高和平，崔利東，尚海麗，董紅娟，劉艷青

(1.國能蒙西煤化工股份有限公司，內(nèi)蒙古 鄂托克旗 016014；2.內(nèi)蒙古科技大學，內(nèi)蒙古 包頭 014000)

1 引言

鄂爾多斯市鄂托克旗棋盤井洗煤廠矸石山占地面積廣大，隨著開采深入，矸石山規(guī)模逐年劇增，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境產(chǎn)生嚴重影響。為響應國家礦區(qū)生態(tài)修復政策，本文擬選取鄂爾多斯市鄂托克旗棋盤井洗煤廠矸石山北坡，針對當?shù)睾洹⒏珊档臍夂蛱卣?，以當?shù)刎S富的黃土作為覆土層，選擇合適覆土厚度，并利用微生物接菌技術，篩選耐寒抗旱植株種類進行矸石山復墾。以該工區(qū)為示范基地，在2年時間內(nèi)初步建立適合當?shù)貧夂蚝晚肥綏l件的復墾技術，為進一步推廣矸石山復墾技術提供參考[1]。

棋盤井煤礦區(qū)屬于干旱草原地區(qū)，高原大陸性氣候，年均氣溫3 ℃，風速5 m/s，降雨量不到250 mm，蒸發(fā)量約2700 mm，大于10 ℃積溫2860 ℃，最大凍土深度280 cm。最早初霜日在9月初，最晚終霜日在5月中旬，無霜期110 d。因此，制約該地區(qū)植物生長的重要氣候因素是低溫和干旱。針對該地區(qū)的氣候特點，本項目重點進行引種植株的耐寒抗旱能力篩選和培育。另外，該地區(qū)土壤質地偏堿性，局部地區(qū)鹽堿化，土壤貧瘠，因此，引種植株篩選也要考慮植株對貧瘠、耐鹽堿等抗逆性的能力[2]。

近年來，國內(nèi)外學者對矸石山復墾技術有了較多的研究。其中畢銀麗[3]等以寧夏大武口洗煤廠煤矸石山復墾地為實驗點,在自然狀況下接種叢枝菌根真菌,研究其對煤矸石山土地復墾的生態(tài)效果。研究結果發(fā)現(xiàn)，叢枝菌根能夠提高植被成活，促進植株生長和發(fā)育同時擴大了根系的范圍。王化秋[4]等通過采用高通量測序技術與統(tǒng)計學方法對煤矸石山種植年限為17年的香根草進行研究，發(fā)現(xiàn)球囊霉屬廣泛存在于煤礦區(qū)等各種生態(tài)環(huán)境中，同時促進植物根系發(fā)育，增加土壤堿化氮、速效鉀、速效磷的吸收；田超[5]等以煤礦塌陷區(qū)土壤為研究對象，以紫花苜蓿為供試植物同時接種摩西球囊霉菌(Gm)和根瘤菌(V)進行溫室盆栽試驗，研究結果發(fā)現(xiàn)，雙接種比單接種和未接種處理更能有效改善礦區(qū)土壤理化性質，提升礦區(qū)土壤肥力，并可促進苜蓿植株對氮、磷營養(yǎng)元素的吸收能力。

作為本文的特色之一，微生物接菌技術主要使用叢枝菌根接菌植物根系，可以促進植物根系的發(fā)育，提高土壤保水能力和植株抗旱性，促進土壤有效營養(yǎng)元素的利用，并抑制有害元素對植株的侵害。叢枝菌根在青藏高原等高寒地區(qū)的廣泛應用也為棋盤井礦區(qū)的微生物復墾技術應用提供了科學依據(jù)和寶貴經(jīng)驗。叢枝菌根技術可全面提高植株對環(huán)境的抗逆性，優(yōu)化棋盤井覆土厚度，節(jié)約資源和成本。叢枝菌根作為天然微生物菌劑，相比化學肥料，對環(huán)境無污染，經(jīng)濟可行[6,7]。

2 試驗方法

2.1 試驗地點

試驗地點選擇鄂爾多斯市鄂托克旗棋盤井洗煤廠矸石山。該研究區(qū)位于干旱草原地區(qū)，高原大陸性氣候，年降雨量少，蒸發(fā)強烈。試驗區(qū)面積0.64 km2。

供試土壤為鄂爾多斯市鄂托克旗棋盤井洗煤廠矸石山覆土，土質為沙壤土。

供試微生物為2種，分別為北京市農(nóng)林科學院植物營養(yǎng)與資源研究所微生物室供經(jīng)本實驗室增殖培養(yǎng)的內(nèi)生菌Glomus mosseae(G.m)，解磷細菌菌株為斯式泛菌(Pantoea stewartii)，記為CA。

