包玉英,莫 莉，陳 金，王寶杰，張曉東，馬曉丹，戴雁峰

(1.內(nèi)蒙古大學(xué) 生命科學(xué)學(xué)院，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021; 2.內(nèi)蒙古大學(xué) 牧草與特色作物生物技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010021)

煤炭開(kāi)采作為人類(lèi)的生產(chǎn)活動(dòng)，打破了生態(tài)系統(tǒng)原有的平衡和穩(wěn)定性。露天采煤嚴(yán)重地破壞了地表植被和土壤結(jié)構(gòu)，影響了土壤微生物群落[1-3];同時(shí)形成了不同時(shí)期土壤重構(gòu)的排土場(chǎng)景觀。與天然草原土壤相比，排土場(chǎng)的土壤結(jié)構(gòu)、理化性質(zhì)和生物特性變化較大，影響著植物的建植、生存和生長(zhǎng)，尤其是在干旱、半干旱生態(tài)脆弱區(qū)，影響較嚴(yán)重且不可逆[4]。因此，在煤炭生產(chǎn)的同時(shí)用不同的重建模式對(duì)礦區(qū)排土場(chǎng)進(jìn)行植被恢復(fù)，并采用不同的管理措施，會(huì)造成不同時(shí)期的排土場(chǎng)植被演替進(jìn)程和景觀的差異[5-6]。

叢枝菌根真菌(Arbuscularmycorrhizalfungi，AM fungi)是一種在自然界廣泛分布的土壤微生物，能夠與陸地上80%～90%的植物共生，形成互利共生體[7-8];許多研究證實(shí)AM真菌在特定棲息地或生態(tài)系統(tǒng)之間的種類(lèi)豐富度和群落組成具有高度可變性[9]，而且，AMF能夠增強(qiáng)植物對(duì)磷(P)、鋅(Zn)、氮(N)和鐵(Fe)等低遷移率養(yǎng)分的吸收和轉(zhuǎn)移。另外接種AM真菌的研究表明，菌根能有效的促進(jìn)植物生長(zhǎng)[10]。同時(shí)AM真菌表現(xiàn)出增加土壤肥力、提高土壤酶活性等的重要作用[11]。AMF除了吸收礦物質(zhì)養(yǎng)分外，還能穩(wěn)定土壤結(jié)構(gòu)，使植物在干旱、鹽堿和有毒土壤等脅迫條件下生存[12]，影響土壤過(guò)程、植物多樣性和陸地生態(tài)系統(tǒng)的可持續(xù)性[13]。因此，選擇露天采煤生產(chǎn)形成的排土場(chǎng)作為研究對(duì)象，探索排土場(chǎng)植物群落演替和土壤修復(fù)過(guò)程中AM種群的變化，不僅對(duì)排土場(chǎng)生態(tài)修復(fù)具有評(píng)判作用、而且對(duì)區(qū)域AM真菌資源的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)利用產(chǎn)生積極的影響。

1 試驗(yàn)區(qū)情況

研究區(qū)位于內(nèi)蒙古錫林浩特市勝利煤田露天礦(東經(jīng)115.500°～116.433°，北緯43.950°～44.233°)南、北排土場(chǎng)及礦外原生草原[14]。礦外天然植被為大針茅(Stipagrandis)建群的典型草原群落;南排土場(chǎng)以人工種植的紫花苜蓿(Medicagosativa)建群、北排土場(chǎng)人工植被退化并以野生蒿屬(Artemisia)植物建群。

2 材料與方法

2.1 樣地及材料選擇

2017年7月對(duì)礦區(qū)內(nèi)南、北排土場(chǎng)頂盤(pán)和南坡平盤(pán)、礦外西線距離礦坑2 500 m的原生草原群落(對(duì)照)進(jìn)行了植被調(diào)查和土壤樣品的采集。每個(gè)樣地分別選取3個(gè)1 m×1 m的樣方，采用生態(tài)學(xué)常規(guī)方法統(tǒng)計(jì)樣方內(nèi)植物的種類(lèi)及數(shù)量見(jiàn)表1。5點(diǎn)取樣法采集0～30 cm土壤樣品1.5 kg，混合均勻置于無(wú)菌塑料袋內(nèi)，帶回實(shí)驗(yàn)室，自然晾干，一部分用于AM真菌的分離篩選，一部分用于土壤理化性質(zhì)的測(cè)定。

