畢銀麗,孫江濤,王建文,張延旭,孫金華,于 淼

1 中國礦業(yè)大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室, 北京 100083 2 中國礦業(yè)大學(北京)地球科學與測繪工程學院, 北京 100083 3 河南省地質環(huán)境勘查院, 鄭州 450051 4 陜西煤化集團檸條塔礦, 榆林 719300

近年來我國煤炭開采重心已逐步向西部轉移,陜西北部地區(qū)成為全國最主要的產煤基地之一。大規(guī)模煤炭資源開采造成了大量采煤沉陷地,使原本溝壑縱橫的黃土高原生態(tài)環(huán)境更為惡化與脆弱[1],選擇當地適生的經濟作物進行生態(tài)治理是采煤沉陷地開展的研究工作之一。黃花菜是本地重要的經濟作物,具有耐瘠、抗旱、入藥等特點,在陜北黃土高原地區(qū)被廣泛種植。因其花瓣肥厚,色澤金黃,香味濃郁,食之清香、鮮嫩,爽滑同木耳、草菇,營養(yǎng)價值高,是人們喜吃的一種傳統(tǒng)蔬菜,被視作“席上珍品”。近年來由于煤炭開采引起的土地退化使黃花菜根際生態(tài)環(huán)境遭到嚴重破壞,其生長和發(fā)育受到嚴重影響[2]。

叢枝菌根真菌(Arbuscula mycorrhizal fungi, 簡稱AM真菌)是自然界中普遍存在的一種能與植物根系形成互惠互利共生關系的土壤微生物[3],在干旱、貧瘠的土壤中能夠顯著增強宿主植物對干旱或貧瘠的抗逆性[4- 6],從而實現植被恢復,提高生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性的目的。張鑫等[7]通過調查紫花苜蓿草地中AM真菌與根際土壤性質之間的相關性,結果發(fā)現大同地區(qū)AM真菌與紫花苜?？梢孕纬闪己玫墓采P系,AM真菌對土壤營養(yǎng)吸收具有重要的作用。李嬌清等[8]通過在自然條件下接種AM真菌,研究其對煤矸石修復的作用,結果表明接種AM真菌后植株成活率平均提高30%,重金屬含量顯著下降,土壤中有機質及速效氮、磷、鉀含量顯著提高,說明接種AM真菌在煤矸石山中具有較好的土壤修復效應。

黃土溝壑沉陷區(qū)由于受地形破碎、土質疏松、降雨集中等自然因素的影響,水土流失、土地塌陷裂縫現象非常嚴重,生態(tài)環(huán)境脆弱[9],生物修復技術已經成為近年來脆弱區(qū)生態(tài)治理的有效方法。利用AM真菌促進本地生態(tài)經濟植物黃花菜生長及其土壤改良方面尚未見報道。通過測定AM真菌對黃花菜營養(yǎng)生長狀況及根際土壤理化特性、微生物數量的影響,研究接種AM真菌對當地經濟作物的生態(tài)修復效應,不僅對于本地經濟作物的恢復及大規(guī)模種植,甚至對于提高當地農民經濟收入起到積極作用,同時也為陜北黃土高原煤礦區(qū)受損生態(tài)與經濟的可持續(xù)發(fā)展提供理論依據,具有重要的生態(tài)意義。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

研究區(qū)地處毛烏素沙漠與黃土溝壑區(qū)的過渡地帶,位于陜西省神木縣檸條塔礦區(qū),屬干旱半干旱高原大陸性氣候,常年干旱少雨,多風沙,植被稀疏。年平均降雨量為441 mm,主要集中于7—9月份,年均蒸發(fā)量為1337 mm,是降水量的3倍。年平均氣溫為8.9℃。土壤類型主要為黃土,土質疏松,養(yǎng)分貧瘠。本研究所處地區(qū)植被退化較為嚴重,植物種類主要以一年生狗尾草(Setariaviridis)、黃花菜(HemerocalliscitrinaBaroni)、紫花苜蓿(Medicagosativa)、沙棘(Hippophaerhamniodes)、檸條(Caraganaintermedia)等植物為主。

1.2 試驗區(qū)設計

試驗區(qū)總面積為11512 m2,分接菌區(qū)(簡稱GM,以下同)和對照區(qū)(簡稱CK,以下同)各占一半,其地形和土質均相近。于2015年5月開始種植黃花菜(daylily,HemerocalliscitrinaBaroni),種植密度16株/m2。供試菌劑由中國礦業(yè)大學(北京)微生物復墾實驗室自主擴繁培養(yǎng)得到的摩西管柄囊霉Funneliformismosseae(簡稱F.m),該菌劑為混有菌根根段的砂土等基質材料組成,其菌絲密度為5.09 m/g。菌劑隨黃花菜幼苗種植時一起接入根際周圍,每株接菌20 g菌劑。植株栽培后第一個月內每周澆水一次,并達到最大持水量,一個月后不再人工澆水自然生長。

