露天排土場接種AM真菌對不同組合植物生長及土壤改良影響

胡欽程，解琳琳，李夢琪，畢銀麗

(中國礦業(yè)大學(北京) 地球科學與測繪工程學院，北京 100083)

隨著我國經濟的快速發(fā)展，對能源的需求日益增長，煤炭作為主要能源開采量越來越大，開采帶來的人為干預和擾動強度大，造成生態(tài)系統的嚴重破壞，存在煤炭開發(fā)占用和破壞土地、地形地貌破壞等諸多問題[1]。礦區(qū)露天排土場的土壤貧瘠，鹽堿化程度高。針對上述狀況需要用礦山生態(tài)修復的方法去解決。

礦山生態(tài)修復方法主要包括物理、化學和微生物修復方法，微生物修復技術利用生態(tài)系統生物自然演替規(guī)律，引入適宜生存的微生物幫助植物在逆境下生長發(fā)育，具有環(huán)境無害性、安全性和可持續(xù)性。豆科植物抗性強、根系發(fā)達，在礦區(qū)植被恢復中對環(huán)境的適應力強，具有較強的固氮能力，可有效保持水土、改良土壤性質，增加土壤中碳、氮、磷及微生物等，提升土壤肥力。灌木植物在遭受水分脅迫時表現出更強的可塑性，能夠根據土壤水分的可利用性改變對不同土層水分的利用。灌木在森林生態(tài)系統中雖然占全部生物量的部分很小，但是在生態(tài)脆弱地區(qū)，灌木仍然占有很大比重，對生態(tài)系統的穩(wěn)定與平衡具有十分重要的意義[2]。叢枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF)是一種能與陸地上80%以上的植物產生共生關系的真菌[3]。它能夠調節(jié)根系形態(tài)發(fā)育，AM真菌菌絲能夠為植物提供一個良好的根際環(huán)境，并通過增進營養(yǎng)吸收、提高光合效率等多種途徑，在養(yǎng)分貧瘠的土壤中能夠增強宿主植物吸收養(yǎng)分的能力，改善植物營養(yǎng)水平，提高植物抗逆性，具有促進植物生長的作用。AMF與植物組合能改善土壤理化性質、根際微生物群落[4]，具有幫助植物適應和改造土壤環(huán)境的潛力[5]。

有關研究發(fā)現通過減少草本植物生物量或減弱草本植物使用土壤表層水分的能力，引起土壤深層水分增加可以促進木本植物的生長[6-8]。在降雨的長期波動和干旱影響下，灌木增強了作為群落優(yōu)勢種的競爭性，進而延緩了草本植物在生態(tài)演替后期作為優(yōu)勢種的出現[9]；灌木植物在遭受水分脅迫時表現出更強的可塑性，可以根據土壤水分的可利用性改變不同土層水分的利用[10]。人工建植草灌結合的生態(tài)模式，可以完成從草本群落到草灌混生植物群落，再到形成穩(wěn)定的以灌為主的草灌多樣性混生植物群落的植被群落演替過程，豆科草本植物從大氣中固定的氮元素可供灌木生長使用，有利于草灌混生植物群落的生長，以便形成穩(wěn)定的礦區(qū)生態(tài)系統，更好地進行生態(tài)修復。

植物修復是一種新興的生態(tài)良性土壤凈化技術[11]，為了探索在不同種模式下接菌對土壤理化性質和土壤酶活性的影響，尋找適宜在礦區(qū)生態(tài)修復的種植模式，本研究以內蒙古自治區(qū)錫林浩特市北電勝利露天礦區(qū)草本植物(沙打旺、紫花苜蓿)、灌木植物(檸條)為研究對象，布設了檸條單作、檸條沙打旺混作、沙打旺單作、沙打旺紫花苜?；熳骱妥匣ㄜ俎巫?種不同的種植模式，選擇接菌和對照2種處理，共10個試驗區(qū)。分析在不同種植模式下和接種叢枝菌根真菌對不同處理下植物根系構型、植物生長的影響以及接種菌根對植物根際土的影響，旨在監(jiān)測樣地內植被差異和土壤理化性質，對比分析在不同種植模式下和接菌后的生態(tài)效應。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于北電勝利露天煤礦，位于錫林浩特草原，地理位置為：116°00′50″～116°03′26″E，43°37′06″～43°39′45″N，高程為1 153.1 m～1 297.5 m.該地屬典型溫帶半干旱大陸性氣候，地勢東南向西北方向傾斜，多石質低丘陵。年平均降水量294.9 mm，無霜期110 d，平均海拔高度988.5 m.礦區(qū)土壤類型主要由栗鈣土、草甸栗鈣土、草甸土等組成。

