苗春光，楊惠惠，畢銀麗,3，宋子恒，郭 楠

(1.國(guó)家能源集團(tuán)煤炭產(chǎn)業(yè)運(yùn)營(yíng)管理中心計(jì)劃發(fā)展處，北京 100011；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開(kāi)采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；3.西安科技大學(xué) 西部礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究院，陜西 西安 710054)

露天煤礦開(kāi)采簡(jiǎn)單高效，是我國(guó)東部草原區(qū)主要的開(kāi)采方式，煤炭開(kāi)采提供能源的同時(shí)也對(duì)當(dāng)?shù)夭菰鷳B(tài)環(huán)境造成一定影響和危害[1-3]。東部草原區(qū)為典型生態(tài)脆弱區(qū)，土壤瘠薄，露天開(kāi)采產(chǎn)生的排土場(chǎng)導(dǎo)致土層結(jié)構(gòu)擾動(dòng)嚴(yán)重，可能會(huì)由于土壤松動(dòng)產(chǎn)生裂縫、沖溝、塌陷等問(wèn)題，從而導(dǎo)致土壤養(yǎng)分、水分分配不均，嚴(yán)重的會(huì)導(dǎo)致土壤養(yǎng)分的淋溶和水分的流失，復(fù)墾基質(zhì)質(zhì)地黏重，使植物難以生長(zhǎng)、生態(tài)難以恢復(fù)[4]。植被恢復(fù)是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，只有植物、土壤和微生物形成優(yōu)質(zhì)的協(xié)作體系，才能夠真正地改善生態(tài)環(huán)境。因此，通過(guò)一定手段改善根際土壤微環(huán)境就變得尤為重要[5]。

叢枝菌根真菌(AMF)是一種土壤微生物，能夠定殖在宿主植物根部，與植物根系形成共生[6-7]，進(jìn)而形成一種可以增加根系養(yǎng)分吸收范圍的菌絲網(wǎng)絡(luò)，提高植物對(duì)外界脅迫的抗性[8-11]，特別是在壓實(shí)度較高的露天排土場(chǎng)，接菌可以促進(jìn)植物生長(zhǎng)和提高礦山復(fù)墾區(qū)的植被恢復(fù)率[12]。與將叢枝菌根真菌接種到表土中相比，在黏土中接菌可以更好地促進(jìn)植物生長(zhǎng)，增加養(yǎng)分有效性[13-14]。同時(shí)，叢枝菌根真菌作為一種生物改良劑，可以有效地改善土壤結(jié)構(gòu)，促進(jìn)植物在正常和脅迫條件下生長(zhǎng)[15-16]，促進(jìn)植物側(cè)根發(fā)育，增加根系數(shù)量，形成菌絲網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而擴(kuò)大植物對(duì)水分和養(yǎng)分的攝取范圍[17-20]。

本研究針對(duì)寶日希勒露天煤礦開(kāi)采過(guò)程中重建排土場(chǎng)上存在的土壤養(yǎng)分瘠薄，復(fù)墾基質(zhì)較為黏重，植被存活率低、生長(zhǎng)發(fā)育遲緩的問(wèn)題，將叢枝菌根真菌與沙棘聯(lián)合，分析叢枝菌根真菌對(duì)沙棘生長(zhǎng)的影響，以及接種叢枝菌根真菌后沙棘對(duì)礦區(qū)退化土壤的改良效應(yīng)，以期為形成土壤–植物–微生物三位一體修復(fù)方式的排土場(chǎng)修復(fù)方法提供理論和技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)地點(diǎn)

