畢銀麗，江 彬，秦芳玲，王茁優(yōu)

·農(nóng)業(yè)水土工程·

干旱半干旱煤礦區(qū)聯(lián)合接菌對土壤改良動態(tài)生態(tài)效應(yīng)

畢銀麗1,2，江 彬2，秦芳玲3，王茁優(yōu)1

（1. 西安科技大學(xué)西部礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究院，西安 710054； 2. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）礦山生態(tài)修復(fù)研究院，北京 100083；3. 西安石油大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，陜西省油氣田環(huán)境污染與儲層保護重點實驗室，西安 710065）

針對干旱半干旱地區(qū)煤炭開采造成的生態(tài)破壞問題，利用微生物-植物-土壤的綜合作用效應(yīng)，可加快礦區(qū)受損生態(tài)的修復(fù)進程。為評價不同接種微生物在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)過程中的動態(tài)作用效果，以神東礦區(qū)大柳塔采煤塌陷區(qū)的紫穗槐（L.）為研究對象，通過原位監(jiān)測，研究接種不同菌根真菌、解磷細菌或同時接種不同微生物處理對不同復(fù)墾年限下紫穗槐植株生長（株高和冠幅）、菌根效應(yīng)（菌根侵染率和菌絲密度）、土壤養(yǎng)分及性質(zhì)和復(fù)墾4 a不同生長季葉片養(yǎng)分和抗逆性的影響規(guī)律，以確定接種不同微生物菌劑對紫穗槐生長的影響和對土壤的改良效果。結(jié)果表明，與不接種相比，接種摩西管柄囊霉（）、根內(nèi)球囊霉（）及解磷細菌（）均能顯著增加紫穗槐的株高和冠幅（<0.05），提高其生長旺盛期葉片的氮、磷和鉀濃度，提高葉片氮鉀的再吸收，降低葉片相對含水率，提高7-9月份葉片脯氨酸、可溶性糖的積累，顯著降低土壤pH值（<0.05），提高土壤易提取球囊霉素、總提取球囊霉素、堿解氮、速效磷和速效鉀等指標的含量。不同接種處理對紫穗槐生長、菌根侵染率、葉片抗逆性、土壤氮磷鉀養(yǎng)分、易提取球囊霉素和總提取球囊霉素含量的影響隨著復(fù)墾時間的延長具有顯著的協(xié)同作用。摩西管柄囊霉與解磷細菌同時接種在復(fù)墾4 a后仍能促進紫穗槐菌根效應(yīng)的發(fā)揮，促進植物生長，提高植物的養(yǎng)分和抗逆性，改良土壤，在干旱半干旱煤礦區(qū)生態(tài)修復(fù)進程中具有積極作用。

土壤；養(yǎng)分；采煤塌陷；接菌菌劑；紫穗槐；AMF

0 引 言

西部干旱半干旱礦區(qū)，生態(tài)環(huán)境脆弱，煤炭開采造成的地表沉陷，引發(fā)的生態(tài)問題和次生地質(zhì)災(zāi)害問題（包括耕地破壞、水土流失、植被衰退、土地沙化貧瘠等）更為突出，因此西部礦區(qū)生態(tài)修復(fù)和重建尤為重要和迫切[1-2]。微生物技術(shù)在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中具有重要作用，通過給植物接種微生物（包括叢枝菌根真菌、解磷細菌、根瘤菌等），利用接種的優(yōu)勢微生物和植物間的相互關(guān)系，可改善植物營養(yǎng)，促進植物生長發(fā)育，并能重新建立和恢復(fù)土壤微生物體系，加速礦區(qū)基質(zhì)向農(nóng)業(yè)土壤的轉(zhuǎn)化過程，使基質(zhì)更趨于熟化，從而縮短復(fù)墾工程周期[3]。

菌根真菌廣泛存在于自然界的土壤中，可與陸地生態(tài)系統(tǒng)70%以上的植物形成菌根共生體[4]。菌根共生體及根外菌絲可改善植物養(yǎng)分和水分狀況，促進植物生長，提高植物對各種環(huán)境脅迫的耐受性[5]。同時菌根真菌分泌球囊霉素，能增加土壤微生物活性、促進土壤團聚體的形成和提高土壤養(yǎng)分，從而顯著改善土壤質(zhì)量[6]。研究表明，AMF（arbuscular mycorrhizal fungi）在煤礦恢復(fù)過程中可增加植被生長，并促進環(huán)境變化[5]。近年來以菌根真菌作為主要微生物菌劑在中國西部采煤沉陷區(qū)開展大規(guī)模人工造林重建工程，目前已取得了較好的生態(tài)效應(yīng)[7-8]。王瑾等[9]在采煤沉陷區(qū)向紫穗槐接種AMF后，能顯著增加其株高、冠幅；畢銀麗等[2]研究發(fā)現(xiàn)接種菌根真菌在礦區(qū)人工干預(yù)植物群落演替中起著關(guān)鍵作用，且對維持植物群落結(jié)構(gòu)和功能穩(wěn)定性起著重要作用；張延旭等[10]發(fā)現(xiàn)接種菌根真菌可顯著提高采煤塌陷區(qū)復(fù)墾苜蓿的生物量，有效改善根際土壤質(zhì)量，表現(xiàn)出較好的生態(tài)效應(yīng)。目前菌根微生物在礦區(qū)生態(tài)修復(fù)中的潛在作用已經(jīng)被逐漸認識[11-12]，研究的熱點主要集中于菌根真菌在礦區(qū)生態(tài)重建中的作用效果，包括植物的生長效應(yīng)、土壤的結(jié)構(gòu)和肥力等[8-13]，但對不同微生物，菌根菌、解磷細菌及其不同微生物同時接種在采礦沉陷區(qū)的生態(tài)修復(fù)作用鮮有報道，而對不同接菌處理在不同復(fù)墾年限條件下的原位生態(tài)修復(fù)動態(tài)監(jiān)測和規(guī)律研究也少見報道。紫穗槐（L.）作為豆科紫穗槐屬叢生灌木，根系發(fā)達，耐干旱、瘠薄，具有較強的保持水土、改良土壤作用，常作為西部采煤沉陷區(qū)復(fù)墾植物。本文以神東礦區(qū)復(fù)墾所用紫穗槐為研究對象，研究紫穗槐在干旱少雨、土壤結(jié)構(gòu)不良、肥力低下、微生物稀少的神東礦區(qū)修復(fù)過程中，其植物生長、菌根生長、土壤養(yǎng)分和理化性質(zhì)在接種不同微生物條件下隨復(fù)墾時間的變化規(guī)律，同時研究接菌處理對復(fù)墾4 a后生長季葉片營養(yǎng)及抗逆性的影響，探究不同接菌組合式在采煤沉陷區(qū)生態(tài)復(fù)墾中的動態(tài)生態(tài)效應(yīng)，為采煤沉陷區(qū)的植被恢復(fù)和土壤改良提供實驗支持和理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 研究區(qū)概況

