北電勝利煤礦排土場土壤AM真菌與土壤理化性狀相關(guān)性研究

包玉英,莫 莉，陳 金，王寶杰，張曉東，馬曉丹，戴雁峰

(1.內(nèi)蒙古大學 生命科學學院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021; 2.內(nèi)蒙古大學 牧草與特色作物生物技術(shù)教育部重點實驗室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

煤炭開采作為人類的生產(chǎn)活動，打破了生態(tài)系統(tǒng)原有的平衡和穩(wěn)定性。露天采煤嚴重地破壞了地表植被和土壤結(jié)構(gòu)，影響了土壤微生物群落[1-3];同時形成了不同時期土壤重構(gòu)的排土場景觀。與天然草原土壤相比，排土場的土壤結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和生物特性變化較大，影響著植物的建植、生存和生長，尤其是在干旱、半干旱生態(tài)脆弱區(qū)，影響較嚴重且不可逆[4]。因此，在煤炭生產(chǎn)的同時用不同的重建模式對礦區(qū)排土場進行植被恢復(fù)，并采用不同的管理措施，會造成不同時期的排土場植被演替進程和景觀的差異[5-6]。

叢枝菌根真菌(Arbuscularmycorrhizalfungi，AM fungi)是一種在自然界廣泛分布的土壤微生物，能夠與陸地上80%～90%的植物共生，形成互利共生體[7-8];許多研究證實AM真菌在特定棲息地或生態(tài)系統(tǒng)之間的種類豐富度和群落組成具有高度可變性[9]，而且，AMF能夠增強植物對磷(P)、鋅(Zn)、氮(N)和鐵(Fe)等低遷移率養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)移。另外接種AM真菌的研究表明，菌根能有效的促進植物生長[10]。同時AM真菌表現(xiàn)出增加土壤肥力、提高土壤酶活性等的重要作用[11]。AMF除了吸收礦物質(zhì)養(yǎng)分外，還能穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，使植物在干旱、鹽堿和有毒土壤等脅迫條件下生存[12]，影響土壤過程、植物多樣性和陸地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性[13]。因此，選擇露天采煤生產(chǎn)形成的排土場作為研究對象，探索排土場植物群落演替和土壤修復(fù)過程中AM種群的變化，不僅對排土場生態(tài)修復(fù)具有評判作用、而且對區(qū)域AM真菌資源的進一步開發(fā)利用產(chǎn)生積極的影響。

1 試驗區(qū)情況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林浩特市勝利煤田露天礦(東經(jīng)115.500°～116.433°，北緯43.950°～44.233°)南、北排土場及礦外原生草原[14]。礦外天然植被為大針茅(Stipagrandis)建群的典型草原群落;南排土場以人工種植的紫花苜蓿(Medicagosativa)建群、北排土場人工植被退化并以野生蒿屬(Artemisia)植物建群。

2 材料與方法

2.1 樣地及材料選擇

2017年7月對礦區(qū)內(nèi)南、北排土場頂盤和南坡平盤、礦外西線距離礦坑2 500 m的原生草原群落(對照)進行了植被調(diào)查和土壤樣品的采集。每個樣地分別選取3個1 m×1 m的樣方，采用生態(tài)學常規(guī)方法統(tǒng)計樣方內(nèi)植物的種類及數(shù)量見表1。5點取樣法采集0～30 cm土壤樣品1.5 kg，混合均勻置于無菌塑料袋內(nèi)，帶回實驗室，自然晾干，一部分用于AM真菌的分離篩選，一部分用于土壤理化性質(zhì)的測定。

2.2 測定方法

土壤理化性質(zhì)的測定，含水量采用烘干法，pH值采用玻璃電極法(土∶水=1∶2.5的比例混合)，速效磷、銨態(tài)氮和有效鉀用浙江托普云TPY-6PC土壤養(yǎng)分速測儀，全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法，全氮、全碳利用元素分析儀(Elementar Vario Macro Cube)進行測定。