2.2 測(cè)定方法

土壤理化性質(zhì)的測(cè)定，含水量采用烘干法，pH值采用玻璃電極法(土∶水=1∶2.5的比例混合)，速效磷、銨態(tài)氮和有效鉀用浙江托普云TPY-6PC土壤養(yǎng)分速測(cè)儀，全磷采用氫氧化鈉熔融—鉬銻抗比色法，全氮、全碳利用元素分析儀(Elementar Vario Macro Cube)進(jìn)行測(cè)定。

表1 樣地信息
Table 1 Sample area information

樣地名稱(chēng)樣地簡(jiǎn)稱(chēng)經(jīng)緯度植被蓋度/%主要種植物原生草原OG115.976°E,44.000°N45.24±0.31大針茅(Stipa grandis)、羊草(Leymus chinensis)、豬毛菜(Salsola collina)南排土場(chǎng)頂盤(pán)SP116.050°E,44.006°N27.78±0.65紫花苜蓿(Medicago sativa)、大針茅(Stipa gran-dis)、豬毛菜(Salsola collina)南排土場(chǎng)南側(cè)平盤(pán)SF116.054°E,44.000°N25.65±0.31紫花苜蓿(Medicago sativa)、大籽蒿(Artemisia siev-ersiana)、小葉錦雞兒(Caragana microphylla Lam)北排土場(chǎng)頂盤(pán)NP116.042°E,44.034°N20.26±0.21叢生隱子草(Cleistogenes caespitosa)、小葉錦雞兒(Caragana microphylla Lam)、大籽蒿(Artemisia siev-ersiana)北排土場(chǎng)南側(cè)平盤(pán)NF116.043°E,44.028°N10.62±0.81冰草(Agropyron cristatum)、大籽蒿(Artemisia siever-siana)、豬毛菜(Salsola collina)

土壤的過(guò)氧化氫酶、蔗糖酶和脲酶等理化性質(zhì)采用蘇州科銘生物公司(Comin Biotechnology Co.,Ltd.,Suzhou,China)試劑盒進(jìn)行測(cè)試。

采用濕篩傾注-蔗糖梯度離心法[15]對(duì)AM真菌孢子進(jìn)行分離，采用透射法，使用Leica EZ4解剖鏡在25×視野下進(jìn)行AM真菌孢子的初步分類(lèi)與計(jì)數(shù)，并吸取孢子分別用PVLG和PVLG+Melzer’s試劑染色制片，用Leica DM5500B顯微鏡觀察和攝像。根據(jù)孢子的形態(tài)與組織化學(xué)特征，參照AM真菌分類(lèi)鑒定手冊(cè)和新的分類(lèi)系統(tǒng)進(jìn)行種類(lèi)的鑒定，并統(tǒng)計(jì)AM真菌孢子形態(tài)物種多樣性[16]。

2.3 數(shù)據(jù)處理與分析

采用Excel(2013版)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步統(tǒng)計(jì)分析;采用SPSS 20.5(SPSS Inc.,Armonk,NY,USA)單因素分析(One-way ANOVA)對(duì)植物物種多樣性、土壤理化性質(zhì)、土壤酶活性及AM真菌多樣性進(jìn)行組內(nèi)顯著性差異分析。采用冗余分析(Redundancy Analysis,RDA)分析微生物與環(huán)境因子的關(guān)系，用CANOCO 5.0 軟件進(jìn)行可視化[17]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 植物多樣性

