矿山土地复垦不同压实密度土壤中菌根作用机理及生态效应研究

2021-09-08祝琨

矿业安全与环保 2021年4期

祝琨

(煤炭科学研究总院，北京 100013)

煤炭开采使地表发生沉陷、地裂缝等破坏，而煤矸石的排放在地表形成矸石山堆积，压占土地资源。矿区土地复垦工作中，对塌陷地及矸石山进行覆土工作时，采用分层覆盖、分层碾压的工程技术方法[1-4]，这会造成复垦后的土壤密实程度明显高于普通土壤，不利于植物的生长[5-7]。

丛枝菌根真菌是自然界中普遍存在的一种土壤微生物。陆地90%以上的有花植物都能与其形成共生体系[8-10]。丛枝菌根能够促进植物吸收利用矿质养分和水分,提高作物的抗逆性和抗病性,改良土壤结构,增强土壤肥力,提高苗木移栽成活率,促进植被恢复。丛枝菌根的这些生理生态特性使得菌根技术具有克服矿区煤矸石山生态重建中N、P、K及有机质含量极低，土壤结构不良，持水保肥能力差，极端pH值，干旱或盐分过高引起的生理干旱的潜力[11-14]。

笔者模拟不同压实土壤密度，研究接种菌根对植物在不同压实密度土壤中的作用机理及复垦的生态效应。

1 实验材料与方法

1.1 实验材料

实验取复垦区上覆土壤，在实验室测定其理化性质参数，并在高压灭菌锅中灭菌备用。所取土样的理化性质参数如表1所示。

表1 土样理化性质参数

实验用微生物菌根为摩西球囊菌(G.mosseae，以下简称G.m)，由中国矿业大学(北京)微生物复垦实验室提供。

实验种子选用玉米(maize)种子，由中国农业科学院中农种子公司提供。播种前种子用10%的H2O2浸泡10 min，用去离子水反复清洗数遍沥干备用。

实验盆采用容积为5 L的塑料盆钵，使用前用自来水清洗沥干，再用75%的酒精消毒。

1.2 实验设计及方法

实验设计接种摩西球囊菌(G.m)(+M)和不接菌(-M)2种处理方案，每种处理方案土壤分为3个压实密度水平(1.35、1.65、1.95 g/cm3)，共计 6种处理方案，即1.35+M、1.35-M、1.65+M、1.65-M、1.95+M和1.95-M，每种处理方案重复3次。

接菌种植实验在温室中进行，每个塑料盆钵内装灭菌后的风干基质5 kg，丛枝菌根真菌接种以穴播方法进行，每个接种处理方案盆钵内接种15 g。在整个生长期内，为防止其他杂菌污染实验，浇灌蒸馏水用于植物生长，并用称重法维持基质含水量在最大持水量的70%～85%。实验于当年6月22日开始播种，每盆播种5粒玉米种子，待发芽后视其生长情况定苗至3株。玉米经过3个月的生长，于9月23日收获。

1.3 测定指标

植物收获时，分别收获地上和地下部分，清洗根系，测定菌根侵染率(Phillips & Hayman，1970)、菌丝密度、植物地上和地下部分干质量，以及植物地上和地下部分N、P、K的含量。

通过测定菌根侵染率、菌丝密度，用其表征接种的微生物菌根与宿主植物的亲和程度及共生能力[15]；通过测定植物地上、地下部分的干质量，用其表征接种微生物菌根对植物生长量的促进作用[16]；通过测定植株N、P、K含量，用其表征接种微生物菌根对植物吸收矿质养分能力的改良作用。

2 实验结果分析

2.1 不同处理方案菌根侵染率及菌丝密度

菌根侵染率能在一定程度上反映菌根真菌与宿主植物的亲合程度[17]；而菌丝长度则反映菌根在促进植物生长、营养吸收、抗逆性等方面能力的大小，是菌根与宿主植物侵染能力高低的重要指标[18]。

