生物炭和AM真菌提高礦區(qū)土壤養(yǎng)分有效性的機理

悅飛雪，李繼偉，王艷芳，石兆勇，劉 領*

（1 河南科技大學農學院，河南洛陽 471023；2 中國科學院水利部水土保持研究所/黃土高原土壤侵蝕和旱地農業(yè)國家重點實驗室，陜西楊凌 712100）

煤礦資源開采為人類生產和生活提供了非常重要的能源燃料，但在煤礦山開采過程中引發(fā)的環(huán)境污染和土壤退化問題，制約了區(qū)域社會經濟發(fā)展和農業(yè)發(fā)展的可持續(xù)性[1]。目前，中國大部分礦區(qū)周邊農田依然是糧食生產的重要組成部分，但煤礦開采活動不僅產生大量有害重金屬 (Pb、Cd、Cu等)，還會破壞土壤的深層儲水結構，使土壤中的養(yǎng)分和水分流失，微生物種群急劇減少，導致土壤退化，礦區(qū)農耕生產力下降[2]。土壤重金屬通過干擾細胞分裂間期蛋白質合成，導致有絲分裂停滯，根系生長緩慢，活力降低，從而影響作物對礦質養(yǎng)分和水分的吸收，限制作物生長[3]，重金屬還能夠進入生態(tài)系統(tǒng)并不斷擴散，被作物地上部分富集，破壞其光合系統(tǒng)，阻礙光合產物的運輸分配，最終使作物的產量和品質大大下降，經過食物鏈流入人體從而給人類健康帶來巨大的危害[2-3]。因此，尋找一種經濟有效措施修復礦區(qū)周邊污染退化土壤，保障礦區(qū)農田農產品安全迫在眉睫。

生物炭是生物質在缺氧條件下通過熱化學轉化產生的富炭物質，其來源廣泛[4]。生物炭施入土壤后能夠改變土壤的孔隙結構，使水分滯留時間、滲流模式及路徑增加，從而提高土壤的持水能力，減少養(yǎng)分淋失，從而促進作物生長[5]。研究表明，施用生物炭可以增加土壤酶活性，增強土壤微生物的代謝活動，從而間接反映出生物炭對土壤微生態(tài)的積極影響[6]。生物炭具有一定的離子交換能力，可以對營養(yǎng)元素 (如NO3--N、NH4+-N、PO43-) 吸附和截留，降低土壤中肥料養(yǎng)分的淋洗損失，延緩肥料養(yǎng)分在土壤中的釋放，增加土壤中養(yǎng)分的可利用性，同時生物炭的多孔結構不僅能夠吸附固定重金屬，還能夠為土壤微生物的繁殖提供附著位點，對土壤有益微生物起到很好的保護作用，從而增加微生物的多樣性[7]。

土壤微生物在土壤改良和土壤健康可持續(xù)發(fā)展中起著重要作用，在土壤有機質利用和養(yǎng)分活化中扮演著重要角色，是調配植物營養(yǎng)吸收的“營養(yǎng)師”[8]。叢枝菌根 (arbuscular mycorrhizal, AM) 真菌是一種能夠與80%以上的陸生植物形成共生體的根際微生物[9]。AM真菌能夠利用植物光合產物在土壤中形成根外菌絲，該菌絲體可為解磷細菌提供營養(yǎng)元素，促進解磷菌的生長，從而提高植物對磷的吸收[10]。有研究表明，AM真菌能夠通過菌絲體表面對重金屬離子的鈍化固定和體內結晶沉淀重金屬的解毒機制，提高宿主植物對重金屬的耐受性，減輕重金屬對植物生長造成的危害[11]。AM真菌能夠改善植物營養(yǎng)，提高植物抗逆性，改善土壤理化性質，提高土壤微生物群落多樣性，穩(wěn)定生態(tài)系統(tǒng)等多種生態(tài)效應，因此將菌根應用于礦區(qū)退化生態(tài)系統(tǒng)修復中具有巨大潛力[12]。

