排土場中不同處理對不同種植模式向日葵生長特性和光合作用的影響

劉宇飛 焦曉亮 王坤 畢銀麗

摘要 ? ?研究不同處理對不同種植模式向日葵生長特性和光合作用的影響，為礦區排土場農林種植提供理論依據。在內蒙古黑岱溝露天煤礦北排土場（復墾20年）設置向日葵單作、向日葵與玉米間作、向日葵與大豆間作等3種種植模式，設接菌（I）、綠肥（G）、接菌+綠肥（IG）、風化煤+綠肥（GW）、接菌+綠肥+風化煤（IGW）與不接種對照（CK）6個處理，測定試驗小區土壤基本值及不同種植模式對向日葵株高、地徑、花盤直徑、單株凈籽粒重、凈光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、胞間CO2濃度（Ci）、蒸騰速率（Tr）的影響，并分析其相互關系。結果表明，不同種植模式下，脲酶活性、磷酸酶活性與易提取球囊酶素含量均為向日葵玉米間作與向日葵大豆間作整體高于向日葵單作;向日葵單作與向日葵玉米間作凈光合速率整體高于向日葵大豆間作，向日葵單作及向日葵大豆間作的氣孔導度區間整體高于向日葵玉米間作。同一種植方式中，向日葵單作、向日葵大豆間作、向日葵玉米間作花盤直徑最大值分別在接菌+綠肥+風化煤（IGW）、綠肥+風化煤（GW）和接菌（I）處理（P<0.05）;向日葵單作、向日葵大豆間作、向日葵玉米間作凈單株籽粒重最大值分別在綠肥（G）、綠肥+風化煤（GW）、接菌（I）處理。向日葵地徑與Gs、Tr成顯著正相關（P<0.05）;花盤直徑與Tr成顯著負相關（P<0.05）。單株凈籽粒重與Ci成顯著正相關，與蒸騰速率成顯著負相關（P<0.05）。不同處理對不同種植模式向日葵生長及光合指標具有促進作用，不同種植模式的最適處理有差異，可為露天礦排土場農林利用提供參考。

關鍵詞 ? ?AM真菌;露天礦排土場;向日葵;光合作用

中圖分類號 ? ?S565.5 ? ? ? ?文獻標識碼 ? ?A

文章編號 ? 1007-5739（2020）12-0003-05 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）

Effects ?of ?Different ?Treatments ?and ?Patterns ?on ?Growth ?Characteristics ?and ?Photosynthesis ?of ?Helianthus ?annuus ?in ?Surface ?Mine ?Dump

LIU Yu-fei 1 ? ?JIAO Xiao-liang 1 ? ?WANG Kun 2 ? ?BI Yin-li 2 *

（1 Institute of Science and Technology， Shenhua Group Zhungeer Energy Co.， Ltd.， Ordos Inner Mongolia 010300; ?2 State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining， China University of Mining and Technology （Beijing） ）

Abstract ? ?The effects of different treatments on the growth characteristics and photosynthesis of sunflowers （Helianthus annuus） with different planting methods were studied to provide a theoretical basis for agricultural and forestry planting in the dumping grounds in the mining area. In the northern dump of Heidaigou Open-pit Coal Mine in Inner Mongolia （reclamation for 20 years）， three planting modes including sunflower monoculture， sunflower corn intercropping， and sunflower soybean intercropping， six treatments， including green manure （IG）， weathered coal+green manure （GW）， inoculation+green manure+weathered coal （IGW） and non-inoculation control （CK） were set up. The experiment measured the basic values of soil in the test plot and the different planting patterns on sunflower plant height， ground diameter， disk diameter， net seed weight per plant， net photosynthetic rate （Pn）， stomatal conductance （Gs）， intercellular CO2 concentration （Ci）， and the effect of transpiration rate （Tr）， and analyzed their correlation. The results showed that under different planting patterns， urease， phosphatase activity and the content of easily extracted sacculase were higher in sunflower maize intercropping and sunflower soybean intercropping as a whole; the net photosynthetic rate of sunflower maize intercropping and sunflower maize intercropping as a whole was higher than that of sunflower soybean intercropping， and the stomatal conductance of sunflower and sunflower soybean intercropping as a whole was higher than that of sunflower maize intercropping. In the same planting mode， the maximum diameter of flower plate of sunflower monoculture， sunflower soybean intercropping and sunflower maize intercropping were respectively treated by inoculation+greenmanure+weathered coal （IGW）， greenmanure+weathered coal （GW） and inoculation （I） （P<0. 05）; the maximum net grain weight of single plant of sunflower monoculture， sunflower soybean intercropping and sunflower maize intercropping were respectively treated by greenmanure （G）， greenmanure+weathered coal （GW） and inoculation （I）. There was a significant positive correlation between sunflower ground diameter and GS， Tr （P<0. 05）， and a significant negative correlation between disc diameter and Tr （P<0. 05）. There was a significant positive correlation between net kernel weight and Ci and a significant negative correlation between transpiration rate and Ci （P<0.05）. Different treatments can promote the growth and photosynthetic index of sunflower in different planting patterns， and the optimal treatments of different planting patterns are different， which can provide reference for the utilization of agriculture and forestry in open pit dump.

