接種叢枝菌根真菌對礦井水回灌玉米生長的影響

李少朋++畢銀麗++彭星

摘要：基于神東礦區(qū)天氣干旱、水資源日益短缺的特點，利用礦井水回灌植物，通過在植物根際接種叢枝菌根真菌，研究接種叢枝菌根真菌對礦井水回灌玉米生長的影響及其對根際土壤的生態(tài)效應(yīng)。結(jié)果表明，利用礦井水回灌玉米3個月后，接種叢枝菌根真菌促進了玉米的生長，接種叢枝菌根真菌處理玉米干質(zhì)量比對照組高出3 g/株；試驗選擇的叢枝菌根真菌和玉米保持較高的共生關(guān)系，強化接種叢枝菌根真菌使玉米根系侵染率、菌絲密度分別達到76%、28 m/g；接種叢枝菌根真菌提高了玉米植株氮、磷、鉀的含量，有利于根際難溶礦質(zhì)元素的活化，且玉米根際土壤中有效磷、有機質(zhì)含量增加顯著。

關(guān)鍵詞：叢枝菌根真菌；礦井水；回灌；玉米；土壤

中圖分類號： S182；S513.07文獻標志碼： A文章編號：1002-1302（2016）05-0112-03

礦井水是煤礦區(qū)域水資源系統(tǒng)的特定組成部分。目前，中國煤炭開采主要以井工開采，煤炭開采過程中勢必引起礦井水的外排。礦井水的直接排放不僅造成水資源浪費，還會引起環(huán)境污染問題。目前，中國礦井水排放量約42億 m3，而利用率只有26%，隨著對煤炭需求的增加，中國礦井水排放量呈逐年增加趨勢[1]。礦井水的種類較多，其處理方法也不相同，在西方發(fā)達國家，利用可滲透性反應(yīng)墻、膜分離和酸性中和等物理化學方法較為常見，其中生物方法廣受關(guān)注。美國利用人工濕地處理煤礦酸性礦井水，并使排水pH值提高到6～9，平均總鐵≤3 mg/L，總錳≤23 mg/L[2]；加拿大有研究者也提出利用慢速釋放丸劑形式施加殺菌劑，控制黃鐵礦的氧化，從源頭抑制酸性礦井水的產(chǎn)生[3]。相對于西方發(fā)達國家，中國礦井水的治理和利用還存在一定差距，隨著對水資源利用的日益重視，各種治理方法也相繼出現(xiàn)，郭中權(quán)等采用預(yù)處理+阻垢劑+反滲透裝置的處理工藝對某煤礦高硫酸根硬度礦井水處理，脫鹽率一直保持在97%以上[4]。中國煤炭資源呈西多東少格局，且多分布于西部干旱半干旱的生態(tài)脆弱區(qū)，該區(qū)水資源的嚴重不足，已影響到我國煤炭工業(yè)的進一步發(fā)展[5]。因此，通過一定技術(shù)手段實現(xiàn)礦井水的再生利用，這不但能夠緩解礦區(qū)水資源缺乏的局面，同時對礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護、滿足人們生產(chǎn)和生活需求具有重要意義。

叢枝菌根真菌是一種嚴格的營共生生活的真菌，且廣泛分布于自然界。大量的研究表明，叢枝菌根真菌不但能夠促進植物對礦質(zhì)元素的吸收[6]，促進植物生長，同時具有提高植物抗旱[7]、抗鹽[8]、抗病蟲害[9-10]和抗重金屬污染等特征[11-12]；叢枝菌根真菌還可改善土壤團聚體結(jié)構(gòu)，為土壤提供碳源[13-14]。叢枝菌根真菌對生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性起著重要作用，提高植物群落的多樣性和生產(chǎn)力。基于此，本研究以礦區(qū)退化沙土為供試基質(zhì)，玉米為供試植物，研究接種叢枝菌根真菌對礦井水回灌玉米生長的影響及其對根際土壤的生態(tài)效應(yīng)，從而為礦井水安全回灌提供技術(shù)支持，也為叢枝菌根真菌在采煤沉陷區(qū)的推廣應(yīng)用提供參考。

1材料與方法

1.1試驗地點

試驗地點位于陜西省神木鎮(zhèn)李家畔村。該區(qū)年均氣溫為7.3 ℃，年平均降水量在365 mm。冬季干旱，夏季暴雨，雨季集中，蒸發(fā)強烈，年平均蒸發(fā)量是年平均降水量的4.55～6.72 倍。