近年來，隨著國家生態(tài)保護的加大，煤礦數(shù)量的減少，礦區(qū)環(huán)境有所改善，但煤礦開采和尾礦帶來的環(huán)境污染問題不容小覷。目前生物炭和AM真菌單獨改善植物生長和污染土壤已有部分研究[4,10]，但二者聯(lián)合對礦區(qū)土壤改良的效果研究較少。本課題組前期研究結果表明，人工模擬重金屬Cd污染條件下生物炭和AM真菌結合能夠降低重金屬有效性，改善土壤環(huán)境，促進玉米生長[11]，那么二者對煤礦區(qū)污染退化土壤的改良效果如何，需進一步探究。因此，本研究以豫西煤礦區(qū)周邊常見農作物玉米為宿主，以礦區(qū)土壤為基質，研究施用生物炭和AM真菌對礦區(qū)污染土壤的玉米生長、生理特性、養(yǎng)分吸收和土壤有效養(yǎng)分活化的影響，為生物炭和AM真菌應用于礦區(qū)污染退化土壤修復提供一定的理論基礎，同時為生物炭-菌根混合制劑開發(fā)，建立“生物炭-菌根-植物”協(xié)同改良的速效模式，為土壤退化生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)發(fā)展提供理論基礎。

1 材料與方法

1.1 供試材料

試驗土壤采自河南省新安縣江春礦區(qū) (34°40′8″N、112°9′52″E)，土壤類型為棕壤，江春煤礦成立于1997年，已于2012年停產。利用5點混合的方式采集0—20 cm表層土，按四分法棄去多余土樣。土樣自然風干，過1.7 mm (10目) 的篩子去除顆粒較大的石礫和植物殘體等雜物，再過0.15 mm (100目) 篩，用于基本理化性質測定。土壤基本理化性質：pH為7.83，有機質含量為5.77 g/kg，全氮含量為1.35 g/kg，有效磷3.63 mg/kg，速效鉀104 mg/kg。供試土壤中重金屬Pb、Cd、Cu、Zn含量分別為781 mg/kg、8.26 mg/kg、207 mg/kg、401 mg/kg，分別是GB15618—1995《土壤環(huán)境質量標準》中標準限值的2.23、13.8、2.07、1.34倍。供試玉米品種為“弘單897”。試驗菌劑由中國農業(yè)大學提供的混合菌根菌劑 (Glomus intraradicesBEG 141和168)。菌根菌劑使用前以滅菌河沙為基質，蘇丹草 (Sorghum sudanese) 為宿主擴繁培養(yǎng)，將含有寄主植物根段、相應菌根真菌孢子及根外菌絲體的根際土壤作為接種劑。供試生物炭材料為河南商丘三利新能源有限公司生產的小麥秸稈生物炭 (小麥秸稈于450℃條件下限氧熱裂解制成)，pH為10.4，比表面積為8.92 m2/g，含全碳52.2%、全氮5.90 g/kg、全磷0.890 g/kg、全鉀23.2 g/kg。

1.2 試驗設計

試驗設計4個處理，分別為對照 (CK)、添加生物炭 (B)、接種AM真菌 (M)、添加生物炭和接種AM真菌 (BM)，每個處理8次重復，共32盆。

試驗于2017年7月至9月在河南科技大學開元校區(qū)溫室中進行。將生物炭或AM菌劑處理的土壤混合均勻裝入塑料桶中 (桶口直徑22 cm、高24 cm)，生物炭、AM菌劑添加量均為20 g/kg，CK和B處理添加同等質量滅菌AM菌劑 (121℃下蒸汽滅菌2 h)，保持各處理每盆重量一致，每盆凈重5 kg。于2017年7月10日播種玉米種子，每盆預先播種4粒，待出苗后每盆定苗2株，每隔2 d用稱重法加入去離子水補充水分，控制土壤含水量為田間最大持水量的70%，期間不進行肥料投入。玉米播種后45 d選擇各處理中的4個重復，測定玉米的葉片SPAD值、光合特性和抗氧化酶活性，其余4個重復于生長60 d后收獲，將地上部和根部分開取樣、洗凈、擦干，測定生物量和根系指標。采集玉米幼嫩細根 (直徑≤2 mm)，染色觀察計算菌根侵染率。根際土壤采用抖落法，抖落根系上的大土塊，剩下粘在根系上的土用刷子刷下來。土壤樣品風干后混合均勻，研磨，過1.7 mm 篩，待測。

1.3 測定項目與方法

1.3.1 生物量和根系指標 玉米地上部和根部取樣后洗凈用濾紙吸干，稱取鮮重，用根系掃描儀(Epson Expression 1680 Scanner, Seiko Epson Corp.,Tokyo, Japan) 掃描根系形態(tài)，WinRHIZO根系分析系統(tǒng) (Regent Instruments Inc., Quebec, Canada) 進行分析，然后放入烘箱中，先在105℃殺青30 min，再在75℃烘干48 h，分別稱取干物質生物量，計算干重。

