侯曉萌，孔 濤＊，霍宏亮，狄軍貞，馮奧哲，程昊天，黃麗華

(1. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000；2. 中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院果樹研究所，遼寧 葫蘆島 125100；3. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)土木工程學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

土地沙化、水土流失等土壤侵蝕問題是當今全球生態(tài)環(huán)境面臨的嚴峻挑戰(zhàn)，而我國已成為土壤侵蝕問題最為嚴重的國家之一。2020 年統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，受水力作用侵蝕的水土流失面積為112 萬km2，受風(fēng)力作用侵蝕的水土流失面積為157 萬km2，風(fēng)力和水力侵蝕問題依然嚴峻[1]。遼西北地區(qū)地域開闊，處于半干旱牧區(qū)和半濕潤農(nóng)業(yè)區(qū)之間的過渡區(qū)域[2]，在水力與風(fēng)力雙重侵蝕作用下，該區(qū)氣候復(fù)雜多變、自然災(zāi)害頻發(fā)、土質(zhì)疏松且養(yǎng)分匱乏，加上人類不合理的利用，給土壤生態(tài)環(huán)境帶來巨大的負面效應(yīng)，其服務(wù)功能不斷衰退，形成“生態(tài)脆弱帶”[3-5]。

小葉楊（Populus simoniiCarr）為楊柳科，落葉喬木，是中國原產(chǎn)型深根性闊葉樹種，其根系發(fā)達，適應(yīng)性強，抗旱、抗寒、防風(fēng)固沙，在風(fēng)蝕水蝕交錯區(qū)栽植較多，是土壤修復(fù)的優(yōu)選樹種。植被復(fù)墾技術(shù)可以有效修復(fù)土壤生態(tài)[6]，但風(fēng)蝕水蝕交錯區(qū)的土壤理化性質(zhì)較差，生態(tài)環(huán)境惡劣，植物栽植后成活率不高，影響復(fù)墾效果。近年來，微生物菌劑修復(fù)憑借投入低、效果好、周期短、無二次污染等優(yōu)勢，在土地復(fù)墾領(lǐng)域倍受關(guān)注，應(yīng)用前景廣闊[7-8]。叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizalfungi，AMF）、哈茨木霉菌（Trichoderma harzianum，TH）和膠質(zhì)芽孢桿菌（Bacillus mucilaginosus，BM）是土壤修復(fù)中常用的菌劑。AMF 能改善植物對磷、氮等養(yǎng)分的吸收，增強植物抗性，提高成活率和生長速度[9-10]。TH 是一種有益的真菌，具有促進植物重寄生、競爭、抗生以及提高抗病性等作用，能將土壤中的營養(yǎng)轉(zhuǎn)化成植物易于吸收的成分[11]。BM 是可以分解土壤中硅酸鹽礦物的異養(yǎng)型好氧細菌，具有解鉀、解磷作用，并將其轉(zhuǎn)化成供植物利用的有效養(yǎng)分，同時可分泌生長激素和酶類等物質(zhì)促進植物生長發(fā)育[12-13]。以上菌劑均可通過提高根系吸收、固定、轉(zhuǎn)化養(yǎng)分的能力，促進植物生長，改良土壤生態(tài)。單一菌劑的作用只能從某一方面提高復(fù)墾效果，有一定的不足之處，配施可使不同菌劑建立良性循環(huán)，將不同效用形成合力，大大提升復(fù)墾效應(yīng)。

