不同处理对新成排土场3 种灌木生长和光合特性的影响

2021-04-02鲁文岐毕银丽张家毓

现代园艺 2021年7期

全民，鲁文岐，王瑜，王坤，毕银丽，张家毓

（1 神华准格尔能源有限责任公司准能生产服务中心，内蒙古鄂尔多斯 010300；2 神华准格尔能源有限责任公司准能黑岱沟露天矿；3 神华准格尔能源有限责任公司准能环境保护部；4 中国矿业大学（北京）/煤炭资源与安全开采国家重点实验室）

煤炭开采对土地、生态和人居环境产生了巨大破坏。目前，中国露天矿煤炭的产量已经从4%增加到了30%，露天开采条件下原生地表、地形、地貌被破坏，排出的剥离物，形成的损毁土地主要为排土场[1]。排土场原有生态环境及地表植被遭到破坏，需要进行复垦与生态重建。

矿区生态重建过程中，新生植被的演替可由自然演替和人工演替进行，其中自然演替进程非常缓慢，在自然演替过程中，施加人工复垦措施，可以缩短植被演替的周期，提高植被演替的速率[2]。李裕元等[3]的研究结果表明，矿区植被的自然恢复只有在种源或繁殖体充足的条件下才可能实现，且比人工恢复的时间要长得多。对于一般退化生态系统，自然恢复虽然可以增加土壤养分以及植被盖度等，经过采煤扰动后土地极度退化，尤其是我国西部干旱半干旱区自然条件恶劣，水分条件匮乏，无法在自然条件下恢复，必须借助人工支持和诱导，栽植乔灌草等人工林来加速这一过程非常有利。植物修复最理想的状态是生物与环境的协调进化，这种条件下对生物的选择提出了较高要求，对植物的合理选择尤为重要[4]。因此，应遵循“适地适植”的原则，要求严格做到覆盖土、气候等自然环境条件与筛选物种生态学特性相统一[5]。用于矿区生态恢复的复垦植被一般具有较强的生物及非生物胁迫耐受性，生长周期短，抗侵蚀能力强，并具有一定的生态功能[6]。

丛枝菌根（AM）真菌是几乎所有陆地生态系统的重要组成部分，在干旱条件下对提高植物营养和水分吸收尤为重要[7]。AM 真菌还能增强植物的竞争能力，决定群落结构和生态系统的稳定性[8]。近年来，AM 真菌与植物共生关系的研究由室内模拟实验转向田间原位研究，取得了很大的进展[9]。绿肥（green manure）能为土壤提供丰富的养分。各种绿肥的幼嫩茎叶，含有丰富的养分，一旦在土壤中腐解，能大量地增加土壤中的有机质和氮、磷、钾、钙、镁和各种微量元素。风化煤中含有丰富的活性物质腐殖酸，广泛应用于土壤改良剂、植物生长刺激剂和肥效增进剂领域。大量的研究表明，施用风化煤可以改善土壤团聚体的质量、水稳性团聚体和阳离子交换量。风化煤和微生物配合使用加速了土壤物质的生物学循环，且提高土壤生物活性，有利于土壤熟化培肥。

豆科植物被认为是在缺水和贫瘠的废弃地上进行植被恢复的优良植物种类[10]。以新成排土场中不同处理的柠条、大果沙棘、紫穗槐作为研究对象，研究了土壤基本值及柠条、大果沙棘、紫穗槐的生长特性及光合指标，说明了不同年限排土场、不同处理及土壤基本值对紫穗槐的影响，以期为新成露天矿排土场生态恢复提供参考。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验地位于内蒙古鄂尔多斯市准格尔旗东部黑岱沟煤矿（111°13′～111°20′E，39°43′～39°49′N），位于鄂尔多斯高原东北部，准格尔煤田中部，整个煤田被黄土所覆盖。全区地形西北高，东南低，高程相差170m。矿区气候属于典型的中温带半干旱大陆性气候，年均温7.2℃，极端最高温度38.3℃，极端最低温度-30.9℃，≥10℃年积温3350℃。一般结冰日期为10 月下旬～翌年4 月下旬，最大冻土深度为1490mm。年总降水量为231～460mm，平均为404mm，降水多集中在7～9 月份，约占全年降水量的60%～70%。月平均降水量为33.5mm，最大小时降水量36.9mm（1972 年7 月），最大一次降水量88.1mm，延续时间约6h（1973 年7月），最大积雪厚度150mm。年蒸发量2082mm，日照3119.3h。四季分明，冬春气候寒冷，干燥，多大风，夏季雨量集中，秋季凉爽，短促。

