基于野外大田試驗的接菌紫穗槐生態修復效應研究

岳 輝, 畢銀麗

〔1.中國礦業大學(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點實驗室, 北京100083;2.西安科技大學 測繪科學與技術學院, 陜西 西安710054〕

試驗研究

基于野外大田試驗的接菌紫穗槐生態修復效應研究

岳 輝1,2, 畢銀麗1

〔1.中國礦業大學(北京)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室,北京100083;2.西安科技大學測繪科學與技術學院,陜西西安710054〕

[目的] 研究接菌紫穗槐對礦區退化植被的恢復生態效應，以期為叢枝菌根真菌應用于西部干旱半干旱煤礦區生態重建提供理論基礎和野外試驗基礎數據。 [方法] 以紫穗槐為宿主植物，在野外大田條件下研究接種叢枝菌根真菌和紫穗槐的共生狀況，以及對煤礦開采沉陷區植物根際土壤的改良作用。 [結果] 4 a的連續監測結果表明，接菌促進了紫穗槐的生長，接菌紫穗槐成活率比對照高30%以上；接菌紫穗槐菌根侵染率和菌絲密度顯著高于對照；接種菌根提高了紫穗槐根際土壤有效磷含量且降低了pH值，取得較好的生態修復效應。 [結論] 在野外大田條件下，接種菌根真菌能夠促進植物—菌根共生關系的形成，改善植物—菌根共生體的營養環境。

叢枝菌根真菌; 紫穗槐; 野外大田試驗; 生態效應; 煤礦區

文獻參數： 岳輝, 畢銀麗.基于野外大田試驗的接菌紫穗槐生態修復效應研究[J].水土保持通報，2017,37(4)：1-5.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.001； Yue Hui, Bi Yinli. Field experiment of ecological restoration application of arbuscular mycorrhizal fungi inoculation onAmorphafruticosa[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(4)：1-5.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.04.001

中國煤炭資源探明資源量為1.145×1011t，煤炭在一次性能源消費中占70%，預計到2050年煤炭仍占中國能源比重的50%[1]。在煤炭大規模的地下開采的同時造成了諸多環境問題，例如土地損毀，固體廢棄物如煤矸石和粉煤灰對水體、大氣和土壤的污染，植被受損難以恢復，礦區生態壞境惡化以及地質災害頻發等一系列問題[2]。因此礦區生態重建對實現煤炭資源的綠色開采和礦區可持續發展具有重要的現實和戰略意義。

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi, AMF)是地球土壤中普遍存在的一種共生真菌，能夠與80%以上的陸生植物形成共生體，彼此共享營養物質和水分[3]。叢枝菌根真菌并不是宿主專一型的真菌，野外生境下一種菌根真菌可以同時侵染大量的同一類型的植物，也可以同時侵染大量不同類型植物。同時，菌根菌絲形成的龐大地下真菌網絡表明菌根真菌在同類型或者不同類型植物之間進行營養物質和水分的分配與植物的植株個體大小以及植株在植物群落中相對的優勢地位無關。因此，叢枝菌根真菌在植物群落結構、演替和維持生態系統穩定性方面具有重要的意義[4]。隨著對叢枝菌根真菌研究的不斷深入，其對提高宿主植物的營養水平[5]、增強植物對惡劣環境的耐受性[6]、改善土壤微環境[7]等方面均有所報道。但是對于叢枝菌根真菌的研究多集中在室內盆栽試驗，而野外大田條件下的試驗研究報道較少，本文利用神東微生物復墾試驗田種植紫穗槐，分析在野外大田條件下接菌和不接菌植物的生長差異，以及接菌對根際微環境的調節作用，研究接菌紫穗槐對礦區退化植被的恢復生態效應，以期為叢枝菌根真菌應用于西部干旱半干旱煤礦區生態重建提供一定的理論基礎和野外試驗基礎數據。

1 材料和方法

1.1 試驗材料

宿主植物選擇復墾先鋒植物紫穗槐(Amorphafruticosa),菌根真菌由中國礦業大學(北京)微生物復墾實驗室培養的內生菌根真菌菌種摩西球囊霉菌〔Glomusmosseae(G.m)〕和白色球囊霉菌〔Glomusalbidus(G.a)〕。試驗區土壤最大飽和持水量為16.7%，pH值為8.6，有效磷含量為3.4 mg/kg。

