不同磷水平下接種AM真菌對礦區廢棄地土壤酶活性的影響

韓 陽，郝鮮俊，張又丹

(山西農業大學資源環境學院，山西 太谷 030801)

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不同磷水平下接種AM真菌對礦區廢棄地土壤酶活性的影響

韓 陽，郝鮮俊*，張又丹

(山西農業大學資源環境學院，山西 太谷 030801)

【目的】針對煤礦開采造成土壤肥力下降，結構破壞，尤其是土壤酶活性降低的嚴重問題。【方法】以玉米為宿主植物，以礦區廢棄地土壤為供試基質，通過不同磷水平(0，25，50，100 mg/kg)下接種不同AM真菌(G.e，G.m，G.i)的雙因素盆栽試驗，研究其對廢棄地土壤AM真菌孢子數及土壤酶活性的影響，旨在為礦區廢棄地土壤質量改善篩選優勢AM真菌種屬及施磷水平提供科學依據。【結果】接種處理土壤中均發現孢子，同一施磷水平AM真菌孢子數均呈G.e>G.m≥G.i的變化趨勢。與不接種的對照處理相比，接種AM真菌可以提高土壤堿性磷酸酶，脲酶和蔗糖酶活性，其中土壤堿性磷酸酶活性以25 mg/kg磷水平接種G.e處理提高幅度最大，達29.9 %；土壤脲酶活性以100 mg/kg磷水平接種G.e處理提高幅度最大，達29.8 %；土壤蔗糖酶活性以0 mg/kg磷水平接種G.i處理提高幅度最大，達12.5 %。【結論】接種AM真菌與施磷水平互作對土壤AM真菌孢子數及土壤脲酶活性具有極顯著影響，對土壤堿性磷酸酶及蔗糖酶活性無顯著影響。

磷水平；AM真菌；礦區廢棄地；孢子數量；土壤酶活性

【研究意義】我國是煤炭探明儲量及煤炭生產和消費大國，到2014年底，我國原煤生產總量占能源生產總量的73.2 %，煤炭消費總量占能源消費總量的66 %(http://www.stats.gov.cn/tjsj/)[1]，煤炭開采一方面為地方經濟發展帶來機遇，另一方面礦區開采中因露天采礦場、排土場、尾礦壩和塌陷區而造成大量土地廢棄，土地壓實現象嚴重，結構破壞，肥力下降，其中土壤微生物稀少和磷有效性低是制約廢棄地土壤恢復進程的因素之一[2-4]。山西是煤炭資源大省，據統計，全省因煤炭開采造成6.7萬hm2地面塌陷，其中耕地占40 %，造成大面積土地被廢棄，因此提高礦區廢棄地土壤肥力成為當前研究的熱點問題。目前對礦區土壤恢復及治理主要采用物理、化學及生物技術，其中生物技術因其低成本、高效益、便于操作等優點被國內外廣泛采用[5]，特別是微生物修復技術利用微生物接種優勢及其在植物根際的生命代謝活動，促進植物養分吸收及生長發育，改善土壤微生態環境，提高土壤肥力。【前人研究進展】叢枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi，簡稱AM真菌)是土壤中重要的一類微生物，能與陸地90 %以上的高等植物根系形成互惠共生體。據報道，AM真菌可以通過其分泌物及龐大的菌絲網絡對退化土壤生態系統進行修復[6]，并促進植物對磷的吸收[7]，提高植物的抗旱、抗病、耐鹽堿[8-9]等抗逆能力。王瑾等[10]研究發現接種AM真菌可以提高土壤酶活性，從而促進土壤肥力的提高。同時宿主植物對AM真菌的接種效應與土壤肥力和菌種類型密切相關，許多研究表明，土壤磷水平較低時會激發AM真菌生長，而磷含量較高時會顯著抑制AM真菌侵染植物根系和根外孢子的萌發。筆者前期試驗表明，在采煤塌陷礦區土壤上，菌根侵染率與土壤磷水平呈顯著正相關[11]。可見，AM真菌與土壤磷水平的關系尚無一致結論。【本研究切入點】為此，本試驗在4個不同磷水平下，接種不同AM真菌，研究AM真菌在礦區廢棄地的菌根效應及對土壤真菌孢子和土壤酶活性的影響，【擬解決的關鍵問題】旨在為改善礦區廢棄地土壤質量，提高酶活性，篩選優勢AM真菌和最佳施磷水平提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤類型為石灰性褐土，采自山西省介休市連福鎮金山坡煤礦(112°06′17″～112°08′00″E，36°59′30″～37°01′00″N)，煤礦于2007年3月關閉后撂荒至今。土壤經風干，過2 mm篩，裝布袋，在121 ℃下高壓蒸汽滅菌2 h，放置陰涼處備用。土壤基本理化性狀：pH值8.44，有機質17.89 g/kg，全氮0.1 g/kg，全磷0.06 g/kg，速效磷9.01 mg/kg，全鉀1.04 g/kg，速效鉀94.2 mg/kg。