目前，國內(nèi)現(xiàn)有研究多集中于單一微生物菌劑施用對土壤復(fù)墾效果的研究，以多類型功能菌為代表的微生物菌劑配施復(fù)墾技術(shù)在風(fēng)蝕水蝕交錯區(qū)的應(yīng)用較少，其對土壤理化性質(zhì)和酶活性的影響尚不明確。土壤理化指標和土壤酶種類繁多，單一指標在反應(yīng)土壤質(zhì)量變化上存在很大的片面性。將土壤理化指標和土壤酶活性運用加權(quán)和法計算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)（SQI）和土壤酶指數(shù)（SEI），并以復(fù)墾前后土壤酶指數(shù)和土壤質(zhì)量綜合指數(shù)的變化率作為土壤酶恢復(fù)指數(shù)（ERI）和土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)（NRI），可以客觀、量化的揭示土壤的變化規(guī)律[14]。本研究以我國人工防護林典型樹種小葉楊為復(fù)墾植物，通過比較AMF、BM、TH 三種菌劑聯(lián)合復(fù)墾后土壤酶活性和理化性質(zhì)的變化，探索不同微生物菌劑及配施方式對土壤理化性質(zhì)和酶活性的影響，明確小葉楊與不同菌劑聯(lián)合復(fù)墾技術(shù)對土壤的改良效果，為“植物 + 微生物菌劑”聯(lián)合復(fù)墾技術(shù)應(yīng)用提供理論參考。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)位于遼寧省阜新市彰武縣葦子溝鎮(zhèn)腰嶺崗子村（42°26′15″ N，122°48′38″ E），地處科爾沁沙地的東南部，屬半干旱區(qū)；風(fēng)力強且集中，秋冬季節(jié)大風(fēng)頻發(fā)，易出現(xiàn)沙暴天氣，平均風(fēng)速3.7～4.6 m?s?1；雨熱同期且時空分布不均，夏季降雨集中，易形成暴雨，年均降水量不足550 mm，是典型的風(fēng)蝕水蝕交錯區(qū)；該區(qū)年均氣溫5.7 ℃，最高氣溫35.2 ℃，最低氣溫?29.5 ℃，年蒸發(fā)量>1 200 mm，干燥度1.2～2.0，相對濕度50%～60%。土壤風(fēng)蝕與水蝕嚴重，土壤類型為棕壤土，農(nóng)耕地養(yǎng)分含量較低；土壤含水量14.02%，pH 值為6.3，土壤有機質(zhì)含量為16.2 g?kg?1，土壤全N、全P和全K 含量分別為1.2、0.48、57.90 g?kg?1。區(qū)域內(nèi)植物為典型的沙地灌草叢，如 歐 李（Semen pruniHumilis）、 錦 雞 兒（Parochetus communisBuch）、羊茅（Festuca ovinaLinn.）、沙蓬（Agriophyllum squarrosumLinn.）、 差 巴 戈 蒿（Artemisia halodendronTurcz.）等，試驗開始前已對地被植物進行人工清除。

2 研究方法

2.1 樣地設(shè)置

本研究選用叢枝菌根真菌（AMF）、哈茨木霉菌（TH）和膠質(zhì)芽孢桿菌（BM）作為試驗菌劑，其中，TH、BM 購于綠隴生物，其菌劑濃度分別為1.0 × 1010、2.0 × 1010CFU·g?1；AMF 則選用了菌根效應(yīng)優(yōu)良的摩西球囊霉菌（Glomus mosseae），菌種購于石河子大學(xué)，菌種是內(nèi)含真菌孢子、菌絲以及被浸染宿主植物根段等繁殖體的根際砂土混合物。試驗設(shè)置菌劑單施、菌劑混施和對照3 個試驗組，具體配置方式及菌劑施用量見表1。試驗共分8 個處理，每處理3 次重復(fù)，每次重復(fù)設(shè)為1 個試驗小區(qū)，共計24 個試驗小區(qū)，進行隨機區(qū)組設(shè)計。每個試驗小區(qū)面積為2 m × 2 m，每小區(qū)內(nèi)種植4 株小葉楊，株行距均為1.0 m ×1.0 m，為防止小區(qū)內(nèi)微生物菌劑的遷移，各小區(qū)間設(shè)置2 m 隔離帶。于2020 年3 月在各小區(qū)內(nèi)種植2 年生（地徑2～3 cm）小葉楊，在以定植點為中心30 cm 處將菌劑與土壤均混后進行埋施處理，并適時進行田間常規(guī)人工撫育管理，保證植物生長的良好性和均一性。

表1 實驗設(shè)計及微生物菌劑施用量Table 1 Design of application and dosage of microbial agent in experimental

2.2 樣品采集

在復(fù)墾處理90 d 后進行土壤采集，各試驗小區(qū)內(nèi)采用5 點取樣法，采0～20 cm 土層土壤，同區(qū)土樣混合均勻，去除覆土層可見的砂石、植物及動物殘體等雜物，迅速過100 目（孔徑1.5 mm）篩后將取好的土樣用封口袋密封保存于冷藏箱帶回實驗室，1 份土壤4 ℃下保存，用于測定含水量、土壤酶活性等；另1 份土壤樣品風(fēng)干后研磨，用于測定土壤理化性質(zhì)。