試驗區(qū)位于陜西省神木縣神東大柳塔采煤塌陷區(qū)（109°13′～110°67′E，38°50′～39°47′N），屬于典型的干旱半干旱高原大陸性氣候。該地區(qū)主要的氣候特征[4]為：全年光照充足，年均日照2875.9 h；干旱少雨，年平降水量441 mm（主要集中在7－9月）；多風(fēng)沙，年均大風(fēng)日數(shù)14 d，年均蒸發(fā)量1 337 mm，年均氣溫8.9 ℃。研究區(qū)植被退化，種類單一，天然灌木植物是花棒（Mey），草本植被主要以一年生狗尾草（）、紫花苜蓿（）、賴草（）、豬毛蒿（）等為主。

該地區(qū)表層土壤基本理化性質(zhì)：pH 值為8.35，有機碳7.36 g/kg，堿解氮32.1 mg/kg，全氮0.60 g/kg，速效磷8.16 mg/kg，速效鉀66.2 mg/kg和電導(dǎo)率164S/cm，屬于極貧瘠的沙土。

1.2 試驗材料與設(shè)計

1.2.1 供試菌種

供試AMF菌種為由北京市農(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)墾實驗室通過玉米擴繁得到的根內(nèi)球囊霉（，記為Ri）和摩西管柄囊霉（，記為Fm）。接種菌劑Ri和Fm為含有宿主植株侵染根段、孢子和菌絲的沙土混合物，其中孢子密度分別為158個/g和126個/g，侵染率分別為91%和90%。

供試解磷細菌（）（CA）為本實驗室從寧夏粉煤灰樣品中自主分離并純化培養(yǎng)的高效解磷細菌。采用細菌16 SrNDNA測序，通過與GenBank核酸數(shù)據(jù)庫進行BLASTN比對，確定出該菌株為斯式泛菌（）。CA菌株接種液為培養(yǎng)至對數(shù)生長期的菌液（30 ℃，120 r/min)，其OD600為0.84。

1.2.2 供試植物

供試植物為紫穗槐（），為落葉叢生灌木，耐寒、耐干旱能力極強。

1.2.3 試驗設(shè)計與管理

本試驗設(shè)6個處理，即單接種Fm、單接種Ri、雙接種Fm和Ri（Fm+Ri）、單接種CA、雙接種Fm和CA（Fm+CA）、不接種(CK)。每個處理小區(qū)面積為480 m2，共5行，每行31株，苗木平均株高26.5 cm，冠幅20.4 cm，種植規(guī)格均為2 m×2 m。

2012年4月中旬進行紫穗槐栽植，澆水達土壤田間持水量，以后每周澆水1次，1個月后免澆水自然管理。2012年7月中旬對栽種紫穗槐進行菌劑接種，其中單接AMF處理每株植物穴施菌劑50 g；單接CA處理穴施10%CA接種液100 mL；雙接AMF處理，每穴同時施加Fm和Ri菌劑各50 g；雙接AMF與CA處理，每穴同時施入Fm菌劑50 g和10%CA接種液100 mL。每穴接種完成后覆土，澆水達土壤田間持水量。

1.3 樣品采集與處理

1）根際土壤樣品的采集

在各處理區(qū)隨機選取植株大小較一致的紫穗槐作為定期采樣點進行標記，分別于2012、2013年和2015年9月中旬采集新鮮的根際土壤（0～10 cm）樣品并編號。采集的土樣裝入無菌自封袋帶回實驗室，根際土壤自然風(fēng)干后，剔除雜物過1 mm篩備用。

2）植物葉片樣品的采集

2015年6－9月每月分別采集各處理區(qū)標記采樣點的紫穗槐葉片樣品。采集的鮮葉用自封袋封存于4℃冰盒，并迅速在實驗室于4 ℃冰箱中冷藏，用于分析植物葉片的養(yǎng)分濃度和抗逆性指標。

1.4 指標測定和方法

1.4.1 植株生長指標測定

1）紫穗槐株高和冠幅

用鋼卷尺測量選定植株的株高和冠幅。

2）葉片養(yǎng)分指標

對2015年8月和9月采集的葉片樣品進行養(yǎng)分濃度測定。葉片經(jīng)硫酸-過氧化氫消煮獲得消化樣品，分別采用凱氏定氮法和釩鉬黃比色法測定消化樣品的全氮和全磷含量（以質(zhì)量分數(shù)（%）表示）[14]，采用ICP-AES法測定消化樣品中的全鉀含量[14]。

3）葉片抗逆性指標

對2015年6－9月采集的葉片樣品進行葉片的抗逆性指標測定。參照高俊山等[15]方法采用干質(zhì)量法測定葉片相對含水率、浸泡法測定葉片的相對電導(dǎo)率、酸性印三酮顯色法測定葉片中脯氨酸的含量及蒽酮比色法測定葉片中可溶性糖的含量。