1.2 试验材料及试验设计

1.2.1 供试菌种。供试菌种为AM 真菌摩西管柄囊霉（Funneliformis mosseae，F.m），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。接菌菌剂为沙土基质，有效成分为AM 真菌孢子、菌丝、及被侵染的植物根段（每10g 菌剂含660 个孢子）。

1.2.2 试验设计。试验小区位于黑岱沟露天煤矿内排土场（2018 年新成）。试验小区面积为20m×30m，对照为34m×44m，小区间隔6m。试验设置接菌（I）、绿肥（G）、接菌+绿肥（IG）、风化煤+绿肥（DG）、接菌+绿肥+风化煤（IGW）与不接种对照（CK）6 个处理。每个处理小区栽植植物16 行，每行21 株，行株距为2m×2m。2018 年4 月中旬栽植供试植物柠条、大果沙棘、紫穗槐，同时对各处理进行接种、施加风化煤及绿肥处理，具体方法是：将植物放入树坑后，在植物根部施加菌剂、风化煤或菌剂+风化煤，菌剂施用量为每株植物穴施50g，风化煤施用量为每株植物穴施100g，然后将之前剥离的表土重新覆盖。绿肥处理为在植物周围播撒紫花苜蓿草籽，播撒量为6g/m2。各处理完成后，浇水达土壤最大饱和持水量，随后每周浇水1 次，1 个月后免除浇水，进行自然管理。绿肥处理的苜蓿出苗45d 后进行翻压。

1.3 试验方法

1.3.1 样品采集。于2018 年4 月栽植完成后对不同处理区土壤进行采样。采样方法是：按S 路线随机选择4个点，除去表面约1cm 土壤后，采集0～20cm 土壤约500g。土壤自然风干后，去除枯枝落叶等杂质，过1mm筛，测定球囊霉素土壤相关蛋白和土壤理化性状等指标。

1.3.2 生长指标测定。2019 年8 月中旬，利用钢卷尺测量苗木株高，利用游标卡尺测量苗木地径，利用SPAD502 叶绿素仪测量植物SPAD 值，每处理小区采用“S”型随机选取每株植物30 株，每株植物测量3 次取平均值。采用Li-6400XT 便携式CO2/H2O 分析系统（Li-COR Inc.，Lincoln，Nebraska USA），于晴朗无风的天气9：00～11：00，选择生长良好、主茎上正数第3 片展开功能叶片测定光合速率（Pn）、气孔导度（Gs）、蒸腾速率（Tr）和胞间CO2浓度（Ci），光源有效辐射为1000μmol/m2·s，气体Flow 值为500mmol/s。每小区随机测定3 株苗木。水分利用效率（WUE）为净光合速率与蒸腾速率的比值。

1.4 统计分析

试验数据采用Excel 进行整理统计，利用SPSS 20.0 进行LSD 多重比较检验及方差分析。R 语言basic包及ggcor 包用于相关性分析及作图。

2 结果与讨论

2.1 不同试验处理及3 种不同植物试验区土壤基本值差异

由表1 可知，土壤因子在不同植物间差异显著（P＜0.05），但在不同试验处理间差异不显著（P＜0.05）。其中大果沙棘pH 值区间为7.87～8.00，紫穗槐pH 值区间为7.78～7.92，整体高于区间pH 值为7.26～7.93 的柠条。电导率及速效磷方面，3 种不同植物间差异不显著。酶活性方面，脲酶活性、磷酸酶均在3种不同植物间差异显著。脲酶方面，紫穗槐区间为11.33～12.11mmol/g·L·h，整体高于区间分别为10.55～11.03mmol/g·L·h的柠条与区间为10.76～11.65mmol/g·L·h 的大果沙棘。磷酸酶方面，柠条区间为28.19～29.09mmol/g FW·min，大果沙棘区间为28.31～29.32mmol/g FW·min，整体高于区间为20.00～28.53mmol/g FW·min 的紫穗槐。易提取球囊霉素方面，不同植物间差异显著，柠条区间为13.03～20.17mg/g，整体高于区间为8.46～12.19mg/g 的大果沙棘和区间为8.22～13.03mg/g 的紫穗槐。速效钾方面，柠条区间为3.53～5.42mg/kg，整体高于区间为3.06～4.81mg/kg 的大果沙棘和区间为3.53～5.42mg/kg的紫穗槐。同种植物内，不同试验小区的土壤基本值差异不显著（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 不同试验处理对3 种植物生长的影响

