叢枝菌根真菌與沙棘對露天礦排土場的聯(lián)合改良效應(yīng)

苗春光，楊惠惠，畢銀麗,3，宋子恒，郭 楠

(1.國家能源集團煤炭產(chǎn)業(yè)運營管理中心計劃發(fā)展處，北京 100011；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京 100083；3.西安科技大學(xué) 西部礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究院，陜西 西安 710054)

露天煤礦開采簡單高效，是我國東部草原區(qū)主要的開采方式，煤炭開采提供能源的同時也對當(dāng)?shù)夭菰鷳B(tài)環(huán)境造成一定影響和危害[1-3]。東部草原區(qū)為典型生態(tài)脆弱區(qū)，土壤瘠薄，露天開采產(chǎn)生的排土場導(dǎo)致土層結(jié)構(gòu)擾動嚴(yán)重，可能會由于土壤松動產(chǎn)生裂縫、沖溝、塌陷等問題，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分、水分分配不均，嚴(yán)重的會導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的淋溶和水分的流失，復(fù)墾基質(zhì)質(zhì)地黏重，使植物難以生長、生態(tài)難以恢復(fù)[4]。植被恢復(fù)是一項系統(tǒng)工程，只有植物、土壤和微生物形成優(yōu)質(zhì)的協(xié)作體系，才能夠真正地改善生態(tài)環(huán)境。因此，通過一定手段改善根際土壤微環(huán)境就變得尤為重要[5]。

叢枝菌根真菌(AMF)是一種土壤微生物，能夠定殖在宿主植物根部，與植物根系形成共生[6-7]，進而形成一種可以增加根系養(yǎng)分吸收范圍的菌絲網(wǎng)絡(luò)，提高植物對外界脅迫的抗性[8-11]，特別是在壓實度較高的露天排土場，接菌可以促進植物生長和提高礦山復(fù)墾區(qū)的植被恢復(fù)率[12]。與將叢枝菌根真菌接種到表土中相比，在黏土中接菌可以更好地促進植物生長，增加養(yǎng)分有效性[13-14]。同時，叢枝菌根真菌作為一種生物改良劑，可以有效地改善土壤結(jié)構(gòu)，促進植物在正常和脅迫條件下生長[15-16]，促進植物側(cè)根發(fā)育，增加根系數(shù)量，形成菌絲網(wǎng)絡(luò)，進而擴大植物對水分和養(yǎng)分的攝取范圍[17-20]。

本研究針對寶日希勒露天煤礦開采過程中重建排土場上存在的土壤養(yǎng)分瘠薄，復(fù)墾基質(zhì)較為黏重，植被存活率低、生長發(fā)育遲緩的問題，將叢枝菌根真菌與沙棘聯(lián)合，分析叢枝菌根真菌對沙棘生長的影響，以及接種叢枝菌根真菌后沙棘對礦區(qū)退化土壤的改良效應(yīng)，以期為形成土壤–植物–微生物三位一體修復(fù)方式的排土場修復(fù)方法提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗地點

試驗地為寶日希勒露天煤礦排土場720平臺，該地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市東北部，年平均氣溫為–2.1℃左右，年降水量220～320 mm，蒸發(fā)量大于2 200 mm，蒸發(fā)量顯著大于降水量，植物以草本為主。

1.2 試驗材料

試驗區(qū)域排土場鋪設(shè)兩層土壤，下層為取自露天煤礦埋深16 m處的黑黏土，土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.01%，鋪設(shè)厚度為50 cm；上層為礦區(qū)原草原土，鋪設(shè)厚度為20 cm。供試菌種為中國礦業(yè)大學(xué)(北京)微生物復(fù)墾實驗室擴繁的摩西管柄囊霉(Funneliformis mosseae)，供試植物為適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的耐寒、耐旱沙棘(Hippophae rhamnoides)，種植初期其根系主要分布在上層草原土中。草原土基本性狀為：pH 8.54，電導(dǎo)率187.2 ms/cm，最大持水量35.23%，有機質(zhì)31.65 g/kg，堿解氮124.37 mg/kg，有效磷13.71 mg/kg，速效鉀93.92 mg/kg。2018年10月將沙棘植入試驗區(qū)內(nèi)越冬。