供試菌種購自北京市農林科學院植物營養與資源研究所BGC菌種庫，包括：幼套球囊霉(Glomusetunicatum，G.e)編號BGC NM03F、摩西球囊霉(Glomusmosseae，G.m)編號BGC JX04B、根內球囊霉(Glomusintraradice，G.i)編號BGC NM03D。

供試玉米(maize)品種為‘長玉16’，選取籽粒飽滿，大小一致的種子，在10 %H2O2溶液中浸泡15 min，用無菌水沖洗數次后，瀝干水分備用。

1.2 試驗設計

試驗在山西農業大學資源環境學院試驗站進行。試驗設雙因素，分別為磷水平和接種AM真菌。試驗設4個施磷水平，按每千克土含磷量計算，施入過磷酸鈣依次為0，25，50，100 mg/kg，標記為P0，P25，P50，P100；同一施磷水平下接種G.e、G.m、G.i以及不接種(CK)，共4個處理。試驗共有16個處理，每個處理重復3次。每盆裝土6 kg，以CO(NH2)2和K2SO4作為底肥，使N和K2O含量均為150 mg/kg。供試菌種購買后經白三葉草繁殖3個月，采集含有孢子、菌絲體及侵染根段的土樣混合物作為接種劑，每盆接種30 g，為使土壤微生物區系保持一致，不接種處理每盆接30 g滅菌接種劑及30 mL菌種濾液。于2015年4月25日播種，每盆播種玉米6粒，出苗1周后，間苗，每盆留玉米4株，生長100 d后收獲。

1.3 測定項目及方法

土壤AM真菌孢子數測定：稱取10 g風干土樣，采用濕篩傾析—蔗糖離心法進行孢子分離[12]，在顯微鏡下觀測計數，結合孢壁結構，連孢菌絲等孢子特征，并根據國際AM真菌保藏中心INVAM網站上的最新分類圖片和描述及VA菌根鑒定手冊進行AM真菌種屬的鑒定。

土壤酶活性的測定：土壤堿性磷酸酶活性的測定用磷酸苯二鈉比色法，以24 h后1 g土中釋放的酚的毫克數表示；土壤脲酶活性的測定用苯酚-次氯酸鈉比色法，以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克數表示；土壤蔗糖酶活性的測定用3，5-二硝基水楊酸溶液比色法，以24 h后1 g土壤中釋放的葡萄糖毫克數表示[13]。

1.4 數據處理與分析

試驗數據用Excel和SPSS.20進行整理及方差分析，用Duncan’s新復極差法進行平均數多重比較，用Sigmaplot進行作圖。

2 結果與分析

2.1 不同磷水平下接種AM真菌對土壤AM真菌孢子數的影響

接種與磷水平及兩者的交互作用對土壤AM真菌孢子數均具有顯著影響。不接種處理在供試磷水平下均未發現真菌孢子(表1)。同一磷水平下不同AM真菌孢子數量大小順序為：幼套球囊霉(Glomusetunicatum，G.e)>摩西球囊霉(Glomusmosseae，G.m)≥根內球囊霉(Glomusintraradice，G.i)(圖1)，即接種G.e處理的土壤AM真菌孢子數均顯著高于接種G.m和G.i處理(P<0.05)；而接種G.m和G.i處理對土壤AM真菌孢子數在供試磷水平下均無顯著差異(25 mg/kg磷水平除外)。不同磷水平對同一接種處理的土壤AM真菌孢子數具有不同的影響。接種G.e處理的土壤AM真菌孢子數隨施磷水平提高而增加，在50 mg/kg磷水平時最高，較0，25，100 mg/kg分別增加39.2 %，23.9 %，29.5 %，且差異顯著；在磷水平25，100 mg/kg時，土壤 AM真菌孢子數差異不顯著，但兩施磷水平下的孢子數較0 mg/kg的磷水平分別提高了20 %和13.7 %。接種G.m和G.i處理的土壤AM真菌孢子數均隨磷水平提高呈先增加后降低的趨勢，當磷水平在25 mg/kg時最多，與0 mg/kg磷水平相比分別增加44.2 %～71.1 %和39.3 %～64.3 %。接種G.i處理的土壤，磷水平在0，50，100 mg/kg時AM真菌孢子數均無顯著差異。