1.2 試驗設計

以植物檸條、沙打旺和紫花苜蓿作為研究對象，選擇接種叢枝菌根真菌(AM)和不接種叢枝菌根真菌(CK)2種處理，供試AM真菌為Funneliformis mosseae，檸條種植行間距1 m，株距1 m，每個小區(qū)36行，每行95穴，為保證成活率，第一、三、五列每列檸條2株/穴，第二、四、六列每列檸條1株/穴，以此類推；紫花苜蓿和沙打旺草籽播撒量為20 g/m2.隨檸條栽植，每穴施入菌劑50 g，紫花苜蓿、沙打旺播種時，將菌劑與草籽混勻，隨草籽一同播撒，菌劑平均20 g/m2.灌溉設施設置為滴灌設施。植物養(yǎng)護時間2年，監(jiān)測期間共澆水20次。分為檸條單作、檸條沙打旺混作、沙打旺單作、沙打旺紫花苜蓿混作、紫花苜蓿單作5種種植模式，選擇接菌和對照2種處理，一共10個地塊。本試驗供試材料3種植物“檸條錦雞兒”(CaraganakorshinskiiKom)、“沙打旺”(AstragalusadsurgensPall)、“紫花苜?！?MedicagosativaL)，所用種子由神華大雁園林綠化公司提供。主要配比模式為檸條單作、檸條沙打旺混作、沙打旺單作、沙打旺紫花苜?；熳骱妥匣ㄜ俎巫鳎唧w配置布設圖如圖1所示。

1.3 試驗方法

采樣時間為2019年9月份，選擇試驗區(qū)內的每塊樣地進行3點采樣法，即在每塊樣地中隨機選取3個重復，每個重復取100 g土壤，放入自封袋中，帶回實驗室；一部分新鮮土壤過2 mm篩，用于測定土壤酶活性；另一部分土壤自然風干過1 mm篩備用，用于測定土壤理化性質。測定方法：

1) 菌根貢獻率=(AM組某物質含量-CK組某物質含量)/AM組該物質含量。

2) 采用美國CI-600Root Snap根系分析軟件測定根系總長度、根系平均直徑、根系表面積、根系體積等。

3) 在檸條接菌區(qū)與對照區(qū)、檸條沙打旺接菌區(qū)與對照區(qū)用鋼尺測量檸條株高、冠幅和地徑，每個小區(qū)按等距離選擇200株。

4) pH值采用水土比2.5∶1測定，電導率(σ)為水土比5∶1浸提-電導法測定[12]。

5) 土壤有機質含量采用重鉻酸鉀容量法-外加熱法進行測定。全氮含量采用凱氏定氮法測定[12]。

6) 土壤酶活性的測定。脲酶活性采用改進的Hoffmann和Teiche比色法測定。脲酶活性的測定采用改進的苯酚-次氯酸鈉比色法( 選擇5%的底物濃度、pH值6.7的檸檬酸鹽緩沖液、培養(yǎng)24 h后再經2 mol/L的KCI溶液浸提過濾)。土壤酸性磷酸酶活性采用改進的Tabatabai和Brim-ner方法測定[12]，酶活性用單位時間每克土產酚量(mg·g-1·24 h-1)表示。

7) 易提取球囊霉素相關土壤蛋白(Easily Extractable Glomalin-related Soil Protein，EE-GRSP)的提?。悍謩e稱取滅菌(S)和未滅菌(NS)土樣0.25，0.50，0.75，1.00 g于帶刻度離心管中，對應加入2，4，6，8 mL檸檬酸鈉浸提劑(20 mmol/L、pH值為7.0)，加蓋搖勻，在103 kPa、121 ℃下提取30 min，10 000×g(g為重力加速度)下離心6 min，收集上清液，每個處理重復4次。總球囊霉素相關土壤蛋白(Total Glomalin-related Soil Protein，T-GRSP)的提取：分別稱取滅菌和未滅菌的土樣0.25，0.50，0.75，1.00 g于帶刻度離心管中，對應加入2、4、6、8 mL檸檬酸鈉(50 mmol/L、pH值為8.0)，加蓋搖勻，在103 kPa、121 ℃下提取60 min，再重復提取5次，每次重復提取時，保證提取液體積固定且搖勻土樣，使土樣與浸提劑充分接觸；每提取一次之后迅速在10 000×g(g為重力加速度)下離心6 min，將上浮物從土壤中分離出去，收集上清液，每個處理重復4次。上清液儲藏在4 ℃下直至第2天分析[13]。

