接菌对紫花苜蓿根系抗拉性及根菌复合土体抗剪强度影响

2022-08-02毕银丽王双明

煤炭学报 2022年6期

毕银丽，罗睿，王双明

(1.西安科技大学煤炭绿色开发地质保障重点实验室，陕西西安 710054；2.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083)

随着矿业资源开发，废弃矿井的生态环境问题逐渐突显，废弃井工矿开采导致地表沉陷，废弃露天矿排土场致使边坡地质灾害频发。不同废弃矿井对生态环境的影响均与植物生长密切相关，开采对植被根系造成了不同程度的拉伤或损伤，致使植被成活率降低，生物种群锐减、土地质量退化。根系发育好坏是关系到生态修复能否成功的核心，植物根系不仅能从土壤中吸收水分和养分，还能改良土壤结构和成分，从而增强土壤的抗剪切能力。根系对土力学作用方面的研究较多，根复合土抗剪强度明显高于不含根素土。随着土体含水率的提高，根复合土抗剪强度指标黏聚力降低，复合土中存在最优含根量，当复合土为最优含根量时，土体的抗剪强度最大。研究发现草木根系力学特性受根径、植物生长位置等因素影响，根系中纤维素、半纤维素、木质素3种化学成分也可以影响根系抗剪强度。

近年来利用微生物修复技术在煤矿区沉陷地和露天排土场取得了较好的生态修复效应，微生物修复技术成为根系修复和土壤改良的强有力手段。目前对采煤沉陷地根系发育影响较大的2种主要微生物是丛枝菌根真菌(AMF)和深色有隔内生真菌(DSE)，2种真菌都能侵染植物根系促进根系功能发育，提高生态修复效应。AMF和DSE都能生成根外菌丝，增强根系与土壤的接触面积，促进宿主植物对养分的吸收利用，提高宿主的适应性或营养状况，增强对拉伤或其他胁迫的抵抗性。接菌对损伤根系的修复机理和作用已有报道，而AMF和DSE联合对根系力学特性和根菌复合土抗剪强度的研究却鲜有报道。

紫花苜蓿适应性广、具有抗旱、抗寒等特点，为矿区适生优势植物。笔者选择紫花苜蓿作为宿主植物，采用室内盆栽实验，对不同微生物接种根系进行力学特性研究，比较菌根复合土黏聚力与含根量等指标之间的关系，揭示不同真菌对紫花苜蓿根系力学强度特性及根菌复合土力学变化特征的影响，以期为微生物修复在采煤沉陷地或排土场废弃地的力学研究提供新思路。

1 供试材料与方法

1.1 供试材料

选取适用于干旱半干旱地区生长的紫花苜蓿种子(Medicago sativa L,多年生草本植物，简称苜蓿，下同)，播种前用10% HO表面消毒10 min，后用去离子水反复冲洗3～4次，在26 ℃培养箱催芽1 d。供试菌种为摩西管柄囊霉(,简称)和深色有隔内生真菌(DSE)。微生物菌剂均为西安科技大学西部矿山生态环境修复研究院自主增殖扩繁所得。供试土壤为质量比3∶1沙子黑黏土混合而成，经过121 ℃高温高压灭菌2 h后风干备用。

1.2 试验设计

试验设置详如表1和图1所示。每根管内填充1.3 kg土，接种52 g含有AMF根段和根际土的AMF菌剂与土壤拌合后装柱再播种；接种DSE为将 80%的DSE菌液(8×10cfu/mL)15 mL均匀撒在种子周围，对照处理加等量灭活菌剂。每根管播5粒催芽苜蓿种子。试验在西安科技大学西部矿山生态环境修复研究院光照培养室内进行，日均温度16～31 ℃，生长期内常规管理，采用称重浇水法，保持土壤含水率为土壤最大饱和持水量的60%。种植3个月后，收获植物地上部，烘干称重其干物质，地下部根菌复合土制备试样进行三轴剪切试验。

表1 试验设计

图1 试验装置

1.3 测定方法

..植物地上、地下生长量及侵染率指标测定

对紫花苜蓿地上株高、生物量、地下根径、根长指标进行测定统计。采用刻度为0.1 cm的钢卷尺对株高进行测量，采用干重法测定地上和地下部的生物量。采用根系扫描系统MICROTEK GXY-A V2.3.2分析根径、根长等数据。随机取新鲜根样(约45个根段制片)，用10%KOH溶液浸泡24 h，冲洗干净后，用酸性品红乳酸甘油染色液染色法染色，在显微镜(Motic Panthera Client)下观察测定苜蓿的AMF菌根和DSE侵染率。

