近年来, 煤炭生产和消费约占我国主体能源的70%, 煤炭在能源体系中的主体地位不可替代^[1]。柠条塔是陕西煤业化工集团旗下的大型现代化煤炭矿区, 地处气候干旱、地貌复杂、土质疏松、土壤贫瘠、水土流失严重的西部黄土区, 它经过多次沉陷, 重复多次对植物根系拉伤, 该采煤沉陷区的生态环境较一般采煤沉陷地更加脆弱。另外, 黄土具有土壤孔隙大、紧实度小、保水保肥能力差、有机质和矿物质含量低等特质, 大规模的煤炭开采势必对该区脆弱的生态环境产生更大的危害^[2]。其中最严重的就是对土地资源的破坏, 占用大量土地和破坏地表植被, 造成地表沉陷并产生大量裂隙, 引起植物根系拉伤, 影响植物生长和营养物质的吸收, 土壤养分和水分极易流失, 肥力下降。柠条 (Caragana Korshinskii Kom.) 属豆科锦鸡儿属落叶灌木, 是柠条塔矿区先锋植物, 它具有耐旱、耐寒、耐沙埋和分枝结实性好等特性, 多用于沙区退化草地植被恢复^[3-4]。煤炭开采沉陷使柠条的生存环境遭到破坏, 影响其生长和发育。因此, 寻找解决采煤沉陷区土壤退化和植被生长缓慢的方法迫在眉睫。

丛枝菌根真菌能与80%的陆生植物形成互惠共生关系^[5], 并能促进植物生长和矿质营养元素的吸收利用^[6], 提高植物的抗逆性^[7]。有研究发现AM菌能减少土壤营养流失^[8]。近几年, 丛枝菌根真菌在矿区微生物复垦中发挥着至关重要的作用^[9]。但是这些研究多注重AM菌对沙土矿区修复的生态效应^[10], 而AM菌对黄土矿区植物的修复效应以及土壤的改良效应研究不足。鉴于此, 为深刻了解黄土基质条件下, 接种丛枝菌根真菌对矿区植被和土壤的修复效应, 本文以西部黄土区采煤沉陷地的柠条作为宿主植物, 研究接种AM菌对黄土的改良效应以及对柠条生长发育的作用。

1 材料与方法 1.1 研究区概况

柠条塔矿区位于陕西省榆林市神木县西北部, 地处毛乌素沙漠与黄土丘陵沟壑区的过渡地带, 陕北黄土高原北部, 毛乌素沙漠东南缘, 地理坐标110°06′—110°20′E, 38°70′—39°10′N, 属于干旱半干旱的大陆性季风气候, 常年干旱少雨, 植被稀疏, 水土流失严重, 多大风易起沙尘暴, 夏季炎热多雨, 日温差大, 7、8月多雷阵雨及阵性大风天气, 秋季凉爽湿润, 气温下降快。本研究采煤沉陷区位于柠条塔开采工作面N1114以西, N1206以东区域。与同等采煤规模的大柳塔矿区相比, 大柳塔以沙土为主, 成土母质是风积沙, 它质地较粗, 通气性强, 透水性好, 但是持水保肥能力极差, 土壤结构以沙粒为主, 易遭风蚀；而该区土壤以黄绵土为主, 黄土是粉砂质土状堆积物, 垂直节理发育, 受水浸湿后会产生较大沉陷, 熟化后可形成大小不同的团粒、团块结构, 孔隙率高, 耕性好, 具有良好透水性, 可蓄积大量有效水分, 但保肥性能是比较差的, 氮素缺乏, 全磷含量虽较高, 但因活性碳酸钙的富集, 致使作物生长过程普遍缺磷, 并且有机质含量较低。

1.2 试验材料

(1) 试验植物：柠条 (CaraganaKorshinskii Kom.)。

(2) 试验菌株：供试菌种由北京市农林科学研究院植物营养与资源研究所微生物室提供, 后经中国矿业大学 (北京) 微生物复垦实验室增殖培养得到的内生菌根真菌菌种摩西球囊霉菌Glomus mosseae(简称G.m), 菌剂菌丝密度是5.97m/g, 孢子密度是30个/10g。