供試植物為紫花苜蓿、沙地柏、石竹和紫丁香4種。

2.2 試驗方法

種覆土厚度，依次為0 cm、10本試驗于2018年4月在鄂爾多斯市鄂托克旗棋盤井洗煤廠矸石山南坡進行。設置4 cm、30 cm、50 cm。每種覆土厚度又設置接菌G.m和對照CK2種處理。每種接菌處理又分別種植4種植物類型，依次為紫花苜蓿、沙地柏、石竹和紫丁香。共32種處理，每種處理設3個重復，合計96個樣品。試驗期間，澆水量保持田間持水量的75%，達到輕度干旱水平。試驗持續(xù)10個月，進行土壤、植物樣品采集測試。

2.3 測試項目和方法

2.3.1 植物生長指標

分別采集不同處理的地上部分和地下部分，105 ℃烘箱殺青30 min后，放置70 ℃烘箱直至烘干，分別稱量記錄不同處理的地上部分和地下部分干質量，并計算根冠比，即地下地上部干質量比。根系活力采用 α-萘胺法測定[8]，以1 h 1 g鮮根氧化的 α-萘胺質量表示根系的氧化活力。

2.3.2 土壤速效磷、堿解氮、速效鉀含量測定

土壤速效鉀采用 NH4OAc 浸提法[9]，測試儀器為 VarianVista-PRO型電感耦合等離子體原子發(fā)射光譜儀(ICP-AES)；土壤速效磷采用 0.5 mol/L NaHCO3浸提和鉬銻抗顯色法[]，測試儀器為 Rigol Ultra-3660 紫外分光光度計；土壤水溶性氮(堿解氮)采用堿解擴散法測定[]。

2.3.3 土壤球囊霉素相關蛋白測定

球囊霉素蛋白TG和EEG提取測定采用Wright的方法[10]，其中：

EEG提?。阂砸和帘?∶1將1.0000 g土樣與8 mL 20 mmol/L、pH 7.0的檸檬酸鈉溶液加入50 mL塑料離心管，用透氣膜封口后在121 ℃、103 kPa條件下提取0.5h，以4000 r/min離心8 min,取上清液，用Bradford法測定EEG含量。

TG提取：以液土比8∶1將0.5000 g土樣與4 mL 100 mmol/L、pH9.0的焦磷酸鈉溶液加入50 mL塑料離心管，用透氣的膜封口后在121 ℃、103 kPa條件下提取1 h，循環(huán)3次，并統(tǒng)一收集上清液，Bradford法分別測定球囊霉素相關土壤蛋白(GRSP)含量，3者之和即為TG含量。

2.4 數(shù)據(jù)分析

試驗數(shù)據(jù)使用SPSS 17.0統(tǒng)計軟件進行數(shù)據(jù)分析，采用Duncan法進行差異顯著性分析，顯著水平設為0.05。

3 試驗結果和分析

3.1 叢枝菌根真菌對不同覆土厚度下4種植物生長的影響

在接種叢枝菌根真菌條件下，不同覆土厚度會對這4種植物產(chǎn)生不同影響。由圖1可知在接種叢枝菌根真菌后，不同覆土厚度的基質中的紫花苜蓿、沙地柏、石竹、紫丁香表現(xiàn)出在植物總干重、根冠比與株高等方面不同的變化規(guī)律。覆土厚度為10 cm時，紫花苜蓿、沙地柏、石竹、紫丁香的植物干重為3.2、13.8、5.4、12.1 g/株，而其根冠比為10.%、21.2%、10.9%、15.7%說明紫花苜蓿根系較為發(fā)達，與沙地柏對環(huán)境適應能力較強。隨著覆土厚度增加4種植物的生長情況規(guī)律基本一致，但是植物生長情況更好，紫花苜蓿與沙地柏更加適應矸石山的干旱缺水環(huán)境下生長。這主要是由于煤矸石保肥保水能力差，而且供植物直接利用的營養(yǎng)物質相對較少，有效磷、有效鉀、堿解氮含量均低于土壤中的含量，從而抑制了覆土較淺的植物的生長[11]；而覆土厚度為30 cm時，由于覆土層改變了煤矸石原有的密實度，使孔隙度和保水能力有所提高，為植物的生長提供了有利條件[12]。但是覆土厚度為50 cm時植物株高較覆土厚度30cm時分別減少28.4、10.4、-20、10.1 cm，說明覆土厚度過大會對植物生長產(chǎn)生抑制作用。這可能是由于覆土厚度過大導致土壤通氣性減弱，根系發(fā)育受到抑制，根系活力受到影響導致[1，13]。