表1 土壤AM真菌孢子數和土壤酶活性的方差分析

注：F值表示F統計量；P值表示截尾概率；*：當P值<0.05時，影響顯著；NS：當P>0.05時，影響不顯著。

Note：Fvalue wasFstatistic;Pvalue was truncated probability；*：Significant atPvalue<0.05，NS：Not significant atP>0.05．

2.2 不同磷水平下接種AM真菌對土壤堿性磷酸酶活性的影響

土壤磷酸酶可加速有機磷的脫磷速率，對土壤磷素的有效性具有重要作用，其活性是評價土壤磷素生物轉化方向與強度的重要指標[14]。接種與磷水平對土壤堿性磷酸酶活性具有極顯著影響，但兩者的交互作用對土壤堿性磷酸酶活性無顯著影響(表1)。不接種處理土壤堿性磷酸酶活性，隨施磷水平的提高而降低(圖2)，0 mg/kg磷水平顯著高于100 mg/kg磷水平。相同磷水平下接種G.e處理的土壤堿性磷酸酶活性在25，50，100 mg/kg磷水平時顯著高于不接種處理(P<0.05)，分別提高29.9 %，28.9 %，19.6 %，且在50 mg/kg磷水平時顯著高于接種G.m和G.i處理(P<0.05)，但其余磷水平均無顯著差異(P>0.05)。此外，接種G.e處理的土壤堿性磷酸酶活性隨磷水平的變化無顯著差異，而接種G.m和G.i處理的土壤堿性磷酸酶活性隨施磷水平的提高呈下降趨勢，即低磷水平(0，25 mg/kg)處理的土壤堿性磷酸酶活性顯著高于高磷水平(100 mg/kg)，接種G.i處理的土壤堿性磷酸酶活性除50 mg/kg磷水平時顯著高于接種G.m處理外，其余磷水平均無顯著差異。

2.3 不同磷水平下接種AM真菌對土壤脲酶活性的影響

脲酶廣泛存在于土壤中，是一種專性較強的酶，它能酶促尿素水解生成氨、二氧化碳和水。研究脲酶活性及其調控技術對提高尿素氮肥轉化利用率具有重要意義[13]。接種與磷水平及兩者的交互作用對土壤脲酶活性均存在顯著影響(表1)。不接種處理的土壤脲酶活性隨磷水平提高呈先升后降的變化趨勢，在25 mg/kg磷水平時顯著高于0、100 mg/kg磷水平(P<0.05)，但與50 mg/kg磷水平間無顯著差異，表明適中的磷水平可以提高土壤脲酶活性(圖3)。接種G.i處理的土壤脲酶活性在0，25，50 mg/kg磷水平時，均顯著高于不接種以及接種G.e，G.m處理(P<0.05)，分別達24.6 %、29.6 %、16.3 %，25.6 %、38.2 %、28.7 %和22.7 %、19.2 %、13.5 %。接種G.e處理在100 mg/kg磷水平時土壤脲酶活性較0，25，50 mg/kg磷水平顯著增加，增加幅度為13.3 %～27.5 %，且與不接種相比顯著提高(29.8 %)。接種G.m處理的土壤脲酶活性隨施磷水平增加先升后降，在50 mg/kg時最高，顯著高于不施磷處理，但與50，100 mg/kg磷水平相比，無顯著差異。