試驗(yàn)地為寶日希勒露天煤礦排土場(chǎng)720平臺(tái)，該地區(qū)位于內(nèi)蒙古自治區(qū)呼倫貝爾市東北部，年平均氣溫為–2.1℃左右，年降水量220～320 mm，蒸發(fā)量大于2 200 mm，蒸發(fā)量顯著大于降水量，植物以草本為主。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)區(qū)域排土場(chǎng)鋪設(shè)兩層土壤，下層為取自露天煤礦埋深16 m處的黑黏土，土壤黏粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)為92.01%，鋪設(shè)厚度為50 cm；上層為礦區(qū)原草原土，鋪設(shè)厚度為20 cm。供試菌種為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)微生物復(fù)墾實(shí)驗(yàn)室擴(kuò)繁的摩西管柄囊霉(Funneliformis mosseae)，供試植物為適應(yīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的耐寒、耐旱沙棘(Hippophae rhamnoides)，種植初期其根系主要分布在上層草原土中。草原土基本性狀為：pH 8.54，電導(dǎo)率187.2 ms/cm，最大持水量35.23%，有機(jī)質(zhì)31.65 g/kg，堿解氮124.37 mg/kg，有效磷13.71 mg/kg，速效鉀93.92 mg/kg。2018年10月將沙棘植入試驗(yàn)區(qū)內(nèi)越冬。

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)和管理

在露天礦排土場(chǎng)選擇2塊區(qū)域種植沙棘，分別標(biāo)記為接菌區(qū)(+M)和未接菌對(duì)照區(qū)(CK)，沙棘栽種間距為2 m×1 m；其中，+M區(qū)域沙棘2 954株，每株播撒菌劑50 g于沙棘根部；CK區(qū)域沙棘2 051株。在2個(gè)試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)分別按照“S”型選取10株生長(zhǎng)初始狀態(tài)相似的待測(cè)植物，在其根旁埋入根管，用于監(jiān)測(cè)植物根系發(fā)育。于2019年7月植物返青后，使用CI-600根系原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)選定植物根系進(jìn)行監(jiān)測(cè)。生長(zhǎng)期內(nèi)使用滴灌模式進(jìn)行4次均勻澆水管理。

1.4 測(cè)定項(xiàng)目和方法

植物根系監(jiān)測(cè)：將CI-600 根系原位監(jiān)測(cè)連接到筆記本電腦上，將CCD線性掃描探頭深入有機(jī)玻璃制成的透明根管中，由計(jì)算機(jī)控制探頭360°旋轉(zhuǎn)掃描植物根系發(fā)育及土壤剖面情況，掃描完成后將探頭提到下一個(gè)掃描位進(jìn)行掃描。土壤平面以下共計(jì)3個(gè)掃描位，可以反映出根管周?chē)参锔档纳L(zhǎng)狀況，掃描完成后對(duì)圖片進(jìn)行保存。利用根系分析軟件WinRHIZO Tron MF對(duì)得到的圖像進(jìn)行處理，獲取植物根系數(shù)據(jù)。

球囊霉素的提取和測(cè)定按照文獻(xiàn)[5]描述的方法。菌根侵染率使用曲利苯藍(lán)染色法測(cè)定[21]；土壤有機(jī)質(zhì)采用重鉻酸鉀外加熱法測(cè)定[22]；速效磷采用鉬銻抗比色法測(cè)定[23]；土壤磷酸酶活性測(cè)定采用Tabatabai &Brimner法[24]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

