丛枝菌根与覆草对矿区玉米生长及土壤水分的影响

宋子恒，毕银丽，2，张健

1.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；2.西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054

玉米是中国西北地区重要的粮食作物之一。该地区主要是季风气候，全年超过70%的降雨集中在7月和8月[1]。降雨量少和水分分布不均，是限制我国西北地区农业发展的重要因素之一[2]。同时，我国西北半干旱地区采矿活动频繁，导致土壤结构变化、土壤养分流失，进一步限制了玉米等粮食作物的生长发育。地膜覆盖作为一项有效的旱作增产技术，其主要以保水增温的形式作用于土壤，通过提高降水利用率、加速土壤养分转化、增强微生物活性、促进作物生育进程来提高作物产量[3-4]。有研究表明，利用植物残渣覆盖可以有效提高土壤肥力和土壤质量，进而增加作物产量[5]。在农业区进行覆草可以有效增加有机质的含量，有利于促进土壤团聚体结构的稳定性，进而影响土壤孔隙率，增强保水性能，减少水分流失[6]。在被侵蚀的实验区进行了三年的覆草试验，发现土壤的流失减少了49%[7]。对土壤进行覆草处理可以有效改善土壤质量、增加土壤肥力[8]。当把草覆盖到土壤表面时，草的腐解速度很慢，草在缓慢的腐解后进入土壤，形成土壤有机物[9]。其他研究表明，对土壤进行覆草后，相比于未覆草的处理，土壤中的有机物提高了3.9%到10.4%，土壤中的其他营养元素含量也会显著提高[10]。覆草的效果取决于覆草的应用环境条件，如坡度、土壤类型、土地利用、土壤管理方法和降雨量等因素[11]。丛枝菌根(Arbuscular mycorrhiza，简称AM)真菌普遍存在于绝大多数植物根系，是土壤中与植物关系最为密切的微生物之一[12]，接种丛枝真菌有利于增加植物对养分和水分的摄取[13]。已有研究发现，AM真菌菌丝侵入作物根系形成有益共生体，增大根系吸收范围，促进作物吸收土壤中水分与移动性差的营养元素，增强植株抗逆(干旱、盐渍、重金属毒害等)能力，进而提高作物产量[14]。

为了缓解中国西北部降雨少干旱多、夏季蒸发量大以及沙土养分贫瘠的问题，本试验使用覆草联合丛枝菌根培育玉米，就地取材使用紫花苜蓿进行覆草，增加土壤保水性，结合丛植菌根真菌促进植物对养分的吸收，以此来增加玉米产量。在覆草方式上，不使用表面覆草而改用植物根围土下覆草，希望能够充分利用土壤中的微生物加速苜蓿的腐解，缩短腐解过程。利用丛枝菌根真菌和覆草促进植物生长，不仅可以减少矿区农田塑料薄膜的使用，还可以增加土壤肥力，为矿区植物生长和土壤改良提供有力支持。

1 材料和方法

1.1 试验区域

试验区位于陕西神木县大柳塔山沟村(39°29′N，110°28′E)，属温带干旱半干旱大陆性季风气候，平均气温7.9 ℃～11.3 ℃，10 ℃以上的积温为2 847.2 ℃～4 147.9 ℃。无霜期134～169 d，年日照时数2 593.5～2 914.2 h，全年降水量 316～513 mm，是陕西省降水量最少的地区，且多集中在7、8、9三个月份，约占全年降水量的三分之二。光照充足，温差大，气候干燥，雨热同季。主要自然灾害是干旱和低温。该地区农田地势变化较为平缓，土壤类型为风沙土，土质疏松，蓄水保肥能力较差。2016年日照2 876 h，年平均气温为8.9 ℃，年平均降水量在420 mm左右。土壤有机质含量为4 g/kg，全氮(TN)0.38 g/kg，碱解氮12.5 mg/kg，速效磷(AP)6.9 mg/kg，速效钾(AK)51.2 mg/kg，田间最大持水量25.01%，pH值7.72。

1.2 田间试验布设

为了探索接种AM真菌联合覆草对玉米生长的影响，共设计了4个处理，其中M 为接种AM真菌处理，F为覆草处理，MF为接种AM真菌+覆草处理，CK为对照组，每组处理3个重复，共12片样区(图1)。试验区长5 m、宽2 m，样区之间相距1 m，栽种玉米为(9×4)棵。选用的菌种为摩西球囊霉菌(Funneliformismosseae)，每株玉米接种菌剂200 g；接种方式为：播撒玉米种子前，在穴中先播撒200 g菌剂，后将玉米种子播种在菌剂上，覆土。覆草方法为：待玉米出苗后，将试验田附近收集到的紫花苜蓿打断成20 cm长，围绕玉米根围覆草，覆草深度距离地表10 cm，覆草厚度为5 cm，覆草后将土回填掩埋。每片样区覆草重量为20 kg。