1.3.2 光合特性指標 1) 葉色值 (SPAD值)：玉米生長45 d后，采用SPAD-502葉綠素測定儀 (WALZ,Erlangen, Germany) 分別測定葉片SPAD值，每盆每株測定5個葉片，每個葉片測定3次。2) 光合特性：于晴天上午9: 00-11: 00采用LI-6400XT便攜式光合測定系統(tǒng) (LI-COR，美國)，選取功能盛期葉片來測定光合指標，包括凈光合速率 (net photosynthetic rate,Pn)、蒸騰速率 (transpiration rate,Tr)、氣孔導度(stomatal conductance,Gs)。每個葉片測定10次，最后取其平均值。測定光照強度為1200 μmol/(m2·s)。

1.3.3 丙二醛含量和抗氧化酶活性 取0.5 g新鮮葉片，加液氮充分研磨后，用2 mL 10%三氯乙酸溶液提取丙二醛。加入2 mL含1% PVP的0.1 mol/mL磷酸緩沖液 (pH 5.5～8.8)，于4℃下10000 ×g離心20 min，所得上清液即為酶的粗提液[13]。

丙二醛 (malondiadehyde，MDA) 含量和抗氧化酶活性具體方法參照張蜀秋主編的《植物生理學實驗指導》[14]。MDA含量測定采用硫代巴比妥酸(TBA) 法；超氧化物歧化酶 (superoxide dismutase，SOD) 測定采用氮藍四唑還原法；過氧化物酶(peroxidase，POD) 測定采用愈創(chuàng)木酚法；過氧化氫酶 (catalase，CAT) 活性采用紫外吸收法測定。

1.3.4 玉米養(yǎng)分 氮、磷、鉀含量測定參照鮑士旦[15]的方法：準確稱取0.5000 g植株干樣，H2SO4-H2O2消煮，全氮含量采用凱氏定氮法測定，全磷含量采用鉬銻抗比色法測定，全鉀含量采用火焰光度法測定。

1.3.5 菌根侵染率 取新鮮幼嫩細根 (直徑≤2 mm)，剪成1 cm根段，每株隨機剪取50條大小、規(guī)格相似的根段。根樣經10% KOH消煮后，用藍墨水染色液染色，清水浸泡脫色后使用顯微鏡 (100 ×) 觀察叢枝菌根侵染狀況，使用方格十字交叉法計算菌根侵染率[16]。

1.3.6 土壤有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量

測定參照鮑士旦[15]的方法，土壤有機質含量采用重鉻酸鉀-外加熱法 (K2Cr2O7-H2SO4法) 測定，土壤堿解氮含量采用堿解擴散法測定，土壤有效磷采用NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法測定，速效鉀采用NH4OAc浸提—火焰光度法測定。

1.3.7 總球囊霉素 (total glomalin，TG) 和易提取球囊霉素 (easy extractive glomalin，EEG) 提取和測定依據(jù)李少朋等[17]的方法。取土樣1.00 g于帶刻度離心管中，加入8 mL檸檬酸鈉浸提劑 (20 mmol/L、pH值7.0)，加蓋搖勻，在103 kPa、121℃下提取30 min，10000 ×g下離心6 min，收集上清液，用于測定易提取球囊霉素。稱取土樣1.00 g于帶刻度離心管中，加入8 mL檸檬酸鈉浸提劑 (50 mmol/L、pH值8.0)，加蓋搖勻，在103 kPa、121℃下提取60 min，10000 ×g下離心6 min，移走棕紅色上清液后，再加入8 mL檸檬酸鈉浸提液，同上條件提取離心并移走上清液，重復操作，連續(xù)提取，直至上清液不再呈現(xiàn)球囊霉素的棕紅色為止，收集上清液，4℃保存，用于測定總球囊霉素。

分別吸取0.5 mL的上清液，加入5 mL考馬斯亮藍G-250染色劑 (使用之前過濾)，加蓋、震蕩、顯色10 min，于595 nm波長下比色。用牛血清白蛋白 (BSA) 作標準液，考馬斯亮藍法顯色，繪制標準曲線，以1.00 g土壤中蛋白質的微克數(shù)表示球囊霉素相關土壤蛋白的含量。

