排土场中不同处理对不同种植模式向日葵生长特性和光合作用的影响

刘宇飞 焦晓亮 王坤 毕银丽

摘要    研究不同處理对不同种植模式向日葵生长特性和光合作用的影响，为矿区排土场农林种植提供理论依据。在内蒙古黑岱沟露天煤矿北排土场（复垦20年）设置向日葵单作、向日葵与玉米间作、向日葵与大豆间作等3种种植模式，设接菌（I）、绿肥（G）、接菌+绿肥（IG）、风化煤+绿肥（GW）、接菌+绿肥+风化煤（IGW）与不接种对照（CK）6个处理，测定试验小区土壤基本值及不同种植模式对向日葵株高、地径、花盘直径、单株净籽粒重、净光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、胞间CO2浓度（Ci）、蒸腾速率（Tr）的影响，并分析其相互关系。结果表明，不同种植模式下，脲酶活性、磷酸酶活性与易提取球囊酶素含量均为向日葵玉米间作与向日葵大豆间作整体高于向日葵单作;向日葵单作与向日葵玉米间作净光合速率整体高于向日葵大豆间作，向日葵单作及向日葵大豆间作的气孔导度区间整体高于向日葵玉米间作。同一种植方式中，向日葵单作、向日葵大豆间作、向日葵玉米间作花盘直径最大值分别在接菌+绿肥+风化煤（IGW）、绿肥+风化煤（GW）和接菌（I）处理（P<0.05）;向日葵单作、向日葵大豆间作、向日葵玉米间作净单株籽粒重最大值分别在绿肥（G）、绿肥+风化煤（GW）、接菌（I）处理。向日葵地径与Gs、Tr成显著正相关（P<0.05）;花盘直径与Tr成显著负相关（P<0.05）。单株净籽粒重与Ci成显著正相关，与蒸腾速率成显著负相关（P<0.05）。不同处理对不同种植模式向日葵生长及光合指标具有促进作用，不同种植模式的最适处理有差异，可为露天矿排土场农林利用提供参考。

关键词    AM真菌;露天矿排土场;向日葵;光合作用

中图分类号    S565.5        文献标识码    A

文章编号   1007-5739（2020）12-0003-05                                                                                     开放科学（资源服务）标识码（OSID）

Effects  of  Different  Treatments  and  Patterns  on  Growth  Characteristics  and  Photosynthesis  of  Helianthus  annuus  in  Surface  Mine  Dump

LIU Yu-fei 1    JIAO Xiao-liang 1    WANG Kun 2    BI Yin-li 2 *

（1 Institute of Science and Technology， Shenhua Group Zhungeer Energy Co.， Ltd.， Ordos Inner Mongolia 010300;  2 State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining， China University of Mining and Technology （Beijing） ）

Abstract    The effects of different treatments on the growth characteristics and photosynthesis of sunflowers （Helianthus annuus） with different planting methods were studied to provide a theoretical basis for agricultural and forestry planting in the dumping grounds in the mining area. In the northern dump of Heidaigou Open-pit Coal Mine in Inner Mongolia （reclamation for 20 years）， three planting modes including sunflower monoculture， sunflower corn intercropping， and sunflower soybean intercropping， six treatments， including green manure （IG）， weathered coal+green manure （GW）， inoculation+green manure+weathered coal （IGW） and non-inoculation control （CK） were set up. The experiment measured the basic values of soil in the test plot and the different planting patterns on sunflower plant height， ground diameter， disk diameter， net seed weight per plant， net photosynthetic rate （Pn）， stomatal conductance （Gs）， intercellular CO2 concentration （Ci）， and the effect of transpiration rate （Tr）， and analyzed their correlation. The results showed that under different planting patterns， urease， phosphatase activity and the content of easily extracted sacculase were higher in sunflower maize intercropping and sunflower soybean intercropping as a whole; the net photosynthetic rate of sunflower maize intercropping and sunflower maize intercropping as a whole was higher than that of sunflower soybean intercropping， and the stomatal conductance of sunflower and sunflower soybean intercropping as a whole was higher than that of sunflower maize intercropping. In the same planting mode， the maximum diameter of flower plate of sunflower monoculture， sunflower soybean intercropping and sunflower maize intercropping were respectively treated by inoculation+greenmanure+weathered coal （IGW）， greenmanure+weathered coal （GW） and inoculation （I） （P<0. 05）; the maximum net grain weight of single plant of sunflower monoculture， sunflower soybean intercropping and sunflower maize intercropping were respectively treated by greenmanure （G）， greenmanure+weathered coal （GW） and inoculation （I）. There was a significant positive correlation between sunflower ground diameter and GS， Tr （P<0. 05）， and a significant negative correlation between disc diameter and Tr （P<0. 05）. There was a significant positive correlation between net kernel weight and Ci and a significant negative correlation between transpiration rate and Ci （P<0.05）. Different treatments can promote the growth and photosynthetic index of sunflower in different planting patterns， and the optimal treatments of different planting patterns are different， which can provide reference for the utilization of agriculture and forestry in open pit dump.