1.4.2 土壤基本理化指標

土壤基本理化指標參照鮑士旦[14]方法測定，其中土壤有機碳采用重鉻酸鉀氧化法測定；全氮采用凱氏定氮法測定；速效磷采用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測定；速效鉀采用醋酸銨浸提和ICP-AES法測定；堿解氮采用堿解擴散法測定；采用電位法測定土壤pH值（水土比2.5∶1）和電導(dǎo)率（水土比5∶1）。

1.4.3 菌根相關(guān)指標

采用Phillips和Hayman法的KOH脫色-曲利苯藍染色法測定菌根侵染率[16]；菌絲密度測定采用真空泵微孔濾膜抽濾-網(wǎng)格交叉法測定[17]：易提取球囊霉素（easily extractable glomalin，記為EE-GRSP）和總球囊霉素（total glomalin，記為T-GRSP）采用Wright等[18]的改進方法進行提取和測定。

1.5 數(shù)據(jù)處理方法

所有試驗數(shù)據(jù)采用Microsoft Excel 2010軟件進行均值和標準差計算；采用統(tǒng)計分析軟件SAS8.1（SAS INSTITUTE INC，2006）進行方差分析（LSD檢驗法，顯著性差異水平設(shè)置為0.05。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同接菌處理對紫穗槐生長的影響

表1為不同復(fù)墾時間紫穗槐在不同接菌處理條件下株高和冠幅的生長情況。由表1可見，不同復(fù)墾年限條件下，各處理紫穗槐的株高和冠幅均隨著復(fù)墾時間的延長而增大，其中接種Fm、CA、Fm+Ri和Fm+CA處理紫穗槐的株高在不同復(fù)墾年間差異顯著，而各處理紫穗槐的冠幅在不同復(fù)墾年間均差異顯著（<0.05）；在復(fù)墾第4a，接種CA和Fm+CA處理紫穗槐的株高和冠幅較其1a時均顯著增大，對于株高分別增加191%和213%，而冠幅則分別增加562%和567%，表明隨著復(fù)墾時間的延長，接種解磷細菌及Fm+CA對于紫穗槐冠幅生長較其株高更具有促進優(yōu)勢。

表1 不同接菌處理對紫穗槐生長的影響

注：表中數(shù)據(jù)為復(fù)墾1a、2a、4a連續(xù)監(jiān)測所得，取5個重復(fù)均值，同列不同小寫字母表示同一復(fù)墾年限各處理間具有顯著差異（<0.05），同行大寫字母表示同一處理在不同復(fù)墾年限下的差異顯著（<0.05）。P(T)表示在時間尺度下各指標的差異顯著性；P(M)為接菌條件下各指標的差異顯著性；P(T×M)為時間尺度與接菌處理交互作用對各指標的差異顯著性；*表示在0.05水平差異顯著。下同。

Notes: Figures for continuous monitoring at 1a, 2a, 4a in the table are the mean values of five repeats. The different small letters within the same column mean the significant difference (<0.05) at the same reclamation of the inoculation. The different capital letters in the same row indicate the significant difference (<0.05) of the same processing under different reclamation years. P(T) indicates significant difference in time scale. P(M) indicates the significant difference in the inoculation conditions. P(T×M) means the interactions between inoculation and time scale. The signal “*”shows the significant difference at 0.05 level. Same as below.

同一復(fù)墾年限中，接菌處理紫穗槐的株高和冠幅（除復(fù)墾4a的Ri處理外）均顯著高于其對照處理（<0.05），其中接種CA和Fm+CA處理紫穗槐的株高和冠幅均顯著高于其他處理；隨著復(fù)墾時間的延長，接種CA與Fm+CA對紫穗槐株高和冠幅的影響優(yōu)勢顯著（<0.05），且處理間的差異顯著性消失，表現(xiàn)為在復(fù)墾2a時兩者較其CK處理可使紫穗槐的株高分別增高21%和23%，冠幅分別增加26%和23%，而在復(fù)墾4a時兩處理較其相應(yīng)的CK處理可使紫穗槐株高均增高達133.8%，冠幅分別增加95%和77%。由此可見，解磷細菌及其與菌根真菌Fm雙接種可顯著促進紫穗槐的生長，尤其是對紫穗槐植株冠幅生長的促進優(yōu)勢更為明顯，且隨著復(fù)墾時間的延長接種處理對紫穗槐生長的促進作用越顯著，表現(xiàn)出強烈的時間效應(yīng)。

2.2 不同接菌處理對菌根侵染率和菌絲密度的影響

由表2可見，不同接種處理和不同復(fù)墾時期紫穗槐的菌根侵染率和菌絲密度均達到差異顯著性，同時它們間存在明顯的交互作用，可對紫穗槐根系的菌根侵染率和菌絲密度產(chǎn)生顯著影響。

表2 不同接菌處理對紫穗槐菌根侵染率和菌絲密度的影響

在自然條件下（CK處理）或接種CA時，紫穗槐根系均有菌根侵染和一定的菌絲密度，表明菌根真菌是普遍存在于土壤的微生物種類；CK處理和接種CA處理紫穗槐根系的菌根侵染均隨著復(fù)墾時間的延長而增大，在復(fù)墾4a時，后者與前者出現(xiàn)差異顯著性（<0.05），表明解磷細菌對自然界菌根真菌對紫穗槐根系的侵染存在時間效應(yīng)，但兩者在菌絲密度間無顯著差異。