由表2 可知，株高、地径、SPAD 在不同植物间差异显著（P＜0.05）。其中大果沙棘株高为136.83～144.90cm，整体高于区间为53.03～92.44cm 的柠条以及区间为97.34～125.93cm 的紫穗槐。地径方面，其中大果沙棘区间为20.25～21.90cm，整体高于区间为5.04～10.59 mm 的柠条以及区间为8.89～14.70mm 的紫穗槐。SPAD 值方面，柠条区间为80.33～137.55，整体高于区间为38.25～58.63 的大果沙棘以及区间为34.65～41.33 的紫穗槐。

株高、地径、SPAD 值在不同处理间同样差异显著（P＜0.05）。柠条方面，株高、SPAD 值在接菌（I）处理有最大值为92.44cm、137.55，且显著高于其他处理（P＜0.05）；地径同样在接菌（I）有最大值为10.59mm，且显著高于绿肥（G）、接菌+绿肥（IG）、绿肥+风化煤（DG）、接菌+绿肥+风化煤（IGW）处理（P＜0.05）。大果沙棘方面，株高值在接菌+绿肥（IG）处理有最大值144.90m，地径在绿肥（G）有最大值为22.38mm，但均与其他处理无显著差异（P＜0.05），SPAD 值在绿肥+风化煤（DG）处理有最小值38.25，且显著低于其他处理（P＜0.05）。紫穗槐方面，株高在接菌（I）处理有最大值125.93cm，显著高于绿肥（G）、接菌+绿肥（IG）、绿肥+风化煤（DG）、接菌+绿肥+风化煤（IGW）处理（P＜0.05）；地径在对照（CK）有最大值为14.70mm，且显著高于绿肥+风化煤（DG）、接菌+绿肥+风化煤（IGW）处理（P＜0.05）。

表1 不同试验处理下3 种植物的土壤基本值

表2 不同试验处理下3 种植物株高、地径及SPAD 值

2.3 不同试验处理对3 种植物光合指标的影响

Pn 和Gs 分别反映光合作用产生糖类的速率和气孔关闭程度，Ci 反映内环境中CO2的浓度，Tr 反映植物水分代谢状况。由表3 可知，除Ci、WUE 外，光合指标在3 种不同植物间差异显著（P＜0.05），其中柠条净光合速率为4.18～14.10，整体高于区间为6.33～9.44 的大果沙棘及区间为2.41～8.89 的紫穗槐；气孔导度与蒸腾速率规律一致，柠条区间分别为0.14～0.31、4.49～8.73，整体高于区间分别为0.08～0.19、3.05～6.09的大果沙棘及区间为0.10～0.19、3.54～6.06 的紫穗槐。

