陜北采煤沉陷區(qū)接種菌根對豌豆生長與品質(zhì)的影響

吳群英 ，馬少鵬 ，畢銀麗 ，3，高雅坤 ，周會(huì)麗 ，張龍杰

（1.陜西陜煤陜北礦業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測繪工程學(xué)院，北京 100083；3.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，西安 710054）

陜北黃土高原土壤由于土質(zhì)疏松而易產(chǎn)生水土流失，該區(qū)煤炭資源豐富，煤炭開采導(dǎo)致地表裂縫發(fā)育，加劇了土壤營養(yǎng)流失，植被退化、農(nóng)作物急劇減產(chǎn)，加速了土地荒漠化［1］。黃土高原煤礦區(qū)農(nóng)田土地改良與作物急需新的生物修復(fù)技術(shù)來提高土地綜合生產(chǎn)力。

叢枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）是一種土壤中普遍存在的共生真菌，可以與80%以上的陸生植物根系形成互惠互利共生關(guān)系［2］。AMF 能夠形成地下龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)而提高植物根系與土壤的接觸面積，提高土壤酶活性和土壤肥力，促進(jìn)有機(jī)物礦化，顯著改善土壤質(zhì)量［3，4］。AMF 還可促進(jìn)植物吸收較多礦物營養(yǎng)和水分，促進(jìn)植物生長發(fā)育，提高植物物質(zhì)積累能力和作物品質(zhì)［5］。將菌根生物修復(fù)技術(shù)應(yīng)用到煤礦復(fù)墾農(nóng)田土壤改良，具有較好的農(nóng)田生產(chǎn)力改良的綜合應(yīng)用潛力［6］。

研究發(fā)現(xiàn)對采煤沉陷治理地接種AMF 1 年后顯著提高了野櫻桃、歐李、文冠果和山杏地上和地下生物量，植物成活率、株高和葉色值；同時(shí)，接種AMF顯著提高了土壤堿解氮和有機(jī)質(zhì)，顯著降低了土壤速效磷和速效鉀含量［7］。同樣，在采煤沉陷區(qū)接種AMF 3 年后文冠果根際土土壤全氮、堿解氮和有機(jī)碳含量高于未接種處理，速效磷和速效鉀含量顯著低于未接種處理［8］。干旱脅迫條件下，接種AMF 能夠提高玉米菌根侵染率、生物量，促進(jìn)土壤氮、磷和鉀的吸收和運(yùn)輸，增加玉米地上部分氮、磷和鉀的吸收量［9，10］。畢銀麗等［11］對西北地區(qū)馬鈴薯接種 AMF不僅提高了馬鈴薯產(chǎn)量，也提高了馬鈴薯塊莖中維生素C 濃度、可溶性糖、可溶性蛋白質(zhì)和粗纖維含量，改善了馬鈴薯品質(zhì)；吳建新等［12］對草莓接種AMF 發(fā)現(xiàn)，接種AMF 后提高了果實(shí)單重，提高了果實(shí)中可溶性糖和維生素C 含量，降低了可滴定酸含量，從而改善了草莓的品質(zhì)；但是也有研究發(fā)現(xiàn)接種AMF 雖然促進(jìn)了紅花的生物量，但是對紅花的品質(zhì)無顯著影響，接種AMF 并不影響羥基紅花黃色素A和山奈素含量，說明AMF 對羥基紅花黃色素A 和山奈素的合成無顯著影響［13］。

豌豆（Pisum sativumL.）為豆科一年生碗豆屬草本植物，該作物抗旱性較強(qiáng)，適應(yīng)干旱、貧瘠等多種逆境，在西北干旱地區(qū)被當(dāng)作一種重要的豆科綠肥作物，作物翻壓入土可以有效改善土壤理化性質(zhì)，培肥土壤。因此，本研究選擇豌豆作為目標(biāo)作物，研究接種菌根真菌后對作物生長及品質(zhì)的改良和土壤性狀改善作用，為黃土高原煤礦區(qū)農(nóng)田土壤快速改良提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地概況

試驗(yàn)田位于陜西省榆林市神木市張家峁煤礦（110°20′18″E，38°59′28″N），海拔約 1 200 m。該地區(qū)大陸性氣候明顯，主要特點(diǎn)是寒暑劇烈，氣候干燥，四季分明。冬季漫長寒冷，夏季短促，溫差大，年平均氣溫8.9 ℃，最熱為7 月，平均23.9 ℃，最冷為1月，平均-9.9 ℃；冬季少雨雪，夏季雨水集中，年際變率大，日照資源豐富，積溫有效性大。平均降水量440.8 mm，年降水主要集中在7—9 月，約占全年降水總量的69%，多年年平均蒸發(fā)量為1 336.6 mm，是降水量的3 倍，陸面平均蒸發(fā)量為326.0 mm，平均干旱指數(shù)為3.01。

