活性褐煤與菌根菌配施對礦區(qū)土壤性狀及 披堿草生長的影響

李 強，劉利軍

(1.中國華能集團清潔能源技術研究院有限公司，北京 102209； 2.山西省環(huán)境科學研究院，山西 太原 030027)

煤炭露天開采造成當地生態(tài)系統(tǒng)失衡，土壤和植被發(fā)生改變[1]。內蒙古自治區(qū)伊敏礦區(qū)多年開采產生大量裸露排土場，水土流失和土壤鹽漬化嚴重，土壤結構性差，因此礦區(qū)土壤改良是生態(tài)恢復工作中亟需解決的問題。褐煤富含腐殖酸，能有效改善土壤環(huán)境，提高土壤微生物量和酶活性[2]，利用酸化、硝化、磺化等技術，可以顯著提高褐煤腐殖酸的活性，施入土壤后增強土壤膠體吸附特性和水穩(wěn)性結構，改善土壤保水保肥能力[3-5]。伊敏礦區(qū)褐煤資源豐富，將活性褐煤用于排土場的土壤改良具有較好的前景。菌根在自然界中普遍存在，90%左右的高等植物都能與菌根菌共生形成菌根[6]，菌根菌有效改善根際土壤環(huán)境，促進植物生長發(fā)育、養(yǎng)分吸收，能增強植物抗逆性[7-9]。目前許多研究表明,利用褐煤腐殖質或者菌根菌改良礦區(qū)貧瘠土壤具有顯著效果，而兩者共同使用能否進一步提高土壤質量還少有研究，因此本研究采用盆栽實驗方式，探索褐煤和菌根菌配合施用對伊敏礦區(qū)排土場土壤養(yǎng)分和披堿草生長的影響，為優(yōu)化活性褐煤和菌根菌改良伊敏礦區(qū)土壤和生態(tài)恢復工作提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 供試材料

供試土壤采自伊敏礦區(qū)排土場，表層土壤(0～30 cm)為栗鈣土，養(yǎng)分條件最好;亞表層(30～50 cm)為黃黏土，養(yǎng)分含量低;下層(0～80 cm)為沙土，含大量砂礫，養(yǎng)分含量極低，但通透性較好。將土壤風干后按照表層土∶亞表層土∶下層土=1∶3∶3比例混勻后過2 mm篩，作為盆栽試驗土壤，土壤基本理化性質見表1。

供試植物為披堿草(Elymusdahuricus Turcz.)，是伊敏礦區(qū)的土著優(yōu)勢植物，也是當地的主要優(yōu)質高產飼草。供試Symbivit菌根菌菌劑由捷克諾曼公司提供；供試活性褐煤由神華集團提供，粉碎過2 mm篩備用。

1.2 試驗設計

試驗使用25 cm×20 cm的聚乙烯塑料盆缽，每盆裝4.5 kg土。所有處理均加入等量氮磷鉀肥料；N、P、K施加比例為N∶P2O5∶K2O=1.5∶1∶1，其中，尿素(含46% N)、過磷酸鈣(含12% P2O5)、氯化鉀(含60% K2O)，即盆栽試驗中每千克干土加入的N、P2O5、K2O量分別為0.06 g、0.04 g、0.04 g(N 150 kg/hm2、P2O5100 kg/hm2、K2O 100 kg/hm2)。

試驗采用單因素完全隨機設計，每盆均等量施加菌根菌0.3 g(150 kg/hm2)，CK為不施加菌根菌，處理T0、T1、T2、T3、T4分別施加活性褐煤為0 g(0 kg/hm2)、3 g(1 500 kg/hm2)、9 g(4 500 kg/hm2)、15 g(7 500 kg/hm2)、30 g(15 000 kg/hm2)，共6個處理，每個處理設置4次重復。2016年5月4日播種，5月8日出苗，保持土壤含水量在田間持水量60%左右，10月20日采樣。

1.3 測定項目與方法

有機質：重鉻酸鉀容量法[10]；速效氮：堿解擴散法[11]；速效鉀：NH4OAC浸提火焰光度法[12]；速效磷：NaHCO3浸提鉬銻抗比色法[11]；陽離子交換量：中性乙酸銨法[13]；微生物：培養(yǎng)法；菌根菌侵染率：曲利苯藍染色法[14]。

