西部礦區接菌對風化煤與黃土配比的土壤改良效應

于　淼，李少朋，畢銀麗，鄧穆彪，裘　浪，洪天才

(1.中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室， 北京 100083；

2.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院， 北京 100083)

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西部礦區接菌對風化煤與黃土配比的土壤改良效應

于淼1,2，李少朋1,2，畢銀麗1,2，鄧穆彪1,2，裘浪1,2，洪天才1,2

(1.中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室， 北京 100083；

2.中國礦業大學(北京)地球科學與測繪工程學院， 北京 100083)

摘要：針對西部礦區土壤貧瘠、有效養分缺乏和作物難以生長的現狀，采用盆栽試驗方法，風化煤與黃土按不同配比混合為供試基質，玉米為供試植物，研究接種叢枝菌根真菌對玉米生長的影響及其對不同混合基質的改良效應，尋求風化煤與黃土最佳配比。結果表明：接種叢枝菌根真菌促進了玉米的生長和對礦質元素的吸收，在風化煤與黃土質量比(1∶1)時菌根生態效應達到最大，玉米干質量、葉色值、地上部分氮磷鉀累積量分別達到4.61 g·株(-1)，41.17，53.01 mg·株(-1)，7.15 mg·株(-1)，79.42 mg·株(-1)；風化煤與黃土(1∶1)處理菌絲密度達到4.91 m·g(-1)，且玉米根系侵染率達到最大。隨著風化煤比例的增加，根際土壤中球囊霉素相關蛋白和酸性磷酸酶活性逐漸遞增。叢枝菌根與風化煤的協同作用促進了作物的生長，改善了根際土壤微環境，實現了對溝壑區土壤的改良和培肥。

關鍵詞：叢枝菌根真菌；風化煤；黃土；玉米；改良效應

西部礦區大多位于干旱半干旱地區，半干旱黃土溝壑區是黃土高原水土流失比較嚴重的地區，溝壑區植被覆蓋率低，土壤質地疏松，土壤侵蝕作用十分強烈[1]。溝壑區土壤貧瘠，基礎肥力低，供植物生長的有效養分缺乏[2]。采煤擾動加劇了土壤中水分和養分的流失，生態環境遭到破壞，生物多樣性降低，生態系統的穩定性差，土壤退化較為嚴重[3]。黃土溝壑區土地質量的降低是陜北地區農業發展的限制性因子，也是溝壑區生態環境保護的瓶頸所在。因此，必須通過一定措施來改良退化土壤，提高土地生產力。風化煤是指暴露于地表或位于地表淺層的煤，俗稱露頭煤[4]。風化煤作為煤礦生產的廢煤，廣泛存在于煤礦區，由于受長期風化作用的影響，風化煤含氧量高，發熱量低[5]。但風化煤中含有豐富的活性物質腐殖酸，腐殖酸具有的多種活性基團賦予了腐殖酸的多種功能，廣泛應用于土壤改良劑、植物生長刺激劑和肥效增進劑領域[6]。大量的研究表明，施用風化煤可以改善土壤團聚體的質量、水穩性團聚體和陽離子交換量[7]。風化煤和微生物配合使用加速了土壤物質的生物學循環，且提高土壤生物活性，有利于土壤熟化培肥[8]。風化煤與草炭的配合使用改善了鹽堿土的養分供應狀況,提高根系活力和對養分的吸收，提高作物的產量[9]。

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)是一種自然界中普遍存在的微生物，它能夠與80%以上的陸生植物形成共生體[10]。大量研究表明，AMF能促進植物對礦質營養的吸收，改善植物的水分狀況，提高植物的抗逆性，增加植物的生物量[11-12]。AMF分泌的球囊霉素相關蛋白是土壤的重要碳源，同時增加了土壤團聚體的穩定性，對土壤具有改良效應。由于風化煤燃燒熱量較低，對其研究主要集中在腐植酸提取等工藝上，但其運輸和工業生產過程中成本較高，燃燒和加工過程往往會造成環境污染。基于此，本研究將未做任何處理的風化煤和陜北溝壑區貧瘠黃土混合使用，通過接種叢枝菌根真菌，研究接種叢枝菌根真菌對玉米生長的影響及其對不同混合基質的改良效應，尋找風化煤與黃土最佳配比，從而為菌根真菌在陜北溝壑區的推廣應用提供參考，以風化煤為改良劑，為后期叢枝菌根改良菌劑的生產提供理論參考。