..三轴剪切试验

土体抗剪强度是一个重要力学性质，直接反应土壤的聚合能力和迁移阻力。三轴剪切试验常常被作为土体在实际土层中受力状况的模拟方法，能更合理反映土体的抗剪强度。因此，对接菌根系复合土试样做不固结不排水试验(UU试验)，由SLB-1A型应力应变控制式三轴蠕变仪进行，对试样分级施加25,50,100 kPa共3级围压，以0.8%/min的速率进行剪切试验。方法参照GB/T 50123—2019《土工试验方法标准》的要求进行：

=+tan

(1)

式中，为土体抗剪强度，kPa；为黏聚力，kPa；为法向应力，kPa；为内摩擦角，(°)。

..单根拉伸试验

三轴剪切试验结束后，将试样放置在孔径为0.02 mm的筛中清洗出根，用滤纸吸干根表面水分后称重并统计，用根系表型分析系统扫描后统计数据。单根拉伸试验以根从中间发生断裂为有效数据。以单根最大抗拉力及根径，计算出4种处理下根系的最大抗拉强度，计算公式为

=4(π)

(2)

式中，为最大单根抗拉强度,MPa；为最大单根抗拉力,N；为根段直径,mm。

接菌根系复合土试样的含根量为

(3)

式中，为接菌根系复合土含根量，指单位体积内根土复合体所含植物根系的质量,g/cm；为接菌根系复合土所含鲜根质量,g；为接菌根系复合土体积，为96 cm。

1.4 数据处理

使用Microsoft Excel 2010进行数据整理及统计，采用Origin2021进行绘图。使用IBM SPSS Statistics 20.0软件进行方差分析，显著性水平=0.05。接菌贡献率(%)=接菌与对照的苜蓿地上生物量差值/接菌生物量×100。

2 结果与分析

2.1 接菌对土体物理性质及植物生长指标特征影响

..土体物理性质

由表2可以看出，接菌和对照处理的土壤粒径组成总体情况相同，均为细砂粒>中砂粒>粗砂粒。接菌处理的土壤构成中粗砂粒所占比例均比未接菌前增高，且细砂粒也均比接菌前的含量成倍降低。此外接菌后的土壤颗粒分布中，双接菌的土壤构成里细砂粒所占的比例明显低于单接菌处理后的土壤颗粒分布，说明双接菌更有利于团聚体的形成，这与双接菌的植物生长繁密，可降低地表水分蒸发，保水能力更强有关。

表2 土体物理性质指标

..植物生长指标特征

株高和地上生物量是植物长势最直观的表征。随接菌种类和方式的改变，苜蓿株高和地上生物量均呈现增加的趋势。

由表3可知，接种菌根均不同程度地增加苜蓿的株高，其中双接菌AMF+DSE处理的株高显著提高29%；双接菌AMF+DSE处理下的地上生物量显著高于单接菌AMF和DSE处理(<0.05)，与2个单接菌处理分别对比增长了55%,43%。随着侵染率的增加，地上生物量显著增加，接菌与苜蓿形成了较好的共生关系，表明双接菌对宿主植物生长更有促进优势，菌根对生物量的贡献率达74%。

表3 接菌处理对紫花苜蓿地上部和地下部生长影响

2.2 接菌对单根抗拉力和单根抗拉强度的影响

不同接菌处理对苜蓿单根抗拉力、抗拉强度及根径的影响见表4，接菌处理下紫花苜蓿平均根径显著大于CK2处理(<0.05)，而不同菌处理间差异不显著。紫花苜蓿根系单根抗拉力在4种处理下由大到小依次为AMF+DSE>DSE>AMF>CK2，其中双接菌处理下平均单根抗拉力显著高于其他3种处理，分别为CK2,AMF,DSE处理的1.698倍、1.692倍、1.545倍。4种处理下紫花苜蓿根系平均单根抗拉强度由大到小依次为AMF+DSE>CK2>AMF>DSE，其中双接菌处理下平均单根抗拉强度对比CK2,AMF,DSE处理增长了20%,41%,52%，双接菌AMF+DSE根系平均单根抗拉强度对比单接菌AMF,DSE处理有明显增强。

