礦區(qū)土接種AMF和根瘤菌對紫花苜蓿及土壤氮磷的影響

田 超，李 倩，許慶方 ，郝鮮俊 ，高文俊

（1.山西農(nóng)業(yè)大學動物科技學院，山西太谷030801；2.山西農(nóng)業(yè)大學資源環(huán)境學院，山西太谷030801）

我國是世界最大的煤炭生產(chǎn)國和消費國，因采煤已形成了約200萬hm2的采煤塌陷區(qū)，而且仍以每年約7萬hm2的速度在增加[1]。山西作為我國煤炭大省，因煤炭開采造成地面塌陷面積達6.7萬hm2[2]。礦區(qū)土壤由于長期受到機械擾動并且缺少植被覆蓋，導致土壤養(yǎng)分含量低、土壤結(jié)構(gòu)性差[3]。因此，煤礦塌陷區(qū)的綜合治理極其重要，且迫在眉睫[4]。

AMF可以通過其分泌物及龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)促進植株生長和營養(yǎng)吸收，尤其能促進植物對磷的吸收，對貧瘠土壤修復效果更為顯著[5-7]。目前，關(guān)于大田利用微生物修復技術(shù)改善土壤微生態(tài)環(huán)境，提升土壤肥力已有大量研究[8-10]，而在礦區(qū)土壤上運用生物技術(shù)進行生態(tài)修復也逐漸成為目前的研究熱點。對植物進行AMF和根瘤菌雙接種，較單接種和不接種更有利于植物生長，二者可起到協(xié)同促進作用[11]。有研究表明[12-13]，通過AMF和根瘤菌雙接種提高了紫花苜蓿的耐鹽堿能力，減輕了鹽堿脅迫對苜蓿的傷害。劉磊[14]研究證實，通過AMF和根瘤菌雙接種可以提高紫花苜蓿對重金屬污染土壤的耐受能力，從而有效改良礦區(qū)重金屬污染土壤。李淑敏等[15]通過間作盆栽大豆玉米進行AMF和根瘤菌雙接種試驗，結(jié)果表明，雙接種可提高植物生物量和含氮量。目前，AMF和根瘤菌雙接種研究多見于抗性及受重金屬污染地區(qū)，而對煤礦塌陷區(qū)種植牧草進行AMF和根瘤菌雙接種，以提高礦區(qū)土壤肥力還鮮有報道。

紫花苜蓿（Medicago sativa）具有抗旱性、耐鹽堿性，被作為優(yōu)良牧草廣泛種植[16]；同時，其還可有效固氮，提高土壤養(yǎng)分，常常被用在干旱和貧瘠土壤中的環(huán)境修復[17]，也是礦區(qū)土壤復墾和植被恢復中不錯的選擇之一。

本試驗通過研究接種AMF和根瘤菌，探討不同接種處理對苜蓿氮磷吸收能力及礦區(qū)土壤養(yǎng)分含量的影響，以期為提升礦區(qū)土壤肥力、促進礦區(qū)生態(tài)恢復提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自山西省介休市連福鎮(zhèn)金山坡煤礦塌陷區(qū)。該區(qū)土壤全氮0.11 g/kg、全磷0.06 g/kg、有效磷11.35 mg/kg、有機質(zhì)17.89 g/kg，pH值8.43。土壤采集風干后過2 mm篩，進行高溫滅菌。

供試苜蓿品種為中苜一號，購于中國農(nóng)業(yè)科學院畜牧研究所。

供試AMF菌種為摩西球囊霉（Glomus mosseae，Gm），購于北京市農(nóng)林科學院BGC菌種庫；根瘤菌（Rhizobium，V）購于克勞沃（北京）生態(tài)科技有限公司。

1.2 試驗方法

試驗在山西農(nóng)業(yè)大學動物科技學院草學智能溫室中進行，溫室平均溫度為14～29℃，相對濕度為65%～80%。

試驗處理列于表1。每盆裝6 kg風干土，每個處理4次重復。其中，單接種處理加菌劑100 g/盆；雙接種處理加2種菌劑各50 g/盆及50 mL/盆接種劑的濾液；不接種處理對照，每盆加等體積無菌液體培養(yǎng)基；自然土對照不進行任何處理。每盆均勻播種15粒，出苗7 d后統(tǒng)一間苗為10株。