1.2試驗材料

供試基質(zhì)為神東礦區(qū)活雞兔采煤塌陷地沙土，基本理化性質(zhì)：速效鉀含量7.8 mg/kg，速效磷含量1.3 mg/kg，pH值7.84，電導率67 μS/cm，有機質(zhì)含量1.13 g/kg，全鹽含量 0.054 9 g/kg。供試玉米種子由中國農(nóng)業(yè)科學院種子公司提供，玉米品種為農(nóng)大CFO24。供試菌劑為Glomus mosseae，由北京市農(nóng)林科學研究院提供。用水來自活雞兔污水處理廠的礦井水，選擇的礦井水屬于高礦化度水，其值高于1 000 mg/mL，活雞兔礦井水屬于劣Ⅴ類。

1.3試驗設(shè)計

試驗于2013年5月進行，采用盆栽方式，主要設(shè)置加菌（+M）與不加菌對照（CK） 2種處理，每種處理4個重復(fù)。每盆基質(zhì)總重量為5 kg，其中加菌的是由200 g的G.mosseae菌劑與 4.8 kg 的沙土組成，不加菌組則是完全5 kg的沙土。種植玉米前礦井水澆灌，并使基質(zhì)達到最大飽和持水量，水分平衡 1 d 后播種。玉米生長過程中利用礦井水澆灌，并使土壤含水量保持最大持水量的70%左右。玉米生長環(huán)境為露天生長，為了免受降水影響，雨天搭遮雨棚。

1.4測定方法

苗期玉米生長至70 d 后，采集玉米植株，在100 ℃烘箱內(nèi)殺青30 min，然后放到70 ℃烘箱內(nèi)直至烘干，測定玉米干質(zhì)量。菌根侵染率采用臺盼藍染色法測定[15]；菌絲密度采用網(wǎng)格交叉法測定[16]；pH值和電導率分別利用pH計和電導儀測定；玉米葉片和根系中全氮、全磷和全鉀含量的測定參考鮑士旦的方法[17]。土壤有機質(zhì)含量的測定采用重鉻酸鉀外加熱法（K2Cr2O7-H2SO4 法）；土壤速效磷含量測定采用鉬銻抗比色法。土壤全鹽（可溶鹽總量）采用無CO2 去離子水，按土水比1 ∶5 提取，振蕩5 min，過濾后用質(zhì)量法測定[18]。

2結(jié)果與分析

2.1叢枝菌根真菌和礦井水回灌玉米共生關(guān)系

從圖1可以看出，本研究所選擇的叢枝菌根真菌和宿主植物玉米之間保持較好的共生關(guān)系，在利用礦井水回灌的條件下，強化接種菌根真菌提高了玉米根系的侵染率，其中+M處理要比CK處理高出29百分點，且2種處理侵染率差異顯著。在未接叢枝菌根條件下，CK組玉米根系菌根侵染率也保持在40%以上，這主要是試驗所選擇的礦區(qū)土壤含有土著的叢枝菌根真菌。叢枝菌根真菌在干旱、重金屬脅迫和鹽害條件促進植物的生長，且和宿主植物能保持較高的共生關(guān)系，盡管本研究選擇礦化度較高的礦井水回灌，但二者的共生關(guān)系未受影響，強化接種叢枝菌根真菌更有利于二者形成共生關(guān)系。

菌絲密度反映了菌根在促進植物生長、營養(yǎng)吸收和抗逆性等方面的能力大小。菌絲體是叢枝菌根真菌和宿主植物之間的特有產(chǎn)物，菌絲體是協(xié)助植物體吸收土壤養(yǎng)分和水分的重要通道。菌絲長度是叢枝菌根真菌生態(tài)適應(yīng)性評價的重要指標，利用礦井水回灌玉米研究表明，叢枝菌根真菌在礦區(qū)退化土壤中生態(tài)適應(yīng)性較好。逆境條件下，菌絲可以伸展到土壤養(yǎng)分虧缺區(qū)，擴大植物根系與土壤的接觸面積。從圖2可以看出，接種菌根真菌3個月后，玉米根際土壤中菌絲密度顯著提高，其中+M處理菌絲密度是CK處理的2倍。