单根抗拉力、抗拉强度与根径的关系如图2所示。不同接菌处理的单根抗拉力随根径增加而增大，符合幂函数关系；单根抗拉强度随直径增大而减小，且单根抗拉强度随根径增大而减小的速率开始变缓慢，符合指数函数关系。该试验结果与朱海丽等、李可等对四翅滨藜、柠条锦鸡儿和草地早熟禾根系单根拉伸试验结果相一致。由根系抗拉力与根径之间的回归表达式(表4)分析可知，不同处理的苜蓿根系抗拉力、抗拉强度与根径之间均存在显著相关关系，而双接菌处理的幂函数关系变幅最大，不接菌处理变幅最低。当根径超过0.6 mm时，单根抗拉力随根径增大的速率更大，单根抗拉强度随根径增大而减小，表明双接菌处理的苜蓿根系可显著增强自身的抗拉特性。

表4 不同接菌处理对单根抗拉力及抗拉强度影响

图2 不同处理下根径与单根抗拉力、单根抗拉强度关系

2.3 不同接菌对复合土抗剪强度特征的影响

..主应力差与轴向应变的关系

由表5可知，在同一围压作用下，所有种植植物的根土复合土均可增加土体的主应力差，同时接菌处理的主应力差峰值显著大于不接菌处理，其中双接菌处理的主应力差最大，单接菌次之。在单接菌中，DSE处理的菌根复合土主应力差高于AMF处理。原因是接菌根系更粗、根量更大(表5)，对土壤产生显著的“加筋”作用，增加了土壤之间的摩擦力，在受到剪切作用时，生成的摩擦力会使菌根不容易被拉断，菌根就起到了锚杆的作用，所以土体的抗剪强度也会提高。因此前述主应力差由大到小的顺序与根径、含根量顺序一致，依次为AMF+DES,DSE,AMF,CK2,CK1。有研究表明，AMF和DSE均可与植物共生，促进根系发育，对植物根系生长有显著正向影响。在本试验中，接菌处理的含根量和根径均显著高于不接菌处理，因此其抗剪强度都高于不接菌处理。有研究发现，AMF和DSE可以一起生长并定殖在宿主根系，形成共生结构，对根系发育和土壤性质有直接关联，2者通过土壤养分积累和与植物的养分交换来促进植物生长及根系发育。因此双接菌处理的菌根复合土强度对比单接菌AMF,DSE处理增加了16%,13%。在含水率和根径无明显差异的情况下，DSE处理的土体含根率远超于AMF处理。

表5 土样破坏时主应力差和接菌贡献率

不同接菌处理下复合土在剪切试验中主应力差与轴向应变的关系曲线如图3所示，其中围压=25 kPa,=50 kPa,=100 kPa。由图3可知,峰值主应力差随着围压的增大而增大；随着围压增大应力-应变曲线初始阶段线性程度有增加，具有明显的弹性性质，说明接菌复合土体符合摩尔-库伦抗剪强度理论。接菌处理的根系可显著提高土体抗变形作用(表5)，在25 kPa围压作用下，当主应力差为20 kPa时，AMF+DSE处理试样的轴向应变为1.03%，DSE为0.94%，AMF为0.75%，CK2为0.56%，与单接菌相比，双接菌处理的根系相对更显著提高土体的抗剪强度，提高了146%。

图3 同一深度不同处理试样在3种围压下主应力差(σ1-σ3)和轴向应变ε1曲线

在三轴剪切试验的初始阶段，相同围压作用下双接菌处理试样的抗剪强度相较其余处理试样的抗剪强度增长速率更为明显。对于崩塌、滑塌、沉陷等地质灾害发生的突发性特点，双接菌处理的根系在灾害发生初始阶段可起到显著增强土体抗剪强度的作用，提高土体抗变形能力，因此在一定程度上起到显著提高土体稳定性，增大减损的功效。

