AM真菌對(duì)采煤沉陷區(qū)黃花菜生長(zhǎng)及根際土壤養(yǎng)分的影響

畢銀麗,孫江濤,王建文,張延旭,孫金華,于 淼

1 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083 2 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院, 北京 100083 3 河南省地質(zhì)環(huán)境勘查院, 鄭州 450051 4 陜西煤化集團(tuán)檸條塔礦, 榆林 719300

近年來我國(guó)煤炭開采重心已逐步向西部轉(zhuǎn)移,陜西北部地區(qū)成為全國(guó)最主要的產(chǎn)煤基地之一。大規(guī)模煤炭資源開采造成了大量采煤沉陷地,使原本溝壑縱橫的黃土高原生態(tài)環(huán)境更為惡化與脆弱[1],選擇當(dāng)?shù)剡m生的經(jīng)濟(jì)作物進(jìn)行生態(tài)治理是采煤沉陷地開展的研究工作之一。黃花菜是本地重要的經(jīng)濟(jì)作物,具有耐瘠、抗旱、入藥等特點(diǎn),在陜北黃土高原地區(qū)被廣泛種植。因其花瓣肥厚,色澤金黃,香味濃郁,食之清香、鮮嫩,爽滑同木耳、草菇,營(yíng)養(yǎng)價(jià)值高,是人們喜吃的一種傳統(tǒng)蔬菜,被視作“席上珍品”。近年來由于煤炭開采引起的土地退化使黃花菜根際生態(tài)環(huán)境遭到嚴(yán)重破壞,其生長(zhǎng)和發(fā)育受到嚴(yán)重影響[2]。

叢枝菌根真菌(Arbuscula mycorrhizal fungi, 簡(jiǎn)稱AM真菌)是自然界中普遍存在的一種能與植物根系形成互惠互利共生關(guān)系的土壤微生物[3],在干旱、貧瘠的土壤中能夠顯著增強(qiáng)宿主植物對(duì)干旱或貧瘠的抗逆性[4- 6],從而實(shí)現(xiàn)植被恢復(fù),提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。張?chǎng)蔚萚7]通過調(diào)查紫花苜蓿草地中AM真菌與根際土壤性質(zhì)之間的相關(guān)性,結(jié)果發(fā)現(xiàn)大同地區(qū)AM真菌與紫花苜蓿可以形成良好的共生關(guān)系,AM真菌對(duì)土壤營(yíng)養(yǎng)吸收具有重要的作用。李嬌清等[8]通過在自然條件下接種AM真菌,研究其對(duì)煤矸石修復(fù)的作用,結(jié)果表明接種AM真菌后植株成活率平均提高30%,重金屬含量顯著下降,土壤中有機(jī)質(zhì)及速效氮、磷、鉀含量顯著提高,說明接種AM真菌在煤矸石山中具有較好的土壤修復(fù)效應(yīng)。

黃土溝壑沉陷區(qū)由于受地形破碎、土質(zhì)疏松、降雨集中等自然因素的影響,水土流失、土地塌陷裂縫現(xiàn)象非常嚴(yán)重,生態(tài)環(huán)境脆弱[9],生物修復(fù)技術(shù)已經(jīng)成為近年來脆弱區(qū)生態(tài)治理的有效方法。利用AM真菌促進(jìn)本地生態(tài)經(jīng)濟(jì)植物黃花菜生長(zhǎng)及其土壤改良方面尚未見報(bào)道。通過測(cè)定AM真菌對(duì)黃花菜營(yíng)養(yǎng)生長(zhǎng)狀況及根際土壤理化特性、微生物數(shù)量的影響,研究接種AM真菌對(duì)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)作物的生態(tài)修復(fù)效應(yīng),不僅對(duì)于本地經(jīng)濟(jì)作物的恢復(fù)及大規(guī)模種植,甚至對(duì)于提高當(dāng)?shù)剞r(nóng)民經(jīng)濟(jì)收入起到積極作用,同時(shí)也為陜北黃土高原煤礦區(qū)受損生態(tài)與經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據(jù),具有重要的生態(tài)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

研究區(qū)地處毛烏素沙漠與黃土溝壑區(qū)的過渡地帶,位于陜西省神木縣檸條塔礦區(qū),屬干旱半干旱高原大陸性氣候,常年干旱少雨,多風(fēng)沙,植被稀疏。年平均降雨量為441 mm,主要集中于7—9月份,年均蒸發(fā)量為1337 mm,是降水量的3倍。年平均氣溫為8.9℃。土壤類型主要為黃土,土質(zhì)疏松,養(yǎng)分貧瘠。本研究所處地區(qū)植被退化較為嚴(yán)重,植物種類主要以一年生狗尾草(Setariaviridis)、黃花菜(HemerocalliscitrinaBaroni)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、沙棘(Hippophaerhamniodes)、檸條(Caraganaintermedia)等植物為主。

