露天排土场接种AM真菌对不同组合植物生长及土壤改良影响

胡钦程，解琳琳，李梦琪，毕银丽

(中国矿业大学(北京) 地球科学与测绘工程学院，北京 100083)

随着我国经济的快速发展，对能源的需求日益增长，煤炭作为主要能源开采量越来越大，开采带来的人为干预和扰动强度大，造成生态系统的严重破坏，存在煤炭开发占用和破坏土地、地形地貌破坏等诸多问题[1]。矿区露天排土场的土壤贫瘠，盐碱化程度高。针对上述状况需要用矿山生态修复的方法去解决。

矿山生态修复方法主要包括物理、化学和微生物修复方法，微生物修复技术利用生态系统生物自然演替规律，引入适宜生存的微生物帮助植物在逆境下生长发育，具有环境无害性、安全性和可持续性。豆科植物抗性强、根系发达，在矿区植被恢复中对环境的适应力强，具有较强的固氮能力，可有效保持水土、改良土壤性质，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胁迫时表现出更强的可塑性，能够根据土壤水分的可利用性改变对不同土层水分的利用。灌木在森林生态系统中虽然占全部生物量的部分很小，但是在生态脆弱地区，灌木仍然占有很大比重，对生态系统的稳定与平衡具有十分重要的意义[2]。丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF)是一种能与陆地上80%以上的植物产生共生关系的真菌[3]。它能够调节根系形态发育，AM真菌菌丝能够为植物提供一个良好的根际环境，并通过增进营养吸收、提高光合效率等多种途径，在养分贫瘠的土壤中能够增强宿主植物吸收养分的能力，改善植物营养水平，提高植物抗逆性，具有促进植物生长的作用。AMF与植物组合能改善土壤理化性质、根际微生物群落[4]，具有帮助植物适应和改造土壤环境的潜力[5]。

有关研究发现通过减少草本植物生物量或减弱草本植物使用土壤表层水分的能力，引起土壤深层水分增加可以促进木本植物的生长[6-8]。在降雨的长期波动和干旱影响下，灌木增强了作为群落优势种的竞争性，进而延缓了草本植物在生态演替后期作为优势种的出现[9]；灌木植物在遭受水分胁迫时表现出更强的可塑性，可以根据土壤水分的可利用性改变不同土层水分的利用[10]。人工建植草灌结合的生态模式，可以完成从草本群落到草灌混生植物群落，再到形成稳定的以灌为主的草灌多样性混生植物群落的植被群落演替过程，豆科草本植物从大气中固定的氮元素可供灌木生长使用，有利于草灌混生植物群落的生长，以便形成稳定的矿区生态系统，更好地进行生态修复。

植物修复是一种新兴的生态良性土壤净化技术[11]，为了探索在不同种模式下接菌对土壤理化性质和土壤酶活性的影响，寻找适宜在矿区生态修复的种植模式，本研究以内蒙古自治区锡林浩特市北电胜利露天矿区草本植物(沙打旺、紫花苜蓿)、灌木植物(柠条)为研究对象，布设了柠条单作、柠条沙打旺混作、沙打旺单作、沙打旺紫花苜蓿混作和紫花苜蓿单作5种不同的种植模式，选择接菌和对照2种处理，共10个试验区。分析在不同种植模式下和接种丛枝菌根真菌对不同处理下植物根系构型、植物生长的影响以及接种菌根对植物根际土的影响，旨在监测样地内植被差异和土壤理化性质，对比分析在不同种植模式下和接菌后的生态效应。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

试验区位于北电胜利露天煤矿，位于锡林浩特草原，地理位置为：116°00′50″～116°03′26″E，43°37′06″～43°39′45″N，高程为1 153.1 m～1 297.5 m.该地属典型温带半干旱大陆性气候，地势东南向西北方向倾斜，多石质低丘陵。年平均降水量294.9 mm，无霜期110 d，平均海拔高度988.5 m.矿区土壤类型主要由栗钙土、草甸栗钙土、草甸土等组成。