由表2可見，各處理紫穗槐根系的菌根侵染率和菌絲密度（除Fm外）均隨復(fù)墾年限延長而增加。復(fù)墾年限相同條件下，接菌處理紫穗槐的菌根侵染率均顯著高于其對照處理（除CA處理復(fù)在復(fù)墾1 a和2 a外）；雙接種處理可使紫穗槐根系快速受到菌根侵染，表現(xiàn)為在復(fù)墾1a時其菌根侵染率均可達40%以上，且隨復(fù)墾時間的延長其菌根浸染率不斷增大，尤其是Fm+CA處理可使紫穗槐根系在復(fù)墾4a的菌根侵染率時達到80%，較其CK、CA和Fm處理分別增加156.6%、84.3%和26.4%，表明CA和Fm對提高紫穗槐菌根侵染率具有顯著的正交互作用，可使紫穗槐根系的菌根侵染優(yōu)勢顯著，進而有利于植物根系從土壤中獲取營養(yǎng)物質(zhì)，發(fā)揮共生體的優(yōu)勢，從而使該處理紫穗槐的株高和冠幅生長較其他處理更顯著。復(fù)墾4a時，F(xiàn)m+Ri處理的紫穗槐菌根侵染率顯著低于Fm+CA處理，但其菌絲密度最高，達到15.4 m/g，顯著高于Fm+CA處理。對照各植株生長情況（表1），結(jié)果表明菌根侵染率較菌絲密度對紫穗槐生長的影響更為顯著。

2.3 不同接菌處理對紫穗槐生長季葉片養(yǎng)分含量的影響

為了解各接菌處理對紫穗槐葉片養(yǎng)分季節(jié)變化的影響，對復(fù)墾4 a時處于生長季（8－9月）紫穗槐葉片的氮磷鉀含量分別進行監(jiān)測分析，結(jié)果見表3。由表3可見，8月紫穗槐葉片的氮、磷和鉀含量均高于其9月各指標的含量（<0.05）。這主要是由于8月紫穗槐處于生理活動旺盛期，需要更多的元素用于合成蛋白質(zhì)和核酸等，以維持葉片光合作用和細胞分裂細胞等活動，而9月氣溫下降，紫穗槐葉片生理活動減弱，養(yǎng)分再吸收造成其含量下降，產(chǎn)生“稀釋效應(yīng)”[19]。

復(fù)墾4a后紫穗槐葉片的氮含量在不同接菌處理間表現(xiàn)不同（見表3）。除Fm處理外，其他接菌處理紫穗槐葉片的全氮含量在8月均顯著高于CK處理（<0.05），表明這些各接菌處理均可顯著促進紫穗槐植物根系對氮的吸收，但進入9月，除Ri處理外，其他接種處理反而使紫穗槐葉片的氮含量顯著低于CK處理（<0.05），表明接種處理使紫穗槐在秋季養(yǎng)分再吸收率高，從而造成氮養(yǎng)分含量下降。

表3 不同接菌處理對紫穗槐葉片養(yǎng)分濃度的影響

注：表中數(shù)據(jù)為2015年（復(fù)墾4a）8、9月監(jiān)測數(shù)據(jù)，取5個重復(fù)均值。同列不同小寫字母表示各處理間具有顯著差異（<0.05），同行大寫字母表示同一處理在不同月份的差異顯著（<0.05）。P(T)表示在不同月份下各指標的差異顯著性；P(M)為接菌條件下各指標的差異顯著性；P(T×M)為月份與接菌處理交互作用對各指標的差異顯著性，NS表示差異不顯著，下同。

Notes: The data are the mean values of five replicates, monitored at August, September in 2015. Figures in the table are the mean values of five repeats. The different small letters within the same column mean the significant difference (<0.05) at the same reclamation of the inoculation. The different capital letters in the same row indicate the significant difference (<0.05) of the same processing under different months. P(T) indicates significant difference in different months. P(M) indicates the significant difference in the inoculation conditions. P(T×M) means the interactions between different inoculation and months. NS indicates no significant difference. Same as below.

復(fù)墾4a后紫穗槐葉片的磷和鉀含量在不同接菌處理間的變化規(guī)律較為相似。無論是在8月還是在9月，接種Fm+Ri處理紫穗槐葉片的磷和鉀含量均顯著低于其他處理，表明該雙接種處理影響紫穗槐葉片中磷鉀的吸收和積累。從磷含量來看，在8月接種Ri、CA、Fm和Fm+CA處理紫穗槐葉片的磷含量與CK間無顯著差異（<0.05），但進入秋季9月，接種菌根真菌處理Ri或Fm使紫穗槐葉片的磷含量均顯著高于對照及其他處理，且季節(jié)與接種處理對葉片磷含量的影響無交互作用（見表3），表明接種處理對紫穗槐磷養(yǎng)分再吸收的影響不顯著，這與寧秋蕊等[20]的研究結(jié)果具有一致性，即認為葉片氮再吸收效率與年均氣溫、年均降雨量呈負相關(guān)關(guān)系，而磷再吸收與兩者間的相關(guān)性不顯著。

從葉片鉀含量來看，8月接種Ri、Fm+CA和CA處理紫穗槐葉片的鉀含量均顯著高于其CK處理（<0.05），表明這些接菌處理可顯著紫穗槐對土壤鉀元素的促進吸收和利用，而進入9月，除CA處理外，其他接菌處理紫穗槐葉片的鉀含量均顯著低于對照處理（<0.05）。由表3可見，季節(jié)變化與接種處理使紫穗槐葉片全鉀和全氮含量具有在顯著的交互作用，接菌處理可顯著促進紫穗槐葉片在秋季的養(yǎng)分再吸收，引起含量下降，而K在植物體內(nèi)主要以離子態(tài)存在，流動性強，導(dǎo)致葉片脫落前其再吸收率高[21]。

2.4 不同接菌處理對紫穗槐生長季葉片抗逆性的影響

由于神東礦區(qū)屬于典型半干旱、半沙漠溫帶大陸性氣候，年降雨量少，植物在生長季受干旱脅迫，其抗逆性成為該礦區(qū)植物生存的關(guān)鍵因素之一。對復(fù)墾4a后紫穗槐葉片在生長季（6－9月）的抗旱性指標進行分析測定，以了解接種處理對復(fù)墾區(qū)植物的抗逆性的影響，結(jié)果見表4。

表4 不同接種處理對生長季紫穗槐葉片抗逆性的影響

注：表中數(shù)據(jù)為2015年6、7、8、9月監(jiān)測數(shù)據(jù)，取5個重復(fù)均值。

Notes: The data are the mean values of five replicates, monitored at June, July, August, September in 2015.