1.3.8 菌絲密度 菌絲密度使用網格交叉法測定[18]。

1.3.9 土壤pH值 采用pH計 (上海精密科學儀器有限公司，雷磁pHS-3C) 進行測定，土水比為1∶2.5。

1.4 數(shù)據(jù)處理和分析

試驗數(shù)據(jù)基礎分析采用Excel 2007，處理間多重比較采用SPSS 17.0，作圖采用Origin 9.0。

2 結果與分析

2.1 生物炭與AM真菌對玉米生物量的影響

由圖1可知，添加生物炭和接種AM真菌處理顯著提高玉米根系 (圖1-A) 和地上部分 (圖1-B) 生物量 (P＜ 0.05)。接種AM真菌處理比添加生物炭處理對促進根系生長的效果好，但添加生物炭和接種AM真菌處理間對地上部生物量的影響無顯著差異(P＞ 0.05)。生物炭和AM真菌復合處理對提高玉米根系和地上部生物量效果最佳。與對照相比，BM處理的根部和地上部干重分別增加了177%和45.8%。

圖 1 玉米根部和地上部生物量Fig. 1 The root and shoot dry weight of maize

2.2 生物炭與AM真菌對玉米根系生長的影響

由表1可知，與對照相比，添加生物炭和接種AM真菌處理顯著促進玉米根系生長，且不同處理差異顯著 (P＜ 0.05)，表現(xiàn)為 BM ＞ M ＞ B ＞ CK。接種AM真菌處理比添加生物炭處理對促進根系生長的效果好。生物炭和AM真菌聯(lián)合處理對玉米根系生長效果最佳，與對照相比，BM處理的總根長、根表面積、根直徑、根體積分別增加了84.2%、62.8%、245%、270%。說明生物炭和AM真菌聯(lián)合處理能夠較好改善根系環(huán)境，促進玉米對營養(yǎng)物質的吸收，有利于玉米生長。

2.3 生物炭與AM真菌對玉米光合特性的影響

由表2可見，施用生物炭和接種AM真菌不同處理可提高玉米的光合能力。生物炭和AM真菌聯(lián)合處理玉米的凈光合速率、蒸騰速率、葉色值高于生物炭和AM真菌單獨處理，且差異性顯著 (P＜0.05)。B和M處理間在提高凈光合速率、氣孔導度、葉色值方面無顯著差異 (P＞ 0.05)。施用生物炭和接種AM真菌聯(lián)合處理對提高玉米葉片光合能力效果最好，玉米葉片凈光合速率 (Pn)、蒸騰速率(Tr)、氣孔導度 (Gs) 分別較對照提高35.4%、56.4%、88.3%。BM處理玉米葉片SPAD值為39.16，比CK高出22.8%。在礦區(qū)土壤中施加生物炭和接種AM真菌有利于玉米的生長和光合作用的進行。

2.4 生物炭與AM真菌對玉米抗氧化酶活性的影響

由圖2-A可知，與對照相比，施用生物炭和接種AM真菌不同處理顯著降低玉米葉片的MDA含量 (P＜ 0.05)，玉米葉片的MDA含量分別較對照降低29.8%、29.7%和28.9%，但BM、M和B處理間無顯著差異 (P＞ 0.05)。

與對照相比，施用生物炭和接種AM真菌處理顯著增加玉米葉片的SOD(圖2-B)、POD(圖2-C)、CAT(圖 2-D) 活性，均表現(xiàn)為 BM ＞ M ＞ B ＞ CK。其中，BM、B和M三個處理間SOD活性未達到顯著差異 (P＞ 0.05)；B、M兩個處理間POD活性無顯著差異 (P＞ 0.05)，而與BM處理間差異顯著 (P＜0.05)；B、M和BM三個處理間CAT活性差異顯著 (P＜0.05)。BM處理分別較對照提高玉米葉片SOD、POD、CAT活性60.5%、47.9%、111%；綜合來看，接種AM真菌處理對提高玉米葉片抗氧化酶活性優(yōu)于生物炭處理，兩者結合對提高玉米葉片抗氧化能力最佳，更有利于玉米的生長。

表1 不同處理的玉米根系特征Table 1 Root characteristics of maize in different treatments

表2 不同處理的玉米葉片光合特性Table 2 Photosynthetic characteristics of maize leaves in different treatments

圖 2 不同處理的玉米葉片MDA含量和抗氧化酶活性Fig. 2 MDA contents and antioxidant enzyme activities in maize leaves under different treatments