1.2 试验设计

以植物柠条、沙打旺和紫花苜蓿作为研究对象，选择接种丛枝菌根真菌(AM)和不接种丛枝菌根真菌(CK)2种处理，供试AM真菌为Funneliformis mosseae，柠条种植行间距1 m，株距1 m，每个小区36行，每行95穴，为保证成活率，第一、三、五列每列柠条2株/穴，第二、四、六列每列柠条1株/穴，以此类推；紫花苜蓿和沙打旺草籽播撒量为20 g/m2.随柠条栽植，每穴施入菌剂50 g，紫花苜蓿、沙打旺播种时，将菌剂与草籽混匀，随草籽一同播撒，菌剂平均20 g/m2.灌溉设施设置为滴灌设施。植物养护时间2年，监测期间共浇水20次。分为柠条单作、柠条沙打旺混作、沙打旺单作、沙打旺紫花苜蓿混作、紫花苜蓿单作5种种植模式，选择接菌和对照2种处理，一共10个地块。本试验供试材料3种植物“柠条锦鸡儿”(CaraganakorshinskiiKom)、“沙打旺”(AstragalusadsurgensPall)、“紫花苜蓿”(MedicagosativaL)，所用种子由神华大雁园林绿化公司提供。主要配比模式为柠条单作、柠条沙打旺混作、沙打旺单作、沙打旺紫花苜蓿混作和紫花苜蓿单作，具体配置布设图如图1所示。

1.3 试验方法

采样时间为2019年9月份，选择试验区内的每块样地进行3点采样法，即在每块样地中随机选取3个重复，每个重复取100 g土壤，放入自封袋中，带回实验室；一部分新鲜土壤过2 mm筛，用于测定土壤酶活性；另一部分土壤自然风干过1 mm筛备用，用于测定土壤理化性质。测定方法：

1) 菌根贡献率=(AM组某物质含量-CK组某物质含量)/AM组该物质含量。

2) 采用美国CI-600Root Snap根系分析软件测定根系总长度、根系平均直径、根系表面积、根系体积等。

3) 在柠条接菌区与对照区、柠条沙打旺接菌区与对照区用钢尺测量柠条株高、冠幅和地径，每个小区按等距离选择200株。

4) pH值采用水土比2.5∶1测定，电导率(σ)为水土比5∶1浸提-电导法测定[12]。

5) 土壤有机质含量采用重铬酸钾容量法-外加热法进行测定。全氮含量采用凯氏定氮法测定[12]。

6) 土壤酶活性的测定。脲酶活性采用改进的Hoffmann和Teiche比色法测定。脲酶活性的测定采用改进的苯酚-次氯酸钠比色法( 选择5%的底物浓度、pH值6.7的柠檬酸盐缓冲液、培养24 h后再经2 mol/L的KCI溶液浸提过滤)。土壤酸性磷酸酶活性采用改进的Tabatabai和Brim-ner方法测定[12]，酶活性用单位时间每克土产酚量(mg·g-1·24 h-1)表示。

7) 易提取球囊霉素相关土壤蛋白(Easily Extractable Glomalin-related Soil Protein，EE-GRSP)的提取：分别称取灭菌(S)和未灭菌(NS)土样0.25，0.50，0.75，1.00 g于带刻度离心管中，对应加入2，4，6，8 mL柠檬酸钠浸提剂(20 mmol/L、pH值为7.0)，加盖摇匀，在103 kPa、121 ℃下提取30 min，10 000×g(g为重力加速度)下离心6 min，收集上清液，每个处理重复4次。总球囊霉素相关土壤蛋白(Total Glomalin-related Soil Protein，T-GRSP)的提取：分别称取灭菌和未灭菌的土样0.25，0.50，0.75，1.00 g于带刻度离心管中，对应加入2、4、6、8 mL柠檬酸钠(50 mmol/L、pH值为8.0)，加盖摇匀，在103 kPa、121 ℃下提取60 min，再重复提取5次，每次重复提取时，保证提取液体积固定且摇匀土样，使土样与浸提剂充分接触；每提取一次之后迅速在10 000×g(g为重力加速度)下离心6 min，将上浮物从土壤中分离出去，收集上清液，每个处理重复4次。上清液储藏在4 ℃下直至第2天分析[13]。