2.4 不同磷水平下接種AM真菌對土壤蔗糖酶活性的影響

蔗糖酶能酶促蔗糖生成葡萄糖和果糖，對增加土壤中易溶性營養物質具有重要作用，不僅可以表征土壤熟化程度，還是評價土壤肥力的重要指標[15]。接種與磷水平對土壤蔗糖酶活性存在顯著影響，但兩者的交互作用對土壤蔗糖酶活性無顯著影響(表1)。不接種處理土壤蔗糖酶活性在50 mg/kg磷水平時最高，為6.4 mg/g，與25，100 mg/kg磷水平差異不顯著，但均顯著高于不施磷處理(圖4)。相同磷水平下，土壤蔗糖酶活性在3種AM真菌接種處理間無顯著差異(P>0.05)。接種G.e處理的土壤蔗糖酶活性隨施磷水平提高而增加，在100 mg/kg磷水平時較不施磷處理增加11.2 %，且差異顯著(P<0.05)。接種G.m和G.i處理的土壤蔗糖酶活性均在50 mg/kg磷水平時最高，其中接種G.m處理較0，100 mg/kg磷水平分別增加11 %，10.7 %，且差異顯著(P<0.05)，與25 mg/kg磷水平無顯著差異，但接種G.i處理的土壤蔗糖酶活性4個磷水平間無顯著差異，在0 mg/kg磷水平時比不接種處理增加12.5 %。

2.5 相關性分析

從表2可看出，AM真菌孢子數與土壤磷酸酶、蔗糖酶呈正相關，且與磷酸酶相關性顯著，相關系數為0.366，與脲酶呈負相關。土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶兩兩間呈正相關，其中脲酶與蔗糖酶相關性顯著，相關系數為0.457。

注：n=48；**：在0.01水平(雙側)上顯著相關；*：在0.05水平(雙側)上顯著相關。

Note：n=48; **：Significant difference at the 0.01 level；*：Significant difference at the 0.05 level．

3 討 論

AM真菌具有特殊的生態功能，對逆境生態環境具有一定的適應性，尤其在礦區廢棄地土壤恢復過程中具有較好的生態效應，既可以通過菌根菌絲改良土壤結構[16]，同時AM真菌分泌物在營養物質吸收、土壤肥力改善過程中具有重要作用[17]。本研究通過對礦區土壤接種不同AM真菌發現，土壤AM真菌孢子數呈G.e>G.m≥G.i的變化趨勢，表明不同菌種在產孢數量上存在一定差異，可能是不同菌種所具有的特殊功能所致。同時許多研究表明過低或過高的施磷水平不利于菌根真菌對宿主植物的侵染及孢子的形成[18-19]，而適度的增施磷肥可以增加AM真菌孢子數量，從而有效發揮菌根真菌在植物生長過程中的作用。本試驗結果表明，中等施磷水平(25，50 mg/kg)是該礦區廢棄土壤AM真菌孢子繁殖的最佳水平，施磷水平50 mg/kg是接種G.e處理AM真菌孢子形成的最佳水平，25 mg/kg是接種G.m，G.i處理AM真菌孢子形成的最佳水平。

土壤酶來源于動植物活體、殘體以及土壤微生物，已被用作表征生物活性的重要指標，在土壤養分循環中具有重要作用。許多研究發現，通過種植植物可以增加土壤酶活性，而AM真菌作為自然界中普遍存在的一類內生菌根真菌，可與植物根系建立共生關系，通過接種處理，可以促進土壤酶活性的增加[20]。錢奎梅等[21]以煤矸石為主體基質，以污泥為有機改良劑，通過接種地表球囊霉(Glomusversiforme，G.v)和摩西球囊霉(G.m)研究礦區土壤恢復重建，結果表明接種處理基質酶活性的增加顯著高于對照(P<0.05)。本研究發現，不同施磷水平、不同接種處理對土壤酶活性的影響不同。不接種處理土壤堿性磷酸酶活性隨施磷水平提高而降低，這與鄭棉海等[22]對3種林型不同施磷處理的研究結果一致，可能是由于施磷水平提高抑制了土壤微生物及植物根系對磷酸酶的分泌。但接種G.e后會顯著提高土壤堿性磷酸酶活性，尤其以25 mg/kg施磷水平最明顯，提高29.9 %，同時相關性分析結果顯示AM真菌孢子數與土壤磷酸酶活性呈顯著正相關，進一步驗證接種AM真菌可以增強土壤磷酸酶活性，從而將有機磷水解為正磷酸鹽供植物吸收利用，這與蘇友波等[23]的研究結果一致。土壤脲酶活性主要與土壤氮素、有機質、微生物數量相關[24]，提高土壤脲酶活性有利于作物對氮素的吸收利用，從而提高礦區土壤氮素利用率。本研究發現，不接種AM真菌土壤脲酶活性隨磷水平呈先升后降的變化趨勢，說明過低或過高的磷水平對脲酶活性有一定的抑制作用，這與羅燕等[25]對柑橘鉆木根際土壤脲酶活性的研究結果一致。接種G.e、G.m對土壤脲酶的增加不顯著，但接種G.i可以顯著提高脲酶活性，達29.6 %，表明G.i是增強土壤中脲酶活性的優勢菌種。本研究發現，不接種AM真菌時土壤蔗糖酶活性表現為施磷顯著高于不施磷處理，在50 mg/kg磷水平最大，該結果與張彥才[26]等對9個施磷水平下盆栽番茄土壤蔗糖酶活性的研究結果相似，即中等施磷水平更有利于土壤蔗糖酶活性的增強。而接種AM真菌可以在一定程度上增加土壤蔗糖酶活性，但較不接種無顯著差異，相關性分析結果表明，AM真菌與土壤蔗糖酶活性間呈正相關，但相關性不顯著。此外，本試驗還表明，AM真菌和磷水平間存在一定的交互作用，但這種交互作用的機制還需進一步深入研究。

