菌根菌配施褐煤對礦區(qū)土壤及披堿草生長的影響

任 倩 ，閆雙堆 ，黨晉華，2，王春梅 ，張乃于

（1.山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷 030801；2.山西省環(huán)境科學研究院，山西太原 030027）

煤炭露天開采往往對地表植被造成徹底破壞，長期的開采、剝離、混合形成面積龐大且養(yǎng)分低下的裸露排土場，給本來脆弱的草原生境增加生態(tài)負荷和脅迫。排土場的生態(tài)重建是維護區(qū)域生態(tài)穩(wěn)定的重要工作，但內(nèi)蒙古自治區(qū)伊敏礦區(qū)氣候寒冷干燥，排土場土壤貧瘠、結(jié)構(gòu)性差，恢復(fù)植被重建生態(tài)十分困難，開采后的整體復(fù)墾率僅在8%左右。改善排土場土壤結(jié)構(gòu)、提高土壤肥力成為伊敏礦區(qū)排土場生態(tài)重建首要解決的問題。

相關(guān)研究表明，菌根共生體的形成除了能夠明顯改善宿主植物的礦質(zhì)營養(yǎng)（磷、氮、硫以及微量元素等），還能夠增強宿主植物抗病、抗干旱、抗鹽害、抗重金屬毒害等諸多抗逆能力[1]。菌根菌與寄主植物形成菌根共生體后，可以明顯地增加寄主植物對營養(yǎng)成分的吸收[2]，并可以提高寄主植物的抗病性等[3]。接種菌根菌還可以使植物適應(yīng)低溫脅迫，提高低溫適應(yīng)能力[4]；森林群落的穩(wěn)定以及樹木的更新、生長均與外生菌根的類型及其多樣性有著直接的關(guān)系[5-7]。

腐植酸類物質(zhì)對微生物菌劑增效作用明顯[8]，而伊敏礦區(qū)腐植酸資源豐富，本試驗擬探尋菌根菌劑與煤基腐植酸類物質(zhì)配合施用，對土壤以及植物的改良作用，為干冷礦區(qū)生態(tài)重建過程中的土壤改良工作提供科學依據(jù)。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

表1 盆栽土壤的基本理化性質(zhì)

供試作物披堿草是內(nèi)蒙古自治區(qū)伊敏礦區(qū)的優(yōu)勢土著牧草，是主要的優(yōu)質(zhì)高產(chǎn)飼草，于2016年5—10月在山西農(nóng)業(yè)大學溫室進行盆栽種植。盆栽試驗土壤為混合性土壤，采自伊敏礦區(qū)排土場的表層腐殖土（栗鈣土）、亞表層黏土和下層沙土，混合比例為3∶3∶1，其理化性質(zhì)列于表1。

伊敏煤礦主產(chǎn)褐煤，且腐植酸含量較高，供試褐煤理化性質(zhì)列于表2。

表2 內(nèi)蒙古自治區(qū)伊敏礦褐煤的特性

菌根菌由捷克諾曼公司提供，通過Olympus顯微鏡觀察，依據(jù)SCHENCK等[9]的《VA菌根真菌鑒定手冊》及國際AM真菌保藏中心INVAM網(wǎng)站（http://invam.wvu.edu/）上最新分類圖片及描述孢子種屬特征進行分類。經(jīng)鑒定得到5個不同的屬：輪層碳菌屬（4.2個 /g）、毛殼菌屬（2個 /g）、球囊霉屬（9.7個/g）、無梗囊霉屬（6.4個/g）以及一個未定菌屬（5.6個/g）。

1.2 試驗設(shè)計

試驗使用25 cm×20 cm的聚乙烯塑料盆缽，每盆裝土4.5 kg。所有處理中均加入等量氮磷鉀肥，然后進行盆栽培養(yǎng)；N，P，K施加比例為1.5∶1∶1，即盆栽試驗 N，P2O5，K2O量分別為 0.06，0.04，0.04 g/kg。

試驗采用單因素完全隨機區(qū)組設(shè)計，每盆均施加等量褐煤9 g（4 500 kg/hm2），CK為不施加菌根菌，處理 1，2，3，4 分別為施加菌根菌 75，150，225，300 kg/hm2，共5個處理，每個處理3個重復(fù)，共15盆。2016年5月4日進行播種，對盆栽披堿草進行常規(guī)管理。

