菌根菌配施褐煤对矿区土壤及披碱草生长的影响

任 倩 ，闫双堆 ，党晋华，2，王春梅 ，张乃于

（1.山西农业大学资源环境学院，山西太谷 030801；2.山西省环境科学研究院，山西太原 030027）

煤炭露天开采往往对地表植被造成彻底破坏，长期的开采、剥离、混合形成面积庞大且养分低下的裸露排土场，给本来脆弱的草原生境增加生态负荷和胁迫。排土场的生态重建是维护区域生态稳定的重要工作，但内蒙古自治区伊敏矿区气候寒冷干燥，排土场土壤贫瘠、结构性差，恢复植被重建生态十分困难，开采后的整体复垦率仅在8%左右。改善排土场土壤结构、提高土壤肥力成为伊敏矿区排土场生态重建首要解决的问题。

相关研究表明，菌根共生体的形成除了能够明显改善宿主植物的矿质营养（磷、氮、硫以及微量元素等），还能够增强宿主植物抗病、抗干旱、抗盐害、抗重金属毒害等诸多抗逆能力[1]。菌根菌与寄主植物形成菌根共生体后，可以明显地增加寄主植物对营养成分的吸收[2]，并可以提高寄主植物的抗病性等[3]。接种菌根菌还可以使植物适应低温胁迫，提高低温适应能力[4]；森林群落的稳定以及树木的更新、生长均与外生菌根的类型及其多样性有着直接的关系[5-7]。

腐植酸类物质对微生物菌剂增效作用明显[8]，而伊敏矿区腐植酸资源丰富，本试验拟探寻菌根菌剂与煤基腐植酸类物质配合施用，对土壤以及植物的改良作用，为干冷矿区生态重建过程中的土壤改良工作提供科学依据。

1 材料和方法

1.1 试验材料

表1 盆栽土壤的基本理化性质

供试作物披碱草是内蒙古自治区伊敏矿区的优势土著牧草，是主要的优质高产饲草，于2016年5—10月在山西农业大学温室进行盆栽种植。盆栽试验土壤为混合性土壤，采自伊敏矿区排土场的表层腐殖土（栗钙土）、亚表层黏土和下层沙土，混合比例为3∶3∶1，其理化性质列于表1。

伊敏煤矿主产褐煤，且腐植酸含量较高，供试褐煤理化性质列于表2。

表2 内蒙古自治区伊敏矿褐煤的特性

菌根菌由捷克诺曼公司提供，通过Olympus显微镜观察，依据SCHENCK等[9]的《VA菌根真菌鉴定手册》及国际AM真菌保藏中心INVAM网站（http://invam.wvu.edu/）上最新分类图片及描述孢子种属特征进行分类。经鉴定得到5个不同的属：轮层碳菌属（4.2个 /g）、毛壳菌属（2个 /g）、球囊霉属（9.7个/g）、无梗囊霉属（6.4个/g）以及一个未定菌属（5.6个/g）。

1.2 试验设计

试验使用25 cm×20 cm的聚乙烯塑料盆钵，每盆装土4.5 kg。所有处理中均加入等量氮磷钾肥，然后进行盆栽培养；N，P，K施加比例为1.5∶1∶1，即盆栽试验 N，P2O5，K2O量分别为 0.06，0.04，0.04 g/kg。

试验采用单因素完全随机区组设计，每盆均施加等量褐煤9 g（4 500 kg/hm2），CK为不施加菌根菌，处理 1，2，3，4 分别为施加菌根菌 75，150，225，300 kg/hm2，共5个处理，每个处理3个重复，共15盆。2016年5月4日进行播种，对盆栽披碱草进行常规管理。

1.3 取样及测定方法

2016年10月份待披碱草成熟后，用小土钻取塑料盆钵内的土壤适量并保存。

1.3.1 根系侵染率的测定 采用PHILLINPS等[10]的乳酸甘油法进行检测。植物根系采集后用清水冲洗干净，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后开始测定。用清水将根冲洗干净并放入试管中，加100 g/L的KOH溶液浸泡根部，将试管放入水浴锅中于90℃隔水加热1 h，然后倒去KOH用清水冲洗干净；加入碱性H2O2浸泡10～20 min或至根脱色为止，倒去碱性H2O2，用清水冲洗干净；加入100 g/L HCl浸泡3～4 min，倒去HCl，用清水冲洗干净；加入曲利苯蓝染色液（曲利苯蓝＋乳酸＋甘油），在水浴锅中于90℃隔水加热15 min，用清水冲洗干净，倒入培养皿中，选取15条根段制片。

