活性褐煤与菌根菌配施对矿区土壤性状及披碱草生长的影响

2018-09-20刘利军

中国矿业 2018年9期

李强，刘利军

(1.中国华能集团清洁能源技术研究院有限公司，北京 102209； 2.山西省环境科学研究院，山西太原 030027)

煤炭露天开采造成当地生态系统失衡，土壤和植被发生改变[1]。内蒙古自治区伊敏矿区多年开采产生大量裸露排土场，水土流失和土壤盐渍化严重，土壤结构性差，因此矿区土壤改良是生态恢复工作中亟需解决的问题。褐煤富含腐殖酸，能有效改善土壤环境，提高土壤微生物量和酶活性[2]，利用酸化、硝化、磺化等技术，可以显著提高褐煤腐殖酸的活性，施入土壤后增强土壤胶体吸附特性和水稳性结构，改善土壤保水保肥能力[3-5]。伊敏矿区褐煤资源丰富，将活性褐煤用于排土场的土壤改良具有较好的前景。菌根在自然界中普遍存在，90%左右的高等植物都能与菌根菌共生形成菌根[6]，菌根菌有效改善根际土壤环境，促进植物生长发育、养分吸收，能增强植物抗逆性[7-9]。目前许多研究表明,利用褐煤腐殖质或者菌根菌改良矿区贫瘠土壤具有显著效果，而两者共同使用能否进一步提高土壤质量还少有研究，因此本研究采用盆栽实验方式，探索褐煤和菌根菌配合施用对伊敏矿区排土场土壤养分和披碱草生长的影响，为优化活性褐煤和菌根菌改良伊敏矿区土壤和生态恢复工作提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 供试材料

供试土壤采自伊敏矿区排土场，表层土壤(0～30 cm)为栗钙土，养分条件最好;亚表层(30～50 cm)为黄黏土，养分含量低;下层(0～80 cm)为沙土，含大量砂砾，养分含量极低，但通透性较好。将土壤风干后按照表层土∶亚表层土∶下层土=1∶3∶3比例混匀后过2 mm筛，作为盆栽试验土壤，土壤基本理化性质见表1。

供试植物为披碱草(Elymusdahuricus Turcz.)，是伊敏矿区的土著优势植物，也是当地的主要优质高产饲草。供试Symbivit菌根菌菌剂由捷克诺曼公司提供；供试活性褐煤由神华集团提供，粉碎过2 mm筛备用。

1.2 试验设计

试验使用25 cm×20 cm的聚乙烯塑料盆钵，每盆装4.5 kg土。所有处理均加入等量氮磷钾肥料；N、P、K施加比例为N∶P2O5∶K2O=1.5∶1∶1，其中，尿素(含46% N)、过磷酸钙(含12% P2O5)、氯化钾(含60% K2O)，即盆栽试验中每千克干土加入的N、P2O5、K2O量分别为0.06 g、0.04 g、0.04 g(N 150 kg/hm2、P2O5100 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2)。

试验采用单因素完全随机设计，每盆均等量施加菌根菌0.3 g(150 kg/hm2)，CK为不施加菌根菌，处理T0、T1、T2、T3、T4分别施加活性褐煤为0 g(0 kg/hm2)、3 g(1 500 kg/hm2)、9 g(4 500 kg/hm2)、15 g(7 500 kg/hm2)、30 g(15 000 kg/hm2)，共6个处理，每个处理设置4次重复。2016年5月4日播种，5月8日出苗，保持土壤含水量在田间持水量60%左右，10月20日采样。

1.3 测定项目与方法

有机质：重铬酸钾容量法[10]；速效氮：碱解扩散法[11]；速效钾：NH4OAC浸提火焰光度法[12]；速效磷：NaHCO3浸提钼锑抗比色法[11]；阳离子交换量：中性乙酸铵法[13]；微生物：培养法；菌根菌侵染率：曲利苯蓝染色法[14]。

1.4 数据处理与分析

数据分析及其统计用Microsoft Excel和Origin Lab 2017软件，各参数采用Duncan’s新复极差法进行多重比较，检验各处理均值间的差异显著性。