表1 樣地信息
Table 1 Sample area information

樣地名稱樣地簡稱經(jīng)緯度植被蓋度/%主要種植物原生草原OG115.976°E,44.000°N45.24±0.31大針茅(Stipa grandis)、羊草(Leymus chinensis)、豬毛菜(Salsola collina)南排土場頂盤SP116.050°E,44.006°N27.78±0.65紫花苜蓿(Medicago sativa)、大針茅(Stipa gran-dis)、豬毛菜(Salsola collina)南排土場南側(cè)平盤SF116.054°E,44.000°N25.65±0.31紫花苜蓿(Medicago sativa)、大籽蒿(Artemisia siev-ersiana)、小葉錦雞兒(Caragana microphylla Lam)北排土場頂盤NP116.042°E,44.034°N20.26±0.21叢生隱子草(Cleistogenes caespitosa)、小葉錦雞兒(Caragana microphylla Lam)、大籽蒿(Artemisia siev-ersiana)北排土場南側(cè)平盤NF116.043°E,44.028°N10.62±0.81冰草(Agropyron cristatum)、大籽蒿(Artemisia siever-siana)、豬毛菜(Salsola collina)

土壤的過氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶等理化性質(zhì)采用蘇州科銘生物公司(Comin Biotechnology Co.,Ltd.,Suzhou,China)試劑盒進行測試。

采用濕篩傾注-蔗糖梯度離心法[15]對AM真菌孢子進行分離，采用透射法，使用Leica EZ4解剖鏡在25×視野下進行AM真菌孢子的初步分類與計數(shù)，并吸取孢子分別用PVLG和PVLG+Melzer’s試劑染色制片，用Leica DM5500B顯微鏡觀察和攝像。根據(jù)孢子的形態(tài)與組織化學特征，參照AM真菌分類鑒定手冊和新的分類系統(tǒng)進行種類的鑒定，并統(tǒng)計AM真菌孢子形態(tài)物種多樣性[16]。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel(2013版)對實驗數(shù)據(jù)進行初步統(tǒng)計分析;采用SPSS 20.5(SPSS Inc.,Armonk,NY,USA)單因素分析(One-way ANOVA)對植物物種多樣性、土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性及AM真菌多樣性進行組內(nèi)顯著性差異分析。采用冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)分析微生物與環(huán)境因子的關(guān)系，用CANOCO 5.0 軟件進行可視化[17]。

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 植物多樣性

對北電勝利煤電基地的5個樣地，通過樣方法進行植被調(diào)查，統(tǒng)計樣方內(nèi)每種植物(草本)的株數(shù)，植物多樣性采用香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(Shannon diversity index)表示，結(jié)果如圖1所示。樣地間植物多樣性的變化趨勢關(guān)系呈OG>SP>SF>NP>NF，其中原生草原樣地顯著高于南排土場樣地SP，SF(P<0.05)，南排土場樣地SP，SF顯著高于北排土場樣地NP，NF(P<0.05)。同時，排土場頂盤的植物多樣性高于南坡平盤，但沒有達到顯著差異水平(P>0.05)。結(jié)果表明，在北電勝利煤電基地排土場的植被修復(fù)過程中，采用適當?shù)娜斯す茏o(定期澆灌)比自然修復(fù)(沒有澆灌)的效果明顯，但擬達到自然演替的原生草原植物多樣性仍需要一定時期的變化過程。排土場定盤和平盤植物多樣性的差異可能與人為管護(灌溉)水平以及定盤更容易保存降雨，而南坡平盤更易水土流失有關(guān)[18]。

圖1 植被物種多樣性比較分析Fig.1 Comparative analysis of plant species diversity analysis of AMF relative abundance

3.2 AMF孢子的相對豐度

對采集的北電勝利煤電基地5個樣地的土壤，通過濕篩傾析法分離提取AMF的孢子，共篩選出24個種，并利用Pearson相關(guān)性系數(shù)進行關(guān)聯(lián)矩陣分析，結(jié)果如圖2所示。Glomusreticulatum、Septoglomusdeserticola分別以強優(yōu)勢種出現(xiàn)在不同的樣地中，而多數(shù)的AMF在各樣地中具有較低的豐度，Acaulosporasp1是內(nèi)蒙古草原廣泛分布的種類，出現(xiàn)在原生樣地中，但在排土場其孢子的數(shù)量和出現(xiàn)的頻度均較低;而Septoglomusdeserticola在原生樣地并不是優(yōu)勢的種類，但在排土場呈現(xiàn)出建群或優(yōu)勢種的趨勢。部分屬種表現(xiàn)出較強的樣地偏好性，Scutellosporacalospora最為典型，在SF中表現(xiàn)出最高的豐度。這些AMF種屬在不同樣地分布性的差異，可能與AMF對宿主植物的偏好性有關(guān)，盡管在自然生態(tài)系統(tǒng)中約80%以上的草本類植物與AM真菌共生，但對寄主植物有一定的選擇性[19]。排土場植被建設(shè)選取了易于人工種植和栽培的植物，通常不同于原生群落，因此導致排土場土壤AM真菌種類與原生群落之間的不同;另外排土場土壤性質(zhì)的變化可能影響土壤微生物或改變了土壤AM真菌群落的物種組成[20]。