1.4 數據分析

使用Microsoft Excel 2016軟件進行處理。分析采用數據處理軟件SPSS 19.0進行單因素方差分析(LSD檢驗，顯著性差異水平為0.05)、Pearson相關性分析。

2 結果與分析

2.1 不同種植模式與接菌對礦區(qū)排土場植物根系形態(tài)的影響

如表1所示，不同種植模式下接菌均不同程度地提高了相應種植模式植物的根系總根長，檸條單作、檸條沙打旺混作、沙打旺單作、沙打旺紫花苜?；熳?、紫花苜蓿單作分別顯著提高了16.04%、203.74%、128.76%、83.84%、23.45%.混作種植模式下比單作種植模式下接菌的促進效果更加明顯，說明在混作種植模式下接菌更適應礦區(qū)排土場的生長環(huán)境，提高了植物根系總根長。沙打旺紫花苜蓿混作種植模式下對照和接菌處理植物根系平均直徑均高于其他處理，可能是因為沙打旺和紫花苜蓿是豆科植物，其根瘤菌可以從大氣中進行生物固氮，在植物生長過程中土壤養(yǎng)分相互被對方所吸收、利用，進而促進了植物的生長。在沙打旺紫花苜蓿混作種植模式下，接菌植物的根系表面積和根系體積的菌根貢獻率顯著高于其他處理，可見接菌對植物根系生長的貢獻在沙打旺紫花苜蓿混作種植模式下更為突出。

表1 不同處理下植物根系形態(tài)統計Table 1 Statistics of plant root morphology under different treatments

2.2 不同種植模式與接菌對礦區(qū)排土場植物根際土土壤理化性質的影響

如表2所示，在檸條單作、檸條沙打旺紫花苜?；熳?、沙打旺單作和紫花苜蓿單作種植模式下，接菌處理的pH值均小于對照，說明接菌可以更好地將礦區(qū)排土場的堿性土壤改良為適宜植物生長的中性土壤。沙打旺紫花苜?；熳鞣N植模式的電導率顯著低于其他處理，表明沙打旺紫花苜?；熳鞣N植模式可以使礦區(qū)排土場的含鹽量顯著降低，降低了土壤的鹽堿化。在沙打旺紫花苜?；熳鞣N植模式下，接菌植物的電導率低于對照，可見沙打旺紫花苜?；熳鹘泳幚韺ν寥利}堿化的改良作用逐漸凸顯。不同種植模式下土壤有機質從大到小排序為：檸條沙打旺混種，沙打旺單作，沙打旺紫花苜蓿混作，檸條單作，紫花苜蓿單作，可見在檸條沙打旺混作種植模式下改善了土壤的養(yǎng)分含量，增加了土壤中的有機質含量。在檸條沙打旺混作種植模式下，接菌處理的有機質含量是對照的1.90倍，說明檸條沙打旺混作接菌處理促進了土壤有機質的積累，有利于礦區(qū)排土場土壤的改良和培肥。在檸條沙打旺混作、沙打旺紫花苜蓿混作種植模式下接菌均不同程度地降低了土壤全氮水平，這可能是因為在混作種植模式下植物正處于生長狀態(tài)，促使土壤全氮轉化為可供植物直接吸收利用的速效氮。

表2 不同處理下植物根際土土壤理化性質Table 2 Physical and chemical properties of plant rhizosphere soil under different treatments

2.3 不同種植模式與接菌對礦區(qū)排土場植物根際土土壤酶活性的影響

如表3所示，土壤酶活性是靈敏可靠的土壤生物活性指標和土壤肥力指標，在檸條沙打旺混種和沙打旺紫花苜?；旆N種植模式下，土壤脲酶、易提取球囊霉素和總球囊霉素含量較其他處理高，說明在混作種植模式下可以提高土壤脲酶、易提取球囊霉素和總球囊霉素含量。土壤球囊霉素能夠有效防止土壤有機碳的流失，主要是土壤顆粒的穩(wěn)定性在球囊霉素的作用下得到了鞏固。這與畢銀麗[14]的研究結果一致。在沙打旺紫花苜?；熳骱妥匣ㄜ俎巫鞣N植模式下接菌磷酸酶含量高于對照，可見接菌促進了土壤磷酸酶含量，有利于土壤有機磷的轉化。在上述兩種種植模式下，磷酸酶含量更高，改善磷素有效性能力越強，根際土壤向植物供應的有效態(tài)磷越多，對改善土壤貧瘠的礦區(qū)排土場土壤理化性質意義重大。