2.5 生物炭與AM真菌對玉米養(yǎng)分吸收的影響

施用生物炭和接種AM真菌處理顯著增加玉米地上部分和根部N、P、K含量 (表3)。N、P、K是玉米生長的必需元素，無論處理組還是對照組，玉米地上部N、P、K含量均高于根部，但處理組的N、P、K含量顯著高于對照組 (P＜ 0.05)。B和M處理玉米地上部和根部N含量無顯著差異，對于P元素來說接種AM真菌處理效果優(yōu)于生物炭處理，但對于K元素來說生物炭處理效果明顯優(yōu)于接種AM真菌處理。BM處理對提高玉米植株中N、P、K含量效果最佳，玉米地上部分N、P、K含量分別較對照提高33.4%、61.0%和93.9%。說明生物炭和AM真菌均能提高玉米組織中N、P、K含量，其中AM真菌處理促進玉米P的吸收的效果優(yōu)于生物炭處理，生物炭處理促進玉米對K的吸收的效果較好，以二者結合對促進玉米N、P、K吸收的效果最好。

2.6 生物炭與AM真菌對礦區(qū)土壤指標的影響

由表4可知，施用生物炭和接種AM真菌處理對礦區(qū)土壤指標有良好的改善效果。生物炭處理菌根侵染率顯著高于對照組 (P＜ 0.05)，說明生物炭能夠促進土著菌根對玉米的侵染。接種AM真菌對玉米根系有良好的侵染效果，其侵染率高達40.4%，說明AM真菌與玉米根系能夠建立較好的共生關系。施用生物炭與接種AM真菌聯(lián)合處理菌根侵染效果最佳，侵染率為50.2%，較對照提高234%。生物炭處理對菌絲密度無顯著影響 (P＞ 0.05)，M、BM處理均顯著增加菌絲密度 (P＜ 0.05)，BM處理菌絲密度可達到4.37 m/g。B、M、BM處理均顯著提高土壤總球囊霉素、易提取球囊霉素和有機質含量，均表現(xiàn)為：BM ＞ M ＞ B ＞ CK。接種 AM 真菌對提高菌根侵染率、菌絲密度、總球囊霉素、易提取球囊霉素和有機質含量效果優(yōu)于生物炭，而生物炭和AM真菌復合處理效果最佳。

與對照相比，B、BM處理顯著提高土壤pH值(P＜ 0.05)，而M處理對土壤pH值無顯著影響 (P＞0.05)；BM處理下的土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量分別較對照顯著提高43.3%、98.6%和33.9%(P＜0.05)；B、M處理間對土壤堿解氮含量影響無顯著差異 (P＞ 0.05)，B和BM處理土壤速效鉀含量無顯著差異 (P＞ 0.05)，B、M、BM處理土壤有效磷含量差異顯著 (P＜ 0.05)，其效果順序為 BM ＞ M ＞ B。

3 討論

煤礦在開采過程中產生的廢棄物和地表結構的毀壞對生態(tài)環(huán)境造成嚴重的危害，其煤礦開采帶來的土壤重金屬污染使作物的生長受阻，從而導致礦區(qū)作物的產量和品質下降[19]。本研究中礦區(qū)土壤中重金屬Pb、Cd、Cu、Zn含量分別是國家標準的2.23、13.77、2.07、1.34倍，玉米生長受到多種重金屬脅迫。根系是植物從土壤中吸收營養(yǎng)和水分的主要器官，其分布特征和發(fā)育狀況直接影響地上部的生長[20]。本研究表明，施用生物炭和接種AM真菌能夠提高玉米根部和地上部生物量，改善玉米根系形態(tài)，增加根長、根直徑、根體積、根表面積，提高玉米對養(yǎng)分的吸收，從而緩解礦區(qū)污染土壤對玉米根系生長的阻礙作用。這與Prendergast-Miller等[21]研究的生物炭施入土壤能夠提高土壤的持水性，促進植物根系生長的結果一致。但與李瑞霞等[22]研究的施用生物炭對小麥成熟期的總根長和根粗無影響的結果不同。這可能與試驗材料、土壤類型、生物炭類型及生物炭用量不同有關。

表3 不同處理的玉米地上部和根部養(yǎng)分含量 (g/kg)Table 3 Nutrient contents in shoot and root of maize under different treatments