..不同接菌黏聚力随深度变化规律分析

由表6及图4可知，在相同深度处，接菌处理下根菌复合土试样的黏聚力均大于未接菌处理。此外，在地表下10～20 cm处，3种接菌处理下根菌复合土试样的黏聚力为16.0～27.9 kPa，与不接菌处理相比黏聚力最大增幅达5倍多，接菌贡献率最高达186%。不同处理下黏聚力由大至小依次为AMF+DSE(27.90 kPa)>DSE(17 kPa)>AMF(16.00 kPa)>CK2(15.00 kPa)>CK1(5.73 kPa)。相应的在20～30,30～40 cm处，接菌处理下根菌复合土试样的黏聚力分别为18.00～32.66,14.00～18.83 kPa，与不接菌处理相比根菌复合土黏聚力增幅分别为5.88%～196.91%,19.15%～115.2%，接菌处理贡献率达到192%,160%。

表6 不同处理及不同深度的根土复合体黏聚力及其与含根量之间的拟合关系

图4 10～20,20～30,30～40 cm深度下不同处理试样黏聚力

不同处理下黏聚力由大至小依次为AMF+DSE>DSE>AMF>CK2>CK1处理，该结论与试样含根量分布大小一致。说明菌根能起到加筋作用，含量越多用来约束土体变形的能力就越强，因此双接菌处理在不同深度处均能显著提高紫花苜蓿根菌复合土的黏聚力。

对比同一处理不同深度下的黏聚力可知，地表下20～30 cm深度处根菌复合土黏聚力最大，其次为10～20 cm深度处，30～40 cm处黏聚力最小，也与含根量分布顺序一致。根量在浅土层20～30 cm处分布最多，在越深的土层位置，根系分布相对越少，对增强土体黏聚力发挥的作用随之减小。具体表现为在地下30～40 cm深度处，5种处理下的含根量比10～20 cm处相对降低了44%～100%，比20～30 cm处降低了73%～100%。

..不同接菌黏聚力随根长、根径变化规律

由表7分析可知，菌根复合土存在最优根径的特点，即菌根复合土的黏聚力在根径约为0.6 mm时达到相对最大值；当根径小于0.6 mm时，菌根复合土黏聚力随根径增加而增加；当根径大于0.6 mm时，表现为随根径增加而减小的趋势。可见并不是越粗的根对提高土体黏聚力作用越强。

表7 根径、根长分布统计

根长在不接菌处理下随深度增加而减小(表6)，在接菌处理下均呈现随深度先增大后减小的规律，且都在20～30 cm处最长，黏聚力与根长在深度上亦有相同规律。在30～40 cm深度处，双接菌AMF+DSE处理的平均根长比CK2,AMF,DSE处理的根长分别降低了10%,83%,135%，但黏聚力比上述3种处理分别增长了37.6%,25.65%,19.76%，表明双接菌的菌根对提高紫花苜蓿菌根复合土黏聚力具有更显著的正向效应。

..不同接菌黏聚力和内摩擦角随含根量变化规律

根系多分布浅土层(20～30 cm)，对由含根量引起的黏聚力变化进行分析可知(表8)，接菌处理下根菌复合土的含根量均大于CK2，黏聚力随含根量的增加而增加，含根量与黏聚力呈正相关关系。其中，双接菌处理的接菌贡献率高达186%，是单接菌AMF,DSE处理的1.744倍、1.641倍，表明双接菌处理可显著增强土体强度。

表8 不同接菌处理20～30 cm深度土样含根量、黏聚力及内摩擦角

本试验中4种处理下的内摩擦角均无明显变化，说明菌根对内摩擦角影响很小，主要通过增加黏聚力来提高土体的抗剪强度。

3 讨论

笔者研究了紫花苜蓿根系在接菌处理下单根抗拉强度与根径的关系，以及根菌复合土抗剪强度与根长、根径、含根量、深度之间的关系。

根系是植物重要器官，不仅吸收输导土壤中水分养分、还有合成和储存营养物质的功能，还具有固持水土能力。研究表明，植物根系通过发挥其自身的抗拉特性以增强土体的抗剪强度，同时，植物根系具有的抗拉性能是增强采煤沉陷或边坡稳定性最重要的因素。单根力学特性大小与根系尺寸有着密切关系。国内外学者对部分植物的单根抗拉力、抗拉强度研究表明，植物根系拉拔力随根径增加而增大，抗拉力与植物生物学特性、土壤含水率等因素有关。可能是随着根系直径的增粗，根的横截面积迅速增加，且根系木质化程度会随着根径的增大而提高，使细胞排列相对紧密，含水量降低，促使根系具有较好的抵抗变形的能力，抗拉力也随之增加。本试验中，各处理下紫花苜蓿根系抗拉强度随直径增加呈指数函数减小，与柠条、沙棘和沙柳根系抗拉强度的变化规律一致。本研究接菌处理促使宿主植物根径增加，引起根系单根抗拉强度发生显著变化，而本试验接菌处理之间的平均根径无显著变化，但双接菌的单根抗拉强度显著高于单接菌，说明双接菌增强了植物根系的抗拉伸能力。