由表4可知，在同一生長月份，與對照處理相比，接菌處理均可顯著降低紫穗槐葉片的相對含水率（<0.05），而各接菌處理紫穗槐葉片的相對含水率間無明顯變化規(guī)律。各處理紫穗槐葉片的相對含水率在生長季均差異不大，總體表現(xiàn)為隨時間先增后降低的趨勢，7月、8月和9月各接菌處理紫穗槐葉片的相對含水率分別為81%～83%、74%～78%和72%～82%，這可能是由于7、8月正是當(dāng)?shù)馗邷丶竟?jié)，干旱少雨，植物受干旱脅迫，需要提高其葉片的相對含水率以保證植物葉片正常的生理活動。接種處理與生長季節(jié)對紫穗槐葉片相對含水率的影響無交互作用（見表5）。

由表4可見，不同處理紫穗槐葉片相對電導(dǎo)率在生長季均呈現(xiàn)出隨時間先增后減的規(guī)律，即在7月顯著高于其他時期（<0.05），在9月最低，可見在7月高溫干旱季節(jié)紫穗槐葉片受到的脅迫傷害最大。在同一生長月份，各處理紫穗槐葉片的相對電導(dǎo)率的變化規(guī)律不一致，6和8月各接菌處理紫穗槐葉片的相對電導(dǎo)率均顯著降低其相應(yīng)的CK處理，表明接菌處理均可降低紫穗槐葉片的膜損傷，使其抗逆性增強；在7月，單接菌Fm和CA處理紫穗槐葉片的相對電導(dǎo)率均低于CK，而Ri和雙接種接菌處理紫穗槐葉片的相對電導(dǎo)率均顯著高于對照處理（<0.05），表明不同接菌處理在高溫干旱季節(jié)對紫穗槐葉片的抗逆性影響不同，解磷細菌和Fm雙接種菌根侵染率雖然最高，土壤菌絲體有利于其根系吸收水分，但可能由于其植株高大對水分需求量大，蒸發(fā)量也相對較大，水分獲取相對不足，引起脅迫傷害，葉片的相對電導(dǎo)率增大。

脯氨酸和可溶性糖作為滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)，在植物遭受非生物脅迫時，植物在體內(nèi)積累脯氨酸和可溶性糖以提高其抗性[22]。由表4可見，在7－9月接菌處理紫穗槐葉片中脯氨酸含量均高于對照處理，表明接種微生物可提高該地區(qū)紫穗槐在夏季高溫干旱季節(jié)的抗逆性，但各處理在不同月份的紫穗槐葉片脯氨酸含量無明顯變化規(guī)律。在6月，CA處理紫穗槐葉片的脯氨酸含量顯著高于其他處理，是其CK處理的158.7%，而Fm+CA處理最低，僅為CK處理的58.7%；Fm+CA處理紫穗槐葉片的脯氨酸含量隨季節(jié)時間延長而不斷顯著增加；Fm處理紫穗槐葉片的脯氨酸含量隨時間延長而先顯著增加，隨后又顯著降低；Fm+Ri處理紫穗槐葉片的脯氨酸含量隨時間呈先降低再增加又下降的規(guī)律。從脯氨酸含量來看，8和9月的Fm、CA及各雙接種處理紫穗槐葉片的脯氨酸含均較高，表明對提高紫穗槐葉片的抗旱性具有一定作用。

不同處理紫穗槐葉片的可溶性糖含量在生長周期中隨時間增加先減少后增大的趨勢，其中在6月最高，7月最低。在同一生長月份各處理紫穗槐葉片的可溶性糖含量間也無明顯變化規(guī)律，在6月各接菌處理除Fm處理外，紫穗槐葉片可溶性糖含量均顯著高于其CK處理；在7月CK和Fm+Ri處理紫穗槐葉片的可溶性糖含量均顯著高于其他處理，其他處理間的葉片可溶性糖濃度無顯著差異；8、9月Fm+CA處理紫穗槐葉片的可溶性糖含量均顯著高于其他處理。

由表5可見，不同接種處理間和不同生長時期紫穗槐葉片的相對含水率、相對電導(dǎo)率、脯氨酸含量和可溶性糖濃度達到差異顯著性（<0.05），表明接種處理和生長時間對紫穗槐的抗逆性均具有顯著影響。另外，不同接種處理和不同生長時期間存在交互作用，均可顯著影響紫穗槐葉片的相對電導(dǎo)率、脯氨酸含量和可溶性糖濃度，對增強紫穗槐的抗旱和抗衰老性具有顯著作用。

表5 不同接種處理對生長季紫穗槐葉片抗逆性影響的顯著性分析

2.5 不同接菌處理對土壤基本理化性質(zhì)的影響

表6為不同接菌處理在不同復(fù)墾年份中對土壤各基本理化指標的影響。對于土壤pH值，隨著復(fù)墾時間的延長，不同處理土壤pH值的變化規(guī)律基本為：2a<4a<1a，且均表現(xiàn)為由堿性（8.1～8.3）逐漸呈中性（6.73～7.75）。復(fù)墾4a后，各接菌處理土壤pH均顯著低于對照處理土壤的pH，且均呈中性，表明接菌處理可使堿性土壤的得以改良為適宜植物生長的中性土壤。