1.2 試驗方法

試驗在陜西省神東大柳塔煤礦活雞兔礦井采煤沉陷試驗基地進行，試驗基地氣候干旱少雨，年均降雨量在362 mm，年蒸發量是年降雨量的6～7倍。設計CK，G.m和G.a這3個獨立的小區，G.m和G.a分別接種摩西球囊霉菌和白色球囊霉菌，CK為對照區不施菌劑。2008年開始栽植紫穗槐，株高20 cm，株間距×行間距1 m×2 m，菌劑每株20 g施于根部；澆水達土壤最大持水量，以后每周澆水1次，1個月后停止澆水自然生長。試驗從2008年起至2012年止，4 a間一共進行了7次采樣，采樣時間分別為2009年9月16日，2010年6月10日，2010年9月13日，2011年6月15日，2011年9月25日，2012年6月16日和2012年9月20日。每次在G.m，G.a和CK區采用S型法隨機選定10個樣點，采集新鮮根際土壤樣本并編號，將土樣裝入自封袋帶回實驗室，根際土風干后剔除雜物過2 mm篩備用。

1.3 測試指標與方法

用游標卡尺測量植株地徑，用鋼尺測量冠幅和株高，成活率(%)=(成活株數/栽種株數)×100%。菌根侵染率參考Haymen的方法[8]，菌根侵染率=菌根段數/被檢根段數×100%；菌絲密度參考Jakobsen等采用的真空泵微孔濾膜抽濾法[9]。土壤有效磷含量采用0.5 mol/L NaHCO3鉬銻抗比色法；速效鉀含量采用1.0 mol/L NH4OAC浸提法；pH和EC測定采用去離子水浸泡法[10]，水土比為5∶1。

2 結果與分析

2.1 接菌對紫穗槐成活率的影響

植株成活率反映了植物適應野外環境的能力。接菌和不接菌處理對紫穗槐成活率的影響(圖1)。由圖1可知，在4 a的連續觀測中，接菌紫穗槐成活率明顯高于不接菌，平均高出30%左右。接菌G.m紫穗槐成活率除個別年份外，均比接菌G.a高出2%～6%。從成活率月份變化趨勢來看，接菌紫穗槐在每年6月成活率較9月低1%～6%，不接菌比接菌植株下降更為明顯。由于試驗區采用自然管理方式，成活率總體呈輕微波動變化趨勢，這與試驗區每年6—9月為雨季有關。總體上，接種菌根增加了植株適應野外環境的能力使得接菌區紫穗槐成活率明 顯高于對照區。

圖1 不同接菌處理對紫穗槐成活率的影響

2.2 接菌對紫穗槐生長的影響

紫穗槐4 a中8次對株高、地徑和冠幅的監測結果詳見表1—4。從不同年份上看，接菌G.m和G.a植株的株高、地徑和冠幅要高于不接菌CK，不同年份之間對比差異明顯。在相同年分內，由于試驗基地地處西北內陸，植物生長發育的主要影響因子為降雨量，雨季從每年的6月開始，這時植株剛開始發育，9月達到最盛，年內植株的株高、地徑和冠幅為6月小于9月，這與氣候因子有較強的關系，但是不同處理之間存在差異，與不同年份之間的規律一致，即接菌G.m和G.a植株的株高、地徑和冠幅要高于不接菌CK。

表1 不同處理對紫穗槐的生長影響(第1 a)

注：同一列數據后不同字母表示差異達到顯著水平(p<0.05),數值為平均值±標準誤差。下同。

表2 不同處理對紫穗槐的生長影響(第2 a)

表3 不同處理對紫穗槐的生長影響(第3 a)

表4 不同處理對紫穗槐的生長影響(第4 a)