1.3 试验设计

试验分为接菌区 (G.m) 和对照区 (CK)。2014年5月开始种植柠条, 接菌和对照区地形和土质相同, 接菌区和对照区总面积为11512m², 每个小区播种穴行间距1m, 接菌区是6380株, 对照区是5132株。菌剂随柠条种子埋入播种穴, 每穴1株, 每株20g。浇水达土壤最大饱和持水量, 以后每周浇水1次, 1个月后免水分自然管理。2015年8月S型随机选取接菌区和对照区50株柠条测定植株株高、冠幅, 地径和叶片叶色值, 并对监测的植物做标记, 补施一次菌剂, 剂量为50g/株, 2015年9月再重新测定上述指标。

1.4 样品采集

分别在接菌和对照区随机选取植株大小相似的15个样点并做标记, 8月采集新鲜根际土壤样并且编号。将土样装入自封袋带回实验室, 根际土风干后剔除杂物过1mm筛备用。9月除采集根际土样用于分析其理化性质外, 还采集新鲜土样和叶片, 自封袋密封存于4℃冰盒, 迅速带回实验室放入4℃冰柜冷藏, 用于分析植物叶片抗逆性指标可溶性糖和过氧化氢酶活性, 新鲜土样用于测定微生物数量和酸性磷酸酶活性。

1.5 测定指标和方法

(1) 柠条生长量和根系指标

用游标卡尺测量植株地径, 用钢尺测量株高和冠幅, 根系生长形态特征用CI-600(美国生产) 植物根系生长监测系统扫描获得数据, 它可以扫描不同深度的根系分布或土壤剖面图像, 通过根系分析软件RootSnapVersion1.2.9.30获得根系生长的各项指标。

(2) 菌根侵染率和菌丝密度

用Phillip和Hayman的KOH脱色-曲利苯蓝染色法, 玻片镜检测定侵染根段数^[11]。计算菌根侵染率公式：菌根侵染率=菌根段数/被检根段数×100%^[12]。菌丝密度采用真空泵微孔滤膜抽滤-网格交叉法测定^[13]。

(3) 根际土壤生物理化指标

pH值为水土比2.5:1的玻璃电极-酸度计法, 电导率 (Electrical Conductivity简写EC) 为水土比5:1浸提-电导法, 有效磷为0.5mol/L NaHCO₃浸提-钼锑抗比色法, 速效钾为1.0mol/LNH₄OAc浸提-火焰光度法, 土壤有机质含量的测定采用重铬酸钾外加热方法 (K₂Cr₂O₇-H₂SO₄法)。土壤速效氮含量采用碱解扩散法^[14]。土壤微生物数量的测定采用常规的稀释平板法^[15], 其中, 细菌采用牛肉膏蛋白胨培养基, 放线菌采用改良高氏一号培养基, 真菌采用孟加拉红培养基。酸性磷酸酶活性的测定采用改进的Tabatabai & Brimner法^[16], 酶活性用单位时间每克土产酚量 (mg g^-1 h^-1) 表示。

(4) 叶片指标

叶片叶色值用SPAD-502(日本生产) 测定, 操作方法是取4—5不同层叶片测得每个叶片的叶色值, 取平均值作为整个植株叶片叶色值。柠条光合速率用LI-6400XT (美国生产) 光合仪测定, 过氧化氢酶活性采用pH7.8磷酸缓冲液提取粗酶液的分光光度法, 还原糖含量采用蒽酮比色法^[17]。

1.6 其他指标计算

菌根贡献率 (%)=(接种处理植物指标-不接种植物指标)/接种处理植物指标×100%

1.7 数据处理方法

数据处理采用Excel 2007软件, 运用SPSS 17.0对处理后的数据进行单因素方差分析 (LSD检验法, 显著水平设置0.05)。

2 结果与分析 2.1 接种AM菌对柠条生长的影响

接种AM菌能显著促进柠条的生长, 从表 1可以看出, 8月份柠条的株高、冠幅和地径均表现为接菌区 (G.m)>对照区 (CK), 且差异性显著 (P < 0.05), 接菌区比对照区的柠条的株高、冠幅和地径增加29.11%, 29.83%和14.81%。9月份柠条的株高、冠幅和地径也表现为接菌区>对照区, 但差异性不显著。可能由于AM菌在柠条生长旺盛期发挥重要作用, 在柠条生长后期, 菌根的效应随着植物的生长逐渐减弱。