抗剪强度是衡量根-土复合土力学性能的重要力学特性，也是生态治理研究领域中热点问题之一，而黏聚力和内摩擦角是主要体现抗剪强度的力学指标。对根-土复合体来讲，当土体受到外力作用时，不仅产生土粒与土粒之间的凝聚力，还产生土粒与根系之间的凝聚力，故黏聚力可理解为土壤与根系之间的凝聚力之和；且复合土受到剪切作用时，不仅产生土粒之间的摩擦作用，还有土粒与根系之间的摩擦作用，因此内摩擦角可理解为土壤与根系之间的综合摩擦角。本试验中内摩擦角均未产生显著差异，各个处理下的复合体试样抗剪强度大小集中体现在黏聚力的变化上。申紫燕等的研究结果指出，复合体黏聚力与速效P、含根量和有机质3种因素之间的关联度较高。在土壤表层，有机质、速效P等营养易产生表聚现象，可促进了植物根系生长，含根量也随之增大。而AMF和DSE在改良土壤性状方面均有重要作用，接种后土壤质地发生变化，增强了土壤保水能力，土壤养分也有明显改善，如有机碳、全氮等营养含量明显增高。本试验中，双接菌AMF+DSE处理在相同深度下比单接菌处理黏聚力大，菌根复合体黏聚力呈现出随土体深度增加而减小的趋势，与含根量在深度上变化规律一致，均为20～30 cm深度处最大。DOCKER等对根-土复合土试样进行原位直剪试验，指出植物根系可显著增强土体抗剪强度和抗剪切变形能力。植物根系不仅可通过影响土壤中养分的供应来提高土体强度与稳定性，且植物根系和相关微生物也会分泌一些有机物质，即根系分泌物，与土壤力学性质也密切相关。接菌有利于土壤碳累积、植物养分交换及促进植物生长激素的增加来影响根系发育和植物生长。本研究中接菌处理均产生了根外菌丝，接菌处理下根菌复合土的含根量均大于CK，其土壤强度也显著提升。菌丝作为真菌的营养体，是由纤维素、蛋白质及几丁质等组成，随着菌丝的不断生长，菌丝之间相互交织形成菌丝网络，将土体黏结形成一个黏结体，促进根系吸收更多的水分及养分之外，也增强了对土壤的保水作用和植物生长的促进作用。研究表明，菌丝对提高土体强度的原因是菌丝对基质材料的缠绕和黏结，菌丝定殖程度对其力学特性有重要的影响。且AMF+DSE也可通过根分泌物的有机物如黏液、微生物诱导的生物膜，真菌缠结和微生物诱导的生物矿化形成的土壤团聚体。很明显，黏液可改变紧靠根系周围区域的土壤结构，从而改变该区域的机械和水文行为，从而有利于植物生长，还可促进土壤颗粒与根系的机械黏附，促进2者之间的接触。同时，根际周围的微生物聚合物会影响土壤的机械性能，已有研究证明新鲜根系分泌物可降低土壤的渗透阻力，使根系延长，它导致土壤颗粒黏附在根上，促进周边区域在根际附近聚集，从而有效使植物锚固周边的土壤，使土壤的变形阻力有效增强。因此，对菌丝引起的根际周围土壤环境的变化对土壤结构及力学性能的贡献仍需要更深入的探讨。

在自然环境中，根系形态结构发育具有随机、多样性，且坡地根系形态不同于平地，受坡度影响，根系固土作用不及预期，很多学者意识到植物根系的形态结构是影响土体抗剪强度的重要因素。本试验仅对比了接菌对植物根系力学特性的影响，对根系在地下的形态结构变化对土体抗剪强度的影响尚未展开，有待后续进一步研究。