1.3 取樣及測定方法

2016年10月份待披堿草成熟后，用小土鉆取塑料盆缽內(nèi)的土壤適量并保存。

1.3.1 根系侵染率的測定 采用PHILLINPS等[10]的乳酸甘油法進行檢測。植物根系采集后用清水沖洗干凈，剪成1 cm的根段，然后浸泡于FAA溶液（甲醛＋醋酸＋酒精）中，固定24 h后開始測定。用清水將根沖洗干凈并放入試管中，加100 g/L的KOH溶液浸泡根部，將試管放入水浴鍋中于90℃隔水加熱1 h，然后倒去KOH用清水沖洗干凈；加入堿性H2O2浸泡10～20 min或至根脫色為止，倒去堿性H2O2，用清水沖洗干凈；加入100 g/L HCl浸泡3～4 min，倒去HCl，用清水沖洗干凈；加入曲利苯藍染色液（曲利苯藍＋乳酸＋甘油），在水浴鍋中于90℃隔水加熱15 min，用清水沖洗干凈，倒入培養(yǎng)皿中，選取15條根段制片。

然后鏡檢，通過Mycocal.exe軟件計算出各處理菌根菌對披堿草根系侵染率、侵染密度及叢枝豐度。

1.3.2 土壤及植物樣品的測定 土壤全氮含量的測定采用開氏法；堿解氮的測定使用堿解擴散法；土壤全磷含量的測定采用NaOH熔融-鉬銻抗比色法；土壤速效磷含量的測定采用0.5 mol/LNaHCO3法；土壤中全鉀含量的測定采用NaOH熔融-火焰光度法；土壤速效鉀含量的測定采用NH4OAc浸提-火焰光度法；土壤中有機質(zhì)含量的測定使用重鉻酸鉀容量法-外加熱法；植物全氮含量的測定使用H2SO4-H2O2消煮，凱氏定氮法；植物全磷含量的測定使用H2SO4-H2O2消煮，釩鉬黃比色法；植物全鉀含量的測定使用H2SO4-H2O2消煮，火焰光度計法[11]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

試驗采用Excel軟件進行數(shù)據(jù)處理與作圖；用DPS軟件進行統(tǒng)計分析，采用LSD法檢驗處理間差異顯著性，設(shè)定α＝0.05為顯著水平。

2 結(jié)果與分析

2.1 施加菌根菌對披堿草作物的影響

2.1.1 不同菌根菌施用量配施褐煤對披堿草生物量的影響 從表3可以看出，隨著菌根菌用量的增加，處理1，2，3，4的株高比CK分別增加21.16%，35.45%，46.03%，47.09%，其中，施加菌根菌用量為225，300 kg/hm2的處理與CK間差異顯著；處理1，2，3，4的根長比CK 分別增加 12.25%，14.22%，19.12%，25.49%，但處理間差異不顯著；處理1，2，3，4的地上地下干質(zhì)量分別比CK增加了26.66%，46.37%，64.55%，71.76%，其中，施加菌根菌用量為225，300 kg/hm2的處理與CK間差異顯著；當菌根菌施用量為300 kg/hm2時，株高、根長、地上地下干質(zhì)量都達到了最大。

這表明，施用菌根菌能促進披堿草的生長，從而增加披堿草的生物量。這與童琳等[12]的研究結(jié)果一致，即菌根真菌侵染對生物量累積具有一定的促進作用。自然條件下叢枝菌根普遍存在于土壤中，而較高菌根侵染率能夠促進植物的生長，這是由于披堿草根系形成的菌根促進了對土壤養(yǎng)分的吸收，從而促進了披堿草的生長[13]。

表3 不同菌根菌施用量配施褐煤對披堿草生物量的影響

2.1.2 不同菌根菌施用量配施褐煤對披堿草根系侵染效應(yīng)的影響 侵染率是菌根真菌與宿主植物間共生是否親密的一種指標，侵染密度綜合性地體現(xiàn)了菌根真菌對宿主植物侵染的頻度和強度，叢枝豐度表明了宿主植物根內(nèi)部叢枝的頻度和強度，可以體現(xiàn)出叢枝的豐富程度[14]。