不同处理方案的菌根侵染率及菌丝长度如图1所示。

(a)菌根侵染率

由图1可以看出，在3类压实密度土壤中，菌根侵染率均达到60%以上，说明接种菌根与宿主玉米的亲和程度较好。而在考虑标准误差的前提下，菌根侵染率及菌丝长度均随着土壤压实密度水平的提高而逐渐降低，且差异性均达到显著。这说明随着土壤密实度的增高，植物根系的生长较困难，植物生长的适宜性较差。

2.2 不同处理方案玉米生长量

不同处理方案下，玉米地上、地下部分干质量对比如图2所示。

(a)玉米地上部分

由图2可见，不同处理方案的玉米，接菌的地上部分干质量均高于相应的不接菌对照组，且分别提高了12.11%、22.78%、28.31%；接菌的地下部分干质量均高于相应的不接菌对照组，且分别提高了9.60%、8.53%、10.09%。考虑到标准偏差的影响，其差异性均达到了显著水平。由此可见，接种G.m菌对玉米地上、地下部分的生长有明显的促进效应，这一促进效应在1.95 g/cm3压实密度水平中最为明显。

在接菌的3个处理方案之间进行横向对比，1.35 g/cm3与1.65 g/cm3两组压实密度水平处理方案中，玉米地上部分的干质量值相当，差异不显著，但均显著高于相对应的1.95 g/cm3压实密度水平处理方案中植物地上部分的干质量值；玉米地下部分的干质量值也呈现同样的规律。而在不接菌的3个处理方案之间进行横向对比，植物的地上、地下部分干质量值均随着土壤压实密度水平的上升呈现下降趋势，而且差异性均达到显著水平。由此可见，1.35 g/cm3压实密度水平土壤最适宜植物生长，而通过接种G.m菌，能够使植物在1.65 g/cm3压实密度水平的土壤中的生长情况提高至与1.35 g/cm3压实密度水平土壤相当。

2.3 不同处理方案植物及土壤N、P、K含量

N、P、K 3种元素是植物生长发育的重要物质基础，植物吸收N、P、K元素的量与其生物量和产量呈显著的正相关关系。N、P、K元素供给不足是农业生产中最重要的限制因素之一[19]。

不同处理方案玉米地上、地下部分N、P、K的含量，反映了在不同土壤密实度及接菌与否的条件下植物吸收养分的能力。图3～5分别为不同处理方案玉米地上、地下部分N、P、K元素含量图。

(a)地上部分

纵向对比接菌与未接菌处理方案玉米地上、地下部分N、P、K元素含量，以玉米地上部分N元素含量为例，3类压实密度水平接菌处理方案的玉米地上部分N元素含量分别达到1.635、1.629、1.507 mg/kg，而其未接菌对照组N元素含量分别达到1.392、1.387、1.298 mg/kg。通过接种G.m菌，3类压实密度水平玉米地上部分的N元素含量分别提高了17.41%、17.44%、16.11%，考虑标准偏差的影响，提高程度均达到显著效果。接菌与未接菌处理方案玉米地上、地下部分N、P、K元素含量的变化均呈现同样的规律，仅玉米地下部分K元素含量，在考虑标准误差的影响下，接菌处理方案的K元素含量相对未接菌对照组有所提高，但提高程度不显著。可见，接种G.m菌可以显著提高植物对土壤中N、P、K元素的吸收能力。

横向对比3类压实密度水平处理方案N、P、K元素含量，以玉米地上部分N元素含量为例，接菌考虑标准误差的影响，1.35 g/cm3与1.65 g/cm3两组压实密度水平处理方案中，玉米地上、地下部分的N、P、K含量相当，差异不显著，但都显著高于1.95 g/cm3压实密度水平。说明接种G.m菌使得玉米在1.35 g/cm3与1.65 g/cm3两组压实密度水平土壤中的生长情况相当，可以促进玉米在密实程度较高的土壤中生长，提高玉米对土壤密实度的适应性。