然后镜检，通过Mycocal.exe软件计算出各处理菌根菌对披碱草根系侵染率、侵染密度及丛枝丰度。

1.3.2 土壤及植物样品的测定 土壤全氮含量的测定采用开氏法；碱解氮的测定使用碱解扩散法；土壤全磷含量的测定采用NaOH熔融-钼锑抗比色法；土壤速效磷含量的测定采用0.5 mol/LNaHCO3法；土壤中全钾含量的测定采用NaOH熔融-火焰光度法；土壤速效钾含量的测定采用NH4OAc浸提-火焰光度法；土壤中有机质含量的测定使用重铬酸钾容量法-外加热法；植物全氮含量的测定使用H2SO4-H2O2消煮，凯氏定氮法；植物全磷含量的测定使用H2SO4-H2O2消煮，钒钼黄比色法；植物全钾含量的测定使用H2SO4-H2O2消煮，火焰光度计法[11]。

1.4 数据分析

试验采用Excel软件进行数据处理与作图；用DPS软件进行统计分析，采用LSD法检验处理间差异显著性，设定α＝0.05为显著水平。

2 结果与分析

2.1 施加菌根菌对披碱草作物的影响

2.1.1 不同菌根菌施用量配施褐煤对披碱草生物量的影响 从表3可以看出，随着菌根菌用量的增加，处理1，2，3，4的株高比CK分别增加21.16%，35.45%，46.03%，47.09%，其中，施加菌根菌用量为225，300 kg/hm2的处理与CK间差异显著；处理1，2，3，4的根长比CK 分别增加 12.25%，14.22%，19.12%，25.49%，但处理间差异不显著；处理1，2，3，4的地上地下干质量分别比CK增加了26.66%，46.37%，64.55%，71.76%，其中，施加菌根菌用量为225，300 kg/hm2的处理与CK间差异显著；当菌根菌施用量为300 kg/hm2时，株高、根长、地上地下干质量都达到了最大。

这表明，施用菌根菌能促进披碱草的生长，从而增加披碱草的生物量。这与童琳等[12]的研究结果一致，即菌根真菌侵染对生物量累积具有一定的促进作用。自然条件下丛枝菌根普遍存在于土壤中，而较高菌根侵染率能够促进植物的生长，这是由于披碱草根系形成的菌根促进了对土壤养分的吸收，从而促进了披碱草的生长[13]。

表3 不同菌根菌施用量配施褐煤对披碱草生物量的影响

2.1.2 不同菌根菌施用量配施褐煤对披碱草根系侵染效应的影响 侵染率是菌根真菌与宿主植物间共生是否亲密的一种指标，侵染密度综合性地体现了菌根真菌对宿主植物侵染的频度和强度，丛枝丰度表明了宿主植物根内部丛枝的频度和强度，可以体现出丛枝的丰富程度[14]。

从表4可以看出，各处理与CK相比均呈现出显著性差异，各处理的根系菌根侵染率、侵染密度、丛枝丰度和根系丛枝丰度均显著大于CK；施加菌根菌量为150 kg/hm2（处理2）的菌根侵染率显著大于菌根菌用量为75 kg/hm2（处理1），其余处理间的各项指标均未达到显著性差异水平，但在菌根菌剂施用量低于225 kg/hm2时，随着菌根菌剂施用量的增加，菌根侵染率与侵染密度也随之增加。这表明，施用菌根菌剂能促进披碱草根系菌根侵染效应，但并不是用量越多效果越好，当用量达到一定水平后，侵染效应不再增强。

表4 不同菌根菌施用量配施褐煤对披碱草根系侵染效应的影响 %

2.1.3 不同菌根菌施用量配施褐煤对披碱草养分吸收的影响 不同菌根菌施用量对披碱草养分吸收的影响如图1所示。

从图1可以看出，随着菌根菌剂施用量的增多，披碱草中全氮量呈上升趋势，与CK相比，菌根菌施用量为225 kg/hm2（处理3）与300 kg/hm2（处理4）达到显著增加水平，含氮量分别增加了62.79%，81.40%；各处理与CK之间的全磷量差异不明显，但在菌根菌剂施用量为150 kg/hm2时，披碱草中全磷含量最高，为3.50 g/kg；菌根菌剂施用量低于225 kg/hm2时，随着施用量的增多，披碱草中全钾含量随之增加，与只施加褐煤的CK相比，菌根菌施用量为150 kg/hm2（处理2）与225 kg/hm2（处理3）达到显著增加水平，全钾含量分别增加了52.40%，54.12%，菌根菌剂施用量为300 kg/hm2（处理4）与225 kg/hm2（处理3）相比，披碱草中全钾含量减少了10.95%。可以得出，施加菌根菌剂可以促进披碱草对氮磷钾养分的吸收，在一定范围内，随着用量的增多，对氮素和钾素的吸收利用率越高，而对磷的吸收虽然也有促进效果，但效果不明显。