2.2叢枝菌根真菌對礦井水回灌玉米生長的影響

接種叢枝菌根真菌促進了玉米生長，且有利于玉米植株干物質(zhì)的積累，其中+M處理玉米干質(zhì)量平均每株要比CK高3 g（圖3）。強化接種叢枝菌根真菌有利于宿主植物根際菌絲體的形成，擴大了玉米根系與土壤的接觸面積，促進玉米對土壤中養(yǎng)分的吸收，從而有利于玉米植株干物質(zhì)的吸收。大量研究表明，逆境條件更有利于叢枝菌根真菌和宿主植物形成共生關(guān)系。長期使用高礦化度的礦井水灌溉，將對植物根際土壤造成危害，影響植物根系的生長發(fā)育，強化接種菌根真菌緩解因礦井水回灌對玉米生長造成的不利影響。

2.3接種叢枝菌根真菌對礦井水回灌玉米礦質(zhì)元素的影響

氮、磷、鉀是植物生長發(fā)育不可或缺的大量元素，植物體內(nèi)氮、磷、鉀的含量也是反映其生長狀態(tài)的指標。接種叢枝菌根真菌促進玉米對土壤中礦質(zhì)元素的吸收，有利于玉米植株氮、磷、鉀的累積，接種叢枝菌根真菌3個月后，+M處理玉米植株氮、磷、鉀含量分別比CK處理高出1.21、0.84、 2.76 mg/kg（圖4）。對于地處干旱半干旱的神東礦區(qū)來說，由于其處于毛烏素沙地邊緣，該區(qū)以沙質(zhì)土為主，加之煤炭開采導致土壤退化嚴重，土壤日趨貧瘠化，嚴重制約著該區(qū)農(nóng)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。叢枝菌根真菌和礦區(qū)植物保持較高的共生關(guān)系，接種叢枝菌根提高了宿主植物對土壤中礦質(zhì)元素的吸收，提高了土壤中氮、磷、鉀元素的利用率，促進了植物的生長，接種叢枝菌根真菌有利于礦區(qū)采煤塌陷地的復(fù)墾和生態(tài)重建。

2.4接種叢枝菌根真菌對礦井水回灌玉米根際土壤的影響

土壤是植物賴以生存的基礎(chǔ)，提供植物生活所必需的礦物質(zhì)元素和水分，是生態(tài)系統(tǒng)中物質(zhì)與能量交換的重要場所，土壤的優(yōu)劣直接影響植物的生長發(fā)育。從表1可以看出，接種叢枝菌根真菌降低了根際土壤的pH值，同時有利于根際礦物元素的活化，接種叢枝菌根3個月后，+M處理玉米根際電導率顯著高于CK處理；接種叢枝菌根真菌提高了玉米根際有效磷的含量，這主要是叢枝菌根真菌促進了土壤中難溶磷的活化；接種叢枝菌根真菌提高了玉米根際土壤有機質(zhì)的含量，其中+M處理有機質(zhì)的含量是CK組的1.2倍，對于長時間使用礦井水回灌的玉米根際土壤，接種叢枝菌根真菌實現(xiàn)了對礦區(qū)退化土壤的改良和培肥。大量的研究表明，叢枝菌根真菌產(chǎn)生的球囊霉素相關(guān)蛋白為土壤提供碳源，同時改善土壤團聚體，接種叢枝菌根真菌實現(xiàn)了對礦區(qū)退化土壤的培肥。

3討論與結(jié)論

水資源的缺乏是神東礦區(qū)社會經(jīng)濟發(fā)展的瓶頸所在，也是礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的限制性因素。煤炭開采過程中會產(chǎn)生大量的礦井水，神東礦區(qū)礦井水礦化度高，直接回灌會造成土壤鹽堿化和重金屬污染等危害，同時也不利于植物生長。礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理技術(shù)的引進必須考慮到經(jīng)濟性和可持續(xù)性，特別是處于干旱和半干旱的神東礦區(qū)，該區(qū)生態(tài)系統(tǒng)脆弱，抗外界干擾能力差。神東礦區(qū)是中國發(fā)現(xiàn)的最大的煤炭基地，煤炭開采主要以井工開采為主，井工開采導致大面積的地表沉陷，也造成大量地表水和地下水流失，加劇了該區(qū)生態(tài)環(huán)境退化。采煤塌陷地治理采用物理化學方法治理成本較高，可持續(xù)性差，而生物治理技術(shù)廣受青睞。

