礦山土地復(fù)墾不同壓實(shí)密度土壤中菌根作用機(jī)理及生態(tài)效應(yīng)研究

祝 琨

(煤炭科學(xué)研究總院，北京 100013)

煤炭開采使地表發(fā)生沉陷、地裂縫等破壞，而煤矸石的排放在地表形成矸石山堆積，壓占土地資源。礦區(qū)土地復(fù)墾工作中，對(duì)塌陷地及矸石山進(jìn)行覆土工作時(shí)，采用分層覆蓋、分層碾壓的工程技術(shù)方法[1-4]，這會(huì)造成復(fù)墾后的土壤密實(shí)程度明顯高于普通土壤，不利于植物的生長(zhǎng)[5-7]。

叢枝菌根真菌是自然界中普遍存在的一種土壤微生物。陸地90%以上的有花植物都能與其形成共生體系[8-10]。叢枝菌根能夠促進(jìn)植物吸收利用礦質(zhì)養(yǎng)分和水分,提高作物的抗逆性和抗病性,改良土壤結(jié)構(gòu),增強(qiáng)土壤肥力,提高苗木移栽成活率,促進(jìn)植被恢復(fù)。叢枝菌根的這些生理生態(tài)特性使得菌根技術(shù)具有克服礦區(qū)煤矸石山生態(tài)重建中N、P、K及有機(jī)質(zhì)含量極低，土壤結(jié)構(gòu)不良，持水保肥能力差，極端pH值，干旱或鹽分過高引起的生理干旱的潛力[11-14]。

筆者模擬不同壓實(shí)土壤密度，研究接種菌根對(duì)植物在不同壓實(shí)密度土壤中的作用機(jī)理及復(fù)墾的生態(tài)效應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)取復(fù)墾區(qū)上覆土壤，在實(shí)驗(yàn)室測(cè)定其理化性質(zhì)參數(shù)，并在高壓滅菌鍋中滅菌備用。所取土樣的理化性質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1 土樣理化性質(zhì)參數(shù)

實(shí)驗(yàn)用微生物菌根為摩西球囊菌(G.mosseae，以下簡(jiǎn)稱G.m)，由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)微生物復(fù)墾實(shí)驗(yàn)室提供。

實(shí)驗(yàn)種子選用玉米(maize)種子，由中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院中農(nóng)種子公司提供。播種前種子用10%的H2O2浸泡10 min，用去離子水反復(fù)清洗數(shù)遍瀝干備用。

實(shí)驗(yàn)盆采用容積為5 L的塑料盆缽，使用前用自來水清洗瀝干，再用75%的酒精消毒。

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方法

實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)接種摩西球囊菌(G.m)(+M)和不接菌(-M)2種處理方案，每種處理方案土壤分為3個(gè)壓實(shí)密度水平(1.35、1.65、1.95 g/cm3)，共計(jì) 6種處理方案，即1.35+M、1.35-M、1.65+M、1.65-M、1.95+M和1.95-M，每種處理方案重復(fù)3次。

接菌種植實(shí)驗(yàn)在溫室中進(jìn)行，每個(gè)塑料盆缽內(nèi)裝滅菌后的風(fēng)干基質(zhì)5 kg，叢枝菌根真菌接種以穴播方法進(jìn)行，每個(gè)接種處理方案盆缽內(nèi)接種15 g。在整個(gè)生長(zhǎng)期內(nèi)，為防止其他雜菌污染實(shí)驗(yàn)，澆灌蒸餾水用于植物生長(zhǎng)，并用稱重法維持基質(zhì)含水量在最大持水量的70%～85%。實(shí)驗(yàn)于當(dāng)年6月22日開始播種， 每盆播種5粒玉米種子，待發(fā)芽后視其生長(zhǎng)情況定苗至3株。玉米經(jīng)過3個(gè)月的生長(zhǎng)，于9月23日收獲。

1.3 測(cè)定指標(biāo)

植物收獲時(shí)，分別收獲地上和地下部分，清洗根系，測(cè)定菌根侵染率(Phillips & Hayman，1970)、菌絲密度、植物地上和地下部分干質(zhì)量，以及植物地上和地下部分N、P、K的含量。

通過測(cè)定菌根侵染率、菌絲密度，用其表征接種的微生物菌根與宿主植物的親和程度及共生能力[15]；通過測(cè)定植物地上、地下部分的干質(zhì)量，用其表征接種微生物菌根對(duì)植物生長(zhǎng)量的促進(jìn)作用[16]；通過測(cè)定植株N、P、K含量，用其表征接種微生物菌根對(duì)植物吸收礦質(zhì)養(yǎng)分能力的改良作用。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 不同處理方案菌根侵染率及菌絲密度

菌根侵染率能在一定程度上反映菌根真菌與宿主植物的親合程度[17]；而菌絲長(zhǎng)度則反映菌根在促進(jìn)植物生長(zhǎng)、營(yíng)養(yǎng)吸收、抗逆性等方面能力的大小，是菌根與宿主植物侵染能力高低的重要指標(biāo)[18]。

不同處理方案的菌根侵染率及菌絲長(zhǎng)度如圖1所示。

(a)菌根侵染率

由圖1可以看出，在3類壓實(shí)密度土壤中，菌根侵染率均達(dá)到60%以上，說明接種菌根與宿主玉米的親和程度較好。而在考慮標(biāo)準(zhǔn)誤差的前提下，菌根侵染率及菌絲長(zhǎng)度均隨著土壤壓實(shí)密度水平的提高而逐漸降低，且差異性均達(dá)到顯著。這說明隨著土壤密實(shí)度的增高，植物根系的生長(zhǎng)較困難，植物生長(zhǎng)的適宜性較差。

