陕北采煤沉陷区接种菌根对豌豆生长与品质的影响

吴群英 ，马少鹏 ，毕银丽 ，3，高雅坤 ，周会丽 ，张龙杰

（1.陕西陕煤陕北矿业有限公司，陕西 榆林 719000；2.中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083；3.西安科技大学地质与环境学院，西安 710054）

陕北黄土高原土壤由于土质疏松而易产生水土流失，该区煤炭资源丰富，煤炭开采导致地表裂缝发育，加剧了土壤营养流失，植被退化、农作物急剧减产，加速了土地荒漠化［1］。黄土高原煤矿区农田土地改良与作物急需新的生物修复技术来提高土地综合生产力。

丛枝菌根真菌（Arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）是一种土壤中普遍存在的共生真菌，可以与80%以上的陆生植物根系形成互惠互利共生关系［2］。AMF 能够形成地下庞大的菌丝网络而提高植物根系与土壤的接触面积，提高土壤酶活性和土壤肥力，促进有机物矿化，显著改善土壤质量［3，4］。AMF 还可促进植物吸收较多矿物营养和水分，促进植物生长发育，提高植物物质积累能力和作物品质［5］。将菌根生物修复技术应用到煤矿复垦农田土壤改良，具有较好的农田生产力改良的综合应用潜力［6］。

研究发现对采煤沉陷治理地接种AMF 1 年后显著提高了野樱桃、欧李、文冠果和山杏地上和地下生物量，植物成活率、株高和叶色值；同时，接种AMF显著提高了土壤碱解氮和有机质，显著降低了土壤速效磷和速效钾含量［7］。同样，在采煤沉陷区接种AMF 3 年后文冠果根际土土壤全氮、碱解氮和有机碳含量高于未接种处理，速效磷和速效钾含量显著低于未接种处理［8］。干旱胁迫条件下，接种AMF 能够提高玉米菌根侵染率、生物量，促进土壤氮、磷和钾的吸收和运输，增加玉米地上部分氮、磷和钾的吸收量［9，10］。毕银丽等［11］对西北地区马铃薯接种 AMF不仅提高了马铃薯产量，也提高了马铃薯块茎中维生素C 浓度、可溶性糖、可溶性蛋白质和粗纤维含量，改善了马铃薯品质；吴建新等［12］对草莓接种AMF 发现，接种AMF 后提高了果实单重，提高了果实中可溶性糖和维生素C 含量，降低了可滴定酸含量，从而改善了草莓的品质；但是也有研究发现接种AMF 虽然促进了红花的生物量，但是对红花的品质无显著影响，接种AMF 并不影响羟基红花黄色素A和山奈素含量，说明AMF 对羟基红花黄色素A 和山奈素的合成无显著影响［13］。

豌豆（Pisum sativumL.）为豆科一年生碗豆属草本植物，该作物抗旱性较强，适应干旱、贫瘠等多种逆境，在西北干旱地区被当作一种重要的豆科绿肥作物，作物翻压入土可以有效改善土壤理化性质，培肥土壤。因此，本研究选择豌豆作为目标作物，研究接种菌根真菌后对作物生长及品质的改良和土壤性状改善作用，为黄土高原煤矿区农田土壤快速改良提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验地概况

试验田位于陕西省榆林市神木市张家峁煤矿（110°20′18″E，38°59′28″N），海拔约 1 200 m。该地区大陆性气候明显，主要特点是寒暑剧烈，气候干燥，四季分明。冬季漫长寒冷，夏季短促，温差大，年平均气温8.9 ℃，最热为7 月，平均23.9 ℃，最冷为1月，平均-9.9 ℃；冬季少雨雪，夏季雨水集中，年际变率大，日照资源丰富，积温有效性大。平均降水量440.8 mm，年降水主要集中在7—9 月，约占全年降水总量的69%，多年年平均蒸发量为1 336.6 mm，是降水量的3 倍，陆面平均蒸发量为326.0 mm，平均干旱指数为3.01。

试验于2019 年7—10 月进行，试验田原为农田，位于张家峁煤矿区，采煤沉陷后，在2018 年12 月经过人工平整，并经过2019 年上半年的自然沉降。土壤基本值为：pH 8.20～8.66，电导率70.9～127.3 μS/cm，有机质含量 1.87～2.44 g/kg，全氮 0.155～0.186 g/kg，速效磷 0～0.17 mg/kg，速效钾 74.54～84.34 mg/kg，全磷0.286～0.385 g/kg，全钾6.291～6.878 g/kg。

1.2 试验材料和设计

供试菌种为AMF，即摩西管柄囊霉（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）微生物复垦实验室扩繁培养。供试植物为豌豆，品种为适合当地生长的灰豌豆。