2.2 AM菌对根系侵染率和菌丝密度的影响

根系侵染率能反映丛枝菌根真菌与植物的亲密结合程度。本研究发现AM菌对柠条的侵染率接菌区显著高于对照区 (图 1, 图 2), 8月和9月份的接菌区的菌根侵染率分别为56.0%和61.3%。其菌丝密度分别为4.09m/g和4.36m/g。表明AM菌能与柠条形成良好的互惠共生的关系, 并能在土壤中形成较密的菌丝网络, 增强植物对土壤中营养元素的吸收利用。

2.3 接种AM菌对柠条根系生长的影响

根系是植物吸收水分和养分的重要器官, 根系的生长发育影响植物生长和生存。接种AM菌可刺激柠条根系的生长发育 (表 2)。接菌处理和未接菌处理根长、平均直径、根表面积和根体积之间的差值主要源于接种丛枝菌根真菌的作用, 从而获得其菌根贡献率。表 2中AM菌对根长、根平均直径、根表面积、根体积和根尖数的贡献率分别为60.2%、25.5%、53.7%、56.4%和13%。接菌区柠条的根长、根平均直径、根表面积和根体积均显著大于对照区, 分别比对照区增加了151.0%, 34.2%, 116.0%和129.3%。虽然接菌区根系的根尖数大于对照区, 但差异性不显著。

2.4 接种AM菌对柠条抗逆性影响

叶色值反映了植物叶片中叶绿素含量, 也是决定光合速率的重要因子之一。接菌区柠条的叶色值和光合速率均显著高于对照区 (表 3), 接菌区分别是对照区的1.07和3.17倍, 表明接种AM真菌能显著提高植物光合作用, 促进柠条糖类物质的积累。叶片中的可溶性糖是一种重要的渗透调节物质, 在干旱胁迫条件下它的变化可以反映对不良环境的适应能力。叶片中过氧化氢酶活性的高低体现了对叶片有伤害作用的氧自由基的清除能力。研究中发现接菌区的过氧化氢酶活性和可溶性糖含量均大于对照区, 且差异性显著。接种AM真菌可使叶片中可溶性糖的含量增加13.4%, 使过氧化氢酶活性增加111.1%, 极大地提高了柠条的抗逆性。叶色值、光合速率、可溶性糖和过氧化氢酶活性的菌根贡献率分别为6.9%、68.4%、11.8%和52.6%。菌根对叶色值的贡献较小, 是因为植物处于落叶期, 菌根效应较小。

2.5 接种AM菌对矿区土壤性质的影响

接种丛枝菌根真菌能显著改善土壤的肥力状况 (表 4), 8月份接菌区的pH显著低于对照区, 表明AM菌降低土壤碱度, 促使土壤中盐基离子的活化, 增强柠条对矿质元素的吸收利用能力；土壤电导率也表现为接菌区>对照区, 且差异性显著。但pH和电导率在9月份接菌区和对照区的差异性不显著, 可能是由于菌根在柠条落叶期时孢子逐渐形成, 菌根效应减弱。土壤中有机质、碱解氮、速效磷含量均表现出接菌区>对照区, 且差异性显著。8月份接菌区有机质、碱解氮、速效磷和速效钾接菌区比对照区分别增加7.06 g/kg, 140.0 mg/kg, 1.82 mg/kg和16.72 mg/kg。表明接种AM菌显著改善了土壤的养分含量, 对因煤炭开采造成的土壤养分流失起到一定缓解作用, 为生态脆弱的矿区土壤的改良提供较好的途径。9月份接菌区有机质、碱解氮、速效磷和速效钾比对照区分别增加4.02 g/kg, 80.0 mg/kg, 1.22 mg/kg和10.2 mg/kg。虽然接菌区土壤养分含量显著高于对照区, 但增加的幅度下降, 可能是柠条生长后期菌根效应减弱。