2 ? ?結果與分析

2.1 ? ?不同向日葵種植模式及不同處理土壤基本值差異

由表1可知，部分土壤因子在不同向日葵種植模式間差異顯著（P<0.05），脲酶活性、磷酸酶活性均在不同向日葵種植模式間差異顯著，向日葵與玉米間作區間分別為14.24～28.33 mmol/（g·L·h）、35.60～68.16 mmol/（g FW·min），向日葵與大豆間作區間分別為17.97～21.84 mmol/（g·L·h）、38.97～52.78 mmol/（g FW·min），整體高于區間分別為14.34～16.96 mmol/（g·L·h）、29.43～33.02 mmol/（g FW·min）的向日葵單作;易提取球囊霉素方面，向日葵與大豆間作區間為13.18～17.53 mg/g，向日葵玉米間作區間為10.62～16.85 mg/g，整體高于區間為12.31～13.45 mg/g的向日葵單作。

同一種植模式內，不同試驗小區的脲酶活性和速效鉀也存在顯著差異（P<0.05）。向日葵單作方面，對照（CK）的速效鉀有最低值3.53 mg/kg，顯著低于其他處理（P<0.05）。向日葵與玉米間作方面，綠肥+風化煤（GW）的脲酶活性有最低值14.24 mmol/（g·L·h），顯著低于對照（CK）、綠肥（G）處理（P<0.05）;綠肥+風化煤（GW）的速效鉀含量有最低值3.70 mg/kg，顯著低于接菌+綠肥（IG）、接菌+綠肥+風化煤（IGW）處理（P<0.05）。向日葵與大豆間作方面，綠肥+風化煤（GW）的脲酶活性有最大值21.84 mmol/（g·L·h），顯著高于綠肥（G）、接菌+綠肥+風化煤（IGW）處理（P<0.05），綠肥+風化煤（GW）的速效鉀含量有最大值6.31 mg/kg，顯著高于接菌+綠肥（IG）、接菌+綠肥+風化煤（IGW）處理（P<0.05）。造成土壤因子差異的原因可能與排土場覆土不均勻有關。

2.2 ? ?不同種植模式及不同處理對向日葵生長的影響

由圖1可知，向日葵株高、地徑、花盤直徑及單株凈籽粒重在不同種植模式間差異不顯著（P<0.05）。其中，向日葵單作、向日葵與大豆間作區間的株高分別為150.40～200.17、171.27～201.60 cm，整體高于區間為150.07～183.13 cm的向日葵玉米間作;地徑方面，向日葵與大豆間作區間為29.62～35.40 mm，整體高于區間分別為29.29～34.53、21.29～35.80 mm的向日葵單作及向日葵玉米間作;花盤直徑方面，向日葵單作為24.60～33.60 cm，整體高于區間分別為19.90～31.47、20.23～29.77 cm的向日葵、大豆間作及向日葵、玉米間作;單株凈籽粒重方面，向日葵單作為95.56～149.61 g，整體高于區間分別為66.45～113.13、79.99～138.69 g的向日葵、大豆間作及向日葵、玉米間作。