2.3 測定方法

2.3.1 理化性質(zhì)測定 參考鮑士旦《土壤農(nóng)化分析》[15]測定土壤理化性質(zhì)，土壤含水量采用烘干法；土壤酸堿度（pH）采用電位法，以蒸餾水浸提土壤，液土比為5∶1；土壤電導(dǎo)率（EC）采用5∶1 浸提法；土壤有機質(zhì)（SOM）采用低溫外熱重鉻酸鉀氧化—比色法[16]；土壤全氮（TN）采用凱式定氮分析儀測定；土壤全磷（TP）、全鉀（TK）、鈣（Ca）、鎂（Mg）采用等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）測定。

2.3.2 土壤基礎(chǔ)呼吸測定 采用室內(nèi)密閉培養(yǎng)，1 mol·L?1NaOH 堿液吸收法測定[17]。

2.3.3 土壤酶活性測定[18]脲酶（URE）活性采用苯酚鈉比色法；蔗糖酶（SUC）活性采用3,5-二硝基水楊酸比色法；過氧化氫酶（CAT）活性采用高錳酸鉀滴定法；脫氫酶（DHA）活性采用TTC比色法。

2.4 土壤質(zhì)量綜合指數(shù)和土壤酶綜合指數(shù)

在土壤中各指標測定值的基礎(chǔ)上，采用加權(quán)和法計算土壤質(zhì)量綜合指數(shù)（SQI）和土壤酶綜合指數(shù)（SEI），并將實測值轉(zhuǎn)換為介于0～1 之間，實現(xiàn)指標標準化[19]。SEI計算公式如下：

式中：SEI為土壤酶指數(shù)；Wi為土壤酶i的權(quán)重；Vi為酶i活性的隸屬度值；權(quán)重和隸屬度參照許明祥等[19]的方法計算。SQI計算公式與SEI的計算方法一致。

2.5 土壤酶活性恢復(fù)指數(shù)（ERI）和土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)（NRI）

用土壤酶活性恢復(fù)指數(shù)（ERI）[20]來評價復(fù)墾技術(shù)對土壤酶活性的影響，以未復(fù)墾裸地為對照，公式如下:

式中：A表示土壤SEI，下標R 為復(fù)墾區(qū)，D 為未復(fù)墾區(qū)。

土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)(NRI)[21]以未復(fù)墾裸地對照，計算復(fù)墾區(qū)土壤SOM、TN、TP、TK、Ca、Mg與裸地間差異，以定量描述復(fù)墾對土壤養(yǎng)分的影響，公式如下：

式中：S為土壤的SQI，下標R 為復(fù)墾區(qū)，D 未復(fù)墾的裸地區(qū)。

2.6 數(shù)據(jù)分析與處理

數(shù)據(jù)整理、計算與作圖均采用Microsoft Excel 2019 進行。采用單因素方差分析（One-Way ANOVA）對不同菌劑配施處理下土壤理化性質(zhì)和酶活性進行差異顯著性分析；使用“悟空”數(shù)據(jù)分析平臺（https://www.omicsolution.com/wkomics/main/）的控件對酶活性與土壤理化因子進行冗余分析（RDA）。

3 結(jié)果與分析

3.1 不同菌劑配施下小葉楊復(fù)墾土壤的理化性質(zhì)差異

表2 表明：不同處理的土壤含水量為15.60%～17.91%；土壤pH 值為6.32～6.58，各處理土壤pH 值均顯著高于對照；電導(dǎo)率為65.35～128.60 mS?cm?1，除AMF + BM 和TH + BM 處理高于對照外，其他處理均顯著低于對照；AMF 處理的土壤有機質(zhì)含量最高，顯著高于對照和其他處理，較對照提高了41.3%，其他處理與對照無顯著差異；各處理土壤的TN 含量均高于對照，BM 處理最佳，較對照提高了19.1%，但與對照差異不顯著；各處理土壤的TK 含量均低于對照，其中，TH、AMF + TH 和AMF+ TH + BM 處理與對照差異顯著，分別降低了8.1%、11.2%和9.4%； AMF +BM 和AMF + TH 處理的土壤TP 含量較高，分別比對照顯著提高了51.5%和53.0%；TH + BM 處理的Ca 含量最高，比對照顯著提高了14.0%；AMF + BM 處理的Mg 含量最高，比對照顯著提高了53.6%。各菌劑處理組的SQI均高于對照，其中，AMF + BM、AMF + TH + BM、BM 處理顯著高于對照，分別提高了56.8%、36.4%和31.8%?？傮w而言，AMF + BM 處理土壤質(zhì)量綜合指數(shù)最優(yōu)。

表2 不同處理對土壤理化性質(zhì)及養(yǎng)分影響Table 2 Effects of different treatments on soil physicochemical properties and nutrients