2.3 接菌對菌根侵染率的影響

菌根侵染率反映了植物根系與菌根真菌共生程度的指標，在野外大田條件下也可以作為菌根—植物共生體適應野外環境的能力的參考，這主要因為菌根真菌容易侵染植物的新生根系，植物生長發育迅速，新生根系大量產生，菌根侵染率會保持在相當高的水平，如果植物生長發育緩慢，新生根系產生較少，則菌根侵染率變低。從7次監測結果看(圖2)，接菌G.m和G.a植株菌根侵染率會保持在50%～70%的水平上，且6—9月的監測會呈波動變化趨勢。這與植株生長發育變化規律一致，植物發育旺盛的9月往往侵染率較高，植物發育開始的6月侵染率往往較低。不接菌CK植株也有較高的菌根侵染率，保持在30%～40%之間，這與本地土壤有含有土著菌根有關，但是整體上，接菌G.m和G.a顯著高于不接菌CK。

圖2 不同處理對紫穗槐侵染率的影響

2.4 接菌對菌絲密度的影響

菌絲密度反映了植物根際土壤中菌絲網絡的發達程度，7次監測結果如圖3所示。隨著時間的推移，接菌和不接菌植株菌絲密度均呈上升趨勢，說明植株與菌絲結合程度在上升，地下菌絲網絡趨于穩定。接菌G.m和G.a均顯著高于不接菌CK，且單位土壤面積中菌絲密度高出不接菌CK的40%以上，這表明人工接菌能顯著提高根際土壤中的菌絲密度，從而擴大植株吸收礦質元素和水分的范圍和能力，進而提高植株在貧瘠土壤中的生存能力。

圖3 不同處理對紫穗槐菌絲密度的影響

2.5 接菌對紫穗槐根際土壤理化性狀的影響

不同處理對紫穗槐根際土壤理化性狀的監測結果詳見表5—8。接菌1 a后，接菌G.m和G.a有效磷、EC和pH均與對照CK達到顯著差異。同比觀測后續監測結果，其中pH值接菌比對照低0.26～0.4個單位；EC對照高于接菌植株；有效磷和速效鉀含量G.m和G.a顯著高于對照CK;隨著時間的推移，對照植株根際土壤有效磷含量慢慢降低(第4 a，2.40～2.47 mg/kg)，而接菌植株根際土壤有效磷含量維持在穩定的水平(第4 a，3.09～3.84 mg/kg)，說明接菌使植物對根際土壤解磷效率提高從而釋放更多的有效磷，在滿足植株生長發育的需求的同時，保持了土壤中有效磷含量的穩定。

表5 不同處理對紫穗槐根際土壤理化性狀的影響(第1 a)

表6 不同處理對紫穗槐根際土壤理化性狀的影響(第2 a)

表7 不同處理對紫穗槐根際土壤理化性狀的影響(第3 a)

表8 不同處理對紫穗槐根際土壤理化性狀的影響(第4 a)

3 討 論

本研究在野外大田條件下選擇紫穗槐為宿主植物，并設計接菌和對照試驗，初步分析了菌根真菌在野外條件下與宿主植物的結合程度和對環境的適應能力。菌根侵染率和菌絲密度的試驗結果表明，菌根真菌能夠侵染紫穗槐根系并具有較高的結合程度，接菌對紫穗槐的生態效應本文主要從植株的成活率、株高、地徑和冠幅，以及根際土壤的理化性狀來反映，結果表明接菌植株成活率要高出對照30%，而且接菌植物的株高、地徑和冠幅也高于對照，接菌植物根際的有效磷保持在相對穩定的水平(第4 a，3.09～3.84 mg/kg)。紫穗槐作為一種耐旱耐寒耐鹽堿性的豆科植物，本身根系較發達且有大量根瘤菌附著在植物根系，與菌根真菌結合后形成紫穗槐—菌根真菌共生體，增強了植株耐受極端環境的能力。已有多個報道[11-12]指出，紫穗槐在盆栽試驗下，能夠提高宿主植物對極端環境的耐受性，提高株高，根系活力，地上和地下干質量，增加脯氨酸，可溶性糖和可溶性蛋白含量。紫穗槐在野外試驗中時間是關鍵因素，王瑾[13]、岳輝[14]和李少朋[15]等均報道過在野外大田條件下對紫穗槐根部接菌，并研究菌根技術對礦區土壤環境的改良作用，結果表明接菌能夠促進紫穗槐地上部分和根系生長，接菌紫穗槐根際土壤中球囊霉素、易提取球囊霉素含量顯著增加，但是野外大田試驗時間較短，分別在5～28個月之間，且較長時間的連續監測報道未見報道，因此本文能夠提供長時間(4 a，48個月)的生態效應的動態監測數據，為在野外條件下菌根技術的大規模推廣應用提供參考。