图1 野外试验区样地示意图Fig.1 Schematic diagram of sample plot in field experiment area

1.3 野外指标的测定

在每个小区中心部分安装EM 50水分探头，安装深度为25 cm，对土壤层的含水量进行长期的监测。每天上午10：00记录土壤含水量。

在大喇叭口期、灌浆期、成熟期监测玉米的生长状况，监测指标包括叶色SPAD值、植物根系特征、光合速率、土壤呼吸速率与产量。其中SPAD值采用SPAD-502 Plus(Konica)叶绿素测定仪测定，6次重复；植物根系特征采用植物根系生长监测系统CI-600扫描根系剖面图，并用CI-690RootSnap根系分析软件得出数据；利用Li-6400 XT便携式光合仪测定光合速率；采用美国 LICOR 公司生产的 LI-8100土壤呼吸仪测量土壤呼吸速率。

待玉米成熟后，收获玉米地上部分与地下根系部分，测定玉米地上部分干物质量和地下根系干重，玉米穗脱粒、烘干后，折算成实际产量。同时，在小区中心部分植株随机取根际土样，用于测定土壤理化性质。

1.4 土壤样品的收集和理化性质的测定

在试验区域内收集土壤样品，取土深度为15 cm，所有样品一式3份，试验结果取平均值。采集后的土壤样品保存于4 ℃等待实验室分析。在进行试验前将土壤风干并且过100目筛，去除土壤中的植物残渣，检测土壤的pH值、土壤球囊霉素、相关土壤蛋白、有机质、TN、AP、AK等指标。

土壤的pH值利用土壤pH计测定(土水比为1∶5)；土壤有机质使用重铬酸钾容量法测定[15]；土壤全氮利用凯氏定氮法测定[16]；土壤有效磷浓度使用NaHCO3浸提-钼锑抗比色法测定[17]；土壤有效钾利用醋酸铵提取，用火焰原子吸光光度法进行检测[18]；EE-GRSP 和 DE-GRSP的含量采用Bradford法测定[19]，T-GRSP为EE-GRSP和DE-GRSP的总和；侵染率利用Phillips方法清洗根系染色后进行观察[21]。

1.5 数据分析

所有数据的统计和分析均使用SPSS 11.0 和 Excel 2010。

2 结果与分析

2.1 不同处理对土壤性质影响

试验发现，在玉米种植期间，土壤中有效磷(AP)和有效钾(AK)的含量都是增加的(表1)。在成熟期时，AK的含量是大喇叭口期的1.19倍，是灌浆期的1.09倍；AP的含量分别是大喇叭口期和灌浆期的1.27倍和1.42倍。在种植期间，CK处理的TN变化最小，而M和MF处理中在成熟期时土壤中的TN含量都显著低于对照组。经过5个月的培养，发现农田土壤的有机质含量并没有发生显著的变化。在成熟期时，F、MF处理的有机质含量高于大喇叭口期，但是并不显著；土壤中TN、AP、AK在玉米生长的不同时期产生了变化，在雨水较多的月份即灌浆期，都显著增加，这些养分的增加应该是来自于土壤中紫花苜蓿降解释放的养分。土壤中的有机质含量并没有显著增加的原因，可能为本试验在较为干旱的沙地进行覆草，腐解速度缓慢；试验中覆草为紫花苜蓿，茎秆较粗、不易腐解，较粗的植物纤维对有机质产生了较强的吸附力，部分紫花苜蓿腐解后，N、P、K等养分进入了土壤被植物利用，但是有机质仍然因腐解不够彻底而固定在植物纤维附近。试验还发现，在玉米生长的各个阶段，M和M覆草处理中的T-GRSP和EE-GRSP都是显著高于其他处理的，接菌能够显著增加土壤中球囊霉素的含量。

表1 不同处理的土壤中营养元素含量Tab.1 The content of nutrient elements in different soil treatments

