不同施氮水平下AMF 对工业废弃地植物生产力和多样性的影响

胡一民，苏鑫裕，李 侠，*

（1.中国农业大学资源与环境学院，北京100193；2.山西大同大学生命科学学院，山西大同037009）

工业废弃地因工业生产严重破坏了该区域土壤的生态环境，使得该区域土壤重金属含量升高，土壤矿质养分流失，土壤有机质含量下降，植物群落多样性呈现出显著的下降趋势[1-2]。植物作为自然生态系统中的生产者，在维持生态系统稳定中发挥着重要作用。然而，不当的工业生产破坏了区域内土壤生态系统平衡，影响了土壤生态系统稳定性[3]，因此关注工业废弃地植物群落多样性对于该区域生态环境稳定性有关键的指示作用。

丛枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）是一类寄生在植物根系内的真菌。它分布极为广泛，能与90%以上的植物根系形成菌根共生体[4]。AMF 能够在土壤结构和肥力条件贫瘠的逆境下通过其侵染植物形成的庞大菌丝网络来提高植物对于土壤中矿质养分的吸收，尤其是对于一些生物有效性低的矿质元素[5]。AMF 对自然生态系统中植物群落组成、植物多样性及生产力维持具有重要作用[6]。

氮素是植物生长所需的大量元素，自然生态系统中越来越多的氮素投入会使植物群落结构发生改变，影响植物多样性[7]。随着氮素的不断输入，对于一些生态系统（森林生态系统，草地生态系统），其植物多样性出现降低的趋势[8-9]。因此探讨不同氮肥水平下AMF 对工业废弃地植物生产力和多样性的影响，能够为工业废弃地植被的修复和生态重设提供理论支撑及保持区域土壤生态环境提供一些理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验区概况

试验安排在山西大同大学北校区工业废弃地区域内，试验区地势较为平坦，海拔高度为1 056 m，GPS 坐标为40°5′18″N，113°21′4″E，地处黄土高原东北边缘，属温带大陆性季风气候，全年温差较大，年平均气温5.5℃，年平均降水量400 mL，主要集中在7 月和8 月。试验区土壤土层排列凌乱，其中包含多种建筑废物，如瓷砖块、玻璃、石块石砾、混凝土块、金属等，土壤较为压实和板结。土壤贫瘠，有机质、水分含量均较低，pH（H2O，1∶5 土/水）7.86，有机质含量（Schollenberger method）0.25%，速效磷含量（Olsen method）1.83 mg/kg，电导率0.216 mS/cm。

1.2 试验设计

2018 年3 月，在试验区植物群落中，布置18 个1.5 m×1.5 m 的样方，所有样方全部用棉绳围圈，四周用土垒住。各个样方之间的间隔至少为1 m。布置样方时，植物尚未完全萌发。在18 个样方中共设2 个因素，A 因素设2 个水平即水与灭菌剂；B 因素为不同的施氮水平，设定3 个水平分别为N0、N1、N2，共进行6 个不同处理，分别是水+N0、水+N1、水+N2 和灭菌剂+N0、灭菌剂+N1、灭菌剂+N2，每个处理3 次重复，进行完全试验，实施在18 个样方内，各个样方按照抽签的方式随机分布如图1 所示。

图1 试验设计方案

灭菌剂采用苯菌灵（江苏蓝丰生物化工股份有限公司产），剂量按照O’Connor et al.（2002）[10]的用量来设计，每个灭菌剂处理样方浇灌15 L 溶有9 g苯菌灵的水溶液，水处理的样方浇灌15 L 水。氮素设定的3 个水平为：N0=0 g/m2、N1=15 g/m2、N2=30 g/m2。氮素的处理采用含氮量较高的NH4NO3，样方面积为2.25 m2所需的NH4NO3加入量对应为：N0=0 g、N1=96.43 g、N2=192.86 g。灭菌剂与氮素混合处理时将NH4NO3与苯菌灵一同溶进水里进行浇灌，每个样方均以15 L 水为标准。试验分2 次进行处理，2 次相隔20 d，氮素每次各施入1/2 的量，苯菌灵则每次均按照标准施入。

于4 月5 日开始第1 次处理样方，4 月25 日进行样方的第2 次处理，与第1 次处理完全相同。在5月15 日试验结束时统计每个样方中植物的种类和株数，并计算各样方中的植物密度、盖度、物种数目及物种的多样性。

1.3 试验指标测定

1.3.1 植物的生产力。5 月15 日试验结束时，将样方中所有植物连同根部一起挖出，每株植物都剪成地上和地下2 个部分，地下部的植物根系用于测定菌根侵染状况，地上部则用于测定植物的生产力。

分别称量植物地上部分的鲜重，之后将全株放入烘干箱内于105℃下烘干30 min，进行杀青。杀青后，在80℃的烘箱内再烘干2～3 h，至重量恒定为止，烘干结束后进行称量，记录地上部干重。

1.3.2 植物的多样性。物种的多样性是指群落中物种的数目和每一物种的个体数目。多样性指数是丰富度和均匀性的综合指标，最常用的香农-维纳多样性指数（Shannon-Weiner，H）计算公式为：

式中，H为信息量，即物种的多样性指数；S为物种数目，Pi为物种i的个体ni在全部个体N中的比例。H信息量越大，不确定性也越高，多样性也就越高，生态系统也加越稳定[11]。

收获时，首先统计各种不同处理的样方内植物的种类，然后根据公式计算出各个不同处理条件下的植物的多样性指数即信息量H。

1.3.3 数据分析。试验所得数据用sigmaplot12.5 做柱状图，并采用IBM SPSS Statistics 22 对数据进行方差分析，用LSD、Duncan 法进行多重性比较，以确定差异的显著性。

