長的影響 [J]. 農(nóng)業(yè)環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào), 24(增刊): 209-211.]

XU DQ, ZHANG YZ, ZHANG RX, 1992. Photoinhibition of photosynthesis in plants [J]. Plant Physiol Comm, 28(4): 237-243. [ 許大全, 張玉忠, 張榮銑, 1992. 植物光合作用的光抑制 [J]. 植物生理學(xué)通訊, 28(4): 237-243.]

YUAN XM, LI G, CHEN YS, 2008. Influence of coal mining on environment and counterm easure [J]. Coal Min Technol, 13(6): 33-35. [ 袁宵梅, 李光, 陳永勝, 2008. 淺析煤礦開采對(duì)環(huán)境的影響及對(duì)策 [J]. 煤礦開采, 13(6): 33-35.]

YU M, 2013. Rules of ecological succession and reclamation and lasting effects with mycorrhizal fungi in coal mining subsidence [D].Beijing: China University of Mining and Technology: 11-13. [于淼, 2013. 采煤沉陷區(qū)生態(tài)演替規(guī)律及菌根修復(fù)作用與后效研究 [D]. 北京: 中國礦業(yè)大學(xué): 11-13.]

YUE H, 2012. Study on the repair mechanism of arbuscular mycorrhizal fungi and its ecological effect in mining subsidence area [D]. Beijing: China University of Mining and Technology: 56-58. [ 岳輝, 2012. 采煤沉陷區(qū)受損根系菌根修復(fù)機(jī)理及其生態(tài)效應(yīng)研究 [D]. 北京: 中國礦業(yè)大學(xué): 56-58.]

ZHAO RZ, GUO W, BI N, et al, 2015. Arbuscular mycorrhizal fungi affect the growth, nutrient uptake and water status of maize (ZeamaysL.) grown in two types of coal mine spoils under drought stress [J]. Appl Soil Ecol, 88(9): 41-49.

ZHAO RX, GUO W, FU RY, et al, 2013. Effects of Arbuscular mycorrhizal fungi on the vegetation restoration of different types of coal mine spoil bank [J]. Environ Sci, 34(11): 4 447-4 454. [趙仁鑫, 郭偉, 付瑞英, 等, 2013. 叢枝菌根真菌在不同類型煤矸石山植被恢復(fù)中的作用 [J]. 環(huán)境科學(xué), 34(11): 4 447-4 454.]ZHAO X, SONG RQ, YAN XF, 2009. Effects of arbuscular mycorrhizal fungal inoculation on growth and photosynthesis ofCamptothecaacuminataseedlings [J]. Chin J Plant Ecol, 33(4): 783-790. [趙昕, 宋瑞清, 閻秀峰, 2009. 接種AM真菌對(duì)喜樹幼苗生長及光合特性的影響 [J]. 植物生態(tài)學(xué)報(bào), 33(4): 783-790.]ZHU XC, SONG FB, XU HW, 2010. Arbuscular mycorrhizae improves low temperature stress in maize via alterations in host water status and photosynthesis [J]. Plant Soil, 331(1/2): 129-137.

(Continueonpage522)(Continuefrompage547)

Effects of AMF inoculation on the growth and chlorophyll fluorescence ofSorghumbicolor×S.sudanensein coal wastes

GAO Yan-Lin1, LI Jun-Min2,3, YAN Ming1*

( 1.CollegeofLifeSciences,ShanxiNormalUniversity, Linfen 041004, China; 2.ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofPlantEvolutionaryEcologyandConservation, Taizhou 318000, China; 3.InstituteofEcology,TaizhouUniversity, Taizhou 318000, China )

Abstract:To improve the growth and survival rate of plants in three types of coal wastes, we chose two kinds of arbuscular mycorrhizal fungis, Glomus mosseae (G. m) and G. versiforme (G. v), to study the effects of pure fungi, mixed bacteria on growth and photosynthetic fluorescence of Sorghum bicolor × S. sudanense in three types of coal wastes which were that fly ash (S1), coal gangue (S2) and the mixture of fly ash and coal gangue (S3) and the mixture of sand and earth (S4) which was the control group. The results were as follows: (1) In the four substrates, the symbiotic associations were successfully established between AMF and Sorghum bicolor × S. sudanense. The inoculation of G. m could obviously improved the infection rate to 49.04%, 57.40% and 43.34% in the substrates of S1, S3 and S4 and the mixed inoculation treatment had the best infection rate to 49.33% in the substrate of S2. (2) The plant height, root length, content of chlorophyll, Fv/Fo, qP and Yield of Sorghum bicolor × S. sudanense in three types of coal wastes significantly decreased. Inoculation of AM fungi significantly promoted the growth and photosynthetic efficiency of Sorghum bicolor × S. sudanense. Comparing with other treatments, inoculation of G.m significantly improved the root length, dry weight, the content of chlorophyll, Fv/Fo, qP and Yield in the substrates of S1, S3 and S4. In the substrate of S2, inoculation of G.v significantly increased the root length, dry weight and had little difference with mixed inoculation treatment on chlorophyll fluorescence parameters. The result indicated that the growth and photosynthesis of Sorghum bicolor × S. sudanense was inhibited in the composite adversity of different types of coal wastes. AM fungi was capable of alleviating the damage cased by the adverse factors of different types of coal mining wastes on Sorghum bicolor × S. sudanense by means of improve leaf chlorophyll content, photosynthesis, chlorophyll fluorescence and growth, and enhance Sorghum bicolor × S. sudanense’s stress-resistance. G.m was more suitable for the revegetation of fly ash and the mixture of fly ash and coal gangue, while G.v was more suitable for the revegetation of coal gangue.

Key words:AMF, coal wastes, Sorghum bicolor × S. sudanense, growth, chlorophyll fluorescence

DOI:10.11931/guihaia.gxzw201506025

收稿日期:2015-07-28修回日期： 2015-12-08

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金(30800133，31270461)；山西師范大學(xué)?；?ZR1211)[Supported by the National Natural Science Foundation of China (30800133，31270461); the School Fund of Shanxi Normal University (ZR1211)]。

作者簡介：高雁琳 (1988-)，女，山西朔州人，碩士，研究方向?yàn)榫鷳B(tài)學(xué)，(Email) cgsayll@126.com。*通訊作者： 閆明，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事植被生態(tài)學(xué)研究，(E-mail) mycorrhiza@sina.com。

中圖分類號(hào)：Q945.79，S154.36

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1000-3142(2016)05-0539-09

高雁琳，李鈞敏，閆明. 接種AMF對(duì)煤礦廢棄物上高丹草的生長和葉綠素?zé)晒獾挠绊?[J]. 廣西植物， 2016， 36(5)：539-547

GAO YL, LI JM, YAN M. Effects of AMF inoculation on the growth and chlorophyll fluorescence ofSorghumbicolor×S.sudanensein coal wastes[J]. Guihaia， 2016， 36(5)：539-547