2 结果与分析

2.1 活性褐煤对土壤速效养分含量的影响

土壤速效养分体现土壤养分的供应能力，速效氮直接反应土壤中的养分供应强度[15]。从图1可以看出，随着活性褐煤添加量的增加，土壤中速效养分含量逐渐增加。与T0相比，T2、T3、T4处理中土壤速效氮显著增加，分别增加了11.7%、12.0%、16.0%；T3和T4处理中土壤速效磷显著增加，分别增加31.4%和34.4%；活性褐煤的施用对土壤速效钾的影响最显著，T1与T0相比土壤速效钾增加42.4%，T1～T4处理与CK相比土壤中速效钾含量均显著增加，其含量均为空白处理的2倍以上，当添加量达到15 000 kg/hm2时，土壤中速效钾含量为190.86 mg/kg，是CK处理(78.23 mg/kg)的2.4倍。T0处理与CK相比，土壤中速效氮和速效磷没有显著变化，速效钾显著增加，可以看出单独施用150 kg/hm2菌根菌对土壤速效养分氮和磷没有显著影响，活性褐煤与菌根菌配合施用可以显著提高速效养分含量，这可能是菌根菌可以促进植物对土壤中氮、磷、钾等养分元素的活化作用[8]，同时褐煤矿化作用及风化作用，可以释放更多的养分元素，提高土壤中速效养分含量[2]。

注：同列中不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)，不同小写字母表示差异显著(P<0.05) 图1 活性褐煤对土壤速效养分含量的影响(n=4)

2.2 活性褐煤土壤有机质和阳离子交换量的影响

土壤阳离子交换量是土壤胶体所能吸附各种阳离子的总量，直接反应土壤保肥、持续供肥及缓冲性的能力[16]。不同用量活性褐煤对土壤阳离子交换量及有机质的影响如图2所示。

由图2可知，随着活性褐煤施用量的增加，土壤有机质含量和阳离子交换量均逐渐增加。与CK相比，T0～T4处理土壤中有机质含量增加19.3%～121.7%，达到了极显著差异水平(P<0.01)，可以看出，活性褐煤添加量的增加，提高了土壤中的有机质含量，与王海洋等[17]的研究结果一致。与CK相比，T0处理土壤中阳离子交换量没有显著差异，可以看出单独添加菌根菌对土壤胶体吸附能力没有显著影响，而加入活性褐煤的处理中土壤阳离子交换量显著变化，T1～T4处理的阳离子交换量分别增加40.9%、45.0%、61.4%、69.5%，活性褐煤显著提高了土壤胶体吸附阳离子的能力。由此可见，将活性褐煤与菌根菌配合施用，不仅可以改善土壤的养分含量，还可以提高土壤对阳离子的吸附能力，这对于矿区土壤修复有重要作用。

注：同列中不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)，不同小写字母表示差异显著(P<0.05) 图2 活性褐煤对土壤有机质及阳离子交换量的影响(n=4)

2.3 活性褐煤对土壤微生物量的影响

土壤环境中微生物量对土壤中有机质的分解及营养元素的循环发挥着至关重要的作用，关注土壤中微生物数量、群落结构与生态系统功能息息相关[18]。

由表2可知，随着活性褐煤添加量的增加，土壤中的微生物数量逐渐增加，T1～T4处理与CK相比，土壤中的细菌、真菌、放线菌分别增加87.5%～162.5%、80.0%～280.0%、100.0%～275.0%，且细菌是土壤微生物的主要类群，占全部微生物比例为85.6%～92.7%，真菌所占比例为4.6%～8.1%，放线菌所占比例为2.7%～6.3%。菌根菌单独施用(T0处理)与CK相比，土壤中细菌数量显著增加，但真菌和放线菌数量没有显著变化。因此，活性褐煤对土壤微生物的生长繁殖有显著的刺激作用。

有关研究发现土壤中施用有机质可提高土壤微生物的活性和多样性，促进土壤中微生物生长[19]。有机质较为丰富的土壤结构疏松，为微生物提供了良好的营养和通气条件，表层土壤与空气热交换，且土壤热值状况好，利于微生物生长繁殖[20]。薛峰等研究使用活性褐煤提高土壤有机质的氮磷钾含量、促进微生物代谢和繁育[21]，与本次研究结果相符。