表1 試驗處理

1.3 測定項目及方法

于苜蓿盛花期收獲，取地上部植株于105℃烘箱殺青30 min，后在65℃烘干至恒質(zhì)量，測定植株的氮、磷含量[18]和硝酸還原酶活性[19]。取根際土壤樣品陰干后過2 mm篩，測定土壤有效氮含量[18]、有效磷含量[18]和堿性磷酸酶活性[20]。

1.4 數(shù)據(jù)分析

采用SPSS 24.0軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用Microsoft Excel 2013軟件作圖。

2 結(jié)果與分析

2.1 接種AMF和根瘤菌對苜蓿氮、磷含量的影響

2.1.1 接種AMF和根瘤菌對苜蓿氮含量的影響圖1結(jié)果表明，不同處理對苜蓿氮含量的影響大小為Gm＋V＞V＞Gm＞R＞CK。其中，CK的氮含量最低，僅為1.13%，R處理的氮含量為1.19%，Gm＋V處理的氮含量最高，為2.34%，較CK和R分別顯著提高了107.1%和96.6%；接種處理氮含量均顯著高于未接種處理（P＜0.05），且雙接種Gm＋V處理氮含量顯著高于單接種Gm和V處理（P＜0.05），CK和R之間的氮含量差異也達顯著水平（P＜0.05）。表明雙接種處理更能促進苜蓿對氮的吸收。

2.1.2 接種AMF和根瘤菌對苜蓿磷含量的影響

由圖2可知，不同處理對苜蓿磷含量的影響大小為Gm＋V＞Gm＞V＞CK＞R。其中，R處理的苜蓿磷含量最低，僅為0.46%，Gm＋V處理的苜蓿磷含量最高，為0.84%，較CK提高了82.6%；接種處理較未接種處理更能提升苜蓿的磷含量（P＜0.05），雙接種處理與接種AMF的Gm處理的磷含量間無顯著差異（P＞0.05），但二者顯著高于接種根瘤菌的V處理（P＜0.05），未接種處理CK和R的磷含量間無顯著差異（P＞0.05）。可能是因為在未接種狀態(tài)下，苜蓿對磷元素的吸收困難，生長受到抑制，在雙接種AMF和根瘤菌狀態(tài)下，二者協(xié)同促進了苜蓿生長。

2.2 接種AMF和根瘤菌對礦區(qū)土壤氮、磷含量的影響

2.2.1 接種AMF和根瘤菌對礦區(qū)土壤有效氮含量的影響 由圖3可知，不同處理對土壤有效氮含量的影響大小為Gm＋V＞V＞Gm＞R＞CK。其中，雙接種處理與單接種根瘤菌的V處理間土壤有效氮含量差異不顯著（P＞0.05），但其顯著高于單接種Gm處理（P＜0.05），單接種的Gm和V處理間差異不顯著（P＞0.05），說明接種AMF能提高根瘤菌的固氮能力；CK和R間差異不顯著（P＞0.05）。

2.2.2 接種AMF和根瘤菌對礦區(qū)土壤有效磷含量的影響 接種AMF和根瘤菌對礦區(qū)土壤有效磷含量的影響如圖4所示。

由圖4可知，不同處理對土壤有效磷含量的影響大小為Gm＋V＞Gm＞V＞R＞CK。其中，接種處理的土壤有效磷含量均顯著高于CK處理（P＜0.05），為CK的1.2～1.9倍；雙接種處理較單接種處理更有利于土壤有效磷的吸收（P＜0.05），且Gm處理土壤有效磷含量顯著高于V處理（P＜0.05）。說明礦區(qū)土壤磷含量低，接種根瘤菌會不同程度影響苜蓿及AMF的生長發(fā)育，CK和R處理間存在差異，但不顯著，說明植株在未接種狀態(tài)依靠自身能力較難提高土壤磷含量。

2.3 接種AMF和根瘤菌對苜蓿和礦區(qū)土壤酶活性的影響

2.3.1 接種AMF和根瘤菌對礦區(qū)土壤堿性磷酸酶活性的影響 如圖5所示，不同處理對土壤堿性磷酸酶活性影響大小為Gm＋V＞Gm＞V＞R＞CK。其中，接種處理較CK處理更能提高土壤堿性磷酸酶活性（P＜0.05），是CK的1.14～2.39倍；堿性磷酸酶活性的大小可以反映AMF的活性，且無論是單接種還是雙接種，接種AMF處理的土壤堿性磷酸酶活性均顯著高于接種根瘤菌和不接種處理。