對(duì)北電勝利煤電基地的5個(gè)樣地，通過(guò)樣方法進(jìn)行植被調(diào)查，統(tǒng)計(jì)樣方內(nèi)每種植物(草本)的株數(shù)，植物多樣性采用香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(Shannon diversity index)表示，結(jié)果如圖1所示。樣地間植物多樣性的變化趨勢(shì)關(guān)系呈OG>SP>SF>NP>NF，其中原生草原樣地顯著高于南排土場(chǎng)樣地SP，SF(P<0.05)，南排土場(chǎng)樣地SP，SF顯著高于北排土場(chǎng)樣地NP，NF(P<0.05)。同時(shí)，排土場(chǎng)頂盤(pán)的植物多樣性高于南坡平盤(pán)，但沒(méi)有達(dá)到顯著差異水平(P>0.05)。結(jié)果表明，在北電勝利煤電基地排土場(chǎng)的植被修復(fù)過(guò)程中，采用適當(dāng)?shù)娜斯す茏o(hù)(定期澆灌)比自然修復(fù)(沒(méi)有澆灌)的效果明顯，但擬達(dá)到自然演替的原生草原植物多樣性仍需要一定時(shí)期的變化過(guò)程。排土場(chǎng)定盤(pán)和平盤(pán)植物多樣性的差異可能與人為管護(hù)(灌溉)水平以及定盤(pán)更容易保存降雨，而南坡平盤(pán)更易水土流失有關(guān)[18]。

圖1 植被物種多樣性比較分析Fig.1 Comparative analysis of plant species diversity analysis of AMF relative abundance

3.2 AMF孢子的相對(duì)豐度

對(duì)采集的北電勝利煤電基地5個(gè)樣地的土壤，通過(guò)濕篩傾析法分離提取AMF的孢子，共篩選出24個(gè)種，并利用Pearson相關(guān)性系數(shù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)矩陣分析，結(jié)果如圖2所示。Glomusreticulatum、Septoglomusdeserticola分別以強(qiáng)優(yōu)勢(shì)種出現(xiàn)在不同的樣地中，而多數(shù)的AMF在各樣地中具有較低的豐度，Acaulosporasp1是內(nèi)蒙古草原廣泛分布的種類(lèi)，出現(xiàn)在原生樣地中，但在排土場(chǎng)其孢子的數(shù)量和出現(xiàn)的頻度均較低;而Septoglomusdeserticola在原生樣地并不是優(yōu)勢(shì)的種類(lèi)，但在排土場(chǎng)呈現(xiàn)出建群或優(yōu)勢(shì)種的趨勢(shì)。部分屬種表現(xiàn)出較強(qiáng)的樣地偏好性，Scutellosporacalospora最為典型，在SF中表現(xiàn)出最高的豐度。這些AMF種屬在不同樣地分布性的差異，可能與AMF對(duì)宿主植物的偏好性有關(guān)，盡管在自然生態(tài)系統(tǒng)中約80%以上的草本類(lèi)植物與AM真菌共生，但對(duì)寄主植物有一定的選擇性[19]。排土場(chǎng)植被建設(shè)選取了易于人工種植和栽培的植物，通常不同于原生群落，因此導(dǎo)致排土場(chǎng)土壤AM真菌種類(lèi)與原生群落之間的不同;另外排土場(chǎng)土壤性質(zhì)的變化可能影響土壤微生物或改變了土壤AM真菌群落的物種組成[20]。

圖2 AMF相對(duì)豐度關(guān)聯(lián)分析Fig.2 Separation frequency correlation between different sites

AMF孢子相對(duì)豐度的關(guān)聯(lián)矩陣分析顯示，OG和SP被聚類(lèi)在一個(gè)簇上，SF和NP在一個(gè)簇上，說(shuō)明OG與SP，SF與NP的AMF分布具有強(qiáng)關(guān)聯(lián)性，可能受群落的主要植物物種多樣性的影響(表1)。許多研究認(rèn)為寄主植物與AMF是密切相關(guān)的[21]，探索寄主植物和AMF種類(lèi)的相關(guān)性對(duì)揭示生物物種間的作用關(guān)系具有重要的理論意義[22-23]。