1材料和方法

1.1試驗材料

供試土壤為陜北溝壑區黃土，其基本性狀為pH值7.72，最大持水量40%，有機質4.33 g·kg-1，速效磷12.7 mg·kg-1，速效鉀59.68 mg·kg-1。風化煤于2014年3月采自陜西省神木縣李家畔鎮大柳塔礦區，風干，其基本性狀為pH值6.25，最大持水量64%，有機質853.38 g·kg-1，速效磷為痕量，速效鉀19.1 mg·kg-1。供試作物為玉米，品種為品糯28，由中國農業科學院提供。供試菌種為北京市農林科學院植物營養與資源研究所微生物室提供，經本實驗室增殖培養的內生菌Glomus mosseae(簡稱G.m)。

1.2試驗方法

試驗于2014年5月在中國礦業大學(北京)溫室內進行，試驗分別設風化煤與黃土按不同質量比混合，即黃土(L)，風化煤與黃土質量比分別為(1∶3)，(1∶2)，(1∶1)，(2∶1)，(3∶1)，風化煤(W)，共7組，同時每一種比例分別設接菌和不接菌處理(+M和CK)，每個處理設3個重復，并將不同基質放入規格為12 cm(高)×14 cm(盆口直徑)×10 cm(盆底直徑)的塑料盆里，接菌組每盆加50 g G.m菌劑充分混合，不接菌處理中加入50 g滅活菌劑以確保基質質量一致，最終使每盆總質量保持在1 100 g。播種玉米前，每盆澆水達到最大飽和持水量，水分平衡1 d后，播種。將玉米種子用10% H2O2溶液浸泡10 min做表面消毒，再用去離子水清洗10次，每個小盆播種玉米5粒，玉米出苗5 d后間苗，每盆保持2株，最終定植1株。利用稱重法控制澆水量，澆水量為基質最大持水量的70%。風化煤與黃土質量比為(1∶3)，(1∶2)，(1∶1)，(2∶1)，(3∶1)的基質最大持水量分別為46%，47%，49%，54%，56%。種植玉米后18 d向土壤加入NH4NO3，KH2PO4，KNO3配置的營養液，使土壤中N、P、K質量分數分別為100、30、150 mg·kg-1。

1.3測定數據和方法

1.3.1玉米干質量、葉面積和葉色值測定苗期玉米生長到70 d后，將植株地上部分和根系分開，用自來水清洗根系附著的泥土，在105℃烘箱內殺青30 min，然后放到80℃烘箱內直至烘干。分別稱量每盆玉米的地上部分和根系的干質量。葉面積由YMJ-C活體葉面積測定儀(浙江托普生產)測定，選取植株同一側倒二葉進行測量。玉米葉片的葉色值(SPAD值)由SPAD-502(日本生產)來測定，測量時均勻選取葉片上20～25個點，取平均得該葉片的葉色值。

1.3.2玉米地上部分全氮、全磷、全鉀將烘干后的玉米地上部分用研磨機研磨至粉狀，過0.2 mm篩，用H2SO4-H2O2法消煮[13]。利用凱氏定氮法測定玉米地上部分全氮含量，利用ICP測定玉米地上部分全磷和全鉀含量。

1.3.3侵染率和菌絲密度菌根侵染率采用Phillips和Hayman法，采用網格交叉法測定菌絲密度[14]。

1.3.4球囊霉素相關土壤蛋白球囊霉素是由球囊霉屬AM真菌分泌產生的一類糖蛋白。然而由于目前土壤中提取球囊霉素的方法為非專性的方法，尚不能得到高純度的球囊霉素，基于此Rillig等稱之為球囊霉素相關土壤蛋白(GRSP)[15]。按照Wright及Janos的方法稍加修改，測定易提取球囊霉素相關土壤蛋白和總球囊霉素相關土壤蛋白[16]。