數(shù)據(jù)處理采用SPSS 12.0進(jìn)行分析(p<0.05)，使用Origin 8.0和Sigmaplot 11進(jìn)行繪圖。

2 叢枝菌根真菌對(duì)沙棘的影響結(jié)果與討論

2.1 沙棘生長(zhǎng)影響

從2018年10月起選擇初始高度45 cm的60株沙棘進(jìn)行定位監(jiān)測(cè)，從表1中可以看出，至2019年7月，+M沙棘生長(zhǎng)超過(guò)15 cm，平均株高達(dá)65 cm；CK沙棘生長(zhǎng)接近10 cm，平均高度為54 cm，+M沙棘的株高比CK組提高了20%。叢枝菌根真菌顯著地促進(jìn)了沙棘的生長(zhǎng)，接菌處理下沙棘的株高顯著高于未接菌處理的。+M處理的沙棘平均冠幅為46 cm，未接菌的為38 cm，接菌組(+M)沙棘的冠幅比對(duì)照組處理(CK)提高了21%，冠幅差異達(dá)顯著水平。沙棘生長(zhǎng)速度快、耐寒、耐旱，根系發(fā)達(dá)，可以有效適應(yīng)排土場(chǎng)環(huán)境。排土場(chǎng)海拔相對(duì)較高、植被覆蓋率低、風(fēng)大、土壤結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不適應(yīng)種植大型喬木，而種植草本的恢復(fù)則主要靠經(jīng)常性的人工干預(yù)，為了增強(qiáng)環(huán)境的自修復(fù)能力，沙棘有潛力成為露天礦排土場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)的重要先鋒植物。同時(shí)，將沙棘與菌劑相結(jié)合，可以有效促進(jìn)沙棘的生長(zhǎng)，縮短生態(tài)恢復(fù)時(shí)間，降低修復(fù)成本，因此，在露天礦排土場(chǎng)使用植物–微生物結(jié)合修復(fù)技術(shù)可以在植被恢復(fù)時(shí)產(chǎn)生較高的價(jià)值。

表1 不同處理中沙棘的株高和冠幅Table 1 Height and crown of Hippophae rhamnoides in different treatments

2.2 沙棘根系發(fā)育影響

植物根系原位監(jiān)測(cè)具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。由表2可以看出，接菌處理(+M)中沙棘侵染率高達(dá)86.7%，高于CK中沙棘的侵染率26.7%，表明原始土壤中土著叢枝菌根真菌對(duì)沙棘的侵染能力低下，因此，有必要利用人工手段增加沙棘的侵染率。接菌叢枝菌根真菌后，沙棘根系的侵染率高，說(shuō)明沙棘和叢枝菌根真菌可以有效地形成共生體，植物生長(zhǎng)發(fā)育得到了有效促進(jìn)。在植物生長(zhǎng)過(guò)程中，植物根系在固定植物、吸收養(yǎng)分方面起著決定性作用。本試驗(yàn)利用CI-600根系監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)沙棘根系進(jìn)行掃描發(fā)現(xiàn)，+M處理的沙棘根系在根長(zhǎng)、根面積、根體積、根尖數(shù)等指標(biāo)上均顯著高于CK(表2)，+M處理的根長(zhǎng)和根體積分別為CK的1.46倍和1.97倍。由于露天礦相對(duì)地勢(shì)較高，排土場(chǎng)常年大風(fēng)，植物的根系發(fā)育對(duì)于植物抗逆境尤為重要。同時(shí)，排土場(chǎng)土壤貧瘠，土質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，也需要植物擁有強(qiáng)大的養(yǎng)分和水分吸收能力。而接種叢枝菌根真菌刺激了根系發(fā)育[17]，增加根的長(zhǎng)度，增加投影面積，有利于擴(kuò)大營(yíng)養(yǎng)吸收范圍，可以有效地幫助植物獲取較多的養(yǎng)分和水分。沙棘和叢枝菌根真菌形成良好的共生體可以有效增加沙棘的抗逆性[18]，在寒、旱、大風(fēng)條件下依然保持良好的生長(zhǎng)狀態(tài)。因此，將本試驗(yàn)中使用的菌劑與沙棘聯(lián)合使用，有利于促進(jìn)露天礦排土場(chǎng)的植被恢復(fù)。

表2 接種菌根對(duì)沙棘根系發(fā)育的影響Table 2 Effects of AM fungi inoculation on root development of Amorpha fruticose

2.3 沙棘根際土壤球囊霉素的影響

球囊霉素對(duì)增加土壤有機(jī)碳和改善土壤團(tuán)聚體有著重要作用[25]。從圖1可以看出，+M處理的總球囊霉素含量為5.27 mg/g，CK處理總球囊霉素含量為3.63 mg/g，+M處理為CK處理的1.45倍，呈顯著差異。同時(shí)，接種叢枝菌根真菌后，沙棘根際的易提取球囊霉素含量也有顯著提高。+M處理的易提取球囊霉素含量為3.22 mg/g，CK處理為2.16 mg/g，達(dá)到了差異顯著水平。結(jié)果表明，叢枝菌根真菌與沙棘可有效改善排土場(chǎng)土質(zhì)結(jié)構(gòu)差、土壤養(yǎng)分低的條件，對(duì)排土場(chǎng)生態(tài)恢復(fù)具有重要意義。