1.4 數據處理與分析

數據分析及其統(tǒng)計用Microsoft Excel和Origin Lab 2017軟件，各參數采用Duncan’s新復極差法進行多重比較，檢驗各處理均值間的差異顯著性。

2 結果與分析

2.1 活性褐煤對土壤速效養(yǎng)分含量的影響

土壤速效養(yǎng)分體現土壤養(yǎng)分的供應能力，速效氮直接反應土壤中的養(yǎng)分供應強度[15]。從圖1可以看出，隨著活性褐煤添加量的增加，土壤中速效養(yǎng)分含量逐漸增加。與T0相比，T2、T3、T4處理中土壤速效氮顯著增加，分別增加了11.7%、12.0%、16.0%；T3和T4處理中土壤速效磷顯著增加，分別增加31.4%和34.4%；活性褐煤的施用對土壤速效鉀的影響最顯著，T1與T0相比土壤速效鉀增加42.4%，T1～T4處理與CK相比土壤中速效鉀含量均顯著增加，其含量均為空白處理的2倍以上，當添加量達到15 000 kg/hm2時，土壤中速效鉀含量為190.86 mg/kg，是CK處理(78.23 mg/kg)的2.4倍。T0處理與CK相比，土壤中速效氮和速效磷沒有顯著變化，速效鉀顯著增加，可以看出單獨施用150 kg/hm2菌根菌對土壤速效養(yǎng)分氮和磷沒有顯著影響，活性褐煤與菌根菌配合施用可以顯著提高速效養(yǎng)分含量，這可能是菌根菌可以促進植物對土壤中氮、磷、鉀等養(yǎng)分元素的活化作用[8]，同時褐煤礦化作用及風化作用，可以釋放更多的養(yǎng)分元素，提高土壤中速效養(yǎng)分含量[2]。

注：同列中不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05) 圖1 活性褐煤對土壤速效養(yǎng)分含量的影響(n=4)

2.2 活性褐煤土壤有機質和陽離子交換量的影響

土壤陽離子交換量是土壤膠體所能吸附各種陽離子的總量，直接反應土壤保肥、持續(xù)供肥及緩沖性的能力[16]。不同用量活性褐煤對土壤陽離子交換量及有機質的影響如圖2所示。

由圖2可知，隨著活性褐煤施用量的增加，土壤有機質含量和陽離子交換量均逐漸增加。與CK相比，T0～T4處理土壤中有機質含量增加19.3%～121.7%，達到了極顯著差異水平(P<0.01)，可以看出，活性褐煤添加量的增加，提高了土壤中的有機質含量，與王海洋等[17]的研究結果一致。與CK相比，T0處理土壤中陽離子交換量沒有顯著差異，可以看出單獨添加菌根菌對土壤膠體吸附能力沒有顯著影響，而加入活性褐煤的處理中土壤陽離子交換量顯著變化，T1～T4處理的陽離子交換量分別增加40.9%、45.0%、61.4%、69.5%，活性褐煤顯著提高了土壤膠體吸附陽離子的能力。由此可見，將活性褐煤與菌根菌配合施用，不僅可以改善土壤的養(yǎng)分含量，還可以提高土壤對陽離子的吸附能力，這對于礦區(qū)土壤修復有重要作用。

注：同列中不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05) 圖2 活性褐煤對土壤有機質及陽離子交換量的影響(n=4)

2.3 活性褐煤對土壤微生物量的影響

土壤環(huán)境中微生物量對土壤中有機質的分解及營養(yǎng)元素的循環(huán)發(fā)揮著至關重要的作用，關注土壤中微生物數量、群落結構與生態(tài)系統(tǒng)功能息息相關[18]。

由表2可知，隨著活性褐煤添加量的增加，土壤中的微生物數量逐漸增加，T1～T4處理與CK相比，土壤中的細菌、真菌、放線菌分別增加87.5%～162.5%、80.0%～280.0%、100.0%～275.0%，且細菌是土壤微生物的主要類群，占全部微生物比例為85.6%～92.7%，真菌所占比例為4.6%～8.1%，放線菌所占比例為2.7%～6.3%。菌根菌單獨施用(T0處理)與CK相比，土壤中細菌數量顯著增加，但真菌和放線菌數量沒有顯著變化。因此，活性褐煤對土壤微生物的生長繁殖有顯著的刺激作用。

