矿区土接种AMF和根瘤菌对紫花苜蓿及土壤氮磷的影响

2020-04-22许庆方郝鲜俊高文俊

山西农业科学 2020年4期

田超，李倩，许庆方，郝鲜俊，高文俊

（1.山西农业大学动物科技学院，山西太谷030801；2.山西农业大学资源环境学院，山西太谷030801）

我国是世界最大的煤炭生产国和消费国，因采煤已形成了约200万hm2的采煤塌陷区，而且仍以每年约7万hm2的速度在增加[1]。山西作为我国煤炭大省，因煤炭开采造成地面塌陷面积达6.7万hm2[2]。矿区土壤由于长期受到机械扰动并且缺少植被覆盖，导致土壤养分含量低、土壤结构性差[3]。因此，煤矿塌陷区的综合治理极其重要，且迫在眉睫[4]。

AMF可以通过其分泌物及庞大的菌丝网络促进植株生长和营养吸收，尤其能促进植物对磷的吸收，对贫瘠土壤修复效果更为显著[5-7]。目前，关于大田利用微生物修复技术改善土壤微生态环境，提升土壤肥力已有大量研究[8-10]，而在矿区土壤上运用生物技术进行生态修复也逐渐成为目前的研究热点。对植物进行AMF和根瘤菌双接种，较单接种和不接种更有利于植物生长，二者可起到协同促进作用[11]。有研究表明[12-13]，通过AMF和根瘤菌双接种提高了紫花苜蓿的耐盐碱能力，减轻了盐碱胁迫对苜蓿的伤害。刘磊[14]研究证实，通过AMF和根瘤菌双接种可以提高紫花苜蓿对重金属污染土壤的耐受能力，从而有效改良矿区重金属污染土壤。李淑敏等[15]通过间作盆栽大豆玉米进行AMF和根瘤菌双接种试验，结果表明，双接种可提高植物生物量和含氮量。目前，AMF和根瘤菌双接种研究多见于抗性及受重金属污染地区，而对煤矿塌陷区种植牧草进行AMF和根瘤菌双接种，以提高矿区土壤肥力还鲜有报道。

紫花苜蓿（Medicago sativa）具有抗旱性、耐盐碱性，被作为优良牧草广泛种植[16]；同时，其还可有效固氮，提高土壤养分，常常被用在干旱和贫瘠土壤中的环境修复[17]，也是矿区土壤复垦和植被恢复中不错的选择之一。

本试验通过研究接种AMF和根瘤菌，探讨不同接种处理对苜蓿氮磷吸收能力及矿区土壤养分含量的影响，以期为提升矿区土壤肥力、促进矿区生态恢复提供理论依据和技术支持。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试土壤采自山西省介休市连福镇金山坡煤矿塌陷区。该区土壤全氮0.11 g/kg、全磷0.06 g/kg、有效磷11.35 mg/kg、有机质17.89 g/kg，pH值8.43。土壤采集风干后过2 mm筛，进行高温灭菌。

供试苜蓿品种为中苜一号，购于中国农业科学院畜牧研究所。

供试AMF菌种为摩西球囊霉（Glomus mosseae，Gm），购于北京市农林科学院BGC菌种库；根瘤菌（Rhizobium，V）购于克劳沃（北京）生态科技有限公司。

1.2 试验方法

试验在山西农业大学动物科技学院草学智能温室中进行，温室平均温度为14～29℃，相对湿度为65%～80%。

试验处理列于表1。每盆装6 kg风干土，每个处理4次重复。其中，单接种处理加菌剂100 g/盆；双接种处理加2种菌剂各50 g/盆及50 mL/盆接种剂的滤液；不接种处理对照，每盆加等体积无菌液体培养基；自然土对照不进行任何处理。每盆均匀播种15粒，出苗7 d后统一间苗为10株。

表1 试验处理

1.3 测定项目及方法

于苜蓿盛花期收获，取地上部植株于105℃烘箱杀青30 min，后在65℃烘干至恒质量，测定植株的氮、磷含量[18]和硝酸还原酶活性[19]。取根际土壤样品阴干后过2 mm筛，测定土壤有效氮含量[18]、有效磷含量[18]和碱性磷酸酶活性[20]。

1.4 数据分析

采用SPSS 24.0软件进行数据分析，采用Microsoft Excel 2013软件作图。

2 结果与分析

2.1 接种AMF和根瘤菌对苜蓿氮、磷含量的影响

2.1.1 接种AMF和根瘤菌对苜蓿氮含量的影响图1结果表明，不同处理对苜蓿氮含量的影响大小为Gm＋V＞V＞Gm＞R＞CK。其中，CK的氮含量最低，仅为1.13%，R处理的氮含量为1.19%，Gm＋V处理的氮含量最高，为2.34%，较CK和R分别显著提高了107.1%和96.6%；接种处理氮含量均显著高于未接种处理（P＜0.05），且双接种Gm＋V处理氮含量显著高于单接种Gm和V处理（P＜0.05），CK和R之间的氮含量差异也达显著水平（P＜0.05）。表明双接种处理更能促进苜蓿对氮的吸收。

2.1.2 接种AMF和根瘤菌对苜蓿磷含量的影响

由图2可知，不同处理对苜蓿磷含量的影响大小为Gm＋V＞Gm＞V＞CK＞R。其中，R处理的苜蓿磷含量最低，仅为0.46%，Gm＋V处理的苜蓿磷含量最高，为0.84%，较CK提高了82.6%；接种处理较未接种处理更能提升苜蓿的磷含量（P＜0.05），双接种处理与接种AMF的Gm处理的磷含量间无显著差异（P＞0.05），但二者显著高于接种根瘤菌的V处理（P＜0.05），未接种处理CK和R的磷含量间无显著差异（P＞0.05）。可能是因为在未接种状态下，苜蓿对磷元素的吸收困难，生长受到抑制，在双接种AMF和根瘤菌状态下，二者协同促进了苜蓿生长。