2.4 活性褐煤对植物根系菌根侵染率的影响

表3为不同活性褐煤用量下植物根系菌根侵染情况，可以看出不添加菌根菌的情况下披碱草的菌根侵染率仅有5.3%，而添加菌根菌的处理披碱草菌根侵染率达到46.7%，且其他菌根侵染密度、根系丛枝丰度等指标都显著提高。在添加菌根菌的同时加入不同用量的活性褐煤，随活性褐煤用量的增加，根系菌根侵染率、根系菌根侵染密度、侵染根段菌根侵染密度呈先增加后减少的趋势，其用量在0～15 000 kg/hm2范围内对披碱草菌根菌的侵染效果没有显著影响，不同用量间侵染效果没有显著差异(P<0.01)。

表2 不同活性褐煤用量处理的土壤微生物数量(n=4)

注：同列中不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

表3 不同活性褐煤用量下披碱草根系菌根侵染情况(n=4)

注：同列中不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

由结果可知，在没有菌根菌剂使用时，植物根系也会有少量菌根菌侵染，说明在自然环境中存在一定的菌根菌并可以侵染作物根系，菌根菌剂的使用可以极大提高植物根系的菌根侵染率，T0与CK相比较根系菌根侵染率、根系菌根侵染密度、侵染根段菌根侵染密度分别增加775.6%、328.3%、113.0%。随活性褐煤用量(0～4 500 kg/hm2)增加根系菌根侵染率、根系菌根侵染密度、侵染根段菌根侵染密度呈现增加的趋势，T2与T0相比披碱草根系菌根侵染率、根系菌根侵染密度、侵染根段菌根侵染密度分别增加42.9%、46.7%、67.6%。这与Muthukumar等[22]研究指出施用有机肥料可增加根系的侵染率的研究结果一致。当活性褐煤用量高于4 500 kg/hm2后，根系菌根侵染率、根系菌根侵染密度、侵染根段菌根侵染密度逐渐降低，与不添加褐煤的处理没有显著差异，活性褐煤对菌根菌与披碱草形成菌根的刺激作用反而减弱，相关研究也证明长期施用高浓度有机肥料会降低菌根菌的侵染率和丛枝着生率[23]。因此，活性褐煤的施用在一定范围内(0～4 500 kg/hm2)可以促进植物根系的菌根侵染，本试验中活性褐煤的最佳施用量为4 500 kg/hm2。

2.5 活性褐煤对植物披碱草生长的影响

通过以上结果可以看出，活性褐煤与菌根菌配合施用对土壤质量有明显地改善，土壤有机质和速效养分含量增加，土壤阳离子交换量提高，土壤微生物量增加，植物根系菌根菌的侵染率提高。因此通过比较披碱草在不同处理土壤中的生长状况，进一步证实活性褐煤与菌根菌的改良效果，结果见表4。

由结果可以看出，与CK相比，土壤中单独施用菌根菌(T0)对披碱草的生长没有显著影响，而活性褐煤的施入显著促进植物的生长，且随着活性褐煤用量的增加，披碱草的株高、地下鲜重、地下干重、总干重呈增加的趋势；当添加量在0～7 500 kg/hm2范围内时，披碱草的根长、地上鲜重、地上干重呈现增加的趋势，添加量大于7 500 kg/hm2后开始降低。T4与CK相比，披碱草的株高、地下鲜重、地下干重、总干重极显著增加(P<0.05，P<0.01)，分别增加75.3%、79.4%、100.2%、63.7%；T3披碱草的根长、地上鲜重、地上干重分别增加22.5%、47.9%、47.9%，但增长不显著。

表4 不同活性褐煤用量对披碱草生长的影响(n=4)

注：同列中不同大写字母表示差异极显著(P<0.01)，不同小写字母表示差异显著(P<0.05)。

上述结果表明，活性褐煤不同施用量处理均可以促进皮剪草的生长，其株高及地下部生物量显著增加，地上部生物量有增加趋势，但效果不显著。披碱草生物量的提高主要是由于活性褐煤的使用改善了土壤结构、养分含量以及土壤微生物的数量及活性[24]，促进披碱草生物量的积累。综合上述试验结果，推荐在实际应用中活性褐煤的最优使用量为4 500～7 500 kg/hm2。