1.2 試驗(yàn)區(qū)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)區(qū)總面積為11512 m2,分接菌區(qū)(簡(jiǎn)稱GM,以下同)和對(duì)照區(qū)(簡(jiǎn)稱CK,以下同)各占一半,其地形和土質(zhì)均相近。于2015年5月開始種植黃花菜(daylily,HemerocalliscitrinaBaroni),種植密度16株/m2。供試菌劑由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)微生物復(fù)墾實(shí)驗(yàn)室自主擴(kuò)繁培養(yǎng)得到的摩西管柄囊霉Funneliformismosseae(簡(jiǎn)稱F.m),該菌劑為混有菌根根段的砂土等基質(zhì)材料組成,其菌絲密度為5.09 m/g。菌劑隨黃花菜幼苗種植時(shí)一起接入根際周圍,每株接菌20 g菌劑。植株栽培后第一個(gè)月內(nèi)每周澆水一次,并達(dá)到最大持水量,一個(gè)月后不再人工澆水自然生長(zhǎng)。

1.3 指標(biāo)測(cè)定

試驗(yàn)分別于2015年8月和10月測(cè)定兩個(gè)試驗(yàn)小區(qū)黃花菜菌根侵染、植株生長(zhǎng)以及植株生化含量等常規(guī)試驗(yàn)指標(biāo)。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇60個(gè)樣本測(cè)定黃花菜植株的株高、冠幅等生長(zhǎng)指標(biāo),隨機(jī)選擇15個(gè)樣本測(cè)定植株葉片的葉綠素含量、氮、磷、鉀等營(yíng)養(yǎng)指標(biāo);在各試驗(yàn)小區(qū)隨機(jī)選取15株黃花菜,在其根際10—30 cm處采集新鮮土樣100 g,并立即用自封袋密封于4℃冰盒,并于當(dāng)天帶回實(shí)驗(yàn)室放入4℃冰柜冷藏,用于測(cè)定微生物數(shù)量和酸性磷酸酶活性。此外,每個(gè)根際土壤樣品選取50 g風(fēng)干,過2 mm篩后用于分析其理化性質(zhì)。菌根侵染率的測(cè)定采用曲利苯藍(lán)染色法[10]及根段侵染率加權(quán)法[11]測(cè)定。菌絲密度的測(cè)定采用網(wǎng)格交叉法[12]。

黃花菜葉片葉綠素含量的測(cè)定采用KonicaMinolta公司生產(chǎn)的SPAD- 502葉綠素儀測(cè)定葉綠素值(Soil and Plant Analyzer Development,簡(jiǎn)稱SPAD,以下同),測(cè)定時(shí),每個(gè)小區(qū)選取40株,每株黃花菜選取葉片上、下兩層各兩片葉子,每片葉子測(cè)10—15個(gè)點(diǎn)。取其平均值作為此葉片的葉綠素相對(duì)值。光合作用速率的測(cè)定采用LI- 6400XT便攜式光合儀,時(shí)間段選擇在9：00—11：00時(shí),以及14：00—16：00時(shí)。測(cè)定時(shí)選擇小區(qū)內(nèi)外形長(zhǎng)勢(shì)相近的植物作為樣品,每個(gè)小區(qū)選擇30株,每株選擇4個(gè)方位長(zhǎng)勢(shì)旺盛的葉片,每個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)測(cè)3次求平均。可溶性糖含量測(cè)定采用蒽酮比色法[13],過氧化氫酶含量測(cè)定采用pH 7.8磷酸緩沖液提取粗酶液的分光光度法[14]。

根際土壤pH值為水土比 5∶1 的玻璃電極-酸度計(jì)法,電導(dǎo)率(Electrical Conductivity, 簡(jiǎn)稱EC,以下同)為水土比5∶1浸提-電導(dǎo)法,土壤速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法[15],速效鉀采用1.0 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法[16],土壤有機(jī)質(zhì)含量的測(cè)定采用重鉻酸鉀外加熱方法(K2Cr2O7-H2SO4法)[17]。土壤速效氮含量采用堿解擴(kuò)散法[7]。土壤微生物數(shù)量的測(cè)定采用常規(guī)的稀釋平板法[18],其中,真菌數(shù)量的測(cè)定采用孟加拉紅培養(yǎng)基,放線菌數(shù)量的測(cè)定采用改良高氏一號(hào)培養(yǎng)基,細(xì)菌數(shù)量的測(cè)定采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基。酸性磷酸酶活性的測(cè)定采用改進(jìn)的Tabatabai和Brimner法[19],酶活性用單位時(shí)間每克土產(chǎn)酚量(μg g-1h-1)表示。