由表6可見，各處理土壤電導(dǎo)率在不同復(fù)墾年間均存在差異顯著性（<0.05），且均表現(xiàn)為先降后升，在復(fù)墾1a時各處理土壤的電導(dǎo)率在130～160S/cm，在復(fù)墾2a是為26～45S/cm，在復(fù)墾4a后又升至59～96S/cm，表明紫穗槐復(fù)墾使該礦區(qū)土壤的含鹽量顯著降低，降低土壤的鹽堿化。不同接菌處理對土壤電導(dǎo)率的影響不顯著。無明顯的變化規(guī)律（見表7）。在復(fù)墾4a后，F(xiàn)m、Fm+CA和Fm+Ri處理較CK處理可使土壤的電導(dǎo)率分別顯著降低9.9%、25%和35%，F(xiàn)m和 CA或Ri間及其與復(fù)墾時間間存在的顯著交互作用（見表7），能使土壤的電導(dǎo)率顯著降低，表明復(fù)墾時間越久，紫穗槐雙接種處理對土壤鹽堿化的改良作用逐漸突顯。

由表6可見，各處理土壤有機碳含量、堿解氮含量和速效磷含量隨復(fù)墾時間延長整體呈不斷遞減的變化規(guī)律，而土壤速效鉀含量則呈先降低后升高。與CK處理相比較，在復(fù)墾2a和4a時接種Ri、Fm、Fm+CA和Fm+Ri均可顯著提高處理土壤有機碳含量（<0.05），說明叢枝菌根侵染紫穗槐根系促進了根際土壤有機碳的累積。在同一復(fù)墾年份中，接菌處理土壤的堿解氮、速效磷和速效鉀含量均顯著高于其相應(yīng)的對照處理，表明接種菌根真菌、解磷細菌或其雙接種有利于土壤氮磷鉀養(yǎng)分的積累。由表7可見，時間尺度、接種處理及它們交互作用對土壤氮、磷和鉀含量的影響存在差異顯著性（<0.05），表明接菌處理和復(fù)墾時間對土壤養(yǎng)分具有顯著影響。

表6 不同接菌處理對土壤理化性質(zhì)的影響

表7 不同接種處理對土壤理化性質(zhì)影響的顯著性分析

有研究表明叢枝菌根真菌可分泌球囊霉素的相關(guān)蛋白，并認為土壤中球囊霉素含量與有機碳呈正相關(guān)關(guān)系[23]。由表6可知，各處理土壤的EE-GRSP和T-GRSP含量總體表現(xiàn)為在復(fù)墾1a均顯著高于其他復(fù)墾年；除Ri和Fm+CA處理外，其他處理土壤的EE-GRSP含量在2a和4a年間無顯著差異；Fm、CA和Fm+CA處理土壤的T-GRSP含量在復(fù)墾4a時顯著高于其2a，但Fm+Ri處理土壤的TG含量則在復(fù)墾4a時顯著低于其2a的含量。同一復(fù)墾時間條件下，接菌處理的EE-GRSP和T-GRSP含量均顯著高于其CK處理，表明接種叢枝菌根真菌和解磷細菌均具有提高土壤中球囊霉素的作用，但其球囊霉素含量與土壤有機碳含量間未必正相關(guān)。

由表7可見，接菌處理、復(fù)墾年限及其它們間的交互作用對土壤中EE-GRSP和T-GRSP含量具有顯著影響，（<0.05）。對比復(fù)墾4a時接種Ri、Fm和Fm+Ri處理土壤的EE-GRSP含量，可以看出它們間隨著復(fù)墾時間的延長具有協(xié)同作用，接種CA和Fm對處理土壤的TG含量也表現(xiàn)出同樣的時間效應(yīng)。

3 討 論

神東礦區(qū)地處干旱半干旱地區(qū)，水分和養(yǎng)分不足常導(dǎo)致植物成活率低和長勢差，采煤沉陷加劇水土流失，使植物生長更加困難。大量研究表明，菌根真菌能通過改善宿主植物營養(yǎng)狀況、生理代謝及對惡劣環(huán)境（干旱、鹽堿、低溫、重金屬等）的適應(yīng)能力促進煤礦復(fù)墾區(qū)植物的生長[9-11]，同時對煤礦復(fù)墾區(qū)退化的土壤具有改良作用[7-10]。解磷細菌通常通過合成和分泌磷酸酶和一些有機酸類，促進土壤中難溶性的磷酸轉(zhuǎn)化為可溶性磷[24]，有利于植物對磷的吸收利用，而解磷細菌與菌根真菌同時接種對植物生長具有積極的促進作用[25]。本研究表明接種根內(nèi)球囊霉（Ri）、摩西管柄囊霉（Fm）、解磷細菌及它們的不同雙接菌處理均可促進紫穗槐的株高和冠幅的顯著增加，有力促進了紫穗槐的生長，且隨著復(fù)墾時間延長，各接種微生物處理對紫穗槐生長的促進作用越顯著，表明菌根真菌、解磷細菌或它們之間的相互作用對神東礦區(qū)采煤沉陷區(qū)的紫穗槐復(fù)墾過程中具有顯著的生物效應(yīng)。