表4 生物炭和AM真菌處理的礦區(qū)土壤測定指標值Table 4 Values of tested indicators in soil of coal mine area under different biochar and AM fungi treatments

玉米吸收的重金屬離子可取代葉綠體中的Mg2+和Fe2+，破壞葉綠體結構，電子傳遞受阻，玉米的光合能力降低，有機物積累減少，且玉米吸收重金屬離子導致體內活性氧增多，細胞膜結構遭到破壞，細胞內的物質轉運及蛋白質合成受阻，減緩了細胞分裂的進程，從而抑制植物的生長[23]。葉色值是玉米葉片葉綠素含量的直觀表現(xiàn)，而葉片的葉綠素含量與光合速率密切相關[24]。MDA是衡量植物細胞膜脂過氧化程度的常用指標，它的產生加劇膜的損傷，而SOD、POD、CAT是細胞保護酶，能夠清除活性氧自由基，減輕植物細胞膜脂過氧化程度，促進植物生長[25]。本研究發(fā)現(xiàn)，施用生物炭和AM真菌能夠提高玉米葉片SPAD值，增加凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度和抗氧化酶活性，降低MDA含量。這可能是由于生物炭能夠將土壤中的重金屬離子由有效態(tài)轉化為殘渣態(tài)，抑制重金屬離子向地上部轉運，而AM真菌體內存在重金屬結合位點，使重金屬聚集在AM真菌體內，對重金屬有“過濾”作用，從而減輕土壤重金屬對玉米葉片光合結構造成的損傷和細胞膜脂過氧化程度，提高光能轉化效率，保證植物光合作用的正常進行[11,23]。這與李繼偉等[13]研究的施用生物炭和接種AM真菌能提高Cd脅迫下玉米的光合特性和抗氧化酶活性和王志剛等[10]研究的AM真菌能提高4種礦區(qū)復墾植物的光合能力和抗逆性的結果一致。

氮、磷、鉀是植物在生長過程中必需的三大營養(yǎng)元素，在植物的生長發(fā)育及產量品質形成過程中有著極其關鍵的作用[26]。對于礦區(qū)土壤來說，煤礦的開采導致土壤養(yǎng)分流失嚴重，加之土壤重金屬對植物根系的傷害造成植物吸收養(yǎng)分十分困難，因此提高養(yǎng)分的利用對農作物的生長發(fā)育具有重要意義。本研究表明，在礦區(qū)退化土壤中施用生物炭和接種AM真菌對玉米植株N、P和K吸收具有明顯的改善作用，其中接種AM真菌對玉米P吸收改善作用尤為顯著，施用生物炭對提高玉米K吸收效果明顯，而接種AM真菌對提高K吸收效果較小。施用生物炭和接種AM真菌能提高玉米地上部分和根部N含量。這可能是因為生物炭自身富含一定量的礦物質養(yǎng)分 (如K、Mg、Ca等)，特別是鉀含量較高，其微孔結構和表面的羧酸基和酚基官能團對銨態(tài)氮和可溶性有機氮具有良好的吸附作用，從而減少養(yǎng)分淋失，提高土壤養(yǎng)分吸持容量，對礦質養(yǎng)分起到緩釋效果，提高養(yǎng)分利用率[27]。接種AM真菌能夠與玉米根系建立良好的共生關系，根外菌絲增加了玉米根系與土壤的接觸面積，從而使根系容易從土壤中獲取更多養(yǎng)分，同時根外菌絲體提高解磷細菌的活性，促進玉米對P的吸收[28]。