1.4 数据分析

使用Microsoft Excel 2016软件进行处理。分析采用数据处理软件SPSS 19.0进行单因素方差分析(LSD检验，显著性差异水平为0.05)、Pearson相关性分析。

2 结果与分析

2.1 不同种植模式与接菌对矿区排土场植物根系形态的影响

如表1所示，不同种植模式下接菌均不同程度地提高了相应种植模式植物的根系总根长，柠条单作、柠条沙打旺混作、沙打旺单作、沙打旺紫花苜蓿混作、紫花苜蓿单作分别显著提高了16.04%、203.74%、128.76%、83.84%、23.45%.混作种植模式下比单作种植模式下接菌的促进效果更加明显，说明在混作种植模式下接菌更适应矿区排土场的生长环境，提高了植物根系总根长。沙打旺紫花苜蓿混作种植模式下对照和接菌处理植物根系平均直径均高于其他处理，可能是因为沙打旺和紫花苜蓿是豆科植物，其根瘤菌可以从大气中进行生物固氮，在植物生长过程中土壤养分相互被对方所吸收、利用，进而促进了植物的生长。在沙打旺紫花苜蓿混作种植模式下，接菌植物的根系表面积和根系体积的菌根贡献率显著高于其他处理，可见接菌对植物根系生长的贡献在沙打旺紫花苜蓿混作种植模式下更为突出。

表1 不同处理下植物根系形态统计Table 1 Statistics of plant root morphology under different treatments

2.2 不同种植模式与接菌对矿区排土场植物根际土土壤理化性质的影响

如表2所示，在柠条单作、柠条沙打旺紫花苜蓿混作、沙打旺单作和紫花苜蓿单作种植模式下，接菌处理的pH值均小于对照，说明接菌可以更好地将矿区排土场的碱性土壤改良为适宜植物生长的中性土壤。沙打旺紫花苜蓿混作种植模式的电导率显著低于其他处理，表明沙打旺紫花苜蓿混作种植模式可以使矿区排土场的含盐量显著降低，降低了土壤的盐碱化。在沙打旺紫花苜蓿混作种植模式下，接菌植物的电导率低于对照，可见沙打旺紫花苜蓿混作接菌处理对土壤盐碱化的改良作用逐渐凸显。不同种植模式下土壤有机质从大到小排序为：柠条沙打旺混种，沙打旺单作，沙打旺紫花苜蓿混作，柠条单作，紫花苜蓿单作，可见在柠条沙打旺混作种植模式下改善了土壤的养分含量，增加了土壤中的有机质含量。在柠条沙打旺混作种植模式下，接菌处理的有机质含量是对照的1.90倍，说明柠条沙打旺混作接菌处理促进了土壤有机质的积累，有利于矿区排土场土壤的改良和培肥。在柠条沙打旺混作、沙打旺紫花苜蓿混作种植模式下接菌均不同程度地降低了土壤全氮水平，这可能是因为在混作种植模式下植物正处于生长状态，促使土壤全氮转化为可供植物直接吸收利用的速效氮。

表2 不同处理下植物根际土土壤理化性质Table 2 Physical and chemical properties of plant rhizosphere soil under different treatments

2.3 不同种植模式与接菌对矿区排土场植物根际土土壤酶活性的影响

如表3所示，土壤酶活性是灵敏可靠的土壤生物活性指标和土壤肥力指标，在柠条沙打旺混种和沙打旺紫花苜蓿混种种植模式下，土壤脲酶、易提取球囊霉素和总球囊霉素含量较其他处理高，说明在混作种植模式下可以提高土壤脲酶、易提取球囊霉素和总球囊霉素含量。土壤球囊霉素能够有效防止土壤有机碳的流失，主要是土壤颗粒的稳定性在球囊霉素的作用下得到了巩固。这与毕银丽[14]的研究结果一致。在沙打旺紫花苜蓿混作和紫花苜蓿单作种植模式下接菌磷酸酶含量高于对照，可见接菌促进了土壤磷酸酶含量，有利于土壤有机磷的转化。在上述两种种植模式下，磷酸酶含量更高，改善磷素有效性能力越强，根际土壤向植物供应的有效态磷越多，对改善土壤贫瘠的矿区排土场土壤理化性质意义重大。