試驗(yàn)于2019 年7—10 月進(jìn)行，試驗(yàn)田原為農(nóng)田，位于張家峁煤礦區(qū)，采煤沉陷后，在2018 年12 月經(jīng)過人工平整，并經(jīng)過2019 年上半年的自然沉降。土壤基本值為：pH 8.20～8.66，電導(dǎo)率70.9～127.3 μS/cm，有機(jī)質(zhì)含量 1.87～2.44 g/kg，全氮 0.155～0.186 g/kg，速效磷 0～0.17 mg/kg，速效鉀 74.54～84.34 mg/kg，全磷0.286～0.385 g/kg，全鉀6.291～6.878 g/kg。

1.2 試驗(yàn)材料和設(shè)計(jì)

供試菌種為AMF，即摩西管柄囊霉（Funneliformis mosseae，F(xiàn).m），由北京市農(nóng)林科學(xué)研究院植物營養(yǎng)與資源研究所微生物室提供，后經(jīng)中國礦業(yè)大學(xué)（北京）微生物復(fù)墾實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)繁培養(yǎng)。供試植物為豌豆，品種為適合當(dāng)?shù)厣L的灰豌豆。

試驗(yàn)設(shè)置AMF 和對照（CK）2 個(gè)處理，采用隨機(jī)化完全區(qū)組設(shè)計(jì)，3次重復(fù)。每個(gè)小區(qū)大小為6 m×6 m，于7 月19 日播種豌豆，采取人工條播，深度為5 cm左右，條播間距0.3 m，每公頃播種豌豆種子105 kg，AM 真菌與豌豆種子一起以條播的方式施入，每公頃施用375 kg菌劑。生長期內(nèi)無灌溉，自然雨養(yǎng)。

1.3 試驗(yàn)監(jiān)測和樣品采集

試驗(yàn)監(jiān)測在9 月28 日，監(jiān)測內(nèi)容包括株高和SPAD，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇10 株豌豆進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇4 株豌豆，采集植株地上部，收集根系，將每個(gè)小區(qū)采集的豌豆地上部分混合作為1個(gè)樣品供植物營養(yǎng)元素測定，對每株豌豆收集的根系分別進(jìn)行菌根侵染率測定；并采集土壤樣品，每個(gè)小區(qū)隨機(jī)選擇3 個(gè)點(diǎn)采集土壤并混合作為該小區(qū)的土壤樣品，土壤樣品自然風(fēng)干，去除枯枝落葉等雜物，過1 mm 篩。10 月10 日進(jìn)行收獲采樣計(jì)產(chǎn)，每個(gè)小區(qū)豌豆地上部分全部收取，取部分植物樣品在室內(nèi)烘箱80 ℃烘干至恒重計(jì)算含水率，并計(jì)算每個(gè)小區(qū)秸稈生物量（包括豆莢生物量）和產(chǎn)量。

1.4 試驗(yàn)方法

土壤pH（水土比2.5∶1.0）和電導(dǎo)率采用電位法（水土比 5∶1）測定［14］；SPAD 采用 SPAD-502 葉綠素儀測量，避開嫩葉、老葉和死葉，選擇頂層的1 片葉子，每片葉子取3 個(gè)測量值后取均值作為該植株的SPAD 值。植物秸稈全磷和全鉀、土壤全磷和全鉀、土壤速效磷和速效鉀采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-AES）測量［14，15］。可溶性糖采用蒽酮法測定［16］；可溶性蛋白采用考馬斯亮藍(lán)G-250 染色法測定［17］；有機(jī)質(zhì)參考鮑士旦［14］的方法，采用重鉻酸鉀容量法測定；植物全氮和土壤全氮采用凱氏定氮法測定；菌根侵染率采用品紅染色法測定［18］。

1.5 數(shù)據(jù)處理

在Microsoft Excel 2016 軟件中進(jìn)行數(shù)據(jù)整理統(tǒng)計(jì)，在SPSS 20.0 軟件中進(jìn)行LSD多重比較檢驗(yàn)及方差分析（P＜0.05）。