圖2 AMF相對豐度關(guān)聯(lián)分析Fig.2 Separation frequency correlation between different sites

AMF孢子相對豐度的關(guān)聯(lián)矩陣分析顯示，OG和SP被聚類在一個簇上，SF和NP在一個簇上，說明OG與SP，SF與NP的AMF分布具有強關(guān)聯(lián)性，可能受群落的主要植物物種多樣性的影響(表1)。許多研究認為寄主植物與AMF是密切相關(guān)的[21]，探索寄主植物和AMF種類的相關(guān)性對揭示生物物種間的作用關(guān)系具有重要的理論意義[22-23]。

3.3 AMF孢子種類多樣性

土壤中AMF多樣性用香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(Shannon diversity index)表示，結(jié)果如圖3所示。研究樣地間AMF孢子多樣性的變化關(guān)系為OG>SP>SF>NP>NF，與植物多樣性的結(jié)果具有一致性，這與前人的研究結(jié)果相似[24]。北排土場在人工建成后放棄管護，導致了人工建植的植物種群成活率低、植物多樣性的降低;盡管自然演替植被恢復(fù)進程較慢，但一些原生植物種類如在退化草原出現(xiàn)的蒿類植物物種得到了的恢復(fù);引起了植物種群的競爭和群落組成的變化，使與植物共生的AMF孢子物種多樣性發(fā)生改變。排土場經(jīng)過人工植被建設(shè)后，土壤AMF的定殖增加，而且人工澆水管護條件下南排土場的AMF多樣性高于沒有管護的北排土場。可見人工澆灌更利于植物的定殖、水土保持，進而有利于植物根系共生的AMF的繁殖。

圖3 AMF多樣性比較分析Fig.3 Comparative analysis of AMF diversity

3.4 AMF與環(huán)境因子關(guān)聯(lián)分析

為了探究AMF與各環(huán)境因子之間的響應(yīng)關(guān)系，利用冗余分析Redundancy Analysis(RDA)進行約束性線性直接梯度排序，建立線性回歸模型，如圖4所示。第1軸解釋變量為37.81%，第2軸解釋變量為32.63%。各樣地均勻分布在各微生物與環(huán)境因子當中，它們之間的矩陣距離的結(jié)果與圖2一致，SF與NP，OG與SP分別緊密相關(guān)。植物多樣性、AMF多樣性及植物生物量呈顯著正相關(guān)，且大部分的環(huán)境因子(如AP，AN，TN，TC，ALP)都與它們緊密正相關(guān)，pH，AK，CAT與它們呈顯著負相關(guān)。AMF都緊密環(huán)繞在這些環(huán)境因子當中，說明AMF的豐度與土壤環(huán)境因子密切相關(guān)[25]。只有G.aggregatum與這些環(huán)境因子呈現(xiàn)較弱的相關(guān)性，說明該物種對環(huán)境變量不敏感，能較好的適應(yīng)各種環(huán)境。

4 結(jié) 論

(1)在北電-勝利煤電基地礦區(qū)，礦外自然草原群落的植物多樣性、植物群落蓋度及土壤AMF的多樣性高于排土場的人工植被，持續(xù)人工澆水管護的南排土場的高于近自然修復(fù)的北排土場。

(2)研究區(qū)土壤AMF多樣性不僅與植物多樣性和植物群落生物量顯著正相關(guān)，與環(huán)境因子AP,AN,TN,TC,ALP呈顯著正相關(guān)，與pH,AK,CAT呈顯著負相關(guān)。同時，人工建植及澆灌措施有利于排土場植被恢復(fù)及土壤AMF多樣性的增加。

因此，在露天煤礦排土場植被恢復(fù)演替與生態(tài)修復(fù)的進程中，采取人工建植并保持有效的管護措施是非常必要的，加強人工建植對礦區(qū)排土場土壤的修復(fù)作用、尤其是對土壤微生物種群多樣性變化的影響具有重要的恢復(fù)生態(tài)學理論意義。