表3 不同处理下植物根际土土壤酶活性Table 3 Soil enzyme activities in rhizosphere soil under different treatments

2.4 植物根系形态与土壤理化性质、土壤酶活性的相关性分析

如表4所示，Pearson相关性分析表明，在植物根系形态中，植物总根长与电导率显著正相关。植物总根长与pH值、易提取球囊霉素极显著负相关；植物总表面积与脲酶极显著正相关，与易提取球囊霉素显著正相关；植物总体积与易提取球囊霉素极显著负相关，与总球囊霉素显著负相关；土壤pH值与电导率极显著负相关；土壤有机质与易提取球囊霉素极显著正相关，与总球囊霉素显著正相关；土壤全氮与易提取球囊霉素显著正相关；脲酶与易提取球囊霉素极显著正相关；磷酸酶与易提取球囊霉素、总提取球囊霉素显著负相关。以上分析表明，植物在生长过程中改善土壤理化性质并提高了土壤根际土壤酶活性，达到了改良土壤质量的目的。与此同时，植物根系形态与土壤理化性质、土壤酶活性存在协同反馈效应，丛枝菌根真菌在土壤养分转化过程中起着至关重要的作用。

表4 植物根系形态与土壤理化性质、土壤酶活性的相关性分析Table 4 Correlation analysis of plant root morphology with soil physical and chemical properties and soil enzyme activities

3 讨论

植被恢复是北电胜利露天矿区排土场生态恢复的关键。植物间混作可通过根际对话影响植物的生长，混作可以通过增强植物与植物、植物与环境间的相互作用来提高植物对外界胁迫的抗逆性，从而提高植物的质量。菌根技术是土壤肥力恢复的主要技术之一，通过人为接种微生物的方式，利用微生物在植物根际的生命活动，挖掘复垦土壤的潜在肥力，以达到加快植被恢复、改善矿区排土场生态环境的目的。

根系作为植物吸收养分的基础器官，对土壤有强烈的依赖性，根系构型在一定程度上受土壤结构影响。本研究中混作种植模式下更适应矿区排土场的生长环境，原因可能是在混作种植模式下由于豆科牧草为其他植物的生长提供了充足的氮源，根系活力增加，光合能力提高，促进了混作植物的生长。AM真菌通过侵染植物根系延伸植物养分与水分吸收面积，从而促进了植物在紧实胁迫土壤中的生长发育，在植物受到养分或者水分胁迫时，接种丛枝菌根真菌处理显著地促进植物根系的生长，如根系总根长、根系平均直径、根系表面积、根系体积[15]，这与毕银丽等[16]在花生上接种摩西球囊霉的研究结果一致。菌根的形态建成以及根系-菌根共生体系的发展有利于植物更好地适应矿区排土场内的土壤环境[17]。

土壤理化性质是衡量土壤质量的重要指标，对植物的生长发育具有重要作用。本研究结果显示，混作种植模式降低了土壤电导率，增加了土壤有机质、土壤全氮含量，这表明混作种植模式对土壤改良效果明显。接种丛枝菌根真菌处理下可降低土壤pH值，这可能是菌根菌丝具有酸化菌丝根际土壤的能力，从而降低土壤pH值，使得盐碱土地的pH值更适合植物和土壤微生物的生长[18]。丛枝菌根真菌菌丝增加了植物根系与土壤的接触面积，提高了豆科植物如沙打旺、紫花苜蓿根际土壤氮浓度，以便于植物对土壤养分的直接吸收利用。接种菌根能提高根际土壤有机质含量，丛枝菌根真菌可以起到改良矿区排土场土壤的作用[19]。与此同时，菌丝能伸展到根系养分吸收范围之外，有效地吸收根系不能吸收的矿质元素，增加根际土壤养分积累[20]。