2 結(jié)果與分析

2.1 接菌AMF 對豌豆生長的影響

由表1 可知，接菌AMF 后豌豆株高顯著提高了52.34%（P＜0.05），表明接菌促進(jìn)了豌豆的生長。對照（CK）處理豌豆菌根侵染率為40.00%，接菌AMF使豌豆菌根侵染率顯著提高了16.11 個(gè)百分點(diǎn)（P＜0.05），表明AMF 與豌豆形成了良好的共生關(guān)系。葉綠素是植物進(jìn)行光合作用的主要場所，其濃度的提高可以促進(jìn)植物進(jìn)行光合作用和物質(zhì)積累［19］。SPAD 反映了植物葉片葉綠素含量，接菌AMF 后豌豆葉片 SPAD 顯著提高了 29.35%（P＜0.05）。對照（CK）處理豌豆秸稈總干重、產(chǎn)量和地上總干重分別為 752.48、206.67、959.15 kg/hm2，接菌 AMF 后分別提高了22.69%、20.61%和22.24%，差異均不顯著，且收獲指數(shù)相近，可能是秸稈生物量和產(chǎn)量呈比例增加所致。本試驗(yàn)中接種AMF 后，通過提高植物氮和鉀的含量改善了豌豆的營養(yǎng)狀況，提高了豌豆葉片SPAD，SPAD 的提高有利于豌豆進(jìn)行光合作用，提高了豌豆秸稈總干重、產(chǎn)量和地上總干重。

2.2 接菌AMF 對豌豆?fàn)I養(yǎng)成分的影響

由表2 可知，接種AMF 后秸稈豌豆全氮和全鉀含量分別顯著提高了12.72%和22.19%（P＜0.05），接種AMF 后秸稈全氮和全鉀總吸收量分別提高了38.74%和51.89%，秸稈全磷含量和全磷吸收量并未提高（P＞0.05）。可能是因?yàn)橥寥乐辛自睾康停墙臃NAMF 提高了豌豆秸稈全氮和全鉀含量，這與裘浪等［10］的研究結(jié)果相近。

由表2 可知，接種AMF 后豌豆可溶性蛋白含量和可溶性糖含量分別提高了1.50%和18.06%（P＞0.05），接種AMF 后豌豆可溶性蛋白總量和可溶性糖總量分別提高了20.09%和47.99%（P＞0.05），這可能是AMF 通過改善植物生長生理狀況，進(jìn)而提高了豌豆的品質(zhì)［14］。本試驗(yàn)結(jié)果與畢銀麗等［11］、吳建新等［12］的研究結(jié)果一致，接種AMF 提高了豌豆可溶性糖和可溶性蛋白的含量和總吸收量，說明了接種AMF 通過改善植物對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收和利用，提高了豌豆的品質(zhì)。

2.3 土壤性狀

由表3 可知，AMF 處理的土壤pH 低于對照（CK）處理，電導(dǎo)率、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全鉀、全磷和全氮含量均高于對照（CK）（P＞0.05），這可能是菌根有利于增大根系與土壤的接觸面積，提高根系對土壤養(yǎng)分溶解的效率，改善了根際土壤營養(yǎng)狀況［6］。相比土壤基本值，種植豌豆后不同處理的土壤性狀與之近似，說明短期內(nèi)不同處理對土壤性狀的影響較小。接種AMF 提高了有機(jī)質(zhì)含量，也說明了接種AMF 能提高土壤有機(jī)質(zhì)積累。由于菌絲對礦物轉(zhuǎn)化和營養(yǎng)吸收有促進(jìn)作用，導(dǎo)致土壤速效磷和速效鉀含量降低，本試驗(yàn)中接種AMF 后土壤速效磷含量和速效鉀含量均有提高，但是差異較小，這可能是土壤貧瘠，營養(yǎng)轉(zhuǎn)化量大于植物吸收量所致。

表1 不同處理對豌豆生理指標(biāo)的影響

表2 不同處理對豌豆?fàn)I養(yǎng)成分的影響

表3 不同處理對土壤性狀的影響

對比接種AMF 豌豆的生長指標(biāo)和土壤性狀發(fā)現(xiàn)，AMF 對豌豆生長的影響要大于對土壤性狀的影響，這可能是因?yàn)樵谕寥?AMF-植物體系中土壤性狀穩(wěn)定改變緩慢，短期內(nèi)受AMF 影響較小，植物生長相對迅速，一定時(shí)期內(nèi)與AMF 形成共生關(guān)系就能改善植物的生長狀況。