1.3.5土壤速效磷含量、速效鉀含量和酸性磷酸酶活性土壤速效磷含量采用鉬銻抗比色法。土壤速效鉀含量采用NH4OAC浸提法[13]。采用改進的Tabatabai & Brimner法測定土壤酸性磷酸酶活性[17]。

1.4數據分析

本研究采用SAS統計軟件對試驗數據進行分析，采用LSD方法比較不同處理之間的差異顯著性，顯著水平設置為5%。

2結果與分析

2.1接種叢枝菌根真菌對不同處理玉米生長的影響

接種叢枝菌根真菌能夠顯著促進玉米干質量的積累，其表現為接菌組高于不接菌組，且玉米葉片葉色值和葉面積表現出相同的規律(表1所示)。施加適量的風化煤，更有利于玉米的生長。不接菌組中，隨著風化煤施加量的增加，玉米各項生長指標都呈增加趨勢，當風化煤與黃土質量比為(1∶2)時，玉米地上部分干質量、葉面積都達到最大，分別為(L)組的1.5倍、1.17倍，當風化煤的比重繼續增加時，玉米各項生長指標呈下降趨勢。接菌組中玉米各項生長指標隨風化煤施用量的增加而增大，當風化煤與黃土質量比為(1∶1)時，玉米地上部分干質量、葉片葉色值最高，分別為(L)組的1.29倍、1.22倍，煤土質量比(1∶3)的1.18倍、1.17倍。當基質中風化煤高出50%時，玉米各項生長指標呈下降趨勢。對于黃土來說，維持較高的持水量時易造成土壤粘結,土壤孔隙度下降,通透性變差,造成了土壤氧氣含量降低,根系和土壤微生物呼吸減弱,根系生長受阻,從而影響整個植株的生長[18]。

2.2接種叢枝菌根真菌對不同處理玉米地上部分礦質元素影響

玉米地上部分氮磷鉀的含量是表征其生長好壞的最直觀指標，研究發現，接種AMF能夠明顯促進宿主植物對礦質養分的吸收和利用(表2所示)。在所有不接菌組處理中，玉米地上部分氮磷鉀的含量呈先升后降趨勢，當煤土質量比為(1∶2)時，玉米地上部分的氮磷鉀含量達到最大，且分別是純黃土組的1.45倍、2.22倍、1.53倍，是煤土質量比(1∶3)的1.35倍、1.98倍、1.27倍。煤土質量比大于(1∶2)的各組與(1∶2)玉米地上部分氮磷鉀含量無明顯變化。在所有的接菌處理組中，在基質中風化煤含量低于50%時，玉米地上部分氮、磷、鉀的累積量均隨風化煤比重的增加而增加，當煤土質量比為(1∶1)時，達到最大。且氮磷鉀含量為不接菌處理煤土質量比(1∶1)的2.83倍、7.45倍、2.16倍。當接菌處理中風化煤用量高于50%，各處理礦質元素的累積量都呈下降趨勢。

表1　接種叢枝菌根真菌對不同處理玉米生長的影響

注：表中數值為3個重復的平均值；±表示標準誤差；不同小寫字母代表5%水平上差異顯著(垂直方向)；下同。

Notes: The values denoted that the averages of three replicates; ± denoted that the STDEV values; lowercase letters denoted that the significant differences among different treatments by LSD at 5% level (vertical comparison); the same below.

2.3不同基質中叢枝菌根真菌與玉米共生關系及其對根際球囊霉素影響

菌根侵染率是反映植物根系被菌根真菌感染程度的指標，其反映的是菌根真菌與植物根系之間的親和程度[19]，研究發現，本研究所選的AMF和玉米保持較好的共生關系，接菌后各種配比的菌根侵染率均達到90%以上，接菌處理中風化煤與黃土質量比為(1∶1)時，菌根完全侵染，且菌絲密度最大為4.91 m·g-1，顯著高于其他處理。在風化煤與黃土質量比為(1∶1)時，基質與菌根的共生關系最優，適合菌根的生長，有利于菌絲的伸長與繁殖，從而促進植物根系對營養與水分的吸收和利用，促進植物生長。球囊霉素相關蛋白是叢枝菌根真菌特有的產物，由表3可見，接菌處理組總球囊霉素和易提取球囊霉素均高于對照組，且隨著風化煤比重的增大而呈增加趨勢。