從表4可以看出，各處理與CK相比均呈現(xiàn)出顯著性差異，各處理的根系菌根侵染率、侵染密度、叢枝豐度和根系叢枝豐度均顯著大于CK；施加菌根菌量為150 kg/hm2（處理2）的菌根侵染率顯著大于菌根菌用量為75 kg/hm2（處理1），其余處理間的各項指標均未達到顯著性差異水平，但在菌根菌劑施用量低于225 kg/hm2時，隨著菌根菌劑施用量的增加，菌根侵染率與侵染密度也隨之增加。這表明，施用菌根菌劑能促進披堿草根系菌根侵染效應(yīng)，但并不是用量越多效果越好，當用量達到一定水平后，侵染效應(yīng)不再增強。

表4 不同菌根菌施用量配施褐煤對披堿草根系侵染效應(yīng)的影響 %

2.1.3 不同菌根菌施用量配施褐煤對披堿草養(yǎng)分吸收的影響 不同菌根菌施用量對披堿草養(yǎng)分吸收的影響如圖1所示。

從圖1可以看出，隨著菌根菌劑施用量的增多，披堿草中全氮量呈上升趨勢，與CK相比，菌根菌施用量為225 kg/hm2（處理3）與300 kg/hm2（處理4）達到顯著增加水平，含氮量分別增加了62.79%，81.40%；各處理與CK之間的全磷量差異不明顯，但在菌根菌劑施用量為150 kg/hm2時，披堿草中全磷含量最高，為3.50 g/kg；菌根菌劑施用量低于225 kg/hm2時，隨著施用量的增多，披堿草中全鉀含量隨之增加，與只施加褐煤的CK相比，菌根菌施用量為150 kg/hm2（處理2）與225 kg/hm2（處理3）達到顯著增加水平，全鉀含量分別增加了52.40%，54.12%，菌根菌劑施用量為300 kg/hm2（處理4）與225 kg/hm2（處理3）相比，披堿草中全鉀含量減少了10.95%?？梢缘贸?，施加菌根菌劑可以促進披堿草對氮磷鉀養(yǎng)分的吸收，在一定范圍內(nèi)，隨著用量的增多，對氮素和鉀素的吸收利用率越高，而對磷的吸收雖然也有促進效果，但效果不明顯。

2.2 施加菌根菌對土壤養(yǎng)分的影響

2.2.1 不同菌根菌施用量配施褐煤對土壤速效養(yǎng)分的影響 土壤中植物當季可吸收利用的為各種速效養(yǎng)分，從圖2可以看出，施加菌根菌劑對堿解氮的影響不大，各處理與CK間均未達到顯著差異，菌根菌劑施用量為150 kg/hm2時，堿解氮含量最高，為26.25 mg/kg；速效磷隨著菌根菌劑施用量的增多有增加的趨勢，與CK相比，菌根菌劑施用量為225，300kg/hm2時，分別增加38.38%，48.47%，均達到顯著性差異水平；速效鉀隨著菌根菌劑施用量的增多有增加的趨勢，與CK相比，菌根菌劑施用量為225 kg/hm2（處理3）與300 kg/hm2（處理4）達顯著性差異水平，分別增加了139.51%，154.54%。從以上分析可以得出，施用菌根菌劑能提高土壤中的速效磷鉀養(yǎng)分，并隨著用量的增多，增加效果越明顯，同時對速效氮雖有一定的增加效果，但效果不明顯。

2.2.2 不同菌根菌施用量配施褐煤對土壤有機質(zhì)含量的影響 不同菌根菌施用量對土壤有機質(zhì)的影響如圖3所示。

由圖3可知，隨著菌根菌劑施用量的增加，與CK相比，處理1，2，3，4的土壤有機質(zhì)含量分別增加了14.45%，281.51%，75.49%，39.98%，其中，當菌根菌施用量為150 kg/hm2（處理2）時，土壤有機質(zhì)含量最高，顯著高于其他處理；當菌根菌劑施用量大于150 kg/hm2時，隨著其用量的增多，土壤有機質(zhì)含量減少。這表明，施用菌根菌劑能提高土壤中有機質(zhì)的含量，當用量達到一定值后，隨著用量的增加，土壤有機質(zhì)含量減少。