叢枝菌根真菌是普遍存在于植物根際的生物菌肥，它在提高植物的抗逆性方面起到重要作用已經(jīng)引起人們關(guān)注。叢枝菌根真菌生物技術(shù)是神東礦區(qū)生態(tài)環(huán)境治理的核心手段之一。利用礦井水直接回灌會造成土壤鹽堿化問題，諸多研究結(jié)果表明，接種叢枝菌根真菌可以緩解鹽脅迫對植物生長造成的影響，接種叢枝菌根真菌促進了植物的生長和提高了植物的生產(chǎn)力。本研究發(fā)現(xiàn)，接種叢枝菌根真菌緩解了礦井水回灌對玉米生長的影響，盡管+M處理根際土壤鹽度有所增加，但pH值呈下降趨勢。杜善周等首次將菌根生物技術(shù)在礦區(qū)采煤塌陷地生態(tài)環(huán)境治理上應(yīng)用，研究得出，叢枝菌根真菌和宿主植物之間保持較高的共生關(guān)系，接種叢枝菌根真菌促進了紫穗槐、白蠟樹和側(cè)柏等植物生長，并取得一定的生態(tài)效應(yīng)[19]。煤炭開采導致植被破壞和覆蓋率的降低是神東礦區(qū)最主要的環(huán)境問題，目前，神東礦區(qū)植被恢復(fù)主要以人工種植為主，單一的人工種植很難在根本上解決礦區(qū)環(huán)境問題。強化接種菌根改善了根際微環(huán)境，微生物量明顯增加，提高了土壤生態(tài)系統(tǒng)多樣性，并使土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性加強[20]。神東礦區(qū)采煤塌陷地的土壤為貧瘠化沙土，利用叢枝菌根真菌提高宿主植物對土壤中礦質(zhì)元素的吸收，這對礦區(qū)復(fù)墾和生態(tài)重建至關(guān)重要。大量研究表明[21-24]，叢枝菌根真菌可促進植物氮、磷、鉀元素的吸收。叢枝菌根真菌一個重要功能是實現(xiàn)對退化土壤的改良和培肥，叢枝菌根分泌的球囊霉素相關(guān)蛋白，是土壤碳的積極貢獻者，同時也參與土壤團聚體的構(gòu)建。本研究發(fā)現(xiàn)，強化接種叢枝菌根真菌提高了玉米根際有機質(zhì)的含量，+M處理有機質(zhì)提高了24.6%，這可能是根際土壤中球囊霉素相關(guān)蛋白增加所致。

礦井水再生利用在一定程度上能緩解礦區(qū)水資源短缺的現(xiàn)狀，但其利用過程中要注意風險，首先需考慮怎樣降低礦井水礦化度及其伴生的重金屬，從而實現(xiàn)其安全回灌。礦井水在今后很長一段時間內(nèi)將伴隨著煤炭開采而存在，現(xiàn)階段煤炭是中國最主要的能源物質(zhì)，在中國社會經(jīng)濟高速發(fā)展中起著不可替代的作用，且在今后很長一段時間內(nèi)，煤炭在中國能源構(gòu)成中其主導地位不會改變。礦井水在回灌前需通過一定技術(shù)手段進行處理，并制定合理的回灌量和回灌時間等，從而為礦井水礦區(qū)的合理利用提供指導，相關(guān)研究今后需進一步加強。本研究所選用的叢枝菌根真菌適合在礦區(qū)推廣應(yīng)用，不但促進了礦井水回灌玉米生長，同時也改善了玉米根際微環(huán)境。但考慮到礦井水的獨特性，叢枝菌根真菌、植物和土壤之間的關(guān)聯(lián)性需進一步研究。

本研究所選擇的叢枝菌根真菌和礦井水回灌玉米保持較高的共生關(guān)系，強化接種叢枝菌根真菌使玉米根系侵染率提高了29百分點，接種叢枝菌根真菌處理玉米根際土壤菌絲密度是對照組的2倍。

接種叢枝菌根真菌有利于玉米植株干物質(zhì)的積累，其中+M處理玉米干質(zhì)量要比CK高出3 g/株；強化接種叢枝菌根真菌使玉米對土壤礦質(zhì)元素的吸收，玉米植株氮、磷、鉀含量分別比CK提高了12.63%、59.15%和19.03%。

接種叢枝菌根真菌改善了植物根際微環(huán)境，并有助于根際土壤難溶礦質(zhì)元素的活化，礦井水回灌玉米根系土壤有效磷和有機質(zhì)增加顯著。本研究所選用叢枝菌根真菌適合在采煤塌陷地退化土壤上推廣使用。

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