表3 不同處理下植物根際土土壤酶活性Table 3 Soil enzyme activities in rhizosphere soil under different treatments

2.4 植物根系形態(tài)與土壤理化性質、土壤酶活性的相關性分析

如表4所示，Pearson相關性分析表明，在植物根系形態(tài)中，植物總根長與電導率顯著正相關。植物總根長與pH值、易提取球囊霉素極顯著負相關；植物總表面積與脲酶極顯著正相關，與易提取球囊霉素顯著正相關；植物總體積與易提取球囊霉素極顯著負相關，與總球囊霉素顯著負相關；土壤pH值與電導率極顯著負相關；土壤有機質與易提取球囊霉素極顯著正相關，與總球囊霉素顯著正相關；土壤全氮與易提取球囊霉素顯著正相關；脲酶與易提取球囊霉素極顯著正相關；磷酸酶與易提取球囊霉素、總提取球囊霉素顯著負相關。以上分析表明，植物在生長過程中改善土壤理化性質并提高了土壤根際土壤酶活性，達到了改良土壤質量的目的。與此同時，植物根系形態(tài)與土壤理化性質、土壤酶活性存在協同反饋效應，叢枝菌根真菌在土壤養(yǎng)分轉化過程中起著至關重要的作用。

表4 植物根系形態(tài)與土壤理化性質、土壤酶活性的相關性分析Table 4 Correlation analysis of plant root morphology with soil physical and chemical properties and soil enzyme activities

3 討論

植被恢復是北電勝利露天礦區(qū)排土場生態(tài)恢復的關鍵。植物間混作可通過根際對話影響植物的生長，混作可以通過增強植物與植物、植物與環(huán)境間的相互作用來提高植物對外界脅迫的抗逆性，從而提高植物的質量。菌根技術是土壤肥力恢復的主要技術之一，通過人為接種微生物的方式，利用微生物在植物根際的生命活動，挖掘復墾土壤的潛在肥力，以達到加快植被恢復、改善礦區(qū)排土場生態(tài)環(huán)境的目的。

根系作為植物吸收養(yǎng)分的基礎器官，對土壤有強烈的依賴性，根系構型在一定程度上受土壤結構影響。本研究中混作種植模式下更適應礦區(qū)排土場的生長環(huán)境，原因可能是在混作種植模式下由于豆科牧草為其他植物的生長提供了充足的氮源，根系活力增加，光合能力提高，促進了混作植物的生長。AM真菌通過侵染植物根系延伸植物養(yǎng)分與水分吸收面積，從而促進了植物在緊實脅迫土壤中的生長發(fā)育，在植物受到養(yǎng)分或者水分脅迫時，接種叢枝菌根真菌處理顯著地促進植物根系的生長，如根系總根長、根系平均直徑、根系表面積、根系體積[15]，這與畢銀麗等[16]在花生上接種摩西球囊霉的研究結果一致。菌根的形態(tài)建成以及根系-菌根共生體系的發(fā)展有利于植物更好地適應礦區(qū)排土場內的土壤環(huán)境[17]。

土壤理化性質是衡量土壤質量的重要指標，對植物的生長發(fā)育具有重要作用。本研究結果顯示，混作種植模式降低了土壤電導率，增加了土壤有機質、土壤全氮含量，這表明混作種植模式對土壤改良效果明顯。接種叢枝菌根真菌處理下可降低土壤pH值，這可能是菌根菌絲具有酸化菌絲根際土壤的能力，從而降低土壤pH值，使得鹽堿土地的pH值更適合植物和土壤微生物的生長[18]。叢枝菌根真菌菌絲增加了植物根系與土壤的接觸面積，提高了豆科植物如沙打旺、紫花苜蓿根際土壤氮濃度，以便于植物對土壤養(yǎng)分的直接吸收利用。接種菌根能提高根際土壤有機質含量，叢枝菌根真菌可以起到改良礦區(qū)排土場土壤的作用[19]。與此同時，菌絲能伸展到根系養(yǎng)分吸收范圍之外，有效地吸收根系不能吸收的礦質元素，增加根際土壤養(yǎng)分積累[20]。