2    结果与分析

2.1    不同向日葵种植模式及不同处理土壤基本值差异

由表1可知，部分土壤因子在不同向日葵种植模式间差异显著（P<0.05），脲酶活性、磷酸酶活性均在不同向日葵种植模式间差异显著，向日葵与玉米间作区间分别为14.24～28.33 mmol/（g·L·h）、35.60～68.16 mmol/（g FW·min），向日葵與大豆间作区间分别为17.97～21.84 mmol/（g·L·h）、38.97～52.78 mmol/（g FW·min），整体高于区间分别为14.34～16.96 mmol/（g·L·h）、29.43～33.02 mmol/（g FW·min）的向日葵单作;易提取球囊霉素方面，向日葵与大豆间作区间为13.18～17.53 mg/g，向日葵玉米间作区间为10.62～16.85 mg/g，整体高于区间为12.31～13.45 mg/g的向日葵单作。

同一种植模式内，不同试验小区的脲酶活性和速效钾也存在显著差异（P<0.05）。向日葵单作方面，对照（CK）的速效钾有最低值3.53 mg/kg，显著低于其他处理（P<0.05）。向日葵与玉米间作方面，绿肥+风化煤（GW）的脲酶活性有最低值14.24 mmol/（g·L·h），显著低于对照（CK）、绿肥（G）处理（P<0.05）;绿肥+风化煤（GW）的速效钾含量有最低值3.70 mg/kg，显著低于接菌+绿肥（IG）、接菌+绿肥+风化煤（IGW）处理（P<0.05）。向日葵与大豆间作方面，绿肥+风化煤（GW）的脲酶活性有最大值21.84 mmol/（g·L·h），显著高于绿肥（G）、接菌+绿肥+风化煤（IGW）处理（P<0.05），绿肥+风化煤（GW）的速效钾含量有最大值6.31 mg/kg，显著高于接菌+绿肥（IG）、接菌+绿肥+风化煤（IGW）处理（P<0.05）。造成土壤因子差异的原因可能与排土场覆土不均匀有关。

2.2    不同种植模式及不同处理对向日葵生长的影响

由图1可知，向日葵株高、地径、花盘直径及单株净籽粒重在不同种植模式间差异不显著（P<0.05）。其中，向日葵单作、向日葵与大豆间作区间的株高分别为150.40～200.17、171.27～201.60 cm，整体高于区间为150.07～183.13 cm的向日葵玉米间作;地径方面，向日葵与大豆间作区间为29.62～35.40 mm，整体高于区间分别为29.29～34.53、21.29～35.80 mm的向日葵单作及向日葵玉米间作;花盘直径方面，向日葵单作为24.60～33.60 cm，整体高于区间分别为19.90～31.47、20.23～29.77 cm的向日葵、大豆间作及向日葵、玉米间作;单株净籽粒重方面，向日葵单作为95.56～149.61 g，整体高于区间分别为66.45～113.13、79.99～138.69 g的向日葵、大豆间作及向日葵、玉米间作。