3 种植物的Pn、Ci、WUE 在不同处理间差异显著（P＜0.05）。柠条方面，Pn 在接菌+绿肥+风化煤（IGW）有最大值14.10，显著其他处理（P＜0.05）；Gs、Tr在接菌（I）有最大值分别为0.31、8.73，显著高于对照（CK）、绿肥（G）、接菌+绿肥（IG）、风化煤+绿肥（DG）等处理（P＜0.05）；Ci 在接菌（I）有最大值297.00，显著高于接菌+绿肥（IG）处理（P＜0.05）；WUE 在接菌+绿肥（IG）有最大值1.54，且显著高于对照（CK）、绿肥（G）、接菌+绿肥（IG）、接菌+风化煤+绿肥（IGW）等处理（P＜0.05）。大果沙棘方面，Pn 在接菌+绿肥（IG）有最大值9.44，显著其他处理（P＜0.05）；Gs 在接菌（I）有最大值分别为0.19，显著高于对照（CK）、绿肥（G）、接菌+绿肥（IG）、接菌+风化煤+绿肥（IGW）等处理（P＜0.05）；Ci 在绿肥+风化煤（DG）有最大值281.57，显著高于对照（CK）、接菌+绿肥（IG）处理（P＜0.05）；Tr 在接菌+绿肥（IG）有最大值6.09，显著高于对照（CK）、接菌+绿肥（IG）、接菌+绿肥+风化煤（IGW）处理（P＜0.05）；WUE 在接菌+绿肥+风化煤（IGD）有最大值1.80，且显著高于风化煤+绿肥（DG）等处理（P＜0.05）。紫穗槐方面，Pn、Gs 在接菌+绿肥+风化煤（IGW）有最大值分别为8.89、0.19，显著对照（CK）、绿肥（G）、接菌+绿肥（IG）、绿肥+风化煤（DG）处理（P＜0.05）；Ci 在接菌（I）有最大值296.95，显著高于接菌+绿肥（IG）、接菌+绿肥+风化煤（IGW）处理（P＜0.05）；Tr 在接菌+绿肥（IG）有最大值6.06，显著高于对照（CK）、绿肥（G）等处理（P＜0.05）；WUE 在接菌+风化煤+绿肥（IGW）有最大值1.64，且显著高于其他处理（P＜0.05）。

2.4 不同试验处理及3 种不同植物土壤因子、生长、光合指标的相关性

以7 个土壤基本值指标（pH、电导率、脲酶、磷酸酶、易提取球囊霉素、速效磷、速效钾）、3 个植物生长指标（株高、地径、SPAD 值）及5 个光合指标（Pn、Gs、Ci、Tr、WUE）为变量进行相关性分析。由图1 可知，WUE 与株高呈显著正相关，相关系数为0.54（P＜0.05）；Gs、Ci、Tr 与株高显著负相关，相关系数分别-0.56、-0.44、-0.47（P＜0.05）；pH 值与株高显著正相关，相关系数为0.55（P＜0.05）；电导率、易提取球囊霉素与株高呈显著负相关，相关系数分别为-0.43、-0.58（P＜0.05）。地径与土壤因子、光合参数相关性规律与株高一致。光合指数方面，pH 与水分利用效率呈显著正相关，与胞间CO2浓度呈显著负相关，相关系数为-0.34（P＜0.05），其他土壤因子均与光合参数无显著相关性。

图1 土壤基本值及3 种植物生长、光合指标相关性图

表3 不同试验处理下3 种植物光合指标

3 讨论

丛枝菌根真菌具有增加植物对矿质营养的吸收，改善植物生长状况，提高产量和改善品质等特性。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，紫穗槐连续监测3 年，植株成活率高达20%，植株生长速度快[11]，向日葵花期可以提前10～15d，产量增加1 倍，土壤质量改善，微生物种类增加[12]。本试验中，加入丛枝菌根的试验处理显著提高了柠条、大果沙棘、紫穗槐的生长指标，具有显著的促生效应。刘青柏[13]在对阜新矿煤矸石山的播种造林研究发现，采用植草造林紫穗槐和沙棘成活率较高，分别为91.7%和87.6%，造林后生长良好。台培东等[14]在霍林河露天矿排土场土地杨勤学复垦技术研究中也认为沙棘是草原露天煤矿排土场最理想的复垦植物，以沙棘为主的人工灌丛应作为排土场植被恢复的主要模式进行推广。

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[15]。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。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[16]。本研究结果表明，接菌+绿肥+风化煤（IGW）处理能提高柠条、紫穗槐的光合作用，促进其植株生长。

Sainju 等[17]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呈正相关，与土壤pH 呈负相关。并且土壤微生物产生的有机酸，使演替初期的碱性土壤pH 逐渐降低[18]。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。MouPu 等[19]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，试验区域部分土壤因子存在显著差异，可能对3 种灌木的生长及光合指标产生影响。

本研究对柠条、大果沙棘、紫穗槐生长旺盛季节（8月）的生长及光合进行测定分析，未监测其动态变化状况，但在不同处理下柠条、大果沙棘、紫穗槐的生长特性、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柠条、大果沙棘、紫穗槐的持续影响作用及其生理机制，种植柠条、大果沙棘、紫穗槐后土壤因子的变化规律。