1.3 試驗設(shè)計和管理

在露天礦排土場選擇2塊區(qū)域種植沙棘，分別標(biāo)記為接菌區(qū)(+M)和未接菌對照區(qū)(CK)，沙棘栽種間距為2 m×1 m；其中，+M區(qū)域沙棘2 954株，每株播撒菌劑50 g于沙棘根部；CK區(qū)域沙棘2 051株。在2個試驗區(qū)域內(nèi)分別按照“S”型選取10株生長初始狀態(tài)相似的待測植物，在其根旁埋入根管，用于監(jiān)測植物根系發(fā)育。于2019年7月植物返青后，使用CI-600根系原位監(jiān)測系統(tǒng)對選定植物根系進行監(jiān)測。生長期內(nèi)使用滴灌模式進行4次均勻澆水管理。

1.4 測定項目和方法

植物根系監(jiān)測：將CI-600 根系原位監(jiān)測連接到筆記本電腦上，將CCD線性掃描探頭深入有機玻璃制成的透明根管中，由計算機控制探頭360°旋轉(zhuǎn)掃描植物根系發(fā)育及土壤剖面情況，掃描完成后將探頭提到下一個掃描位進行掃描。土壤平面以下共計3個掃描位，可以反映出根管周圍植物根系的生長狀況，掃描完成后對圖片進行保存。利用根系分析軟件WinRHIZO Tron MF對得到的圖像進行處理，獲取植物根系數(shù)據(jù)。

球囊霉素的提取和測定按照文獻(xiàn)[5]描述的方法。菌根侵染率使用曲利苯藍(lán)染色法測定[21]；土壤有機質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測定[22]；速效磷采用鉬銻抗比色法測定[23]；土壤磷酸酶活性測定采用Tabatabai &Brimner法[24]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 12.0進行分析(p<0.05)，使用Origin 8.0和Sigmaplot 11進行繪圖。

2 叢枝菌根真菌對沙棘的影響結(jié)果與討論

2.1 沙棘生長影響

從2018年10月起選擇初始高度45 cm的60株沙棘進行定位監(jiān)測，從表1中可以看出，至2019年7月，+M沙棘生長超過15 cm，平均株高達(dá)65 cm；CK沙棘生長接近10 cm，平均高度為54 cm，+M沙棘的株高比CK組提高了20%。叢枝菌根真菌顯著地促進了沙棘的生長，接菌處理下沙棘的株高顯著高于未接菌處理的。+M處理的沙棘平均冠幅為46 cm，未接菌的為38 cm，接菌組(+M)沙棘的冠幅比對照組處理(CK)提高了21%，冠幅差異達(dá)顯著水平。沙棘生長速度快、耐寒、耐旱，根系發(fā)達(dá)，可以有效適應(yīng)排土場環(huán)境。排土場海拔相對較高、植被覆蓋率低、風(fēng)大、土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適應(yīng)種植大型喬木，而種植草本的恢復(fù)則主要靠經(jīng)常性的人工干預(yù)，為了增強環(huán)境的自修復(fù)能力，沙棘有潛力成為露天礦排土場生態(tài)恢復(fù)的重要先鋒植物。同時，將沙棘與菌劑相結(jié)合，可以有效促進沙棘的生長，縮短生態(tài)恢復(fù)時間，降低修復(fù)成本，因此，在露天礦排土場使用植物–微生物結(jié)合修復(fù)技術(shù)可以在植被恢復(fù)時產(chǎn)生較高的價值。

表1 不同處理中沙棘的株高和冠幅Table 1 Height and crown of Hippophae rhamnoides in different treatments

2.2 沙棘根系發(fā)育影響

植物根系原位監(jiān)測具體數(shù)據(jù)見表2。由表2可以看出，接菌處理(+M)中沙棘侵染率高達(dá)86.7%，高于CK中沙棘的侵染率26.7%，表明原始土壤中土著叢枝菌根真菌對沙棘的侵染能力低下，因此，有必要利用人工手段增加沙棘的侵染率。接菌叢枝菌根真菌后，沙棘根系的侵染率高，說明沙棘和叢枝菌根真菌可以有效地形成共生體，植物生長發(fā)育得到了有效促進。在植物生長過程中，植物根系在固定植物、吸收養(yǎng)分方面起著決定性作用。本試驗利用CI-600根系監(jiān)測系統(tǒng)對沙棘根系進行掃描發(fā)現(xiàn)，+M處理的沙棘根系在根長、根面積、根體積、根尖數(shù)等指標(biāo)上均顯著高于CK(表2)，+M處理的根長和根體積分別為CK的1.46倍和1.97倍。由于露天礦相對地勢較高，排土場常年大風(fēng)，植物的根系發(fā)育對于植物抗逆境尤為重要。同時，排土場土壤貧瘠，土質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也需要植物擁有強大的養(yǎng)分和水分吸收能力。而接種叢枝菌根真菌刺激了根系發(fā)育[17]，增加根的長度，增加投影面積，有利于擴大營養(yǎng)吸收范圍，可以有效地幫助植物獲取較多的養(yǎng)分和水分。沙棘和叢枝菌根真菌形成良好的共生體可以有效增加沙棘的抗逆性[18]，在寒、旱、大風(fēng)條件下依然保持良好的生長狀態(tài)。因此，將本試驗中使用的菌劑與沙棘聯(lián)合使用，有利于促進露天礦排土場的植被恢復(fù)。