菌絲密度越大說明根外菌絲的分枝能力越強，從而增加了根系吸收的表面積，可間接反映了玉米吸收水分和養(yǎng)分的能力[17]。本研究表明，施用生物炭和AM真菌能夠提高玉米的菌根侵染率和菌絲密度，提高土壤有機質含量和球囊霉素含量，生物炭和AM真菌聯(lián)合施用時菌根侵染率和菌絲密度達到最大，這可能是由于生物炭改變了土壤的微環(huán)境，有利于AM真菌對玉米根系的侵染和生長[29]。球囊霉素是AM真菌分泌的一種特殊的糖蛋白，能夠為退化土壤提供部分碳源，改善土壤團聚體，與土壤的抗侵蝕能力和水穩(wěn)性密切相關，還能夠在植物-菌絲界面與重金屬離子結合固定重金屬，減少植物對重金屬的吸收[30]。本研究發(fā)現(xiàn)，施加生物炭和接種AM真菌處理總球囊霉素和易提取球囊霉素含量都顯著增加，而二者聯(lián)合處理總球囊霉素和易提取球囊霉素含量最大。這可能是因為生物炭為AM真菌提供了生存和繁殖所需的碳氮來源，有利于AM真菌與植物建立良好的共生關系，增加球囊霉素含量[31]。這與李少朋等[32]研究的干旱條件下接種叢枝菌根真菌能顯著提高玉米根際球囊霉素和有機質的含量結果一致。有機質是土壤的重要組成部分，可以促進土壤結構形成，改善土壤物理性質，改變土壤孔隙度，提高土壤蓄水能力[33]。本研究表明，施加生物炭顯著提高土壤pH值，增加土壤有機質含量，這可能與生物炭自身呈堿性和碳含量較高有關。另外，生物炭擁有較大的表面能和較強的吸附性，能夠吸附土壤有機分子，促進小的有機分子聚合形成土壤有機質，還可通過增加土壤微生物數(shù)量來增加土壤有機質含量，而AM真菌利用可溶性有機碳等作為碳源，加速了有機態(tài)養(yǎng)分的分解釋放，從而增加土壤有機質含量[34-35]。氮、磷、鉀含量是影響土壤質量、反映土壤養(yǎng)分供給的重要指標。施加生物炭和接種AM真菌顯著提高玉米根際土壤的堿解氮、有效磷、速效鉀含量，說明生物炭和AM真菌改善了土壤的微環(huán)境，促進了根際土壤中礦物質養(yǎng)分的活化，提高了土壤肥力，從而促進玉米的生長。由此可見，生物炭和AM真菌有利于礦區(qū)土壤的改良和培肥，對煤礦區(qū)受損的生態(tài)系統(tǒng)恢復具有重要意義。

本研究還發(fā)現(xiàn)，施用生物炭和接種AM真菌聯(lián)合處理對促進玉米生長、提高抗氧化能力和礦區(qū)土壤改良效應最佳，原因可能是：1) 生物炭和AM真菌分泌的有機酸都能夠吸附固定重金屬，降低重金屬的有效性，從而減少重金屬對根系的損傷，且生物炭對微生物分解礦質養(yǎng)分和分泌多糖物質有促進作用，多糖物質有利于土壤團聚體的形成和穩(wěn)定，從而影響土壤的水熱氣透性，有利于AM真菌與根系建立共生關系，為根系的生長創(chuàng)造良好的生長微環(huán)境[13]；2) 生物炭的多孔結構為AM真菌提供良好的棲息場所，通過調節(jié)植物-真菌信號物質來影響AM真菌的萌發(fā)和菌絲的分枝生長[35-36]；3) 生物炭可能通過提高土壤中的解磷細菌活性，間接促進AM真菌的生長，從而有利于AM真菌發(fā)揮其生態(tài)功能[37]。

4 結論

煤礦區(qū)土壤施用生物炭和接種AM真菌能提高玉米根部和地上部生物量、葉片凈光合速率、蒸騰速率、氣孔導度、葉色值和抗氧化酶活性，降低MDA含量，能夠有效緩解煤礦區(qū)污染土壤對玉米生長的阻礙作用，從而提高玉米的抗性。施用生物炭和AM真菌可提高玉米植株氮、磷、鉀含量，其中施用生物炭對提高玉米鉀含量效果優(yōu)于接種AM真菌，而接種AM真菌對提高玉米P含量的效果優(yōu)于施用生物炭。施用生物炭顯著提高了土壤pH值，而接種AM真菌對土壤pH值無顯著影響。施用生物炭和接種AM真菌可顯著提高玉米的菌根侵染率，增加土壤菌絲密度、總球囊霉素、易提取球囊霉素、

有機質、堿解氮、有效磷、速效鉀含量。綜合而言，施用生物炭和接種AM真菌聯(lián)合處理具有明顯的協(xié)同作用，對促進玉米生長，改善玉米生理特性，提高植株養(yǎng)分含量和土壤改良效果最佳，有利于礦區(qū)土壤的生態(tài)恢復和可持續(xù)發(fā)展，但關于施加生物炭和接種AM真菌協(xié)同作用的分子機制尚不清楚，今后還需從分子水平出發(fā)，進一步解釋二者協(xié)同作用對促進玉米生長和礦區(qū)污染土壤改良的內在機制。