1.3 指標測定

試驗分別于2015年8月和10月測定兩個試驗小區(qū)黃花菜菌根侵染、植株生長以及植株生化含量等常規(guī)試驗指標。每個小區(qū)隨機選擇60個樣本測定黃花菜植株的株高、冠幅等生長指標,隨機選擇15個樣本測定植株葉片的葉綠素含量、氮、磷、鉀等營養(yǎng)指標;在各試驗小區(qū)隨機選取15株黃花菜,在其根際10—30 cm處采集新鮮土樣100 g,并立即用自封袋密封于4℃冰盒,并于當天帶回實驗室放入4℃冰柜冷藏,用于測定微生物數量和酸性磷酸酶活性。此外,每個根際土壤樣品選取50 g風干,過2 mm篩后用于分析其理化性質。菌根侵染率的測定采用曲利苯藍染色法[10]及根段侵染率加權法[11]測定。菌絲密度的測定采用網格交叉法[12]。

黃花菜葉片葉綠素含量的測定采用KonicaMinolta公司生產的SPAD- 502葉綠素儀測定葉綠素值(Soil and Plant Analyzer Development,簡稱SPAD,以下同),測定時,每個小區(qū)選取40株,每株黃花菜選取葉片上、下兩層各兩片葉子,每片葉子測10—15個點。取其平均值作為此葉片的葉綠素相對值。光合作用速率的測定采用LI- 6400XT便攜式光合儀,時間段選擇在9：00—11：00時,以及14：00—16：00時。測定時選擇小區(qū)內外形長勢相近的植物作為樣品,每個小區(qū)選擇30株,每株選擇4個方位長勢旺盛的葉片,每個測點重復測3次求平均?？扇苄蕴呛繙y定采用蒽酮比色法[13],過氧化氫酶含量測定采用pH 7.8磷酸緩沖液提取粗酶液的分光光度法[14]。

根際土壤pH值為水土比 5∶1 的玻璃電極-酸度計法,電導率(Electrical Conductivity, 簡稱EC,以下同)為水土比5∶1浸提-電導法,土壤速效磷采用0.5 mol/L NaHCO3浸提—鉬銻抗比色法[15],速效鉀采用1.0 mol/L NH4OAc浸提—火焰光度法[16],土壤有機質含量的測定采用重鉻酸鉀外加熱方法(K2Cr2O7-H2SO4法)[17]。土壤速效氮含量采用堿解擴散法[7]。土壤微生物數量的測定采用常規(guī)的稀釋平板法[18],其中,真菌數量的測定采用孟加拉紅培養(yǎng)基,放線菌數量的測定采用改良高氏一號培養(yǎng)基,細菌數量的測定采用牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基。酸性磷酸酶活性的測定采用改進的Tabatabai和Brimner法[19],酶活性用單位時間每克土產酚量(μg g-1h-1)表示。

本文中菌根貢獻率的計算采用以下公式[20]：

2 結果與分析

2.1 黃花菜菌根侵染率及菌絲密度

侵染率反映了菌根真菌與植物根系之間的親和程度。接菌小區(qū)內黃花菜的菌根侵染率達到80%左右,而對照小區(qū)內黃花菜的菌根侵染率只有20%左右(表1)。接菌區(qū)黃花菜根際土壤菌絲密度均高于對照區(qū)2.8倍左右,接種AM真菌極顯著提高土壤中菌絲密度,達到顯著性差異。此外,與8月份相比,10月份相同處理的黃花菜根際土壤菌絲密度沒有顯著差異,可能由于兩次監(jiān)測時間間隔過短,寄主植物根際土壤菌絲密度的變化量不明顯所致。

2.2 接種AM真菌對黃花菜生長量的影響

8月份和10月份接菌處理的黃花菜株高是對照處理黃花菜株高的3—4倍左右(表1),達到顯著性差異。在8月份和10月份接菌與對照處理黃花菜的冠幅均達到顯著性差異,兩次監(jiān)測時期接菌處理的黃花菜的冠幅是對照組黃花菜冠幅的2.4—2.8倍左右,說明接種AM真菌對黃花菜的生長起到了顯著的促進作用。另外由于兩次監(jiān)測時間間隔較短,相同處理的黃花菜株高和冠幅在不同月份之間差異不顯著。