2.2 不同处理对玉米产量的影响

玉米成熟后收获产量(干重)见表2。其中，M的地下部分干重显著高于F，F的玉米产量显著低于CK，M显著高于CK。M的产量比F高出了47.7%，CK高出了13%。F会使产量降低，可能是草覆盖在玉米根围而使玉米的根系无法充分接触土壤，从而无法充分吸收土壤中的养分。在试验完成后发现，覆于植物根围的草由于填埋时间较短尚未腐解，从而无法为植物提供足够的养分。

表2 不同处理的玉米产量Tab.2 Corn yield of different treatments

2.3 不同处理对玉米根系生长的影响

通过扫描根管发现(表3)，未覆草的处理中玉米发育较好，根的直径和根尖数都显著大于覆草的，在大喇叭口期接菌处理的根表面积是覆草处理的2倍，FM的根表面积是覆草处理的1.1倍。到成熟期后，接菌处理的根表面积分别是CK、覆草处理、覆草接菌处理的1.2倍、1.6倍和1.33倍。

表3 不同处理的玉米根系的生长状况Tab.3 Growth status of maize roots under different treatments

2.4 不同处理对植物光合速率和SPAD值的影响

分别在三个时期监测玉米叶片的光合速率和SPAD值(表4)。随着时间的推移，叶片中的叶绿素含量呈现先增多再减少的趋势，灌浆期时玉米叶片的叶绿素最多，光合作用最旺盛。叶绿素也与叶片的光合速率成正相关。接菌处理下叶片的叶绿素含量显著高于其他处理，在大喇叭口期，M的叶色值分别是CK、F、MF的1.22倍、1.43倍、1.2倍；到达灌浆期变为了1.24倍、1.38倍、1.24倍。接菌显著增加了叶片的叶色值并且提高了叶片的光合速率。但是进行F后，叶片的叶色值和光合速率都显著降低。在灌浆期，CK的叶色值和叶片光合速率分别是F的1.11倍和1.33倍，但是仅为FM和M的 0.99倍和0.94倍。

表4 不同处理下玉米叶片光合速率与SPAD值Tab.4 Photosynthetic rate and SPAD value of maize leaves under different treatments

2.5 不同处理对土壤含水率影响

经过连续的长期水分检测，发现覆草对于土壤的保水有着卓越的效果，在干旱期可以有效地防止水分蒸发，在多雨期也不会大量积水导致植物烂根。覆草效果就像在土壤中埋下海绵，可以适量储存水分为植物提供需要，让土壤能够长期、持续地为植物提供水分(图2)。在降水相对集中的6月和8月，可以发现覆草的保水性能比未覆草高出近50%；而在降雨较少的时期，覆草依然能有效减少水分的蒸发，比未覆草的保水量增加30%。

图2 不同处理下长期水分监测Fig.2 Long term water monitoring under different treatments

3 讨 论

3.1 覆草和接菌对土壤的影响

覆草对于土壤性质的改善不是单纯的物理或者化学变化[22-23]。植物本身包含各种营养元素，在腐解充分的情况下，紫花苜蓿可以转变为土壤需要的营养元素进而增加土壤的养分含量。此外，植物中的木质素和蛋白质不易降解，可以长期保存于土壤中，增加土壤肥力[24]，并形成一个水分保护层。有研究表明，对土壤进行铺覆稻草可以从两个方面缓解土壤的退化，即增加土壤结构的稳定性和增加土壤中的养分[25]。赵慧颖等[26]研究发现，铺设稻草可以有效地增加土壤的有机质、有效磷和有效钾。与此同时，有机质会转变为有更大比表面积和吸附能力的腐殖土。这些变化可以显著降低土壤中水分的流失[27]。

球囊霉素相关蛋白酶(GRSP)由丛枝菌根真菌的菌丝和孢子分泌，最终储存于土壤中进而改善土壤的物理性质[28]。近期的研究表明，TG和EEG都能有效地改善土壤团聚体稳定性[29]。在本试验中，接菌处理的TG和EEG都是显著高于其他处理的；接菌同时覆草的处理中，TG和EEG也是显著高于未接菌的处理。这说明接菌可以有效提高土壤质量，改善土壤结构，即使在覆草的情况下，接菌也有同样的效果。