向日葵地徑、花盤直徑、單株凈籽粒重在不同處理間差異顯著（P<0.05）。株高方面，向日葵單作株高在接菌（I）處理有最大值200.17 cm，且顯著高于對照（CK）、綠肥（G）、綠肥+風化煤（GW）、接菌+綠肥+風化煤（IGW）等處理（P<0.05）;向日葵、大豆間作株高在接菌+綠肥+風化煤（IGW）處理有最大值193.27 cm，各處理間無顯著差異（P<0.05）;向日葵、玉米間作株高在接菌+綠肥+風化煤（IGW）處理有最大值183.13 cm，顯著高于對照（CK）處理（P<0.05）。地徑方面，向日葵單作在接菌+綠肥+風化煤（IGW）有最大值為34.53 mm，且顯著高于綠肥（G）處理（P<0.05）;向日葵、大豆間作在接菌+綠肥（IG）有最大值為34.53 mm，各處理間無顯著差異（P<0.05）;向日葵、玉米間作在接菌（I）有最大值為35.80 mm，且顯著高于綠肥+風化煤（GW）、接菌+綠肥+風化煤（IGW）處理（P<0.05）。花盤直徑方面，向日葵單作在接菌+綠肥+風化煤（IGW）有最大值為33.60 cm，且顯著高于綠肥（G）處理（P<0.05）;向日葵大豆間作在綠肥+風化煤（GW）有最大值為31.47 mm，高于對照（CK）、接菌（I）、綠肥（G）、接菌+綠肥（IG）處理（P<0.05）;向日葵、玉米間作在接菌（I）有最大值為29.77 mm，高于綠肥+風化煤（GW）、接菌+綠肥+風化煤（IGW）處理（P<0.05）。凈單株籽粒重方面，向日葵單作在綠肥（G）有最大值為166.61 g，且顯著高于對照（CK）、接菌（I）、接菌+綠肥（IG）處理（P<0.05）;向日葵、大豆間作在綠肥+風化煤（GW）有最大值為113.13 g，接菌（I）、綠肥（G）、接菌+綠肥（IG）處理（P<0.05）;向日葵、玉米間作在接菌（I）有最大值為138.69 g，且顯著高于綠肥+風化煤（GW）、接菌+綠肥+風化煤（IGW）處理（P<0.05）。

2.3 ? ?不同種植模式及不同處理對向日葵光合指標的影響

凈光合速率和氣孔導度分別反映光合作用產生糖類的速率和氣孔關閉程度，胞間二氧化碳濃度反映內環境中CO2的濃度，蒸騰速率反映植物水分代謝狀況。其中，向日葵單作凈光合速率為21.00～24.42 μmol CO2/（m2·s），向日葵、玉米間作凈光合速率為19.78～25.09 μmol CO2/（m2·s），整體高于區間為15.85～22.85 ?μmol CO2/（m2·s）的向日葵、大豆間作;氣孔導度方面，向日葵單作及向日葵、大豆間作區間分別為0.48～2.33、0.31～1.05 mol H2O/（m2·s），整體高于區間為0.21～0.31 mol H2O/（m2·s）的向日葵玉米間作;胞間二氧化碳濃度方面，向日葵單作及向日葵、大豆間作區間分別為280.13～368.46、270.52～354.66 μmol/mol，整體高于區間為245.17～309.26 μmol/mol的向日葵、玉米間作;向日葵大豆間作蒸騰速率較快，區間為7.90～12.55 g/（m2·h），高于區間分別為5.82～8.15、4.49～8.47 g/（m2·h）的向日葵單作與向日葵玉米間作;水分利用效率方面，向日葵單作與向日葵、玉米間作水分利用效率較高，分別為2.80～4.66、2.68～4.53 g/kg，向日葵、大豆間作水分利用效率較低，為1.43～2.29 g/kg。

向日葵胞間二氧化碳濃度、水分利用效率在不同處理間差異顯著（P<0.05）。向日葵單作方面，胞間二氧化碳濃度在綠肥（G）有最大值368.46 μmol/mol，顯著高于接菌（IG）、接菌+風化煤+綠肥（IGW）處理（P<0.05）;水分利用效率在綠肥（G）有最大值4.66 g/kg，且顯著高于其他處理（P<0.05）。向日葵、大豆間作方面，胞間二氧化碳濃度在對照（CK）有最大值353.02 μmol/mol，顯著高于綠肥+風化煤（GW）處理（P<0.05）;水分利用效率在對照（CK）有最大值2.29 g/kg，且顯著高于綠肥（G）等處理（P<0.05）。向日葵、玉米間作方面，胞間二氧化碳濃度在綠肥+風化煤（GW）有最大值309.26 μmol/mol，顯著高于綠肥（G）、接菌+綠肥（IG）、接菌+綠肥+風化煤（IDG）處理（P<0.05）;水分利用效率在綠肥（G）有最大值4.53 g/kg，且顯著高于除綠肥+風化煤（GW）外的其他處理（P<0.05）。