3.2 不同菌劑配施對小葉楊復(fù)墾土壤呼吸和土壤酶活性的效應(yīng)差異

圖1 表明：所有處理均不同程度地提高了土壤呼吸，單施BM 處理的土壤呼吸最高，比對照顯著提高了42.7%；混施中AMF + BM 和AMF + TH處理間土壤呼吸差異顯著。

各菌劑處理的脲酶活性均顯著高于對照，其中，AMF + BM 混施處理最高，比對照提高了34.8%（圖1）。AMF、TH 單施和兩菌混施的土壤蔗糖酶活性均顯著高于對照，其中，單施AMF的效果最好，比對照顯著提高了84.3%。單施AMF和TH 處理的土壤脫氫酶活性顯著高于對照，AMF 處理比對照提高了39.7%。單施中，僅BM 處理的過氧化氫酶活性顯著高于對照，提高了110.4%，混施中AMF + BM 處理過氧化氫酶活性最高，比對照顯著提高了179.2%。

圖1 不同處理對土壤呼吸及土壤酶活性的影響Fig. 1 Effects of different treatments on soil respiration and soil enzyme activities

各菌劑處理的土壤酶綜合指數(shù)均顯著提高，AMF + BM 的土壤酶指數(shù)最高，為0.84，比對照提高了1.33 倍；其次為BM 處理，為0.76，比對照提高了1.01 倍。除AMF + TH 和AMF + TH +BM 差異不顯著外，其他各處理間均差異顯著。

3.3 不同菌劑配施對土壤酶活性恢復(fù)指數(shù)和土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)的影響

圖2 表明：不同菌劑配施下，土壤酶活性恢復(fù)指數(shù)均高于對照，單施中，BM 處理的土壤酶活性恢復(fù)指數(shù)最大，為206.76%，是對照的4.56 倍；混施中，AMF + BM 處理的土壤酶活性恢復(fù)指數(shù)最大，為238.89%，是對照的5.27 倍，各混施處理的土壤酶活性恢復(fù)指數(shù)高低依次為AMF + BM >AMF + TH > AMF + TH + BM > TH + BM。

圖2 不同處理對土壤酶活性恢復(fù)指數(shù)和養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)的影響Fig. 2 Effects of different treatments on soil enzyme activity recovery index and nutrient recovery index

菌劑配施不同程度的提升了土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)，其變化范圍為104.42%～178.15%，表明菌劑配施對土壤養(yǎng)分的恢復(fù)具有良好的促進作用（圖2）。單施AMF、BM、TH 處理的土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)分別為110.94%、104.42%和131.82%，以BM 處理的恢復(fù)效果最優(yōu)； 混施中AMF + BM 處理土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)最高，為178.15%，整體效果最優(yōu)；不同處理土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)的變化趨勢與土壤酶活性恢復(fù)指數(shù)的規(guī)律基本一致。

3.4 不同菌劑配施下小葉楊土壤因子與土壤呼吸及酶活性的冗余分析

冗余分析結(jié)果可以更好的解釋不同處理對土壤的理化性質(zhì)與土壤呼吸及酶活性的影響，并反映各指標間的相關(guān)性。圖3 顯示：前2 個軸可以解釋不同菌劑處理土壤的理化性質(zhì)、土壤呼吸和酶活性關(guān)系變異78.46%的情況，其中，第1 排序軸的解釋比例為42.85%，第2 排序軸為35.61%。AMF +BM 和TH + BM 兩處理主要影響土壤Ca、Mg、TK含量，三種元素含量均與電導(dǎo)率呈正相關(guān)。AMF和TH 處理有效提高了土壤有機質(zhì)含量，其含量與土壤脫氫酶和蔗糖酶活性顯著相關(guān)。AMF + TH +BM、AMF + BM 和BM 三組處理綜合復(fù)墾效應(yīng)較好，主要影響pH、TP、含水量、過氧化氫酶、脲酶和土壤呼吸6 個指標。

注：BL 為裸地，DHA 為土壤脫氫酶，SUC 為蔗糖酶，URE 為脲酶，CAT 為過氧化氫酶。Notes： BL: bare land； DHA: Soil dehydrogenase； SUC:sucrase；URE：Urease；CAT：Catalase.