圖1 叢枝菌根真菌對(duì)根際土壤球囊霉素含量的影響Fig.1 Effects of AMF inoculation on glomalin in rhizosphere soil

2.4 沙棘根際土壤速效磷和磷酸酶活性影響

土壤磷酸酶活性可以表示土壤中磷元素的有效轉(zhuǎn)化能力[7]。從圖2可以看出，+M處理的磷酸酶活性是CK處理的1.76倍，呈差異顯著水平(p<0.05)。沙棘能夠從土壤中攝取的磷元素主要為速效磷，從圖3可以看出，+M處理的沙棘根際土壤速效磷含量顯著高于CK處理的，這是由于叢枝菌根真菌擴(kuò)大了養(yǎng)分的吸收范圍，刺激土壤酶活性，土壤中更多養(yǎng)分被釋放出來(lái)，使植物可以從土壤中攝取更多養(yǎng)分。接種叢枝菌根真菌能夠顯著提高土壤酸性磷酸酶活性，增加土壤速效磷含量及磷元素的轉(zhuǎn)化，能夠有效改善土壤肥力[26]。

圖2 接種菌根對(duì)根際土壤磷酸酶的影響Fig.2 Effects of AMF inoculation on acid phosphatase activity in rhizosphere soil

圖3 接種菌根對(duì)根際土壤速效磷含量的影響Fig.3 Effects of AMF inoculation on available P in rhizosphere soil

2.5 沙棘根際微生物影響

寶日希勒露天煤礦排土場(chǎng)土地沙化嚴(yán)重，養(yǎng)分貧瘠，需要對(duì)土壤微環(huán)境進(jìn)行修復(fù)。土壤中豐富的土壤微生物是生態(tài)系統(tǒng)中不可或缺的一部分，是養(yǎng)分循環(huán)的“發(fā)動(dòng)機(jī)”[27]。在對(duì)沙棘進(jìn)行接菌9個(gè)月后，沙棘根際的細(xì)菌、真菌、放線菌數(shù)量均發(fā)生了顯著變化(表3)。其中，+M處理的細(xì)菌、真菌和放線菌數(shù)量都顯著高于CK處理的?？赡苁且?yàn)閰仓婢龠M(jìn)了土壤中的微生物活性[27]，進(jìn)而增加土壤微生物數(shù)量。因此，沙棘接種叢枝菌根真菌能夠有效提高土壤中的微生物數(shù)量，這對(duì)露天礦排土場(chǎng)土壤微環(huán)境的恢復(fù)具有重要意義。

表3 不同處理植物根際微生物數(shù)量的變化Table 3 Microbe population changes in different treatments

3 結(jié)論

a.叢枝菌根真菌顯著促進(jìn)了沙棘地上和地下部分的生長(zhǎng)，有效地與沙棘根系形成共生關(guān)系，促進(jìn)根系發(fā)育，接菌區(qū)的根長(zhǎng)和根體積分別為未接菌區(qū)的1.46倍和1.97倍，對(duì)土質(zhì)較為黏重的露天排土場(chǎng)生態(tài)修復(fù)有推廣價(jià)值。

b.接菌處理有效改善了排土場(chǎng)土壤養(yǎng)分和土壤質(zhì)量，提高了沙棘根系土壤中磷酸酶活性，磷酸酶活性是未接菌的1.76倍，植物生長(zhǎng)狀態(tài)更好，同時(shí)也激活了土壤中更多的速效磷養(yǎng)分。

c.接種叢枝菌根真菌顯著提高了排土場(chǎng)土壤的微生物數(shù)量，進(jìn)而增加土壤中微生物活性，將對(duì)土壤微生態(tài)的恢復(fù)與土壤功能的改善具有積極意義。