4 結 論

(1)接種AM真菌可以有效侵染玉米根系，AM真菌孢子數以接種幼套球囊霉最多，其次為摩西球囊霉和根內球囊霉，且中等施磷水平更有利于AM真菌孢子形成。

(2)較不接種處理相比，接種幼套球囊霉可以顯著提高土壤堿性磷酸酶活性，不同磷水平下無顯著差異。接種摩西球囊霉和根內球囊霉對土壤堿性磷酸酶活性增加不顯著。

(3)較不接種處理相比，接種根內球囊霉可以顯著提高土壤脲酶活性，且中等施磷水平為脲酶活性提高的最佳磷水平。

(4)接種AM真菌對土壤蔗糖酶活性的增加不顯著，且3種AM真菌種屬間無顯著差異。

(5)AM真菌與磷水平交互對AM真菌孢子數及土壤脲酶活性具有顯著影響。

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(責任編輯 陳 虹)

Effects of AM Fungi Inoculated with Different Phosphorus Levels on Soil Enzyme Activities in Abandoned Mining Area

HAN Yang, HAO Xian-jun*, ZHANG You-dan

(College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Shanxi Tai’gu 030801, China)

【Objective】The degradation in soil structure and fertility following coal mining was studied, especially in the decrease of soil enzyme activities.【Method】The different AM (G.e, G.m, G.i ) in the soil from the abandoned land in mining area with potted corn as host plants combined with phosphorous treatment at 0,25,50,100 mg/kg were inoculated, and the number of fungi spores and soil enzyme activities under the treatments were examined for selecting superior AM strains and optimum phosphorus level in the abandoned land of coal mining area.【Result】The spores in all inoculated soils were presented with increasing numbers of spores in the order of G.e﹥G.m≥G.i at the same rate of phosphorous application. Compared of control treatment, the inoculation increased the activities in alkaline phosphatase, urease and sucrase, among which the highest increase of enzyme activity was 29.9 % in alkaline phosphatase at phosphorous rate of 25 mg/kg; Inoculated with G.e, and 29.8 % in urease at 100 mg/kg; Inoculated with G.i, and 12.5 % in sucrase at 0 mg/kg.【Conclusion】The interaction between the inoculation and phosphorous rates affected the number of spores and activity of urease significantly and insignificantly on the activities of alkaline phosphatase and sucrase.

Phosphorus level; Arbuscular mycorrhiza fungi; Abandoned mining area; Spore number; Soil enzyme activity

1001-4829(2017)6-1402-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.6.028

2016-07-10

山西省回國留學人員科研基金項目(2015-061)；國家自然科學基金青年科學基金項目(41601327)

韓 陽(1991-)，男，河北張家口人，在讀碩士研究生，研究方向為礦區復墾與生態重建，E-mail: hanyanglife@163.com，Tel:18435419402；*為通訊作者：郝鮮俊，E-mail: haoxianjun660@126.com。

S154.3

A