3 討論與結(jié)論

本研究中，接種菌根菌劑能提高披堿草的生物量、增加菌根侵染效應(yīng)、提高植株中氮磷鉀的含量。80%的陸生植物接種菌根真菌后可形成菌根結(jié)構(gòu)[1]，可提高植物對氮、磷、鉀等營養(yǎng)元素的吸收效率[15]。許多研究表明[16-17]，菌根的形成改變了根和土壤之間微生物的平衡關(guān)系，使得根面和根際土壤里面的微生物，特別是對土壤養(yǎng)分活化和循環(huán)、植物生長產(chǎn)生影響變化的微生物種群在空間分布和數(shù)量上產(chǎn)生了變化，使得對植物的生長和養(yǎng)分吸收產(chǎn)生了一定的作用。叢枝菌根真菌根外菌絲可以利用NH4+，NO3-和簡單形態(tài)的氨基酸[18]，并在一定條件下還可以加速有機氮的礦化，進而使有機氮成為其可利用的氮素形態(tài)[19]。作為與地球上85%以上植物形成共生體系的菌根，能夠使得宿主植物對磷等礦質(zhì)元素的吸收及其生長發(fā)育的能力增強[20]。在菌根形成之后，植物根際效應(yīng)的內(nèi)涵和非菌根植物范圍相比之下有所擴大，不僅僅是受根系分泌物影響的土壤區(qū)域，還有外生菌絲延伸生長的土壤區(qū)域。根際范圍的逐漸變大，增大了土壤養(yǎng)分活化與利用的范圍，增強了土壤—植物間養(yǎng)分的利用效率。外生的菌根真菌能夠分泌多種低分子的有機酸，降低pH值，從而活化土壤中的無效鉀[21]。外延的菌絲將吸收土壤中活化的鉀素及其他的養(yǎng)分供給寄主植物，從而促進寄主植物的生長和鉀的吸收，且田蜜等[22]研究表明，菌根菌對植物吸收土壤中的速效磷鉀的吸收都有一定的促進作用。當菌根菌劑施用量達到一定時，侵染效應(yīng)趨于穩(wěn)定，對生物量及植物體中養(yǎng)分含量的影響效果不再明顯，甚至高用量的菌劑產(chǎn)生的效果呈下降趨勢，這與陳靜潔[23]研究結(jié)果相似，菌根菌生長繁殖需要從宿主植物中獲得碳水化合物，過多的繁殖體會與宿主植物爭奪有限的化合物，不利于菌根菌與宿主植物的生長，從而影響披堿草中養(yǎng)分的含量[24]。

在土壤養(yǎng)分方面，隨著菌根菌劑用量的增加，對土壤速效磷、鉀的含量影響較大，對堿解氮影響不大，這可能是由于菌根菌能促進土壤養(yǎng)分的釋放，這與前文中隨著菌根菌劑施用量的增多，披堿草的生物量增加相吻合。雖然土壤氮素是增多的，但披堿草對氮素的吸收量遠大于對磷、鉀素的需求，所以，其表現(xiàn)為堿解氮變化不明顯，而磷鉀呈增多的趨勢。本試驗添加的菌根菌劑中存在球囊霉素，球囊霉素能增加土壤有機碳庫，菌根菌可顯著提高根際土壤球囊霉素和有機質(zhì)含量[25]，這能解釋當菌根菌劑施用量小于150 kg/hm2時，土壤有機質(zhì)呈增多趨勢。菌根菌劑施用量高于150 kg/hm2后，有機質(zhì)含量減少，這可能是由于大量菌根的形成，促進了根系微生物活性，菌根與微生物分泌的酶、有機酸等物質(zhì)增加，促進了有機質(zhì)的分解，從而使得土壤有機質(zhì)減少，因此，接種菌根菌對礦區(qū)退化土壤具有顯著改良作用[26]。

本試驗結(jié)果表明，添加菌根菌劑能夠有效地促進植物根系侵染率，增加對氮磷鉀養(yǎng)分的吸收，從而提高植物的生物量。褐煤可以作為土壤添加劑，同時也可以作為菌根菌的有效生物載體，褐煤與菌根菌的有效結(jié)合能提高土壤綜合質(zhì)量，促進逆境中植物生長，改良土壤，修復(fù)生態(tài)環(huán)境。

［1］ ROBINSON C H，SMITH S E，READ D J.Mycorrhizal symbiosis[M].2nd edn.London：Academic Press，1997.

［2］周志春，陳連慶，黃秀鳳.馬褂木菌根真菌篩選和菌根化育苗效果研究[J].林業(yè)科學研究，2009（2）：196-199.

［3］弓明欽，陳應(yīng)龍，仲崇祿.菌根研究及應(yīng)用[M].北京：中國林業(yè)出版社，1997.