土壤中微生物是元素迁移转化的承载者, 在根际土壤微环境中发挥着至关重要的作用。真菌、放线菌和细菌数量均表现接菌区>对照区 (表 5)。接菌区真菌、放线菌和细菌数量是对照区的2.23、1.53、2.98倍, 表明接种丛枝菌根真菌能显著提高土壤中的微生物数量, 但接菌和对照区细菌、真菌和放线菌数量的排序不变, 均是细菌数>放线菌数>真菌数。土壤中酸性磷酸酶活性对植物的可利用磷的释放起着关键性作用, 由表 3可以看出, 接菌区的酸性磷酸酶活性增加了25%, 这也解释了接菌区土壤速效磷含量高的原因。

3 讨论 3.1 接种AM菌对柠条修复效应

柠条塔煤矿开采造成地表沉陷和裂隙, 使柠条根系拉伤, 原本处于脆弱的生态环境中植被遭到严重的破坏, 通过一定的技术手段改善矿区植物生长状况变得尤为重要。接种AM菌能提高柠条根系侵染率和菌丝密度, 说明柠条能与AM菌亲密结合, 在土壤中形成庞大的菌丝网络, 增加植物对养分和水分的吸收面积。为AM菌应用到矿区生态修复奠定了基础。本研究发现接种AM菌能促进柠条根系和地上部分的生长。矿区接种AM菌的沙蒿^[18]和紫穗槐^[9]也有相似的结果。另外, 水分成为矿区主要的环境胁迫因子, 干旱胁迫使叶片做出相应的反应机制, 通过合成积累可溶性糖调节细胞渗透压, 保护酶系统免遭伤害, 增强环境适应能力^[19]。有研究发现小麦的抗旱性和可溶糖含量呈正相关关系, 相关系数在0.9以上^[20]。而过氧化氢酶是植物体内保护性酶, 可及时清除体内的H₂O₂, 减少植物叶片细胞质膜的伤害, 接种AM菌能显著提高柠条可溶性糖含量和过氧化氢酶活性, 红豆草^[7]和玉米^[21]接种AM菌均能提高过氧化氢酶活性。接菌的牡丹可溶性糖含量增加^[22]。由此可见, 接种AM菌可促进矿区植被修复。

3.2 接种AM菌对土壤改良效应

柠条塔矿区属于黄土沟壑区, 煤矿开采导致土壤养分和水分流失严重, 通过关键技术改善土壤性质尤其重要。N、P和K是植物生长必需的营养元素, 同时也是土壤肥力的表征。另外, 土壤中的微生物是土壤中最活跃的部分, 参与土壤有机质分解、腐殖质形成、土壤养分转化和循环等过程^[23]。土壤酶活性是土壤生物活性和土壤生化反应强度反映^[24], 主要源于微生物活动和植物的分泌物。土壤中的酶和微生物活性高低可以代表土壤中物质代谢的旺盛程度, 在一定程度上可反映作物对养分吸收利用与生长发育状况等, 是土壤肥力的重要指标^[25-26]。本研究发现接种AM菌能显著提高土壤中速效N、P和K的含量, 并能增加土壤中细菌、真菌和放线菌数量, 促进酸性磷酸酶活性的提高。这与前人研究结果一致^[27]。因此, 接种AM菌可以改善矿区土壤肥力。

4 结论

接种AM菌对柠条塔煤炭开采沉陷区退化的黄土和柠条生长具有良好修复效应, 本文主要结论如下：

(1) 丛枝菌根真菌与柠条形成良好的互利共生关系, 并能促进植物生长, 接菌区的柠条株高、冠幅和地径均高于对照区, 差异性显著。

(2) 接种AM菌可以刺激柠条根系的生长, 改善植物根系生长状态。接菌区柠条根长、根平均直径、根表面积、根体积和根尖数显著高于对照区。接种AM菌增强了植物的抗逆性, 接菌区增加了柠条可溶性糖含量和过氧化氢酶活性, 促进柠条抗旱性提高。

(3) 接种AM菌改善了土壤的生物理化性质, 增加土壤中碱解氮, 速效磷和速效钾的含量, 提高土壤肥力, 接菌增加了土壤中有机质、碱解氮、速效磷和速效钾含量, 并显著增加了根际土壤中真菌、放线菌和细菌数量, 提高了酸性磷酸酶活性。

(4) 本文仅研究了AM菌对黄土矿区柠条的修复效应, 需进一步加强矿区其他植被和不同土壤的修复效果的研究, 完善丛枝菌根真菌对煤炭开采沉陷区生态修复功能。