2.3 接種AM真菌對黃花菜抗逆性影響

8月份和10月份接菌和對照處理的黃花菜葉片的光合速率影響見表2,在8月份不同處理間黃花菜葉片的光合速率未達到顯著性差異,而在10月份接菌處理黃花菜葉片的光合速率顯著高于對照組,菌根貢獻率達51%,可能是由于10月份陜北黃土區(qū)氣溫已經下降,光強較8月份變弱,而接種AM真菌能在一定程度上減弱光強對植物光合速率的影響,對促進光合作用起到積極作用。

表1 接種菌根對黃花菜根系菌根侵染率、菌絲密度及株高冠幅的影響

GM：分接菌區(qū);CK：對照區(qū)

表2 接種菌根對黃花菜抗逆性影響

8月份和10月份不同處理的黃花菜葉片葉綠素含量接菌的處理均高于對照,但并未達到差異顯著水平(表2),說明在該野外試驗條件下,接種AM真菌在一定程度上有利于提高黃花菜葉片葉綠素含量,增強光合產物的生產能力。

比較了10月份接菌和對照處理黃花菜葉片可溶性糖含量(表2)。接菌組葉片可溶性糖含量顯著高于對照,菌根貢獻率達12%。說明接種AM真菌對于黃花菜葉片可溶性糖的合成起到積極促進作用,增加了黃花菜葉片的抗寒能力。

過氧化氫酶是作物抗氧化防御的一種表現,接菌和對照處理過氧化氫酶含量如表2所示。接菌組葉片的過氧化氫酶含量顯著高于對照組,菌根貢獻率達79%,說明在該試驗區(qū)接種AM真菌能顯著促進黃花菜葉片合成過氧化氫酶的能力,增強了黃花菜抗逆性。

2.4 接種AM真菌對黃花菜根際土壤養(yǎng)分含量的影響

8月份和10月份接菌與對照處理黃花菜根際土壤pH沒有顯著性差異,而電導率均顯著高于對照處理,菌根貢獻率分別為39%、48%(表3),說明接菌處理對改善黃花菜根際土壤鹽分含量有一定作用。8月份和10月份相比,相同處理間差異不明顯,可能與其監(jiān)測間隔時間較短相關。

表3 不同處理對黃花菜根際土壤理化參數的影響

8月份不同處理黃花菜根際土壤有機質含量差異不顯著,而在10月份不同處理間達到顯著性差異,菌根貢獻率達21%(表3)。與8月份相比,10月份接菌與對照處理黃花菜根際土壤有機質含量均有所增加,說明10月份后氣溫下降,早晚溫差變大有利于有機質的積累,接種AM真菌對土壤有機質積累有積極促進作用。

接菌處理根際土壤堿解氮、速效鉀含量均顯著高于對照處理,其中堿解氮的菌根貢獻率達17%—50%,速效鉀的菌根貢獻率為30%—34%(表3),說明接種AM真菌能夠顯著提高該土壤中堿解氮、速效鉀的含量。土壤速效磷含量略與對照處理之間沒有顯著性差異,接菌處理略低于對照處理,可能是菌根對磷較為敏感,接菌促進了植物吸收了較多的土壤磷所致。

2.5 接種AM真菌對黃花菜根際土壤微生物數量及磷酸酶活性的影響

10月份接菌處理的黃花菜根際土壤微生物數量及酸性磷酸酶活性均高于對照組(表4),表明菌根真菌能夠影響根際土壤微生物的數量與酸性磷酸酶活性。接菌處理對黃花菜根際土壤中真菌、放線菌數量影響不顯著,而土壤細菌數量顯著高于對照,菌根貢獻率達77%,說明接種AM真菌能夠顯著促進根際細菌的數量,而對真菌和放線菌數量的影響作用不明顯。接菌黃花菜根際土壤酸性磷酸酶活性顯著高于對照,菌根貢獻率為24%,說明接種AM真菌能顯著提高黃花菜根際土壤酸性磷酸酶活性,促進了土壤速效磷的高效利用。

表4 接種菌根對黃花菜根際土壤微環(huán)境的影響

3 討論

本文研究了接種AM真菌對陜北檸條塔黃土溝壑采煤沉陷擾動區(qū)黃花菜生長及土壤改良的影響。黃花菜是當地農民普遍選種的一種經濟植物,近年來隨著采煤沉陷對土地的破壞與擾動,黃花菜的生存環(huán)境受到了很大的干擾,幼苗成活率低。接種菌根真菌顯著提高了黃花菜的生長,一定程度上改善了黃花菜根際土壤養(yǎng)分狀況,改善提高了品質和抗逆性。為黃土溝壑沉陷區(qū)擾動土地的微生物修復技術應用提供了較好的研究思路,具有普遍的現實生態(tài)意義。