圖1 叢枝菌根真菌對不同覆土厚度下4種植物生長的影響

3.2 叢枝菌根真菌對不同覆土厚度和植物類型條件下土壤養(yǎng)分利用的影響

土壤養(yǎng)分利用率反映植物吸收礦質養(yǎng)分的能力和土壤養(yǎng)分含量之間的平衡關系。對于矸石山來說，接種AMF可以提高紫花苜宿、沙地柏、石竹、紫丁香對養(yǎng)分的吸收(表1)，無論覆土厚度的深淺，接種菌根都能顯著提高了這4種植物對堿解氮、速效磷、速效鉀的吸收。氮素作為構成一切生命體的重要元素[8]，在作物生長過程中對作物生長發(fā)育和產(chǎn)量起著至關重要的作用。在植物的生長過程中消耗了表層土壤養(yǎng)分，實驗結束與對照組土壤相比，接種AMF的堿化含量均有所下降。這是由于土壤中的有效態(tài)氮就是土壤堿解氮同時可以反映出土壤近期內(nèi)的氮素供應狀況，密切影響與作物生長。由表1可以看出，接種AMF的植物種植區(qū)內(nèi)不同覆土厚度下的土壤堿解氮含量均小于未接種的，說明接種AMF促進了植物生長。經(jīng)過GM處理后的土壤速效磷含量隨著覆土厚度增加而增加，在覆土厚度為30 cm時紫花苜宿、沙地柏、石竹與紫丁香速效磷達到最大值分別為40.59、25.33、24.25、28.2 mg/kg，受鉀吸收量的影響，在覆土厚度30 cm時同樣了出現(xiàn)峰值。當覆土厚度為50 cm時，速效鉀含量與覆土厚度10 cm時相近，此時由于覆土厚度過大，抑制植物鉀素吸收，同時對土壤氮、磷素的吸收產(chǎn)生抑制作用，因而土壤堿化氮含量有一個初步升高，速效磷與速效鉀含量減小[16]。

表1 叢枝菌根真菌在不同覆土厚度和植物類型條件下的土壤養(yǎng)分

3.3 不同覆土厚度和植物類型條件下的土壤球囊霉素相關蛋白含量變化

對于不同覆土厚度的矸石種植區(qū)，接種叢枝菌根真菌條件下對植物生長具有顯著改良效應如圖2所示。隨著覆土厚度增加，土壤球囊霉素相關蛋白含量有著明顯變化。紫花苜蓿加菌處理后在覆土厚度10、20、30、50 cm時TG含量分別為192.3、199.5、179.5、179.4 mg/kg；EEG含量為34.2、46.4、37.1、41.7 mg/kg，相比對照組在覆土厚度10、20、30、50 cm時TG含量分別減少79.2、49.5、44.5、-0.5 mg/kg；EEG含量分別減少了-26.5、8.9、7.1、0.2 mg/kg說明加入AMF能顯著提高根際土壤總球囊霉素和易提取球囊霉素的含量[8]，紫花苜蓿覆土厚度20 cm時，球囊霉素增加最為明顯。其中，沙地柏在覆土厚度為30 cm時，球囊霉素增加最為明顯加入AMF后TG、EEG含量分別達到168.3、77.2 mg/kg；石竹在覆土50 cm時球囊霉素增加最為明顯，TG、EEG含量分別達到136.9、55.1 mg/kg；紫丁香在覆土30 cm時球囊霉素增加最為明顯，TG、EEG含量分別達到176.2、53.6 mg/kg。統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)覆土厚度30 cm時，在叢枝菌根真菌的協(xié)同作用下，植物生長較好，接種叢枝菌根真菌對矸石山復墾具有顯著改良效應[15～17]。

圖2 不同覆土厚度和植物類型條件下的土壤球囊霉素相關蛋白含量

4 結論

叢枝菌根真菌促進了矸石山植被生長和土壤養(yǎng)分利用效率。在叢枝菌根的協(xié)同作用下，矸石山最佳覆土厚度為30 cm。該覆土厚度可以為植物生長提供充足的養(yǎng)分條件。矸石山的適宜性植被為紫花苜蓿和沙地柏，這2種植物抗旱性強、根系發(fā)達，適宜矸石山的立地條件。