3.3 AMF孢子種類(lèi)多樣性

土壤中AMF多樣性用香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)(Shannon diversity index)表示，結(jié)果如圖3所示。研究樣地間AMF孢子多樣性的變化關(guān)系為OG>SP>SF>NP>NF，與植物多樣性的結(jié)果具有一致性，這與前人的研究結(jié)果相似[24]。北排土場(chǎng)在人工建成后放棄管護(hù)，導(dǎo)致了人工建植的植物種群成活率低、植物多樣性的降低;盡管自然演替植被恢復(fù)進(jìn)程較慢，但一些原生植物種類(lèi)如在退化草原出現(xiàn)的蒿類(lèi)植物物種得到了的恢復(fù);引起了植物種群的競(jìng)爭(zhēng)和群落組成的變化，使與植物共生的AMF孢子物種多樣性發(fā)生改變。排土場(chǎng)經(jīng)過(guò)人工植被建設(shè)后，土壤AMF的定殖增加，而且人工澆水管護(hù)條件下南排土場(chǎng)的AMF多樣性高于沒(méi)有管護(hù)的北排土場(chǎng)?？梢?jiàn)人工澆灌更利于植物的定殖、水土保持，進(jìn)而有利于植物根系共生的AMF的繁殖。

圖3 AMF多樣性比較分析Fig.3 Comparative analysis of AMF diversity

3.4 AMF與環(huán)境因子關(guān)聯(lián)分析

為了探究AMF與各環(huán)境因子之間的響應(yīng)關(guān)系，利用冗余分析Redundancy Analysis(RDA)進(jìn)行約束性線性直接梯度排序，建立線性回歸模型，如圖4所示。第1軸解釋變量為37.81%，第2軸解釋變量為32.63%。各樣地均勻分布在各微生物與環(huán)境因子當(dāng)中，它們之間的矩陣距離的結(jié)果與圖2一致，SF與NP，OG與SP分別緊密相關(guān)。植物多樣性、AMF多樣性及植物生物量呈顯著正相關(guān)，且大部分的環(huán)境因子(如AP，AN，TN，TC，ALP)都與它們緊密正相關(guān)，pH，AK，CAT與它們呈顯著負(fù)相關(guān)。AMF都緊密環(huán)繞在這些環(huán)境因子當(dāng)中，說(shuō)明AMF的豐度與土壤環(huán)境因子密切相關(guān)[25]。只有G.aggregatum與這些環(huán)境因子呈現(xiàn)較弱的相關(guān)性，說(shuō)明該物種對(duì)環(huán)境變量不敏感，能較好的適應(yīng)各種環(huán)境。

4 結(jié) 論

(1)在北電-勝利煤電基地礦區(qū)，礦外自然草原群落的植物多樣性、植物群落蓋度及土壤AMF的多樣性高于排土場(chǎng)的人工植被，持續(xù)人工澆水管護(hù)的南排土場(chǎng)的高于近自然修復(fù)的北排土場(chǎng)。

(2)研究區(qū)土壤AMF多樣性不僅與植物多樣性和植物群落生物量顯著正相關(guān)，與環(huán)境因子AP,AN,TN,TC,ALP呈顯著正相關(guān)，與pH,AK,CAT呈顯著負(fù)相關(guān)。同時(shí)，人工建植及澆灌措施有利于排土場(chǎng)植被恢復(fù)及土壤AMF多樣性的增加。

因此，在露天煤礦排土場(chǎng)植被恢復(fù)演替與生態(tài)修復(fù)的進(jìn)程中，采取人工建植并保持有效的管護(hù)措施是非常必要的，加強(qiáng)人工建植對(duì)礦區(qū)排土場(chǎng)土壤的修復(fù)作用、尤其是對(duì)土壤微生物種群多樣性變化的影響具有重要的恢復(fù)生態(tài)學(xué)理論意義。