向日葵地径、花盘直径、单株净籽粒重在不同处理间差异显著（P<0.05）。株高方面，向日葵单作株高在接菌（I）处理有最大值200.17 cm，且显著高于对照（CK）、绿肥（G）、绿肥+风化煤（GW）、接菌+绿肥+风化煤（IGW）等处理（P<0.05）;向日葵、大豆间作株高在接菌+绿肥+风化煤（IGW）处理有最大值193.27 cm，各处理间无显著差异（P<0.05）;向日葵、玉米间作株高在接菌+绿肥+风化煤（IGW）处理有最大值183.13 cm，显著高于对照（CK）处理（P<0.05）。地径方面，向日葵单作在接菌+绿肥+风化煤（IGW）有最大值为34.53 mm，且显著高于绿肥（G）处理（P<0.05）;向日葵、大豆间作在接菌+绿肥（IG）有最大值为34.53 mm，各处理间无显著差异（P<0.05）;向日葵、玉米间作在接菌（I）有最大值为35.80 mm，且显著高于绿肥+风化煤（GW）、接菌+绿肥+风化煤（IGW）处理（P<0.05）。花盘直径方面，向日葵单作在接菌+绿肥+风化煤（IGW）有最大值为33.60 cm，且显著高于绿肥（G）处理（P<0.05）;向日葵大豆间作在绿肥+风化煤（GW）有最大值为31.47 mm，高于对照（CK）、接菌（I）、绿肥（G）、接菌+绿肥（IG）处理（P<0.05）;向日葵、玉米间作在接菌（I）有最大值为29.77 mm，高于绿肥+风化煤（GW）、接菌+绿肥+风化煤（IGW）处理（P<0.05）。净单株籽粒重方面，向日葵单作在绿肥（G）有最大值为166.61 g，且显著高于对照（CK）、接菌（I）、接菌+绿肥（IG）处理（P<0.05）;向日葵、大豆间作在绿肥+风化煤（GW）有最大值为113.13 g，接菌（I）、绿肥（G）、接菌+绿肥（IG）处理（P<0.05）;向日葵、玉米间作在接菌（I）有最大值为138.69 g，且显著高于绿肥+风化煤（GW）、接菌+绿肥+风化煤（IGW）处理（P<0.05）。

2.3    不同种植模式及不同处理对向日葵光合指标的影响

净光合速率和气孔导度分别反映光合作用产生糖类的速率和气孔关闭程度，胞间二氧化碳浓度反映内环境中CO2的浓度，蒸腾速率反映植物水分代谢状况。其中，向日葵单作净光合速率为21.00～24.42 μmol CO2/（m2·s），向日葵、玉米间作净光合速率为19.78～25.09 μmol CO2/（m2·s），整体高于区间为15.85～22.85  μmol CO2/（m2·s）的向日葵、大豆间作;气孔导度方面，向日葵单作及向日葵、大豆间作区间分别为0.48～2.33、0.31～1.05 mol H2O/（m2·s），整体高于区间为0.21～0.31 mol H2O/（m2·s）的向日葵玉米间作;胞间二氧化碳浓度方面，向日葵单作及向日葵、大豆间作区间分别为280.13～368.46、270.52～354.66 μmol/mol，整体高于区间为245.17～309.26 μmol/mol的向日葵、玉米间作;向日葵大豆间作蒸腾速率较快，区间为7.90～12.55 g/（m2·h），高于区间分别为5.82～8.15、4.49～8.47 g/（m2·h）的向日葵单作与向日葵玉米间作;水分利用效率方面，向日葵单作与向日葵、玉米间作水分利用效率较高，分别为2.80～4.66、2.68～4.53 g/kg，向日葵、大豆间作水分利用效率较低，为1.43～2.29 g/kg。

向日葵胞间二氧化碳浓度、水分利用效率在不同处理间差异显著（P<0.05）。向日葵单作方面，胞间二氧化碳浓度在绿肥（G）有最大值368.46 μmol/mol，显著高于接菌（IG）、接菌+风化煤+绿肥（IGW）处理（P<0.05）;水分利用效率在绿肥（G）有最大值4.66 g/kg，且显著高于其他处理（P<0.05）。向日葵、大豆间作方面，胞间二氧化碳浓度在对照（CK）有最大值353.02 μmol/mol，显著高于绿肥+风化煤（GW）处理（P<0.05）;水分利用效率在对照（CK）有最大值2.29 g/kg，且显著高于绿肥（G）等处理（P<0.05）。向日葵、玉米间作方面，胞间二氧化碳浓度在绿肥+风化煤（GW）有最大值309.26 μmol/mol，显著高于绿肥（G）、接菌+绿肥（IG）、接菌+绿肥+风化煤（IDG）处理（P<0.05）;水分利用效率在绿肥（G）有最大值4.53 g/kg，且显著高于除绿肥+风化煤（GW）外的其他处理（P<0.05）。