葉片養(yǎng)分含量與植物的生長發(fā)育狀況密切相關(guān)，不同生長季葉片的營養(yǎng)狀況不同[20]。葉片在衰老過程中通過養(yǎng)分再吸收，可提高植物的養(yǎng)分利用效率，也可降低植物對土壤環(huán)境的依賴性，對生長在貧瘠土壤的植物具有十分重要的意義[19]。本研究發(fā)現(xiàn)在生長旺盛期，接菌處理可顯著提高紫穗槐葉片的氮、磷、鉀含量，這與其它研究結(jié)果所報道的菌根真菌[10-11]、解磷細菌[26]、菌根真菌間及其與解磷細菌的相互作用[25]對礦區(qū)修復(fù)植物營養(yǎng)吸收的促進作用具有一致性。當(dāng)紫穗槐進入生長秋季，氣溫下降，不同接菌處理紫穗槐葉片氮、磷和鉀含量均能表現(xiàn)出顯著的再吸收現(xiàn)象（即與其相應(yīng)8月分含量相比顯著下降），表明接種微生物可顯著提高紫穗槐的養(yǎng)分保存能力和對養(yǎng)分的利用效率，有利于紫穗槐能更好地適應(yīng)干旱貧瘠的礦區(qū)生境。另外，寧秋蕊等[20]認為葉片氮和鉀再吸收效率與物候變化呈負相關(guān)關(guān)系，這與本研究結(jié)果具有一致性，尤其是對紫穗槐葉片的氮含量，不管接菌與否，進入9月其葉片含氮量均出現(xiàn)顯著回流，表現(xiàn)出對季節(jié)變化的強烈相應(yīng)，且接種微生物處理更有利于葉片氮的再吸收，接菌處理和季節(jié)變化（可能主要與年均氣溫）間植物葉片N再吸收具有顯著的交互作用，可見在礦區(qū)復(fù)墾接種微生物對植物氮養(yǎng)分的再吸收及高效利用具有重要意義。本研究發(fā)現(xiàn)，不同接種處理對紫穗槐葉片磷的再吸收影響不一，其中菌根真菌Fm、Ri和Fm+CA）的磷再吸收顯著低于不接種處理，可能與菌根真菌菌絲體更有利于紫穗槐根系吸收土壤中磷有關(guān)[4]，但接種微生物種類和季節(jié)變化對紫穗槐P再吸收無交互影響作用。

神東礦區(qū)地處西北干旱半干旱區(qū)，水熱條件不均，環(huán)境脅迫嚴重，植物為了抵御干旱脅迫，通過調(diào)節(jié)體內(nèi)的相對含水率、電解質(zhì)及滲透調(diào)節(jié)物質(zhì)適應(yīng)環(huán)境以保證自身生長。本研究發(fā)現(xiàn)，接菌處理可降低紫穗槐葉片的相對含水率和電導(dǎo)率，提高紫穗槐葉片中脯氨酸和可溶性糖的積累，有利于植物在干旱環(huán)境下能正常生長。這與郭輝娟等[27]、賀學(xué)禮等[28]研究結(jié)果具有一致性。同時，解磷細菌與AM真菌協(xié)同對促進紫穗槐生長、菌根侵染和抗逆性效果明顯，這與其他研究兩者雙接種對植物生長影響的結(jié)果[25]具有一致性，因此可通過菌根真菌和解磷細菌同時接種來提高礦區(qū)因氣候惡劣造成的植物成活低，發(fā)育慢等問題[1]，對增強礦區(qū)修復(fù)植物抗逆性、加快礦區(qū)修復(fù)進程具有重要意義。

在礦區(qū)復(fù)墾過程中，大量研究發(fā)現(xiàn)菌根真菌產(chǎn)生的球囊霉素是植物根際土壤碳、氮的重要來源，對土壤理化性質(zhì)和結(jié)構(gòu)的改良具有積極作用[29]。本研究發(fā)現(xiàn)，接菌處理可提高根際土壤有機碳的積累，顯著提高T-GRSP、EE-GRSP含量，與王瑾等[9]研究結(jié)果一致。同一復(fù)墾年限，接菌處理可顯著增加土壤氮、磷、鉀養(yǎng)分，降低土壤pH值和電導(dǎo)率，與王瑾等[9]、張延旭等[10]、杜慧平等[30]研究一致，這可能是菌根菌絲具有酸化菌絲際土壤的能力，從而降低土壤pH值和電導(dǎo)率，使鹽堿土壤的pH更適于植物和土壤微生物的生長。同時菌絲能伸展到根系養(yǎng)分吸收范圍以外，有效地吸收根系不能吸收的礦質(zhì)元素，增加根際土壤養(yǎng)分累積[1,3,10]，為恢復(fù)礦區(qū)土壤肥力提供技術(shù)支持。

隨著復(fù)墾年限的增加，各處理土壤pH、電導(dǎo)率、堿解氮和速效鉀均呈現(xiàn)出先減后增的規(guī)律，可能因為紫穗槐生長初期，由于苗株生長發(fā)育較快，所需養(yǎng)分高，接種的微生物也需吸收養(yǎng)分保證自身繁殖，導(dǎo)致復(fù)墾兩年后，土壤根際養(yǎng)分急劇降低，而在復(fù)墾4a后，紫穗槐生長速度放緩，微生物在土壤中形成穩(wěn)定的群落，侵染率提高，菌絲密度增大，非根際土壤礦物養(yǎng)分吸收聚集，提高了根際養(yǎng)分濃度。復(fù)墾時間和接種菌根真菌或（和）解磷細菌菌對礦區(qū)修復(fù)植物生長、菌根侵染、植物養(yǎng)分吸收、抗逆性和土壤改良具有積極的作用，并隨著復(fù)墾時間的延長表現(xiàn)出顯著和積極的生態(tài)效應(yīng)。

4 結(jié) 論

對采煤塌陷區(qū)采用接種不同菌根真菌或（和）解磷細菌進行生態(tài)修復(fù)，經(jīng)原位監(jiān)測不同復(fù)墾年份紫穗槐的生長、抗逆性及礦區(qū)土壤的理化性質(zhì)，揭示復(fù)墾礦區(qū)植物接種微生物對植物生長和抗逆性及土壤養(yǎng)分和性質(zhì)的動態(tài)變化規(guī)律，為塌陷礦區(qū)生態(tài)的可持續(xù)治理提供理論和技術(shù)支持。

1）接種菌根真菌和（或）解磷細菌可顯著促進紫穗槐的生長，改善植株氮磷鉀營養(yǎng)狀況，提高葉片脯氨酸與可溶性糖含量，降低葉片的相對電導(dǎo)率和相對含水率，提高紫穗槐的抗逆性和對礦區(qū)環(huán)境的適應(yīng)能力，有利于礦區(qū)復(fù)墾植被的生長發(fā)育和修復(fù)。