2.2 不同處理方案玉米生長(zhǎng)量

不同處理方案下，玉米地上、地下部分干質(zhì)量對(duì)比如圖2所示。

(a)玉米地上部分

由圖2可見，不同處理方案的玉米，接菌的地上部分干質(zhì)量均高于相應(yīng)的不接菌對(duì)照組，且分別提高了12.11%、22.78%、28.31%；接菌的地下部分干質(zhì)量均高于相應(yīng)的不接菌對(duì)照組，且分別提高了9.60%、8.53%、10.09%。考慮到標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響，其差異性均達(dá)到了顯著水平。由此可見，接種G.m菌對(duì)玉米地上、地下部分的生長(zhǎng)有明顯的促進(jìn)效應(yīng)，這一促進(jìn)效應(yīng)在1.95 g/cm3壓實(shí)密度水平中最為明顯。

在接菌的3個(gè)處理方案之間進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋?.35 g/cm3與1.65 g/cm3兩組壓實(shí)密度水平處理方案中，玉米地上部分的干質(zhì)量值相當(dāng)，差異不顯著，但均顯著高于相對(duì)應(yīng)的1.95 g/cm3壓實(shí)密度水平處理方案中植物地上部分的干質(zhì)量值；玉米地下部分的干質(zhì)量值也呈現(xiàn)同樣的規(guī)律。而在不接菌的3個(gè)處理方案之間進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋参锏牡厣稀⒌叵虏糠指少|(zhì)量值均隨著土壤壓實(shí)密度水平的上升呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，而且差異性均達(dá)到顯著水平。由此可見，1.35 g/cm3壓實(shí)密度水平土壤最適宜植物生長(zhǎng)，而通過接種G.m菌，能夠使植物在1.65 g/cm3壓實(shí)密度水平的土壤中的生長(zhǎng)情況提高至與1.35 g/cm3壓實(shí)密度水平土壤相當(dāng)。

2.3 不同處理方案植物及土壤N、P、K含量

N、P、K 3種元素是植物生長(zhǎng)發(fā)育的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，植物吸收N、P、K元素的量與其生物量和產(chǎn)量呈顯著的正相關(guān)關(guān)系。N、P、K元素供給不足是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中最重要的限制因素之一[19]。

不同處理方案玉米地上、地下部分N、P、K的含量，反映了在不同土壤密實(shí)度及接菌與否的條件下植物吸收養(yǎng)分的能力。圖3～5分別為不同處理方案玉米地上、地下部分N、P、K元素含量圖。

(a)地上部分

(a)地上部分

(a)地上部分

縱向?qū)Ρ冉泳c未接菌處理方案玉米地上、地下部分N、P、K元素含量，以玉米地上部分N元素含量為例，3類壓實(shí)密度水平接菌處理方案的玉米地上部分N元素含量分別達(dá)到1.635、1.629、1.507 mg/kg，而其未接菌對(duì)照組N元素含量分別達(dá)到1.392、1.387、1.298 mg/kg。通過接種G.m菌，3類壓實(shí)密度水平玉米地上部分的N元素含量分別提高了17.41%、17.44%、16.11%，考慮標(biāo)準(zhǔn)偏差的影響，提高程度均達(dá)到顯著效果。接菌與未接菌處理方案玉米地上、地下部分N、P、K元素含量的變化均呈現(xiàn)同樣的規(guī)律，僅玉米地下部分K元素含量，在考慮標(biāo)準(zhǔn)誤差的影響下，接菌處理方案的K元素含量相對(duì)未接菌對(duì)照組有所提高，但提高程度不顯著。可見，接種G.m菌可以顯著提高植物對(duì)土壤中N、P、K元素的吸收能力。

橫向?qū)Ρ?類壓實(shí)密度水平處理方案N、P、K元素含量，以玉米地上部分N元素含量為例，接菌考慮標(biāo)準(zhǔn)誤差的影響，1.35 g/cm3與1.65 g/cm3兩組壓實(shí)密度水平處理方案中，玉米地上、地下部分的N、P、K含量相當(dāng)，差異不顯著，但都顯著高于1.95 g/cm3壓實(shí)密度水平。說明接種G.m菌使得玉米在1.35 g/cm3與1.65 g/cm3兩組壓實(shí)密度水平土壤中的生長(zhǎng)情況相當(dāng)，可以促進(jìn)玉米在密實(shí)程度較高的土壤中生長(zhǎng)，提高玉米對(duì)土壤密實(shí)度的適應(yīng)性。

3 結(jié)論

1)接種G.m菌，能夠與宿主植物玉米形成良好的共生關(guān)系，菌根對(duì)植物的侵染能力較高，菌絲長(zhǎng)度也有顯著的增加，擴(kuò)大了植物根系的活動(dòng)空間和作用范圍，提高了植物的抗逆性并能促進(jìn)其生長(zhǎng)。

2)接種G.m菌，可以顯著提高植物的生長(zhǎng)量，促進(jìn)植物從土壤中吸收N、P、K等養(yǎng)分。

3)通過接種G.m菌，可以使1.65 g/cm3密度水平的土壤對(duì)植物生長(zhǎng)的適宜程度提升至與1.35 g/cm3密度水平相當(dāng)，改善了植物對(duì)土壤密實(shí)度的適應(yīng)性。