2.4    不同种植模式及不同处理向日葵土壤因子、生长、光合指标的相关性

以7个土壤基本值指标（pH值、电导率、脲酶、磷酸酶、易提取球囊霉素、速效磷、速效钾）、向日葵生长指标（株高、地径）及5个光合指标（Pn、Gs、Ci、Tr、WUE）為变量，进行相关性分析。由表2可知，蒸腾速率与株高成显著正相关，相关系数为0.31（P<0.05）;水分利用效率与株高成显著负相关，相关系数为-0.32（P<0.05）;pH值与株高成显著负相关，相关系数为-0.36（P<0.05）。向日葵地径与气孔导度、蒸腾速率成显著正相关，相关系数分别为0.32和0.38（P<0.05）;水分利用效率与地径成显著负相关，相关系数为-0.36（P<0.05）;易提取球囊霉素与地径成显著负相关，相关系数为-0.31（P<0.05）。向日葵花盘直径与蒸腾速率成显著负相关，相关系数为-0.29（P<0.05）;脲酶、磷酸酶、易提取球囊霉素和速效磷与花盘直径成显著负相关，相关系数分别为-0.38、-0.58、-0.44和-0.34（P<0.05）。向日葵单株净籽粒重与胞间二氧化碳浓度成显著正相关，相关系数为0.35（P<0.05）;蒸腾速率与单株净籽粒重成显著负相关，相关系数为-0.30（P<0.05）;脲酶、磷酸酶、易提取球囊霉素与单株净籽粒重成显著负相关，相关系数分别为-0.43、-0.61和-0.37（P<0.05）。光合指数方面，胞间二氧化碳浓度与速效磷成显著正相关，相关系数为0.29（P<0.05）;蒸腾速率与脲酶、磷酸酶成显著正相关，相关系数分别为0.31和0.47（P<0.05），与速效钾成显著负相关，相关系数为-0.29;水分利用效率与磷酸酶成显著负相关，相关系数为-0.31（P<0.05）。

3    结论与讨论

本试验结果表明，部分土壤基本值在不同种植模式及不同处理间差异显著，可能与排土场建设过程中覆土不均匀有关。同一种植模式内向日葵生长特性及光合指标差异显著，接菌+绿肥+风化煤、绿肥等处理能显著提高向日葵生长特性和光合指标。向日葵生长指标及光合指标与土壤基本值间相关性显著，土壤基本值一定程度上影响了不同处理对向日葵的促生效果。

研究表明，接种丛枝菌根真菌促进了植株的成活与生长发育，向日葵连续监测3年，植株成活率提高达20%，植株生长速度快[15]，向日葵花期可以提前10～15 d，产量增加1倍，土壤质量改善，微生物种类增加[16]。本试验中，加入丛枝菌根的试验处理显著提高了向日葵的生长指标，具有显著的促生效应。

研究表明，光合作用是植物生长最重要的生理过程，90%～95%的植物生物量由光合作用产生，只有5%～10%的植物生物量源于植物根系吸收的营养物质[17]。AM真菌能加速恢复矿区土壤微生物群落，重建受损生态系统，为植被重建创造条件。岳英男等研究发现，通过AM真菌能提高松嫩盐碱草地植物的Pn、增大生姜叶片的Gs，提高生姜叶片的Tr和Ci，为干物质积累创造条件[18]。本研究结果表明，绿肥（G）处理能提高向日葵的光合作用，促进其植株生长。

Sainju[19]研究发现，植被根系的密度与土壤的有机质、总氮、水溶性磷以及可交换性阳离子成正相关，与土壤pH值成负相关，且土壤微生物产生的有机酸，使演替初期的碱性土壤 pH值逐渐降低[20]。随着复垦年限的延长，土壤中的微生物数量、根系真菌菌株数量、根系真菌多样性指数逐年递增。Mou等[21]认为，植被的根系形态与发育状况与土壤中养分的分布以及营养物质的配置密切相关。因此，土壤肥力水平是决定植被重建的重要制约因素。本试验中，3种不同的向日葵种植模式间土壤基本值存在差异，可能是影响向日葵生长及光合指标的直接原因，从而影响了不同处理的促生效果。

本研究对向日葵生长旺盛季节（8月）的生长及光合作用进行测定分析，未监测其动态变化状况，但在不同位置及不同处理下向日葵的生长特性、光合作用已出现差异，且部分处理有积极作用。因此，今后的研究应重点关注不同处理对不同年限排土场向日葵的持续影响作用及其生理机制，种植向日葵后土壤因子的变化规律。

4    参考文献

[1] 黄丹勇.矿区土地复垦与生态环境恢复综述[J].湖南有色金属，2011，27（6）：45-48.