2.4 ? ?不同種植模式及不同處理向日葵土壤因子、生長、光合指標的相關性

以7個土壤基本值指標（pH值、電導率、脲酶、磷酸酶、易提取球囊霉素、速效磷、速效鉀）、向日葵生長指標（株高、地徑）及5個光合指標（Pn、Gs、Ci、Tr、WUE）為變量，進行相關性分析。由表2可知，蒸騰速率與株高成顯著正相關，相關系數為0.31（P<0.05）;水分利用效率與株高成顯著負相關，相關系數為-0.32（P<0.05）;pH值與株高成顯著負相關，相關系數為-0.36（P<0.05）。向日葵地徑與氣孔導度、蒸騰速率成顯著正相關，相關系數分別為0.32和0.38（P<0.05）;水分利用效率與地徑成顯著負相關，相關系數為-0.36（P<0.05）;易提取球囊霉素與地徑成顯著負相關，相關系數為-0.31（P<0.05）。向日葵花盤直徑與蒸騰速率成顯著負相關，相關系數為-0.29（P<0.05）;脲酶、磷酸酶、易提取球囊霉素和速效磷與花盤直徑成顯著負相關，相關系數分別為-0.38、-0.58、-0.44和-0.34（P<0.05）。向日葵單株凈籽粒重與胞間二氧化碳濃度成顯著正相關，相關系數為0.35（P<0.05）;蒸騰速率與單株凈籽粒重成顯著負相關，相關系數為-0.30（P<0.05）;脲酶、磷酸酶、易提取球囊霉素與單株凈籽粒重成顯著負相關，相關系數分別為-0.43、-0.61和-0.37（P<0.05）。光合指數方面，胞間二氧化碳濃度與速效磷成顯著正相關，相關系數為0.29（P<0.05）;蒸騰速率與脲酶、磷酸酶成顯著正相關，相關系數分別為0.31和0.47（P<0.05），與速效鉀成顯著負相關，相關系數為-0.29;水分利用效率與磷酸酶成顯著負相關，相關系數為-0.31（P<0.05）。

3 ? ?結論與討論

本試驗結果表明，部分土壤基本值在不同種植模式及不同處理間差異顯著，可能與排土場建設過程中覆土不均勻有關。同一種植模式內向日葵生長特性及光合指標差異顯著，接菌+綠肥+風化煤、綠肥等處理能顯著提高向日葵生長特性和光合指標。向日葵生長指標及光合指標與土壤基本值間相關性顯著，土壤基本值一定程度上影響了不同處理對向日葵的促生效果。

研究表明，接種叢枝菌根真菌促進了植株的成活與生長發育，向日葵連續監測3年，植株成活率提高達20%，植株生長速度快[15]，向日葵花期可以提前10～15 d，產量增加1倍，土壤質量改善，微生物種類增加[16]。本試驗中，加入叢枝菌根的試驗處理顯著提高了向日葵的生長指標，具有顯著的促生效應。

研究表明，光合作用是植物生長最重要的生理過程，90%～95%的植物生物量由光合作用產生，只有5%～10%的植物生物量源于植物根系吸收的營養物質[17]。AM真菌能加速恢復礦區土壤微生物群落，重建受損生態系統，為植被重建創造條件。岳英男等研究發現，通過AM真菌能提高松嫩鹽堿草地植物的Pn、增大生姜葉片的Gs，提高生姜葉片的Tr和Ci，為干物質積累創造條件[18]。本研究結果表明，綠肥（G）處理能提高向日葵的光合作用，促進其植株生長。

Sainju[19]研究發現，植被根系的密度與土壤的有機質、總氮、水溶性磷以及可交換性陽離子成正相關，與土壤pH值成負相關，且土壤微生物產生的有機酸，使演替初期的堿性土壤 pH值逐漸降低[20]。隨著復墾年限的延長，土壤中的微生物數量、根系真菌菌株數量、根系真菌多樣性指數逐年遞增。Mou等[21]認為，植被的根系形態與發育狀況與土壤中養分的分布以及營養物質的配置密切相關。因此，土壤肥力水平是決定植被重建的重要制約因素。本試驗中，3種不同的向日葵種植模式間土壤基本值存在差異，可能是影響向日葵生長及光合指標的直接原因，從而影響了不同處理的促生效果。

本研究對向日葵生長旺盛季節（8月）的生長及光合作用進行測定分析，未監測其動態變化狀況，但在不同位置及不同處理下向日葵的生長特性、光合作用已出現差異，且部分處理有積極作用。因此，今后的研究應重點關注不同處理對不同年限排土場向日葵的持續影響作用及其生理機制，種植向日葵后土壤因子的變化規律。

4 ? ?參考文獻

[1] 黃丹勇.礦區土地復墾與生態環境恢復綜述[J].湖南有色金屬，2011，27（6）：45-48.