4 討論

4.1 不同菌劑處理對土壤理化性質(zhì)的影響

土壤理化性質(zhì)與微生物活動和酶代謝密切相關(guān)，土壤既為微生物提供了的營養(yǎng)物質(zhì)和生存環(huán)境，也受微生物的調(diào)控，微生物菌劑作為土壤改良劑，能夠改善土壤的理化性質(zhì)和養(yǎng)分狀況[22-24]。本研究中，單施AMF 顯著提升了土壤的有機質(zhì)含量，與畢銀麗等[25]的研究結(jié)果一致。AMF 能分泌土壤球囊霉素相關(guān)蛋白，對土壤有機碳的積累具有重要作用，從而促進了有機質(zhì)的提高[26-27]；而單施AMF 會促進根系對N、P 等元素吸收[28]，尤其對P 的吸收，本研究中AMF 處理下土壤中的TP 含量顯著低于CK 組。呂曼曼等[29]研究發(fā)現(xiàn)，與對照相比，木霉菌與楊樹配施明顯降低了土壤含水率，本研究中得到了相似的結(jié)果。原因可能是木霉菌促進了植物對養(yǎng)分的吸收，并增加土壤孔隙，引起土壤水分散失。BM 能顯著提升土壤含水率，分解土壤礦物和巖石中的P 和K，且有一定的固氮能力，在本研究中都有所體現(xiàn)。三種菌劑單施處理中，BM 處理的土壤含水量、TN、TP 都最高[30]。

4.2 不同菌劑處理對土壤酶活性的影響

AMF 和TH 都能提高土壤脲酶和蔗糖酶活性，表明這2 種菌劑均能促進土壤的C、N 循環(huán)，促進物質(zhì)周轉(zhuǎn)，這與前人研究結(jié)果一致[31-33]。本研究中，AMF 和TH 處理顯著提高了脫氫酶活性，表明這2 種菌劑能夠促進土壤微生物活性；而BM 則對土壤脲酶和過氧化氫酶影響較大，可能是因為BM 能促進土壤團粒的形成，使土壤變得疏通、綿軟，好氧微生物活性增強，進而提高了土壤過氧化氫酶活性[13,34]。

4.3 不同菌劑配施在土壤修復(fù)中的協(xié)同作用

AMF 和植物根際促生菌（Plant Growthpromoting rhizobacteria，PGPR）是植物根際有益的2 類微生物[35-36]，其中，AMF 侵染植物根系后形成菌根共生體，擴大根系吸收面積，促進養(yǎng)分的獲取，提高抗逆性[37]。BM 和TH 是PGPR 的代表菌種，具有固氮、解磷、解鉀功能，并產(chǎn)生植物激素、抗生素和拮抗病原菌。已有研究表明，AMF 與PGPR 具有協(xié)同修復(fù)土壤、促進植物營養(yǎng)吸收和生長的效應(yīng)[38-39]。本課題前期研究發(fā)現(xiàn)，較單施AMF 相比，AMF + TH 混施對煤矸石基質(zhì)的養(yǎng)分、微生物量及酶活性等都具有更顯著的促進作用[40]。本研究中，AMF 與PGPR 搭配的AMF +BM 處理，土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)和土壤酶活性恢復(fù)指均高于其他處理，表明BM 促進土壤養(yǎng)分的釋放與AMF 提高植物對養(yǎng)分的吸收形成了高效的協(xié)同機制。冗余分析也顯示，AMF + BM 主要影響土壤pH、TP、過氧化氫酶、脲酶和土壤呼吸等多個指標；而3 菌混施效果則低于AMF + BM 處理，原因可能在于3 菌之間產(chǎn)生了對于基質(zhì)養(yǎng)分的競爭或存在一定程度的拮抗作用，對于形成本結(jié)果的機制機理有待于進一步的研究。

5 結(jié)論

菌劑單施處理中，BM 顯著提高了土壤含水量，AMF 顯著提高了土壤有機質(zhì)含量；BM 和TH 單施顯著提高了土壤呼吸，并高于對照；AMF、TH 單施顯著提高了土壤蔗糖酶、脫氫酶活性?；焓┨幚碇?，AMF + BM 主要影響土壤pH、TP、過氧化氫酶、脲酶和土壤呼吸等指標。總體而言，AMF 與PGPR 的配施形成了良好的協(xié)同效應(yīng)，以AMF + BM 效果最佳，顯著提升了土壤酶活性恢復(fù)指數(shù)和土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)，且不同處理下土壤養(yǎng)分恢復(fù)指數(shù)的變化趨勢與土壤酶活性恢復(fù)指數(shù)的規(guī)律基本一致，說明微生物雙菌劑配施的聯(lián)合效用顯著提升了風(fēng)蝕水蝕交錯區(qū)的土壤復(fù)墾效果。