2）接種菌根真菌和（或）解磷細菌可顯著提高紫穗槐的菌根侵染率及菌絲密度，增加土壤球囊霉素和有機碳含量，使礦區(qū)堿性土壤趨于中性，降低土壤的含鹽量鹽堿化，有利于土壤氮磷鉀養(yǎng)分的積累，對于復(fù)墾礦區(qū)退化土壤質(zhì)量的提升效果明顯。

3）接菌處理對礦區(qū)修復(fù)植物生長、菌根侵染、植物養(yǎng)分吸收和再吸收、抗逆性和土壤改良具有積極的作用，并表現(xiàn)出顯著的時間效應(yīng)。

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[30] 杜慧平，劉利軍，閆雙堆. 微生物對礦山復(fù)墾地土壤基質(zhì)的改良作用[J]. 山西農(nóng)業(yè)科學(xué)，2011，39(1)：43-46.

Du Huiping, Liu Lijun, Yan Shuangdui. Improvement action of microorganism on the reclamation soil in mining area[J]. Journal of Shanxi Agricultural Science, 2011, 39(1): 43-46. (in Chinese with English abstract)

Effects of combined inoculation microbes on soil dynamic improvement in coal mining subsidence areas

Bi Yinli1,2, Jiang Bin2, Qin Fangling3, Wang Zhuoyou1

(1. Institute of Mine Ecological Environment Restoration of West China, Xi’an University of Science and Technology, Xi’an 710054, China; 2. Institute of Mine Ecological Environment Restoration, China University of Mining and Technology (Beijing), Beijing 100083, China; 3. College of Chemistry and Chemical Engineering, Xi’an Shiyou University, Key Laboratory of Shaanxi Province for Environmental Pollution Control and Reservoir Protection Technologies in Oil and Gas Field, Xi’an 710065, China)

Deterioration of soil structure has posed a great threat to the farmland and vegetation in ecological and environmental development in large subsided lands, due mainly to excessive coal mining for rapid economic growth in China in recent years. This study aims to accurately and comprehensively evaluate the effects of microorganisms-plants-soil interactions on the soil restoration of damaged ecology caused by coal mining in arid and semi-arid areas. In-situ monitoring was performed on anL. inoculated by different microorganisms in the coal-mining subsidence area of Daliuta in Shandong Province of eastern China. A systematic evaluation was made on the dynamic ecological effects of inoculated microorganisms (such as mycorrhizal fungi, phosphate solubilizing bacteria or simultaneous inoculation of microorganisms) treatments on the plant growth (plant height and crown width), mycorrhizal effect (mycorrhizal infection rate and hypha density), soil nutrients and properties, the leaf nutrients, and plant resistance under different growth seasons after four years of reclamation in the mining area. A dynamic ecological mechanism of microorganisms was also elucidated in the process of vegetation reclamation in arid and semi-arid coal mine areas. Compared with no inoculation, the inoculation of,andsignificantly increased the plant height and crown width of, as well as the concentration of nitrogen, phosphorus and potassium ofleaves. The reabsorption of leaves and stress resistance ofwere also improved remarkably, due possibly to the reduction of relative electrical conductivity and the increase in the accumulation of proline and soluble sugar in the leaves. The soil pH and electrical conductivity were significantly reduced, with an obvious increase in the content of easy-to-extract Glomus (EE-GRSP), total-extract Glomus (T-GRSP), organic carbon, alkali hydrolyzable nitrogen, available phosphorus and available potassium of the rhizosphere soil. There was a significant synergistic effect of inoculation treatments on the growth of, mycorrhizal infection rate, soil nitrogen, phosphorus and potassium nutrients, EEG and TG content, with the extension of reclamation time. Furthermore, simultaneous inoculation ofand phosphate-dissolving bacteria played a positive role in the plant growth and mycorrhizal effect of, plant nutrients, and soil stress resistance in arid and semi-arid coal mining areas after 4 years of ecological reclamation. Mycorrhizal fungi were inoculated in the subsided land to maintain sustainable ecological effects. Nevertheless, there was a significant increase in the plant survival/growth rate with a sharp decrease in the nutrient of plant rhizosphere after reclamation about two years. Until four years reclamation, the mycorrhizal fungi with informed hyphal nets contributed to increasing population diversity and absorbing more nutrition from far away space. In natural or managed soil ecosystems, the shifts in the diversity and community structure of arbuscular mycorrhizal fungal (AMF) assemblages over space and time were associated with the plant community succession, anthropogenic activities, and changes in environmental conditions. Such interactions included the mutualistic associations between most vascular plants and their below-ground mycorrhizal symbionts. In any way, the interaction between plant, soil, and mycorrhizal fungi can provide a potential theoretical and practical reference to the restoration of ecological functions and processes in disturbed soil ecosystems, such as post-mining subsided areas.

soils; nutrients; mining subsidence; inoculants;L.; arbuscular mycorrhizal fungi

2020-11-26

2021-03-19

國家自然基金科學(xué)項目（51974326）

畢銀麗，博士，教授，長江學(xué)者。研究方向為礦區(qū)生態(tài)修復(fù)。Email：ylbi88@126.com

10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.011

X171.4; S154.4

A

1002-6819(2021)-07-0085-09

畢銀麗，江彬，秦芳玲，等. 干旱半干旱煤礦區(qū)聯(lián)合接菌對土壤改良動態(tài)生態(tài)效應(yīng)[J]. 農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2021，37(7)：85-93. doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.011 http://www.tcsae.org

Bi Yinli, Jiang Bin, Qin Fangling, et al. Effects of combined inoculation microbes on soil dynamic improvement in coal mining subsidence areas[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Engineering (Transactions of the CSAE), 2021, 37(7): 85-93. (in Chinese with English abstract) doi：10.11975/j.issn.1002-6819.2021.07.011 http://www.tcsae.org