本文中菌根貢獻(xiàn)率的計(jì)算采用以下公式[20]：

2 結(jié)果與分析

2.1 黃花菜菌根侵染率及菌絲密度

侵染率反映了菌根真菌與植物根系之間的親和程度。接菌小區(qū)內(nèi)黃花菜的菌根侵染率達(dá)到80%左右,而對(duì)照小區(qū)內(nèi)黃花菜的菌根侵染率只有20%左右(表1)。接菌區(qū)黃花菜根際土壤菌絲密度均高于對(duì)照區(qū)2.8倍左右,接種AM真菌極顯著提高土壤中菌絲密度,達(dá)到顯著性差異。此外,與8月份相比,10月份相同處理的黃花菜根際土壤菌絲密度沒有顯著差異,可能由于兩次監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔過短,寄主植物根際土壤菌絲密度的變化量不明顯所致。

2.2 接種AM真菌對(duì)黃花菜生長(zhǎng)量的影響

8月份和10月份接菌處理的黃花菜株高是對(duì)照處理黃花菜株高的3—4倍左右(表1),達(dá)到顯著性差異。在8月份和10月份接菌與對(duì)照處理黃花菜的冠幅均達(dá)到顯著性差異,兩次監(jiān)測(cè)時(shí)期接菌處理的黃花菜的冠幅是對(duì)照組黃花菜冠幅的2.4—2.8倍左右,說明接種AM真菌對(duì)黃花菜的生長(zhǎng)起到了顯著的促進(jìn)作用。另外由于兩次監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔較短,相同處理的黃花菜株高和冠幅在不同月份之間差異不顯著。

2.3 接種AM真菌對(duì)黃花菜抗逆性影響

8月份和10月份接菌和對(duì)照處理的黃花菜葉片的光合速率影響見表2,在8月份不同處理間黃花菜葉片的光合速率未達(dá)到顯著性差異,而在10月份接菌處理黃花菜葉片的光合速率顯著高于對(duì)照組,菌根貢獻(xiàn)率達(dá)51%,可能是由于10月份陜北黃土區(qū)氣溫已經(jīng)下降,光強(qiáng)較8月份變?nèi)?而接種AM真菌能在一定程度上減弱光強(qiáng)對(duì)植物光合速率的影響,對(duì)促進(jìn)光合作用起到積極作用。

表1 接種菌根對(duì)黃花菜根系菌根侵染率、菌絲密度及株高冠幅的影響

GM：分接菌區(qū);CK：對(duì)照區(qū)

表2 接種菌根對(duì)黃花菜抗逆性影響

8月份和10月份不同處理的黃花菜葉片葉綠素含量接菌的處理均高于對(duì)照,但并未達(dá)到差異顯著水平(表2),說明在該野外試驗(yàn)條件下,接種AM真菌在一定程度上有利于提高黃花菜葉片葉綠素含量,增強(qiáng)光合產(chǎn)物的生產(chǎn)能力。

比較了10月份接菌和對(duì)照處理黃花菜葉片可溶性糖含量(表2)。接菌組葉片可溶性糖含量顯著高于對(duì)照,菌根貢獻(xiàn)率達(dá)12%。說明接種AM真菌對(duì)于黃花菜葉片可溶性糖的合成起到積極促進(jìn)作用,增加了黃花菜葉片的抗寒能力。

過氧化氫酶是作物抗氧化防御的一種表現(xiàn),接菌和對(duì)照處理過氧化氫酶含量如表2所示。接菌組葉片的過氧化氫酶含量顯著高于對(duì)照組,菌根貢獻(xiàn)率達(dá)79%,說明在該試驗(yàn)區(qū)接種AM真菌能顯著促進(jìn)黃花菜葉片合成過氧化氫酶的能力,增強(qiáng)了黃花菜抗逆性。