2 结果与分析

2.1 植物的生产力

从图2 可以看出，在N0、N1 条件下，用水处理和苯菌灵处理的植物的地上部干重的差异并未达到显著水平；而在N2 条件下，用水处理后的植物地上部干重显著高于用苯菌灵处理的结果（P＜0.05）。在全部水处理的条件下，植物地上部干重只有在N0 与N2 两者之间达到显著差异（P＜0.05），而N0、N2 与N1 均没有出现显著差异；在全部苯菌灵处理的条件下，植物地上部干重在N0、N1、N3 三者之间均未出现显著差异。

图2 不同处理下植物的地上部干重

2.2 植物的多样性结果分析

由表1 可知，N0 水平下，水处理的样方内植物种类为4 种：克氏针茅、沙鞭、假紫草、苦苣菜；苯菌灵处理的样方内的植物种类为3 种：克氏针茅、沙鞭、大蓟。N1 水平下，水处理的样方内植物种类为4 种：克氏针茅、沙鞭、假紫草、大蓟；苯菌灵处理的样方内的植物种类为3 种：克氏针茅、沙鞭、苦苣菜。N2 水平下，水处理的样方内植物种类为5 种：克氏针茅、沙鞭、假紫草、苦苣菜、荠菜；苯菌灵处理的样方内的植物种类为4 种：克氏针茅、沙鞭、苦苣菜、大蓟。在全部苯菌灵处理的样方内，随氮素水平的变化，物种的数目没有出现明显的差异，而且均未发现假紫草和荠菜。而在全部水处理的样方内，物种的数目也不受施氮水平的影响，N1、N2、N3 水平下均有假紫草，N1 水平下有荠菜。在用水处理的全部样方内出现的植物的数目总数累积为13 种（包括重复物种），明显高于苯菌灵处理的10 种。

从图3 可以看出，N0 水平下，水处理的多样性指数高于苯菌灵的处理，分别为0.598、0.335；N1 水平下，水处理的多样性指数也高于苯菌灵，分别为0.796、0.569；N2 水平下，水处理的多样性指数仍高于苯菌灵处理，分别为1.096、0.618。在同一施氮水平下，用水处理的样方内的物种多样性指数均高于苯菌灵处理，仅在苯菌灵+N2 处理中的物种多样性指数略低于水+N1 处理。

表1 不同处理中的植物种类

图3 不同处理下物种的多样性

3 讨论与结论

在自然生态系统中，AMF 分布极为广泛，对植物的生长影响显著。该次试验中，对于植物的生产力，在全部的苯菌灵处理中，植物的地上部干重在不同施氮水平下，相互之间的差异均未达到显著水平；而在全部的水处理下，N0 与N2 水平之间的差异达到显著。这说明氮肥与AM 真菌协同处理有利于菌根效应的发挥，促进植物生物量积累。这与龙显莉等[12]的研究结果一致。土壤含氮量影响植物与菌根的相互作用，在氮素含量很低的工业废弃地，菌根也是一个有效的供氮途径，有研究表明，在氮素含量受限的土壤中，植物会较大比例的利用来自菌根的氮素[13]。该次试验结果表明，随着土壤中氮素含量的升高，AMF 对植物地上部的积累有促进作用。分析原因可能是AMF 促进了植物对土壤中其他生物有效性低的矿质元素的吸收，从而表现出生物量的积累[14]。

对于物种的多样性，同一施氮水平下，水处理的样方内的香农-维纳多样性指数（Shannon-Weiner，H）显著高于苯菌灵的处理，两因素之间差异达到显著水平。说明在工业废弃地生态系统内AMF 可以显著提高了物种多样性和物种丰度，这一结论与康前等人在废弃矿地土壤生态系统中的得到的结果具有一致性[15]。对于植物的多样性，水处理条件下，不同施氮水平样方内的植物多样性表现出显著差异，随着施氮量的升高，植物多样性增加。当氮肥含量达到9 t/hm2时，氮肥施用对植物丰富度有显著的负效应[16]，该次试验氮肥投入量最高为30 g/m2，是9 t/hm2标准的1/2，说明氮肥含量在一定范围内，AMF 有助于植物多样性的提高。苯菌灵+N2 水平这一处理的物种多样性指数要略高于水+N0 水平的处理，说明AMF 对废弃地物种多样性提高的效应相当于施加N2 水平氮肥的效应。不同的是，相较于水+N0 水平处理，苯菌灵+N2 水平处理需要不断投入外源氮肥以保证土壤中一定含量的氮素。适当施用氮肥能够有效提高植物产量，但过量氮肥的投入容易造成因氮肥损失而产生的诸多环境问题，从而降低氮肥利用率[17]。AMF 只需要接种一次就可以在土壤中大量繁殖，无需每年接种，节约成本同时提高土壤肥力，维持生态平衡，保护生态环境[18]。

工业废弃地由于其土壤较为贫瘠，造成废弃地内植物的生态指标下降，植物的生产力也相对较低，物种多样性降低，使得城市工业废弃地这一生态系统稳定性下降，同时自我调节能力也不断减弱[19]。因此，将AMF 接种到工业废弃地多种植物根系内，形成有利于植物生长的菌根，同时，在一定范围内加大氮肥的施入量应该可以显著的改善工业废弃地内的植物的生长状况，提高植物的生产力，提高物种的丰富度和多样性。这样不仅有利于提高工业废弃地植被的自我修复能力，增加生态系统的稳定性和自我调节能力，还能够有效改善工业废弃地植被的覆盖率，从而将无用的废弃地通过其生态修复能力变为城市景观，在一定程度上解决了目前城市建设发展过程中遇到的环境污染和生态系统破坏这一难题。