［4］武沖，張勇，馬妮，等.接種菌根菌短枝木麻黃對低溫脅迫的響應(yīng)特征[J].西北植物學報，2012（10）：2068-2074.

［5］唐明，陳輝，郭建林，等.陜西省楊樹外生菌根種類的調(diào)查研究[J].林業(yè)科學，1994（5）：437-441，482.

［6］吳小芹，孫民琴.七株外生菌根真菌與三種松苗菌根的形成能力[J].生態(tài)學報，2006（12）：4186-4191.

［7］華爾.實驗室條件下樟子松幼苗菌根人工合成的研究[D].呼和浩特：內(nèi)蒙古農(nóng)業(yè)大學，2003.

［8］陳林，張佳寶，趙炳梓，等.不同施氮水平下土壤的生化性質(zhì)對干濕交替的響應(yīng)[J].土壤學報，2013，50（4）：675-683.

［9］ SCHENCK N C，SPAIN J L，SIEVERDING E，et al.Several new and unreported VA mycorrhizal fungi（Endogonaceae）from Colombia[J].Mycologia，1984，76：685-699.

［10］PHILLINPS J M，HAYMAN D S.Improved procedures for clearing roots and staining parasitic and vesicular-arbuscular mycorrhizal fungi for rapid assessment ofinfection[J].Transactions ofthe British Mycological Society，1970，55：158-161.

［11］鮑士旦.土壤農(nóng)化分析[M].北京：中國農(nóng)業(yè)出版社，2000.

［12］童琳，唐旭利，張靜，等.菌根真菌侵染對植物生物量累積的影響[J].生態(tài)環(huán)境學報，2014，23（9）：1520-1525.

［13］蘇金豹，王東亮，楊立學.落葉松四種根系分泌物對胡桃楸根系活力和菌根侵染率的影響 [J].生態(tài)學雜志，2013，32（10）：2659-2664.

［14］ BIERMANN B，LINDERMAN R G.Quantifying vercular-arbuscular mycorrhizas：a proposed method towards standardization[J].NewPhytol，1981，87：63-67.

［15］SMITH S E，SMITH F A.Fresh perspectives on the roles of arbuscular mycorrhizal in plant nutrition and growth[J].Mycologia，2012，104（1）：1-13.

［16］王慶仁，李繼云，李振聲.高效利用土壤磷素的植物營養(yǎng)學研究[J].生態(tài)學報，1999（3）：417-421.

［17］張寶貴，李貴桐.土壤生物在土壤磷有效化中的作用[J].土壤學報，1998，35（1）：104-111.

［18］HAWKINSH J，JOHANSENA，GEORGE E.Uptake and transport of organic and inorganic nitrogen by arbuscular mycorrhizal fungi[J].Plant and Soil，2000，226（2）：275-285.

［19］HODGE A，CAMPBELLCD，F(xiàn)ITTER AH.An arbuscular mvcorrbizal fungus accelerates decomposition and acquires nitrogen directlyfromorganic material[J].Nature，2001，413：297-299.

［20］SATTER M，HANAFI M，MAHUMD T，et al.Influence of arbuscular mycorrhiza and phosphate rock on uptake of major nutrients by Acacia mangium seedlings on degraded soil[J].Biology and FertilityofSoil，2006，42：345-349.

［21］AROCENA J M，GLOWA K R，LOUSIER J D.Mineral weathering in ecto mycorrhiza sphere of subalpine fir（Abies lasiocarpa（Hook.）Nutt.）as revealed by soil solution composition[J].Forest Ecology&Management，2000，133（1/2）：61-70.

［22］田蜜，陳應(yīng)龍，李敏，等.叢枝菌根結(jié)構(gòu)與功能研究進展[J].應(yīng)用生態(tài)學報，2013，24（8）：2369-2376.

［23］陳靜潔.綠肥預(yù)接種AMF對蔬菜生長及菌根侵染的影響[D].福州：福建農(nóng)林大學，2014.

［24］蔡宣梅，方少忠，林真.VA菌根及其研究進展[J].福建農(nóng)業(yè)科技，2002（6）：28-29.

［25］田慧，劉曉蕾，蓋京蘋，等.球囊霉素及其作用研究進展[J].土壤通報，2009，40（5）：1215-1219.

［26］李少朋，畢銀麗，孔維平，等.叢枝菌根真菌在礦區(qū)生態(tài)環(huán)境修復(fù)中應(yīng)用及其效果[J].環(huán)境科學，2013（11）：4455-4459.