表2 接種菌根對沙棘根系發(fā)育的影響Table 2 Effects of AM fungi inoculation on root development of Amorpha fruticose

2.3 沙棘根際土壤球囊霉素的影響

球囊霉素對增加土壤有機碳和改善土壤團聚體有著重要作用[25]。從圖1可以看出，+M處理的總球囊霉素含量為5.27 mg/g，CK處理總球囊霉素含量為3.63 mg/g，+M處理為CK處理的1.45倍，呈顯著差異。同時，接種叢枝菌根真菌后，沙棘根際的易提取球囊霉素含量也有顯著提高。+M處理的易提取球囊霉素含量為3.22 mg/g，CK處理為2.16 mg/g，達(dá)到了差異顯著水平。結(jié)果表明，叢枝菌根真菌與沙棘可有效改善排土場土質(zhì)結(jié)構(gòu)差、土壤養(yǎng)分低的條件，對排土場生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。

圖1 叢枝菌根真菌對根際土壤球囊霉素含量的影響Fig.1 Effects of AMF inoculation on glomalin in rhizosphere soil

2.4 沙棘根際土壤速效磷和磷酸酶活性影響

土壤磷酸酶活性可以表示土壤中磷元素的有效轉(zhuǎn)化能力[7]。從圖2可以看出，+M處理的磷酸酶活性是CK處理的1.76倍，呈差異顯著水平(p<0.05)。沙棘能夠從土壤中攝取的磷元素主要為速效磷，從圖3可以看出，+M處理的沙棘根際土壤速效磷含量顯著高于CK處理的，這是由于叢枝菌根真菌擴大了養(yǎng)分的吸收范圍，刺激土壤酶活性，土壤中更多養(yǎng)分被釋放出來，使植物可以從土壤中攝取更多養(yǎng)分。接種叢枝菌根真菌能夠顯著提高土壤酸性磷酸酶活性，增加土壤速效磷含量及磷元素的轉(zhuǎn)化，能夠有效改善土壤肥力[26]。

圖2 接種菌根對根際土壤磷酸酶的影響Fig.2 Effects of AMF inoculation on acid phosphatase activity in rhizosphere soil

圖3 接種菌根對根際土壤速效磷含量的影響Fig.3 Effects of AMF inoculation on available P in rhizosphere soil

2.5 沙棘根際微生物影響

寶日希勒露天煤礦排土場土地沙化嚴(yán)重，養(yǎng)分貧瘠，需要對土壤微環(huán)境進行修復(fù)。土壤中豐富的土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，是養(yǎng)分循環(huán)的“發(fā)動機”[27]。在對沙棘進行接菌9個月后，沙棘根際的細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量均發(fā)生了顯著變化(表3)。其中，+M處理的細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量都顯著高于CK處理的。可能是因為叢枝菌根真菌促進了土壤中的微生物活性[27]，進而增加土壤微生物數(shù)量。因此，沙棘接種叢枝菌根真菌能夠有效提高土壤中的微生物數(shù)量，這對露天礦排土場土壤微環(huán)境的恢復(fù)具有重要意義。

表3 不同處理植物根際微生物數(shù)量的變化Table 3 Microbe population changes in different treatments

3 結(jié)論

a.叢枝菌根真菌顯著促進了沙棘地上和地下部分的生長，有效地與沙棘根系形成共生關(guān)系，促進根系發(fā)育，接菌區(qū)的根長和根體積分別為未接菌區(qū)的1.46倍和1.97倍，對土質(zhì)較為黏重的露天排土場生態(tài)修復(fù)有推廣價值。

b.接菌處理有效改善了排土場土壤養(yǎng)分和土壤質(zhì)量，提高了沙棘根系土壤中磷酸酶活性，磷酸酶活性是未接菌的1.76倍，植物生長狀態(tài)更好，同時也激活了土壤中更多的速效磷養(yǎng)分。

c.接種叢枝菌根真菌顯著提高了排土場土壤的微生物數(shù)量，進而增加土壤中微生物活性，將對土壤微生態(tài)的恢復(fù)與土壤功能的改善具有積極意義。