對照區(qū)黃花菜根有一定的菌根侵染率和菌絲密度,自然狀態(tài)下土壤中存在土著AM真菌,野外人工接種AM真菌對于加速生態(tài)修復具有積極意義。接種AM真菌能夠擴大植物根系吸收面積[21]、增加根系內營養(yǎng)與水分的運輸速度[22],促進植物生長,改善植物對磷、鋅、鈣、鎂等礦物質營養(yǎng)元素的吸收[23-24]。8月份和10月份接菌處理的黃花菜株高、冠幅均顯著高于對照組,對于黃花菜的生長起到顯著的促進作用,這可能是由于菌根菌絲擴大了黃花菜根系與土壤的接觸面積,促進了黃花菜根系對土壤中水分和礦物質養(yǎng)分的吸收,長勢明顯,與在采煤沉陷區(qū)接種AM真菌的沙蒿[25]、檸條[26]和紫穗槐[27]均表現出相同的生長規(guī)律。

黃土丘陵土壤養(yǎng)分貧瘠,氣候干旱,采煤沉陷頻發(fā)又加劇了貧瘠及干旱等逆境脅迫。在土壤養(yǎng)分貧瘠、氣候干旱、入秋早溫差大的煤礦塌陷區(qū),接種AM真菌可以顯著提高寄主植物的抗旱寒性等逆境的適應性,改善其品質[28]。植物的抗旱能力與其體內的可溶性糖含量密切相關[29],過氧化氫酶作為抗氧化劑,可為作物組織提供抗氧化防御能力[30]。接種叢枝菌根真菌顯著提高黃花菜葉片光合速率,可能是接種菌根激活了黃花菜葉片的氣孔開關[31],也可能是由于菌根菌絲加強了黃花菜根系對土壤中水分和其他礦物質養(yǎng)分的吸收和轉運,使之有利于接菌組黃花菜葉片的氣體交換,從而提高植物葉片的光合速率[32]。接菌處理黃花菜葉片可溶性糖含量與過氧化氫酶含量均顯著高于對照處理,菌根貢獻率分別達到12%和79%,與前人的研究結果一致[33],可能是在土壤養(yǎng)分和水分貧瘠的采煤沉陷區(qū),菌根真菌可以通過增加宿主體內的可溶性糖含量來降低滲透勢,以維持植株體內的水分含量[34]。說明在煤炭開采強烈干擾區(qū)接種真菌可以顯著提高黃花菜植株的可溶性糖與過氧化氫酶含量,從而增強黃花菜在干旱貧瘠地區(qū)的生長適應能力,提高品質。

由于陜北黃土溝壑采煤沉陷區(qū)水土流失嚴重,土壤中普遍缺乏有機質以及氮、磷、鉀等礦物質元素[35]。接菌處理對黃花菜根際土壤的電導率值顯著高于對照組,顯著提高了黃花菜根際土壤的有機質、堿解氮、速效鉀含量,這說明接種AM真菌改善了黃花菜根際土壤的微環(huán)境,促進了根際土壤中礦物質養(yǎng)分的活化,改良了土壤肥力,從而促進黃花菜植株的生長和根際微環(huán)境的改善。這對黃土溝壑采煤沉陷區(qū)受損的生態(tài)系統(tǒng)恢復到自然生態(tài)系統(tǒng)的良性循環(huán)具有重要的意義。這一結論與王瑾等[36]在神東采煤沉陷區(qū)利用紫穗槐接種叢枝菌根真菌促進根際土壤的速效磷、堿解氮、有機質含量等增加的規(guī)律一致。

土壤性狀改善反過來促進了黃花菜根際土壤微生物群落的生長和新陳代謝,土壤中微生物主要參與有機質的分解、腐殖質的形成、土壤養(yǎng)分轉化等過程,土壤中的酶活性及土壤中微生物數量的變化不僅可以敏感地反映土壤質量及其物質代謝的旺盛程度[37-38],而且也是土壤生物活性的具體體現[39]。接種AM真菌顯著提高了黃花菜根際土壤中的真菌、放線菌、細菌及磷酸酶活性,表明AM真菌對刺激土壤中微生物的生長有一定的促進作用,與王瑾[33]和馬源[40]等研究結果類似。接菌后微生物數量及酶活性的增加,一定程度上反映了接菌區(qū)土壤質量改善[41],這對于黃花菜根際土壤微生態(tài)環(huán)境的改良起到積極促進作用,使得黃土溝壑采煤沉陷區(qū)的生態(tài)系統(tǒng)具有向多樣性發(fā)展的潛力。