[2] 罗明，白中科，刘喜韬.土地复垦潜力调查评价研究[M].北京：中国农业科学技术出版社，2013.

[3] GILLESPIE M，GLENN V，DOLEY D.Reconciling waste rock rehabilita-tion goals and practice for a phosphate mine in a semi-arid environment[J].Ecological Engineering，2015，85：1-12.

[4] LI L，SUN J，ZHANG F，et al.Wheat/maize or wheat/soybean strip interc-ropping：I.yield advantage and interspecific interactions on nutrients[J].Field Crops Research，2001，71（2）：123-137.

[5] GAISER T，DE BARROS I，LANGE F M，et al.Water use efficiency of a maize/cowpea intercrop on a highly acidic tropical soil as affected by liming and fertilizer application[J].Plant and Soil，2004，263（1）：165-171.

[6] 柴强，杨彩红，黄高宝.交替灌溉对西北绿洲区小麦间作玉米水分利用的影响[J].作物学报，2011，37（9）：1623-1630.

[7] 高阳，段爱旺，刘祖贵，等.玉米/大豆不同间作模式下土面蒸发规律试验研究[J].农业工程学报，2008（7）：44-48.

[8] 乔鹏，汤利，郑毅，李少明.不同抗性小麦品种与蚕豆间作条件下的养分吸收与白粉病发生特征[J].植物营养与肥料学报，2010，16（5）：1086-1093.

[9] 周海波，陈巨莲，程登发，等.小麦间作豌豆对麦长管蚜及其主要天敌种群动态的影响[J].昆虫学报，2009，52（7）：775-782.

[10] 董宛麟，张立祯，于洋，等.向日葵和马铃薯间作模式的生产力及水分利用[J].农业工程学报，2012，28（18）：127-133.

[11] ZHANG L，VAN DER WERF W，ZHANG S，et al.Growth，yield and quality of wheat and cotton in relay strip intercropping systems[J].Field Crops Research，2007，103（3）：178-188.

[12] SMITH S E，READ D J.Mycorrhizal symbiosis[M].Academic Press，2008：273-281.

[13] VAN DER HEIJDEN M G A，BOLLER T，WIEMKEN A，et al.Different arbuscular mycorrhizal fungal species are potential determinants of plant community structure[J].Ecology，1998，79（6）：2082-2091.

[14] 馮固，张福锁，李晓林，等.丛枝菌根真菌在农业生产中的作用与调控[J].土壤学报，2010，47（5）：995-1004.

[15] 岳辉，毕银丽，刘英.神东矿区采煤沉陷地微生物复垦动态监测与生态效应[J].科技导报，2012，30（24）：33-37.

[16] 杜善周，毕银丽，王义，等.丛枝菌根对神东煤矿区塌陷地的修复作用与生态效应[J].科技导报，2010，28（7）：41-44.

[17] ZELITCH I.The close relationship between net photosynthesis and crop yield[J].Bioscience，1982，32（10）：796-802.

[18] 岳英男，杨春雪.松嫩盐碱草地土壤理化特性与丛枝菌根真菌侵染的相关性[J].草业科学，2014，31（8）：1437-1444.

[19] SAINJU U M，GOOD R E.Vertical root distribution in relation to soil properties in New Jersey Pinelands forests[J].Plant and Soil，1993，150（1）：87-97.

[20] 牛星，高永，齐雅静，等.伊敏露天煤矿内排土场土壤特征及其肥力评价[J].内蒙古农业大学学报（自然科学版），2012，33（增刊1）：97.

[21] MOU P U，MITCHELL R J，JONES R H.Root distribution of two tree species under a heterogeneous nutrient environment[J].Journal of Applied Ecology，1997，34：645-656.