3.2 覆草和接菌对于植物生长的影响

早前的研究表明，通过塑料覆膜可以改善土壤的水热条件[30]，以此来促进玉米的长势，并且显著提高玉米总干重(根部+茎部)的量[31]。Ali等[32]研究发现，覆膜能够使玉米产量增加。但是在本试验中发现接菌处理的产量比覆草处理高，这是由于覆草方式的不同引起的差异。未覆草的处理中玉米发育较好，根的直径和根尖数都显著大于覆草，这是由于覆草区距离玉米根部太近，在前期根部发育时抑制了根部的生长扩散，从而导致了覆草区根部相对较小。在这种情况下，接菌有效地刺激了植物根系的生长发育。这一结果也与之前的研究结论相同，即接菌能够有效提高植物对养分的摄取，能够提高根部和茎部的生物量，增加植物的抗逆性[33]。植物叶片是植物生长期的净生产力的主要贡献者[34]，然而叶片的光合作用速率对很多环境条件有不同的响应，因此会对产量造成不同影响[35]。叶绿素含量的改变一般是为了响应某种环境因素的变化[36]，叶绿素与叶片的光合速率成正相关。接菌处理中叶片的叶绿素含量显著高于其他处理的，在大喇叭口期，M的叶色值分别是CK、F、MF的1.22倍、1.43倍、1.20倍；到达灌浆期变为了1.24倍、1.38倍、1.24倍。接菌显著增加了叶片的叶色值并且提高了叶片的光合速率，但是进行覆草后，叶片的叶色值和光合速率都显著降低。在灌浆期，CK的叶色值和叶片光合速率分别是覆草处理的1.11倍和1.33倍，MF和M的0.99倍和0.94倍。值得注意的是，虽然F中叶绿素含量显著低于其他组，但是在MF的叶色值始终高于CK。相较于水分因素，根系生长对植物的生长发育占主导地位，MF中可以利用丛枝菌根真菌有效地补充因根系发育不足而损失掉的养分。

3.3 覆草和接菌对于土壤水分的影响

早前许多文章对土壤覆草进行了研究，包括火灾后植被恢复[37]、矿区复垦[38]或者森林恢复[39]。覆草也被用于农业中促进作物生产，同时可以控制干旱地区的水土流失。利用稻草进行覆草可以有效提高土壤水分的贮存[40]。在降水相对集中的6月和8月，可以发现降水期间覆草的保水性能比未覆草高出近50%，而在降雨较少的7月和9月，覆草依然能有效减少水分的蒸发，保水量比未覆草多30%。Jordán 等[41]将这一原因归结于覆草影响了土壤的孔隙率、土壤团聚体稳定性和有机质含量，增加了有效含水量。研究表明，丛枝菌根真菌共生体对干旱地区的农业生产具有很大的优势：一方面，丛枝菌根真菌和植物共生后能够通过球囊霉素促进土壤团聚体的形成，以此来提高水分和养分保持量[42]；另一方面，很多丛枝菌根真菌菌丝也能够扩大对养分和水分的吸收区域，以帮助宿主植物吸收更多的水分和养分[43]。本试验中，F和M之间、CK与M之间，水分差距非常微小，在沙地土壤中丛枝菌根真菌的保水贡献率较低，没能体现出丛枝菌根真菌对土壤保水效果，原因是该地区降雨时间较为集中而且蒸发量大，沙土质地难以在一个耕作期内发生较大的改变。

4 结 论

中国西北地区降雨少，蒸发量大，土壤贫瘠，保水能力差，使用紫花苜蓿覆草联合丛枝菌根真菌促进玉米在煤矿区沙地的生长，以紫花苜蓿为保水材料，通过腐解可以增加土壤的养分。通过5个月的野外试验发现：

(1) 覆草对土壤的水分保持具有非常显著的效果。降水期间覆草处理的保水性能比对照组高出近50%，而在降雨较少的时期，覆草依然能有效减少水分的蒸发，覆草处理的保水量超过对照组的30%。

(2) 接菌玉米产量显著高于对照处理。接菌产量比覆草处理高出了47.7%，比对照组高出13%。覆草处理会使产量降低，这一点可能是由于覆草时将草覆盖在玉米根围，使玉米的根系无法充分接触到土壤，无法充分吸收土壤中的养分。

(3) 接种丛枝菌根真菌增加了土壤中球囊霉素的含量和土壤中的微生物活性，促进了植物的生长。到达成熟期时，接菌处理的根表面积分别是对照、覆草、覆草+接菌处理的1.2倍、1.6倍和1.33倍；受气候和沙质土壤的影响，在中国西北地区进行覆草，需要更长的腐解时间才能改善土壤质量、提高土壤养分；同时由于沙质土壤难以形成土壤团聚体，因此需要更长时间的种植才能体现出丛枝菌根真菌在土壤保水性上的效果。