2.2 施加菌根菌对土壤养分的影响

2.2.1 不同菌根菌施用量配施褐煤对土壤速效养分的影响 土壤中植物当季可吸收利用的为各种速效养分，从图2可以看出，施加菌根菌剂对碱解氮的影响不大，各处理与CK间均未达到显著差异，菌根菌剂施用量为150 kg/hm2时，碱解氮含量最高，为26.25 mg/kg；速效磷随着菌根菌剂施用量的增多有增加的趋势，与CK相比，菌根菌剂施用量为225，300kg/hm2时，分别增加38.38%，48.47%，均达到显著性差异水平；速效钾随着菌根菌剂施用量的增多有增加的趋势，与CK相比，菌根菌剂施用量为225 kg/hm2（处理3）与300 kg/hm2（处理4）达显著性差异水平，分别增加了139.51%，154.54%。从以上分析可以得出，施用菌根菌剂能提高土壤中的速效磷钾养分，并随着用量的增多，增加效果越明显，同时对速效氮虽有一定的增加效果，但效果不明显。

2.2.2 不同菌根菌施用量配施褐煤对土壤有机质含量的影响 不同菌根菌施用量对土壤有机质的影响如图3所示。

由图3可知，随着菌根菌剂施用量的增加，与CK相比，处理1，2，3，4的土壤有机质含量分别增加了14.45%，281.51%，75.49%，39.98%，其中，当菌根菌施用量为150 kg/hm2（处理2）时，土壤有机质含量最高，显著高于其他处理；当菌根菌剂施用量大于150 kg/hm2时，随着其用量的增多，土壤有机质含量减少。这表明，施用菌根菌剂能提高土壤中有机质的含量，当用量达到一定值后，随着用量的增加，土壤有机质含量减少。

3 讨论与结论

本研究中，接种菌根菌剂能提高披碱草的生物量、增加菌根侵染效应、提高植株中氮磷钾的含量。80%的陆生植物接种菌根真菌后可形成菌根结构[1]，可提高植物对氮、磷、钾等营养元素的吸收效率[15]。许多研究表明[16-17]，菌根的形成改变了根和土壤之间微生物的平衡关系，使得根面和根际土壤里面的微生物，特别是对土壤养分活化和循环、植物生长产生影响变化的微生物种群在空间分布和数量上产生了变化，使得对植物的生长和养分吸收产生了一定的作用。丛枝菌根真菌根外菌丝可以利用NH4+，NO3-和简单形态的氨基酸[18]，并在一定条件下还可以加速有机氮的矿化，进而使有机氮成为其可利用的氮素形态[19]。作为与地球上85%以上植物形成共生体系的菌根，能够使得宿主植物对磷等矿质元素的吸收及其生长发育的能力增强[20]。在菌根形成之后，植物根际效应的内涵和非菌根植物范围相比之下有所扩大，不仅仅是受根系分泌物影响的土壤区域，还有外生菌丝延伸生长的土壤区域。根际范围的逐渐变大，增大了土壤养分活化与利用的范围，增强了土壤—植物间养分的利用效率。外生的菌根真菌能够分泌多种低分子的有机酸，降低pH值，从而活化土壤中的无效钾[21]。外延的菌丝将吸收土壤中活化的钾素及其他的养分供给寄主植物，从而促进寄主植物的生长和钾的吸收，且田蜜等[22]研究表明，菌根菌对植物吸收土壤中的速效磷钾的吸收都有一定的促进作用。当菌根菌剂施用量达到一定时，侵染效应趋于稳定，对生物量及植物体中养分含量的影响效果不再明显，甚至高用量的菌剂产生的效果呈下降趋势，这与陈静洁[23]研究结果相似，菌根菌生长繁殖需要从宿主植物中获得碳水化合物，过多的繁殖体会与宿主植物争夺有限的化合物，不利于菌根菌与宿主植物的生长，从而影响披碱草中养分的含量[24]。

在土壤养分方面，随着菌根菌剂用量的增加，对土壤速效磷、钾的含量影响较大，对碱解氮影响不大，这可能是由于菌根菌能促进土壤养分的释放，这与前文中随着菌根菌剂施用量的增多，披碱草的生物量增加相吻合。虽然土壤氮素是增多的，但披碱草对氮素的吸收量远大于对磷、钾素的需求，所以，其表现为碱解氮变化不明显，而磷钾呈增多的趋势。本试验添加的菌根菌剂中存在球囊霉素，球囊霉素能增加土壤有机碳库，菌根菌可显著提高根际土壤球囊霉素和有机质含量[25]，这能解释当菌根菌剂施用量小于150 kg/hm2时，土壤有机质呈增多趋势。菌根菌剂施用量高于150 kg/hm2后，有机质含量减少，这可能是由于大量菌根的形成，促进了根系微生物活性，菌根与微生物分泌的酶、有机酸等物质增加，促进了有机质的分解，从而使得土壤有机质减少，因此，接种菌根菌对矿区退化土壤具有显著改良作用[26]。

本试验结果表明，添加菌根菌剂能够有效地促进植物根系侵染率，增加对氮磷钾养分的吸收，从而提高植物的生物量。褐煤可以作为土壤添加剂，同时也可以作为菌根菌的有效生物载体，褐煤与菌根菌的有效结合能提高土壤综合质量，促进逆境中植物生长，改良土壤，修复生态环境。

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