盆栽試驗和野外大田試驗有顯著的區別，盆栽試驗能夠很好地控制植物生長所需的水分、肥料和光照條件，可以進行單因素或者幾個可控因素的研究，是進行野外大田推廣的必需步驟，而野外大田試驗更接近農田復雜環境，是菌根技術走出實驗室進行推廣應用的必然階段。目前，對于菌根真菌的研究逐漸由實驗室轉移到野外大田較為成功的是菌根菌劑生產，Douds[16]在野外露天條件下制備為農業生產所使用的菌劑，但是菌根菌劑的生產也存在質量控制等問題難以大范圍推廣。盡管野外大田試驗存在一定的不可控因素，但是本文設計3種不同的處理，其中兩種為接菌處理，一種為不接菌對照處理，并且3種處理的試驗區面積相同，面臨的野外環境也一致，在4 a間進行了7次監測，取得連續的監測數據，因此能夠在一定程度上反映野外大田條件下對紫穗槐接菌所產生的生態效應。

4 結 論

(1) 野外大田條件下對紫穗槐接菌提高成活率達30%以上，提高了接菌蜘蛛的株高、地徑和冠幅；成活率總體呈輕微波動變化趨勢，這與試驗區每年6—9月為雨季有關，也可能是植株在越冬時適應性不同所致。

(2) 接菌紫穗槐菌根侵染率為50%～70%，且6—9月的監測會呈波動變化趨勢，對照由于土著菌根真菌的存在，侵染率為30%～40%；接菌G.m和G.a菌絲密度均高于不接菌CK的40%以上。

(3) 接菌紫穗槐根際土壤有效磷含量維持在穩定的水平，高出對照0.4～1.4 mg/kg；pH值接菌比對照降低了0.26～0.4個單位。

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Field Experiment of Ecological Restoration Application of Arbuscular Mycorrhizal Fungi Inoculation onAmorphaFruticosa

YUE Hui1,2, BI Yinli1

〔1.State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining, China University of Mining and Technology(Bejing), Beijing 100083, China; 2.College of Geomatics, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an, Shaanxi 710054, China〕

[Objective] The ecological restoration effect of inoculation ofAmorphafruticosain mining area of degraded vegetation was studied, to provide theoretical basis and field experimental data for the application of arbuscular mycorrhizal fungi in the ecological reconstruction of arid and semi-arid coal mines in Western China. [Methods] TakeAmorphafruticosaas the host plant, the symbiotic status of arbuscular mycorrhizal fungi andAmorphafruticosawas observed in field conditions and the improvement of plant rhizosphere soil in coal mining subsidence area was studied. [Results] Through 4 years continual monitoring, the results showed that the inoculation promoted the growth ofAmorphafruticosa, inoculation survival rate was higher than 30%; the mycorrhizal infection rate and hyphal density of inoculatedAmorphafruticosawere significantly higher than those of the control; the rhizosphere soil available phosphorus of the inoculatedAmorphafruticosaincreased and the pH value decreased. According to these, the ecological restoration effect was achieved. [Conclusion] Under field conditions, mycorrhizal fungi can promote the formation of plant-mycorrhizal symbiosis and improve the nutrient environment of plant-mycorrhizal symbiosis.

arbuscularmycorrhiza;Amorphafruticosa;fieldexperiment;ecologicaleffect;coalminingarea

A

： 1000-288X(2017)04-0001-05

： X171.4

2016-11-26

：2017-01-03

國家自然科學基金項目“西部干旱半干旱煤礦區微生物聯合修復機理及其生態響應”(51574253)

岳輝(1983—),男(漢族)，山東省淄博市人，博士，講師,主要從事生態恢復與環境遙感研究。E-mail:13720559861@163.com。

畢銀麗(1971—),女(漢族)，陜西省米脂縣人，教授,博士生導師，主要從事微生物復墾方面的研究。E-mail:ylbi88@126.com。