2.3.2 接種AMF和根瘤菌對礦區(qū)苜蓿硝酸還原酶活性的影響 接種AMF和根瘤菌對礦區(qū)苜蓿硝酸還原酶活性的影響如圖6所示。

由圖6可知，不同處理對苜蓿硝酸還原酶活性影響大小為Gm＋V＞Gm＞V＞R＞CK。其中，雙接種處理較單接種處理更有利于提升苜蓿硝酸還原酶活性（P＜0.05），而單接種Gm和V處理間差異不顯著（P＞0.05）。說明接種AMF和根瘤菌會不同程度影響苜蓿氮代謝酶活性，且雙接種的協(xié)同作用更有效。CK和R處理間差異不顯著（P＞0.05），說明自然土中基本沒有影響植物氮代謝酶活性的菌群。

3 討論

3.1 礦區(qū)土壤接種AMF和根瘤菌對苜蓿氮、磷含量的影響

大量研究表明，根瘤菌通過固氮可為植株生長提供氮源，而叢枝菌根真菌為其提供有效磷，能顯著提高植株的固氮能力[21-23]。礦區(qū)土壤貧瘠且磷元素含量較低。本試驗發(fā)現(xiàn)，當雙接種AMF與根瘤菌形成有效的共生關(guān)系時，能有效促進植株對養(yǎng)分的吸收，提高苜蓿地上部的氮、磷含量，這與李雅慧等[24]的研究結(jié)果一致。本試驗還發(fā)現(xiàn)，未接種處理的苜蓿吸收養(yǎng)分的能力較弱，生長受阻，發(fā)育緩慢。

3.2 礦區(qū)土壤接種AMF和根瘤菌對土壤氮、磷含量的影響

不同土壤環(huán)境是影響真菌種群及其分布的主要因素，如土壤氮、磷營養(yǎng)及根系分泌物等[25]。本研究表明，在礦區(qū)土壤中，AMF聯(lián)合根瘤菌協(xié)同作用提高了土壤有效氮和有效磷含量，而土壤有效磷含量的增加也反映出AMF與根瘤菌存在相互作用，這與任愛天等[26]的研究結(jié)果一致。礦區(qū)土壤接種AMF較接種根瘤菌及不接種處理更能提高土壤有效磷含量，說明在礦區(qū)種植苜蓿接種AMF可以通過促進磷元素的吸收提高苜蓿的固氮能力。雙接種處理提高了土壤有效氮含量，但與單接種根瘤菌處理間差異不顯著，這與王軍等[11]的研究結(jié)果一致。礦區(qū)土壤養(yǎng)分匱乏、磷含量較低，雙接種AMF和根瘤菌在低磷環(huán)境中對苜蓿的雙重作用保證了苜蓿與菌根和根瘤的共同發(fā)育，提升了植物吸收氮磷營養(yǎng)的能力。

3.3 礦區(qū)土壤接種AMF和根瘤菌對苜蓿和土壤酶活性的影響

植株和土壤酶活性的大小可以反映土壤養(yǎng)分的高低及土壤肥力的大小[27]。已有研究表明，接種AMF有利于土壤堿性磷酸酶活性的增強[6]，MAIER等[28]和宋福強等[29]研究認為，堿性磷酸酶活性的增強，能夠提高土壤可利用磷含量，均與本研究結(jié)果一致。硝酸還原酶活性的高低可以反映植物氮代謝能力的強弱，該酶是反映植物氮代謝的主要酶[30]。本試驗結(jié)果表明，單接種和雙接種處理的植物硝酸還原酶活性均與CK和R間差異顯著，且雙接種處理顯著高于各單接種處理，說明接種AMF和根瘤菌有助于植物硝酸還原酶活性的增強。

4 結(jié)論

本研究結(jié)果表明，礦區(qū)土壤接種AMF和根瘤菌有效提升了苜蓿對氮、磷養(yǎng)分的吸收，提高了植物的硝酸還原酶的活性，促進宿主植物氮代謝，且雙接種效果優(yōu)于單接種，表現(xiàn)出互利共生的正效應。同時，雙接種處理能有效改善土壤理化性質(zhì)，通過提高土壤有效磷、有效氮含量和堿性磷酸酶活性，豐富礦區(qū)土壤營養(yǎng)，提升礦區(qū)土壤肥力。