表2　接種從枝菌根真菌對不同處理玉米

2.4接種叢枝菌根真菌對不同處理玉米根際土壤速效養分和酶活性的影響

如表4所示，接菌處理組玉米根際土壤中速效磷、速效鉀含量均低于對照組，且接菌處理根際土壤中速效磷和速效鉀呈先降低后增加的趨勢，當煤土質量比為(1∶1)時，玉米根際土壤速效磷、速效鉀含量最低。這可能是由于菌根菌絲體促進玉米根系對有效磷、鉀的吸收和利用，土壤中的速效磷、速效鉀更多地轉移到植株體內，從而造成土壤中速效磷、速效鉀含量降低。這與玉米地上部分礦質元素的結果相吻合，同時也說明干質量最大，生長最好的玉米吸收的養分最多。土壤酶是土壤肥力形成的一個重要因素，土壤酸性磷酸酶可以促進有機磷向無機磷的轉化，其含量的多少可以反映出土壤肥力狀況，特別是土壤磷肥。研究發現，接菌有利于提高土壤酸性磷酸酶活性，且表現為接菌組高于未接菌組。無論接菌與否，土壤中酸性磷酸酶活性都呈先增加后降低趨勢，在風化煤和黃土質量比為(2∶1)時，接菌處理玉米根際土壤中酸性磷酸酶活性達到最大，和其它處理相比表現出顯著的差異性。

3討論

西部礦區氣候干旱，降水集中，植被稀疏，水土流失、土壤侵蝕較為嚴重。由于礦區高強度的地下開采，導致采空區地表大面積沉陷，對礦區土地資源及生態環境造成了嚴重的破壞[20]。因此，必須通過一定的技術手段緩解因自然條件及采煤擾動對植物生長及土壤退化的影響。研究發現，風化煤與黃土不同配比基質上接種叢枝菌根明顯促進了玉米的生長，接菌組風化煤與黃土質量比為(1∶1)時，玉米地上部分干質量、葉片葉色值最高，分別達到4.61 g，41.17，且葉面積也較高為38.93 cm2。這可能是由于接菌能夠促進根系對水分和養分的吸收和利用；同時維持較高的持水量易造成黃土沉陷和粘結，通透性變差，風化煤質地疏松，施加適量的風化煤提高了黃土的通透性，有利于根系和土壤微生物呼吸作用，促進了玉米植株的生長。氮、磷、鉀是植物生長所必需的大量礦質元素，研究發現，接菌組所有配比的玉米地上部分氮、磷、鉀的累積量均顯著高于對照組，這可能是叢枝菌根的菌絲可以伸展到礦質元素虧缺區外，有效地吸收根系不能吸收的礦質元素[16]。與此同時，AMF還可通過地下菌絲網絡在植物間礦質營養元素的再分配中起到重要的作用[21]。無論接菌與否，施加適當比例的風化煤都促進了玉米對營養元素的吸收，可能是由于風化煤中的腐植酸在分解過程中產生的有機酸或中間產物，其生理活性物質積累在根系周圍，具有促進根伸長、呼吸作用保濕作用增加和提高根系活力等作用[9],從而促進了更多的礦質養分轉移到植株體內。然而風化煤比重過高(>50%)對玉米生長的促進作用有所降低，可能是由于風化煤過高導致風化煤中的腐植酸類物質和有害元素累積量過高，破壞植物根際的微環境，抑制植物的生長。