[2] 羅明，白中科，劉喜韜.土地復墾潛力調查評價研究[M].北京：中國農業科學技術出版社，2013.

[3] GILLESPIE M，GLENN V，DOLEY D.Reconciling waste rock rehabilita-tion goals and practice for a phosphate mine in a semi-arid environment[J].Ecological Engineering，2015，85：1-12.

[4] LI L，SUN J，ZHANG F，et al.Wheat/maize or wheat/soybean strip interc-ropping：I.yield advantage and interspecific interactions on nutrients[J].Field Crops Research，2001，71（2）：123-137.

[5] GAISER T，DE BARROS I，LANGE F M，et al.Water use efficiency of a maize/cowpea intercrop on a highly acidic tropical soil as affected by liming and fertilizer application[J].Plant and Soil，2004，263（1）：165-171.

[6] 柴強，楊彩紅，黃高寶.交替灌溉對西北綠洲區小麥間作玉米水分利用的影響[J].作物學報，2011，37（9）：1623-1630.

[7] 高陽，段愛旺，劉祖貴，等.玉米/大豆不同間作模式下土面蒸發規律試驗研究[J].農業工程學報，2008（7）：44-48.

[8] 喬鵬，湯利，鄭毅，李少明.不同抗性小麥品種與蠶豆間作條件下的養分吸收與白粉病發生特征[J].植物營養與肥料學報，2010，16（5）：1086-1093.

[9] 周海波，陳巨蓮，程登發，等.小麥間作豌豆對麥長管蚜及其主要天敵種群動態的影響[J].昆蟲學報，2009，52（7）：775-782.

[10] 董宛麟，張立禎，于洋，等.向日葵和馬鈴薯間作模式的生產力及水分利用[J].農業工程學報，2012，28（18）：127-133.

[11] ZHANG L，VAN DER WERF W，ZHANG S，et al.Growth，yield and quality of wheat and cotton in relay strip intercropping systems[J].Field Crops Research，2007，103（3）：178-188.

[12] SMITH S E，READ D J.Mycorrhizal symbiosis[M].Academic Press，2008：273-281.

[13] VAN DER HEIJDEN M G A，BOLLER T，WIEMKEN A，et al.Different arbuscular mycorrhizal fungal species are potential determinants of plant community structure[J].Ecology，1998，79（6）：2082-2091.

[14] 馮固，張福鎖，李曉林，等.叢枝菌根真菌在農業生產中的作用與調控[J].土壤學報，2010，47（5）：995-1004.

[15] 岳輝，畢銀麗，劉英.神東礦區采煤沉陷地微生物復墾動態監測與生態效應[J].科技導報，2012，30（24）：33-37.

[16] 杜善周，畢銀麗，王義，等.叢枝菌根對神東煤礦區塌陷地的修復作用與生態效應[J].科技導報，2010，28（7）：41-44.

[17] ZELITCH I.The close relationship between net photosynthesis and crop yield[J].Bioscience，1982，32（10）：796-802.

[18] 岳英男，楊春雪.松嫩鹽堿草地土壤理化特性與叢枝菌根真菌侵染的相關性[J].草業科學，2014，31（8）：1437-1444.

[19] SAINJU U M，GOOD R E.Vertical root distribution in relation to soil properties in New Jersey Pinelands forests[J].Plant and Soil，1993，150（1）：87-97.

[20] 牛星，高永，齊雅靜，等.伊敏露天煤礦內排土場土壤特征及其肥力評價[J].內蒙古農業大學學報（自然科學版），2012，33（增刊1）：97.

[21] MOU P U，MITCHELL R J，JONES R H.Root distribution of two tree species under a heterogeneous nutrient environment[J].Journal of Applied Ecology，1997，34：645-656.