2.4 接種AM真菌對(duì)黃花菜根際土壤養(yǎng)分含量的影響

8月份和10月份接菌與對(duì)照處理黃花菜根際土壤pH沒有顯著性差異,而電導(dǎo)率均顯著高于對(duì)照處理,菌根貢獻(xiàn)率分別為39%、48%(表3),說明接菌處理對(duì)改善黃花菜根際土壤鹽分含量有一定作用。8月份和10月份相比,相同處理間差異不明顯,可能與其監(jiān)測(cè)間隔時(shí)間較短相關(guān)。

表3 不同處理對(duì)黃花菜根際土壤理化參數(shù)的影響

8月份不同處理黃花菜根際土壤有機(jī)質(zhì)含量差異不顯著,而在10月份不同處理間達(dá)到顯著性差異,菌根貢獻(xiàn)率達(dá)21%(表3)。與8月份相比,10月份接菌與對(duì)照處理黃花菜根際土壤有機(jī)質(zhì)含量均有所增加,說明10月份后氣溫下降,早晚溫差變大有利于有機(jī)質(zhì)的積累,接種AM真菌對(duì)土壤有機(jī)質(zhì)積累有積極促進(jìn)作用。

接菌處理根際土壤堿解氮、速效鉀含量均顯著高于對(duì)照處理,其中堿解氮的菌根貢獻(xiàn)率達(dá)17%—50%,速效鉀的菌根貢獻(xiàn)率為30%—34%(表3),說明接種AM真菌能夠顯著提高該土壤中堿解氮、速效鉀的含量。土壤速效磷含量略與對(duì)照處理之間沒有顯著性差異,接菌處理略低于對(duì)照處理,可能是菌根對(duì)磷較為敏感,接菌促進(jìn)了植物吸收了較多的土壤磷所致。

2.5 接種AM真菌對(duì)黃花菜根際土壤微生物數(shù)量及磷酸酶活性的影響

10月份接菌處理的黃花菜根際土壤微生物數(shù)量及酸性磷酸酶活性均高于對(duì)照組(表4),表明菌根真菌能夠影響根際土壤微生物的數(shù)量與酸性磷酸酶活性。接菌處理對(duì)黃花菜根際土壤中真菌、放線菌數(shù)量影響不顯著,而土壤細(xì)菌數(shù)量顯著高于對(duì)照,菌根貢獻(xiàn)率達(dá)77%,說明接種AM真菌能夠顯著促進(jìn)根際細(xì)菌的數(shù)量,而對(duì)真菌和放線菌數(shù)量的影響作用不明顯。接菌黃花菜根際土壤酸性磷酸酶活性顯著高于對(duì)照,菌根貢獻(xiàn)率為24%,說明接種AM真菌能顯著提高黃花菜根際土壤酸性磷酸酶活性,促進(jìn)了土壤速效磷的高效利用。

表4 接種菌根對(duì)黃花菜根際土壤微環(huán)境的影響

3 討論

本文研究了接種AM真菌對(duì)陜北檸條塔黃土溝壑采煤沉陷擾動(dòng)區(qū)黃花菜生長(zhǎng)及土壤改良的影響。黃花菜是當(dāng)?shù)剞r(nóng)民普遍選種的一種經(jīng)濟(jì)植物,近年來隨著采煤沉陷對(duì)土地的破壞與擾動(dòng),黃花菜的生存環(huán)境受到了很大的干擾,幼苗成活率低。接種菌根真菌顯著提高了黃花菜的生長(zhǎng),一定程度上改善了黃花菜根際土壤養(yǎng)分狀況,改善提高了品質(zhì)和抗逆性。為黃土溝壑沉陷區(qū)擾動(dòng)土地的微生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用提供了較好的研究思路,具有普遍的現(xiàn)實(shí)生態(tài)意義。

對(duì)照區(qū)黃花菜根有一定的菌根侵染率和菌絲密度,自然狀態(tài)下土壤中存在土著AM真菌,野外人工接種AM真菌對(duì)于加速生態(tài)修復(fù)具有積極意義。接種AM真菌能夠擴(kuò)大植物根系吸收面積[21]、增加根系內(nèi)營(yíng)養(yǎng)與水分的運(yùn)輸速度[22],促進(jìn)植物生長(zhǎng),改善植物對(duì)磷、鋅、鈣、鎂等礦物質(zhì)營(yíng)養(yǎng)元素的吸收[23-24]。8月份和10月份接菌處理的黃花菜株高、冠幅均顯著高于對(duì)照組,對(duì)于黃花菜的生長(zhǎng)起到顯著的促進(jìn)作用,這可能是由于菌根菌絲擴(kuò)大了黃花菜根系與土壤的接觸面積,促進(jìn)了黃花菜根系對(duì)土壤中水分和礦物質(zhì)養(yǎng)分的吸收,長(zhǎng)勢(shì)明顯,與在采煤沉陷區(qū)接種AM真菌的沙蒿[25]、檸條[26]和紫穗槐[27]均表現(xiàn)出相同的生長(zhǎng)規(guī)律。