表3　接種叢枝菌根真菌對玉米根際球囊霉素相關蛋白的影響

表4　接種從枝菌根真菌對不同處理玉米根際

接菌有效地促進了玉米根系的菌根侵染率，所有配比的菌根侵染率均達到90%以上，接菌處理中煤土比為(1∶1)時，菌絲密度最大為4.91 m·g-1，顯著高于其他處理，可能是由于在此基質中，風化煤分泌適量的酸性物質和中間產物營造了適合菌根生長的環境。同時，接菌組總球囊霉素和易提取球囊霉素均高于對照組，且隨著風化煤比重的增大而呈增加趨勢。分析原因可能是球囊霉素相關蛋白是菌根特有的產物，因此接菌能夠提高其含量；風化煤中有機碳含量較高，球囊霉素相關蛋白是有機碳的一種，由于球囊霉素提取的非專一性，風化煤施用量越大，球囊霉素相關蛋白的含量越高。研究發現，根際土壤速效磷、速效鉀含量與玉米地上部分礦質元素累積量呈反比關系，是因為菌根與風化煤協同作用有效地促進根系將基質中的礦質元素轉運到玉米植株體內，使得基質中速效養分降低。菌根與風化煤的施用提高了基質酸性磷酸酶活性，分析原因可能是由于風化煤分泌的有機酸等產物促使菌根在低磷條件下，通過促進酸性磷酸酶的合成實現有機磷向無機磷的轉化。

4結論

1) 菌根與風化煤協同作用有效地促進了玉米的生長，在煤土比為1∶1時，最有利于玉米生長，玉米地上部分干質量、葉色值高于其它處理，分別達到4.61 g、41.17。

2) 菌根與風化煤的聯合施用顯著促進了玉米對基質中氮磷鉀的吸收和利用，同時提高了玉米地上部分氮磷鉀的累積量。接菌組煤土比為1∶1時，玉米地上部分全氮、全磷、全鉀含量最高，分別達到53.01、7.15、79.42 mg·株-1，且土壤中相應的速效磷、速效鉀含量最低。

3) 接菌顯著提高了菌根侵染率和菌絲密度，風化煤與黃土質量比為1∶1時，玉米根系被完全侵染，菌絲密度增加到4.91 m·g-1；菌根和風化煤協同作用均能提高球囊霉素相關土壤蛋白的含量，且隨著風化煤的增加而增加。

4) 接菌促進了玉米的生長，其和風化煤聯合施用實現了溝壑區黃土的改良和培肥，改善了玉米根際的微環境，風化煤與黃土的最佳配比為1∶1。

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Soil remediation after inoculated with arbuscular mycorrhizal fungi on the ratio of weathered coal and loess in the mining area of western China

YU Miao1,2, LI Shao-peng1,2, BI Yin-li1,2, DENG Mu-biao1,2, QIU Lang1,2, HONG Tian-cai1,2

(1.StateKeyLaboratoryofCoalResourceandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China;2.CollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China)

Abstract：Based on the characteristics of poor soil, lack of effective nutrient and difficulty in crop growth in western mining area of China, a pot experiment method was carried out in this study to have weathered coal and loess mixed in different proportions as the trial matrix and employ maize as the test. The effects of arbuscular mycorrhizal fungi (AMF) on maize growth and the improvement of different mixed matrix were investigated to find out the best ratio between weathered coal and loess. The results showed that inoculation with AMF promoted the growth of maize and the absorption of mineral elements. Mycorrhizal ecological effect became maximized when the weathered coal and loess mass ratio reached 1∶1. At the same time, the above ground dry weight and leaf color values of maize were 4.61 g, 41.17, respectively, and nitrogen, phosphorus, and potassium accumulations were 53.01 mg, 7.15 mg, 79.42 mg per plant respectively. When the weathered coal and loess mass ratio was 1∶1, the density of hyphae was 4.91 m·g(-1), and the mycorrhizal root infection rate of maize reached maximum. With the increase of weathering coal ratio, the glomalin and the acid phosphatase (ACP) in maize rhizosphere soil were gradually increased as well. In conclusion, the synergy of AMF and weathered coal promoted the growth of the crops, improved the rhizosphere soil microenvironment, and implemented the enhancement of soil fertility in the gully region.

Keywords:arbuscular mycorrhizal fungi; weathered coal; loess; maize; soil remediation

中圖分類號：S154.3

文獻標志碼：A

作者簡介：于淼(1991—)，女,內蒙古赤峰人，碩士生，研究方向為土地復墾。E-mail:yumiao1009@163.com。通信作者：畢銀麗(1971—)，女，陜西米脂人，博士，教授，博士生導師，主要從事土地復墾及生態重建技術研究。E-mail:byl@cumtb.edu.cn。

基金項目：863計劃資助項目(2013AA102904)

收稿日期：2015-04-03

doi:10.7606/j.issn.1000-7601.2016.02.21

文章編號：1000-7601(2016)02-0130-06