由本研究結果可知，在混作種植模式下促進了土壤脲酶、易提取球囊霉素和總球囊霉素的分泌。土壤酶可以催化土壤有機質的分解，參與土壤養(yǎng)分轉化與轉移，反映作物對養(yǎng)分的吸收利用狀況，并且可以起到調節(jié)植物對碳、氮等養(yǎng)分元素吸收利用的功能。與此同時，土壤酶活性可以反映土壤肥力和土壤環(huán)境質量狀況[21]。土壤酶也是土壤新陳代謝的重要組成部分，土壤酶活性增強，進而促進了草灌植物的生長。接種叢枝菌根真菌可以改善礦區(qū)土壤肥力，菌根在礦區(qū)排土場土壤改良和生態(tài)環(huán)境修復方面發(fā)揮著重要作用。這與孫金華[22]在檸條上接種摩西球囊霉提高土壤酶活性、改善礦區(qū)土壤肥力的研究結果一致。

接種叢枝菌根真菌增加了土壤有機質和球囊霉素，兩者呈正相關關系，說明叢枝菌根真菌協同調控作用復墾土壤中植物的養(yǎng)分轉化，進而促進根系形態(tài)發(fā)育。植物生長是土壤因子變化最敏感的反映，受采礦干擾降低，土壤因子損害減弱，植被群落逐漸穩(wěn)定。叢枝菌根真菌促進了礦區(qū)復墾植物的生長，為露天礦區(qū)排土場的微生物復墾技術應用提供了良好的理論依據，具有重要生態(tài)意義。

4 結論

本文通過在不同種植模式和接菌處理下對土壤植物根系生長、植物生長特性、植物根際土土壤理化性質以及相關土壤酶活性的分析，探索礦區(qū)排土場在不同種植模式下接種叢枝菌根真菌對礦區(qū)生態(tài)修復植物的改良效應，取得結論如下：

1) 檸條沙打旺混作種植模式下接菌和沙打旺紫花苜?；熳鞣N植模式下接菌植物總根長較對照增長的203.74%、83.84%，顯著高于檸條單作種種模式下接菌和紫花苜蓿單作種植模式下接菌較對照增長的16.04%、23.45%，說明在混作種植模式下接菌植物總根長更適應礦區(qū)排土場的生長環(huán)境，提高了植物根系總根長。沙打旺紫花苜?；熳鞣N植模式下接菌根系表面積和根系體積的菌根貢獻率分別為46.51%和65.54%，顯著高于其他處理，可見接菌對植物根系生長的貢獻在沙打旺紫花苜?；熳鞣N植模式下更為突出。

2) 檸條單作種植模式下接菌、檸條沙打旺混作種植模式下接菌、沙打旺單作種植模式下接菌和紫花苜蓿單作模式下接菌的pH值分別為6.89、7.95、8.03和8.44，比對照模式下種植的土壤更接近于中性，表明接菌可以更好地將礦區(qū)排土場的堿性土壤改良為適宜植物生長的中性土壤。沙打旺紫花苜?；熳鞣N植模式下接菌的電導率202.97 μS/cm，較對照減少40.30%，且為同組試驗中最低，沙打旺紫花苜?；熳鞣N植模式下接菌對土壤鹽堿化的改良作用逐漸凸顯。檸條沙打旺混作模式下接菌土壤有機質為22.92 g/kg，較對照增加89.58%，且為同組試驗中最高，檸條沙打旺混作種植模式下接菌促進了土壤有機質的積累，有利于礦區(qū)排土場土壤的改良和培肥。

3) 檸條沙打旺混作種植模式和沙打旺紫花苜?；熳鞣N植模式均不同程度地高于其他單作種植模式下的土壤脲酶、易提取球囊霉素和總球囊霉素含量，表明在混作種植模式下促進了土壤酶活性的釋放。沙打旺紫花苜蓿混作種植模式下接菌和紫花苜蓿單作種植模式下接菌磷酸酶含量分別較對照增加12.89%和91.62%，說明接菌促進了土壤磷酸酶含量，有利于土壤有機磷的轉化。在混作種植模式下接菌促進土壤酶活性轉化的機理有待進一步研究。

4) 植物根系形態(tài)與土壤理化性質、土壤酶活性存在協同反饋效應，叢枝菌根真菌在土壤養(yǎng)分轉化起著至關重要的作用。野外混作種植模式下接菌可以有效促進植物生長，改善土壤質地，生態(tài)效應顯著，對維持礦區(qū)生態(tài)系統穩(wěn)定的持續(xù)性具有重要意義。