试验设置AMF 和对照（CK）2 个处理，采用随机化完全区组设计，3次重复。每个小区大小为6 m×6 m，于7 月19 日播种豌豆，采取人工条播，深度为5 cm左右，条播间距0.3 m，每公顷播种豌豆种子105 kg，AM 真菌与豌豆种子一起以条播的方式施入，每公顷施用375 kg菌剂。生长期内无灌溉，自然雨养。

1.3 试验监测和样品采集

试验监测在9 月28 日，监测内容包括株高和SPAD，每个小区随机选择10 株豌豆进行数据采集。每个小区随机选择4 株豌豆，采集植株地上部，收集根系，将每个小区采集的豌豆地上部分混合作为1个样品供植物营养元素测定，对每株豌豆收集的根系分别进行菌根侵染率测定；并采集土壤样品，每个小区随机选择3 个点采集土壤并混合作为该小区的土壤样品，土壤样品自然风干，去除枯枝落叶等杂物，过1 mm 筛。10 月10 日进行收获采样计产，每个小区豌豆地上部分全部收取，取部分植物样品在室内烘箱80 ℃烘干至恒重计算含水率，并计算每个小区秸秆生物量（包括豆荚生物量）和产量。

1.4 试验方法

土壤pH（水土比2.5∶1.0）和电导率采用电位法（水土比 5∶1）测定［14］；SPAD 采用 SPAD-502 叶绿素仪测量，避开嫩叶、老叶和死叶，选择顶层的1 片叶子，每片叶子取3 个测量值后取均值作为该植株的SPAD 值。植物秸秆全磷和全钾、土壤全磷和全钾、土壤速效磷和速效钾采用电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-AES）测量［14，15］。可溶性糖采用蒽酮法测定［16］；可溶性蛋白采用考马斯亮蓝G-250 染色法测定［17］；有机质参考鲍士旦［14］的方法，采用重铬酸钾容量法测定；植物全氮和土壤全氮采用凯氏定氮法测定；菌根侵染率采用品红染色法测定［18］。

1.5 数据处理

在Microsoft Excel 2016 软件中进行数据整理统计，在SPSS 20.0 软件中进行LSD多重比较检验及方差分析（P＜0.05）。

2 结果与分析

2.1 接菌AMF 对豌豆生长的影响

由表1 可知，接菌AMF 后豌豆株高显著提高了52.34%（P＜0.05），表明接菌促进了豌豆的生长。对照（CK）处理豌豆菌根侵染率为40.00%，接菌AMF使豌豆菌根侵染率显著提高了16.11 个百分点（P＜0.05），表明AMF 与豌豆形成了良好的共生关系。叶绿素是植物进行光合作用的主要场所，其浓度的提高可以促进植物进行光合作用和物质积累［19］。SPAD 反映了植物叶片叶绿素含量，接菌AMF 后豌豆叶片 SPAD 显著提高了 29.35%（P＜0.05）。对照（CK）处理豌豆秸秆总干重、产量和地上总干重分别为 752.48、206.67、959.15 kg/hm2，接菌 AMF 后分别提高了22.69%、20.61%和22.24%，差异均不显著，且收获指数相近，可能是秸秆生物量和产量呈比例增加所致。本试验中接种AMF 后，通过提高植物氮和钾的含量改善了豌豆的营养状况，提高了豌豆叶片SPAD，SPAD 的提高有利于豌豆进行光合作用，提高了豌豆秸秆总干重、产量和地上总干重。

2.2 接菌AMF 对豌豆营养成分的影响

由表2 可知，接种AMF 后秸秆豌豆全氮和全钾含量分别显著提高了12.72%和22.19%（P＜0.05），接种AMF 后秸秆全氮和全钾总吸收量分别提高了38.74%和51.89%，秸秆全磷含量和全磷吸收量并未提高（P＞0.05）。可能是因为土壤中磷元素含量低，但是接种AMF 提高了豌豆秸秆全氮和全钾含量，这与裘浪等［10］的研究结果相近。

由表2 可知，接种AMF 后豌豆可溶性蛋白含量和可溶性糖含量分别提高了1.50%和18.06%（P＞0.05），接种AMF 后豌豆可溶性蛋白总量和可溶性糖总量分别提高了20.09%和47.99%（P＞0.05），这可能是AMF 通过改善植物生长生理状况，进而提高了豌豆的品质［14］。本试验结果与毕银丽等［11］、吴建新等［12］的研究结果一致，接种AMF 提高了豌豆可溶性糖和可溶性蛋白的含量和总吸收量，说明了接种AMF 通过改善植物对营养物质的吸收和利用，提高了豌豆的品质。