由本研究结果可知，在混作种植模式下促进了土壤脲酶、易提取球囊霉素和总球囊霉素的分泌。土壤酶可以催化土壤有机质的分解，参与土壤养分转化与转移，反映作物对养分的吸收利用状况，并且可以起到调节植物对碳、氮等养分元素吸收利用的功能。与此同时，土壤酶活性可以反映土壤肥力和土壤环境质量状况[21]。土壤酶也是土壤新陈代谢的重要组成部分，土壤酶活性增强，进而促进了草灌植物的生长。接种丛枝菌根真菌可以改善矿区土壤肥力，菌根在矿区排土场土壤改良和生态环境修复方面发挥着重要作用。这与孙金华[22]在柠条上接种摩西球囊霉提高土壤酶活性、改善矿区土壤肥力的研究结果一致。

接种丛枝菌根真菌增加了土壤有机质和球囊霉素，两者呈正相关关系，说明丛枝菌根真菌协同调控作用复垦土壤中植物的养分转化，进而促进根系形态发育。植物生长是土壤因子变化最敏感的反映，受采矿干扰降低，土壤因子损害减弱，植被群落逐渐稳定。丛枝菌根真菌促进了矿区复垦植物的生长，为露天矿区排土场的微生物复垦技术应用提供了良好的理论依据，具有重要生态意义。

4 结论

本文通过在不同种植模式和接菌处理下对土壤植物根系生长、植物生长特性、植物根际土土壤理化性质以及相关土壤酶活性的分析，探索矿区排土场在不同种植模式下接种丛枝菌根真菌对矿区生态修复植物的改良效应，取得结论如下：

1) 柠条沙打旺混作种植模式下接菌和沙打旺紫花苜蓿混作种植模式下接菌植物总根长较对照增长的203.74%、83.84%，显著高于柠条单作种种模式下接菌和紫花苜蓿单作种植模式下接菌较对照增长的16.04%、23.45%，说明在混作种植模式下接菌植物总根长更适应矿区排土场的生长环境，提高了植物根系总根长。沙打旺紫花苜蓿混作种植模式下接菌根系表面积和根系体积的菌根贡献率分别为46.51%和65.54%，显著高于其他处理，可见接菌对植物根系生长的贡献在沙打旺紫花苜蓿混作种植模式下更为突出。

2) 柠条单作种植模式下接菌、柠条沙打旺混作种植模式下接菌、沙打旺单作种植模式下接菌和紫花苜蓿单作模式下接菌的pH值分别为6.89、7.95、8.03和8.44，比对照模式下种植的土壤更接近于中性，表明接菌可以更好地将矿区排土场的碱性土壤改良为适宜植物生长的中性土壤。沙打旺紫花苜蓿混作种植模式下接菌的电导率202.97 μS/cm，较对照减少40.30%，且为同组试验中最低，沙打旺紫花苜蓿混作种植模式下接菌对土壤盐碱化的改良作用逐渐凸显。柠条沙打旺混作模式下接菌土壤有机质为22.92 g/kg，较对照增加89.58%，且为同组试验中最高，柠条沙打旺混作种植模式下接菌促进了土壤有机质的积累，有利于矿区排土场土壤的改良和培肥。

3) 柠条沙打旺混作种植模式和沙打旺紫花苜蓿混作种植模式均不同程度地高于其他单作种植模式下的土壤脲酶、易提取球囊霉素和总球囊霉素含量，表明在混作种植模式下促进了土壤酶活性的释放。沙打旺紫花苜蓿混作种植模式下接菌和紫花苜蓿单作种植模式下接菌磷酸酶含量分别较对照增加12.89%和91.62%，说明接菌促进了土壤磷酸酶含量，有利于土壤有机磷的转化。在混作种植模式下接菌促进土壤酶活性转化的机理有待进一步研究。

4) 植物根系形态与土壤理化性质、土壤酶活性存在协同反馈效应，丛枝菌根真菌在土壤养分转化起着至关重要的作用。野外混作种植模式下接菌可以有效促进植物生长，改善土壤质地，生态效应显著，对维持矿区生态系统稳定的持续性具有重要意义。