2.2 接种AMF和根瘤菌对矿区土壤氮、磷含量的影响

2.2.1 接种AMF和根瘤菌对矿区土壤有效氮含量的影响由图3可知，不同处理对土壤有效氮含量的影响大小为Gm＋V＞V＞Gm＞R＞CK。其中，双接种处理与单接种根瘤菌的V处理间土壤有效氮含量差异不显著（P＞0.05），但其显著高于单接种Gm处理（P＜0.05），单接种的Gm和V处理间差异不显著（P＞0.05），说明接种AMF能提高根瘤菌的固氮能力；CK和R间差异不显著（P＞0.05）。

2.2.2 接种AMF和根瘤菌对矿区土壤有效磷含量的影响接种AMF和根瘤菌对矿区土壤有效磷含量的影响如图4所示。

由图4可知，不同处理对土壤有效磷含量的影响大小为Gm＋V＞Gm＞V＞R＞CK。其中，接种处理的土壤有效磷含量均显著高于CK处理（P＜0.05），为CK的1.2～1.9倍；双接种处理较单接种处理更有利于土壤有效磷的吸收（P＜0.05），且Gm处理土壤有效磷含量显著高于V处理（P＜0.05）。说明矿区土壤磷含量低，接种根瘤菌会不同程度影响苜蓿及AMF的生长发育，CK和R处理间存在差异，但不显著，说明植株在未接种状态依靠自身能力较难提高土壤磷含量。

2.3 接种AMF和根瘤菌对苜蓿和矿区土壤酶活性的影响

2.3.1 接种AMF和根瘤菌对矿区土壤碱性磷酸酶活性的影响如图5所示，不同处理对土壤碱性磷酸酶活性影响大小为Gm＋V＞Gm＞V＞R＞CK。其中，接种处理较CK处理更能提高土壤碱性磷酸酶活性（P＜0.05），是CK的1.14～2.39倍；碱性磷酸酶活性的大小可以反映AMF的活性，且无论是单接种还是双接种，接种AMF处理的土壤碱性磷酸酶活性均显著高于接种根瘤菌和不接种处理。

2.3.2 接种AMF和根瘤菌对矿区苜蓿硝酸还原酶活性的影响接种AMF和根瘤菌对矿区苜蓿硝酸还原酶活性的影响如图6所示。

由图6可知，不同处理对苜蓿硝酸还原酶活性影响大小为Gm＋V＞Gm＞V＞R＞CK。其中，双接种处理较单接种处理更有利于提升苜蓿硝酸还原酶活性（P＜0.05），而单接种Gm和V处理间差异不显著（P＞0.05）。说明接种AMF和根瘤菌会不同程度影响苜蓿氮代谢酶活性，且双接种的协同作用更有效。CK和R处理间差异不显著（P＞0.05），说明自然土中基本没有影响植物氮代谢酶活性的菌群。

3 讨论

3.1 矿区土壤接种AMF和根瘤菌对苜蓿氮、磷含量的影响

大量研究表明，根瘤菌通过固氮可为植株生长提供氮源，而丛枝菌根真菌为其提供有效磷，能显著提高植株的固氮能力[21-23]。矿区土壤贫瘠且磷元素含量较低。本试验发现，当双接种AMF与根瘤菌形成有效的共生关系时，能有效促进植株对养分的吸收，提高苜蓿地上部的氮、磷含量，这与李雅慧等[24]的研究结果一致。本试验还发现，未接种处理的苜蓿吸收养分的能力较弱，生长受阻，发育缓慢。

3.2 矿区土壤接种AMF和根瘤菌对土壤氮、磷含量的影响

不同土壤环境是影响真菌种群及其分布的主要因素，如土壤氮、磷营养及根系分泌物等[25]。本研究表明，在矿区土壤中，AMF联合根瘤菌协同作用提高了土壤有效氮和有效磷含量，而土壤有效磷含量的增加也反映出AMF与根瘤菌存在相互作用，这与任爱天等[26]的研究结果一致。矿区土壤接种AMF较接种根瘤菌及不接种处理更能提高土壤有效磷含量，说明在矿区种植苜蓿接种AMF可以通过促进磷元素的吸收提高苜蓿的固氮能力。双接种处理提高了土壤有效氮含量，但与单接种根瘤菌处理间差异不显著，这与王军等[11]的研究结果一致。矿区土壤养分匮乏、磷含量较低，双接种AMF和根瘤菌在低磷环境中对苜蓿的双重作用保证了苜蓿与菌根和根瘤的共同发育，提升了植物吸收氮磷营养的能力。

3.3 矿区土壤接种AMF和根瘤菌对苜蓿和土壤酶活性的影响

植株和土壤酶活性的大小可以反映土壤养分的高低及土壤肥力的大小[27]。已有研究表明，接种AMF有利于土壤碱性磷酸酶活性的增强[6]，MAIER等[28]和宋福强等[29]研究认为，碱性磷酸酶活性的增强，能够提高土壤可利用磷含量，均与本研究结果一致。硝酸还原酶活性的高低可以反映植物氮代谢能力的强弱，该酶是反映植物氮代谢的主要酶[30]。本试验结果表明，单接种和双接种处理的植物硝酸还原酶活性均与CK和R间差异显著，且双接种处理显著高于各单接种处理，说明接种AMF和根瘤菌有助于植物硝酸还原酶活性的增强。