2.3 土壤性状

由表3 可知，AMF 处理的土壤pH 低于对照（CK）处理，电导率、速效磷、速效钾、有机质、全钾、全磷和全氮含量均高于对照（CK）（P＞0.05），这可能是菌根有利于增大根系与土壤的接触面积，提高根系对土壤养分溶解的效率，改善了根际土壤营养状况［6］。相比土壤基本值，种植豌豆后不同处理的土壤性状与之近似，说明短期内不同处理对土壤性状的影响较小。接种AMF 提高了有机质含量，也说明了接种AMF 能提高土壤有机质积累。由于菌丝对矿物转化和营养吸收有促进作用，导致土壤速效磷和速效钾含量降低，本试验中接种AMF 后土壤速效磷含量和速效钾含量均有提高，但是差异较小，这可能是土壤贫瘠，营养转化量大于植物吸收量所致。

表1 不同处理对豌豆生理指标的影响

表2 不同处理对豌豆营养成分的影响

表3 不同处理对土壤性状的影响

对比接种AMF 豌豆的生长指标和土壤性状发现，AMF 对豌豆生长的影响要大于对土壤性状的影响，这可能是因为在土壤-AMF-植物体系中土壤性状稳定改变缓慢，短期内受AMF 影响较小，植物生长相对迅速，一定时期内与AMF 形成共生关系就能改善植物的生长状况。

3 讨论

黄土高原地区煤炭资源开采加剧了土壤养分流失，工程复垦后土壤贫瘠，严重制约了该地区农业发展［10］。通过菌根复垦技术缓解煤矿区土壤贫瘠和植物生长不良的问题，是维持煤矿区农业生态系统高效发展的途径之一。研究表明，AMF 能够促进煤矿复垦区植物的生长，这与AMF 对其他植物的促生作用相似［6］。AMF 对植物的影响主要是依靠AMF-根系-土壤-植物之间形成的耦合，通过形成的菌丝桥直接或间接地调控植物的物质代谢和土壤理化状况，并促进生态系统的物质循环和能量流动，进而调控植物生长，提高作物产量和品质［5，11］。

土壤贫瘠条件下，接种AMF 能够提高植物菌根侵染率，AMF 与植物根系形成菌根系统，菌根系统通过菌丝网络增加了根系对水分和养分的吸收，促进植物生长［19，20］。研究区为黄土高原煤矿复垦区，土地工程复垦后首次进行农业种植，土壤贫瘠，微生物多样性低，接种AMF 显著提高了豌豆的菌根侵染率，促进了植物钾和氮的吸收，改善植物长势和营养吸收状况。黄土高原地区夏季日照充足，充分利用光能，有效提高该地区植物光合作用效率是提高该地区土地生产力的关键。营养吸收是植物生长重要的生理过程，叶绿体是植物进行光合作用的重要场所，在不改变外界环境条件下，菌根通过促进植物对土壤水分和营养物质的吸收，促进了叶绿素合成，从而有效提高植物光合作用和促进干物质的积累［19］。AMF 与宿主植物形成良好的互利共生关系，促进植物营养吸收，均衡植株营养需求，进而提高作物品质［9］。

研究表明，土壤酶活性主要来源于植物根系和微生物的分泌物，接种AMF 能够提高土壤蔗糖酶活性，而蔗糖酶能够将土壤中难分解的有机物催化分解为果糖和葡萄糖，为植物提供更多的碳源和能源，增加土壤中有机质含量，培肥土壤［7，21，22］。接种 AMF能够增加土壤氮含量，可能是AMF 增加了土壤中菌丝密度，菌丝增大根系与土壤接触面积，提高土壤氮浓度；并且菌丝能够延伸到根系达不到的范围，促进了土壤有机物矿化，提高土壤中氮磷钾的含量，为植物营养吸收提供支持［3，4，10］。AMF 对土壤的影响效果低于对植物的影响效果，原因可能是在复杂自然环境下，接种AMF 对土壤理化特性的影响较为缓慢，但是接种AMF 对豌豆的生长有一定的促进作用。

4 小结

本研究通过在黄土高原煤矿区种植豌豆并接菌，研究了接菌对豌豆生长、营养吸收、品质和根际土壤性状的影响，得到如下结论。

1）接种菌根显著提高了豌豆的株高和SPAD；接菌使豌豆全氮和全钾含量分别显著提高了12.72%和22.19%，对全磷含量影响较小；接菌使豌豆可溶性糖和可溶性蛋白含量分别提高了1.50%和18.06%；接菌使得豌豆秸秆生物量、产量和地上总生物量分别提高了22.69%、20.61%和22.24%。

2）接种菌根对根际土壤电导率、速效磷、速效钾、有机质、全钾、全磷和全氮含量有一定促进作用。