3 討論

黃土高原地區(qū)煤炭資源開采加劇了土壤養(yǎng)分流失，工程復(fù)墾后土壤貧瘠，嚴(yán)重制約了該地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展［10］。通過菌根復(fù)墾技術(shù)緩解煤礦區(qū)土壤貧瘠和植物生長不良的問題，是維持煤礦區(qū)農(nóng)業(yè)生態(tài)系統(tǒng)高效發(fā)展的途徑之一。研究表明，AMF 能夠促進(jìn)煤礦復(fù)墾區(qū)植物的生長，這與AMF 對其他植物的促生作用相似［6］。AMF 對植物的影響主要是依靠AMF-根系-土壤-植物之間形成的耦合，通過形成的菌絲橋直接或間接地調(diào)控植物的物質(zhì)代謝和土壤理化狀況，并促進(jìn)生態(tài)系統(tǒng)的物質(zhì)循環(huán)和能量流動(dòng)，進(jìn)而調(diào)控植物生長，提高作物產(chǎn)量和品質(zhì)［5，11］。

土壤貧瘠條件下，接種AMF 能夠提高植物菌根侵染率，AMF 與植物根系形成菌根系統(tǒng)，菌根系統(tǒng)通過菌絲網(wǎng)絡(luò)增加了根系對水分和養(yǎng)分的吸收，促進(jìn)植物生長［19，20］。研究區(qū)為黃土高原煤礦復(fù)墾區(qū)，土地工程復(fù)墾后首次進(jìn)行農(nóng)業(yè)種植，土壤貧瘠，微生物多樣性低，接種AMF 顯著提高了豌豆的菌根侵染率，促進(jìn)了植物鉀和氮的吸收，改善植物長勢和營養(yǎng)吸收狀況。黃土高原地區(qū)夏季日照充足，充分利用光能，有效提高該地區(qū)植物光合作用效率是提高該地區(qū)土地生產(chǎn)力的關(guān)鍵。營養(yǎng)吸收是植物生長重要的生理過程，葉綠體是植物進(jìn)行光合作用的重要場所，在不改變外界環(huán)境條件下，菌根通過促進(jìn)植物對土壤水分和營養(yǎng)物質(zhì)的吸收，促進(jìn)了葉綠素合成，從而有效提高植物光合作用和促進(jìn)干物質(zhì)的積累［19］。AMF 與宿主植物形成良好的互利共生關(guān)系，促進(jìn)植物營養(yǎng)吸收，均衡植株?duì)I養(yǎng)需求，進(jìn)而提高作物品質(zhì)［9］。

研究表明，土壤酶活性主要來源于植物根系和微生物的分泌物，接種AMF 能夠提高土壤蔗糖酶活性，而蔗糖酶能夠?qū)⑼寥乐须y分解的有機(jī)物催化分解為果糖和葡萄糖，為植物提供更多的碳源和能源，增加土壤中有機(jī)質(zhì)含量，培肥土壤［7，21，22］。接種 AMF能夠增加土壤氮含量，可能是AMF 增加了土壤中菌絲密度，菌絲增大根系與土壤接觸面積，提高土壤氮濃度；并且菌絲能夠延伸到根系達(dá)不到的范圍，促進(jìn)了土壤有機(jī)物礦化，提高土壤中氮磷鉀的含量，為植物營養(yǎng)吸收提供支持［3，4，10］。AMF 對土壤的影響效果低于對植物的影響效果，原因可能是在復(fù)雜自然環(huán)境下，接種AMF 對土壤理化特性的影響較為緩慢，但是接種AMF 對豌豆的生長有一定的促進(jìn)作用。

4 小結(jié)

本研究通過在黃土高原煤礦區(qū)種植豌豆并接菌，研究了接菌對豌豆生長、營養(yǎng)吸收、品質(zhì)和根際土壤性狀的影響，得到如下結(jié)論。

1）接種菌根顯著提高了豌豆的株高和SPAD；接菌使豌豆全氮和全鉀含量分別顯著提高了12.72%和22.19%，對全磷含量影響較小；接菌使豌豆可溶性糖和可溶性蛋白含量分別提高了1.50%和18.06%；接菌使得豌豆秸稈生物量、產(chǎn)量和地上總生物量分別提高了22.69%、20.61%和22.24%。

2）接種菌根對根際土壤電導(dǎo)率、速效磷、速效鉀、有機(jī)質(zhì)、全鉀、全磷和全氮含量有一定促進(jìn)作用。