黃土丘陵土壤養(yǎng)分貧瘠,氣候干旱,采煤沉陷頻發(fā)又加劇了貧瘠及干旱等逆境脅迫。在土壤養(yǎng)分貧瘠、氣候干旱、入秋早溫差大的煤礦塌陷區(qū),接種AM真菌可以顯著提高寄主植物的抗旱寒性等逆境的適應(yīng)性,改善其品質(zhì)[28]。植物的抗旱能力與其體內(nèi)的可溶性糖含量密切相關(guān)[29],過氧化氫酶作為抗氧化劑,可為作物組織提供抗氧化防御能力[30]。接種叢枝菌根真菌顯著提高黃花菜葉片光合速率,可能是接種菌根激活了黃花菜葉片的氣孔開關(guān)[31],也可能是由于菌根菌絲加強(qiáng)了黃花菜根系對(duì)土壤中水分和其他礦物質(zhì)養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)運(yùn),使之有利于接菌組黃花菜葉片的氣體交換,從而提高植物葉片的光合速率[32]。接菌處理黃花菜葉片可溶性糖含量與過氧化氫酶含量均顯著高于對(duì)照處理,菌根貢獻(xiàn)率分別達(dá)到12%和79%,與前人的研究結(jié)果一致[33],可能是在土壤養(yǎng)分和水分貧瘠的采煤沉陷區(qū),菌根真菌可以通過增加宿主體內(nèi)的可溶性糖含量來降低滲透勢(shì),以維持植株體內(nèi)的水分含量[34]。說明在煤炭開采強(qiáng)烈干擾區(qū)接種真菌可以顯著提高黃花菜植株的可溶性糖與過氧化氫酶含量,從而增強(qiáng)黃花菜在干旱貧瘠地區(qū)的生長(zhǎng)適應(yīng)能力,提高品質(zhì)。

由于陜北黃土溝壑采煤沉陷區(qū)水土流失嚴(yán)重,土壤中普遍缺乏有機(jī)質(zhì)以及氮、磷、鉀等礦物質(zhì)元素[35]。接菌處理對(duì)黃花菜根際土壤的電導(dǎo)率值顯著高于對(duì)照組,顯著提高了黃花菜根際土壤的有機(jī)質(zhì)、堿解氮、速效鉀含量,這說明接種AM真菌改善了黃花菜根際土壤的微環(huán)境,促進(jìn)了根際土壤中礦物質(zhì)養(yǎng)分的活化,改良了土壤肥力,從而促進(jìn)黃花菜植株的生長(zhǎng)和根際微環(huán)境的改善。這對(duì)黃土溝壑采煤沉陷區(qū)受損的生態(tài)系統(tǒng)恢復(fù)到自然生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)具有重要的意義。這一結(jié)論與王瑾等[36]在神東采煤沉陷區(qū)利用紫穗槐接種叢枝菌根真菌促進(jìn)根際土壤的速效磷、堿解氮、有機(jī)質(zhì)含量等增加的規(guī)律一致。

土壤性狀改善反過來促進(jìn)了黃花菜根際土壤微生物群落的生長(zhǎng)和新陳代謝,土壤中微生物主要參與有機(jī)質(zhì)的分解、腐殖質(zhì)的形成、土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化等過程,土壤中的酶活性及土壤中微生物數(shù)量的變化不僅可以敏感地反映土壤質(zhì)量及其物質(zhì)代謝的旺盛程度[37-38],而且也是土壤生物活性的具體體現(xiàn)[39]。接種AM真菌顯著提高了黃花菜根際土壤中的真菌、放線菌、細(xì)菌及磷酸酶活性,表明AM真菌對(duì)刺激土壤中微生物的生長(zhǎng)有一定的促進(jìn)作用,與王瑾[33]和馬源[40]等研究結(jié)果類似。接菌后微生物數(shù)量及酶活性的增加,一定程度上反映了接菌區(qū)土壤質(zhì)量改善[41],這對(duì)于黃花菜根際土壤微生態(tài)環(huán)境的改良起到積極促進(jìn)作用,使得黃土溝壑采煤沉陷區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)具有向多樣性發(fā)展的潛力。