有關研究發(fā)現土壤中施用有機質可提高土壤微生物的活性和多樣性，促進土壤中微生物生長[19]。有機質較為豐富的土壤結構疏松，為微生物提供了良好的營養(yǎng)和通氣條件，表層土壤與空氣熱交換，且土壤熱值狀況好，利于微生物生長繁殖[20]。薛峰等研究使用活性褐煤提高土壤有機質的氮磷鉀含量、促進微生物代謝和繁育[21]，與本次研究結果相符。

2.4 活性褐煤對植物根系菌根侵染率的影響

表3為不同活性褐煤用量下植物根系菌根侵染情況，可以看出不添加菌根菌的情況下披堿草的菌根侵染率僅有5.3%，而添加菌根菌的處理披堿草菌根侵染率達到46.7%，且其他菌根侵染密度、根系叢枝豐度等指標都顯著提高。在添加菌根菌的同時加入不同用量的活性褐煤，隨活性褐煤用量的增加，根系菌根侵染率、根系菌根侵染密度、侵染根段菌根侵染密度呈先增加后減少的趨勢，其用量在0～15 000 kg/hm2范圍內對披堿草菌根菌的侵染效果沒有顯著影響，不同用量間侵染效果沒有顯著差異(P<0.01)。

表2 不同活性褐煤用量處理的土壤微生物數量(n=4)

注：同列中不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

表3 不同活性褐煤用量下披堿草根系菌根侵染情況(n=4)

注：同列中不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

由結果可知，在沒有菌根菌劑使用時，植物根系也會有少量菌根菌侵染，說明在自然環(huán)境中存在一定的菌根菌并可以侵染作物根系，菌根菌劑的使用可以極大提高植物根系的菌根侵染率，T0與CK相比較根系菌根侵染率、根系菌根侵染密度、侵染根段菌根侵染密度分別增加775.6%、328.3%、113.0%。隨活性褐煤用量(0～4 500 kg/hm2)增加根系菌根侵染率、根系菌根侵染密度、侵染根段菌根侵染密度呈現增加的趨勢，T2與T0相比披堿草根系菌根侵染率、根系菌根侵染密度、侵染根段菌根侵染密度分別增加42.9%、46.7%、67.6%。這與Muthukumar等[22]研究指出施用有機肥料可增加根系的侵染率的研究結果一致。當活性褐煤用量高于4 500 kg/hm2后，根系菌根侵染率、根系菌根侵染密度、侵染根段菌根侵染密度逐漸降低，與不添加褐煤的處理沒有顯著差異，活性褐煤對菌根菌與披堿草形成菌根的刺激作用反而減弱，相關研究也證明長期施用高濃度有機肥料會降低菌根菌的侵染率和叢枝著生率[23]。因此，活性褐煤的施用在一定范圍內(0～4 500 kg/hm2)可以促進植物根系的菌根侵染，本試驗中活性褐煤的最佳施用量為4 500 kg/hm2。

2.5 活性褐煤對植物披堿草生長的影響

通過以上結果可以看出，活性褐煤與菌根菌配合施用對土壤質量有明顯地改善，土壤有機質和速效養(yǎng)分含量增加，土壤陽離子交換量提高，土壤微生物量增加，植物根系菌根菌的侵染率提高。因此通過比較披堿草在不同處理土壤中的生長狀況，進一步證實活性褐煤與菌根菌的改良效果，結果見表4。

由結果可以看出，與CK相比，土壤中單獨施用菌根菌(T0)對披堿草的生長沒有顯著影響，而活性褐煤的施入顯著促進植物的生長，且隨著活性褐煤用量的增加，披堿草的株高、地下鮮重、地下干重、總干重呈增加的趨勢；當添加量在0～7 500 kg/hm2范圍內時，披堿草的根長、地上鮮重、地上干重呈現增加的趨勢，添加量大于7 500 kg/hm2后開始降低。T4與CK相比，披堿草的株高、地下鮮重、地下干重、總干重極顯著增加(P<0.05，P<0.01)，分別增加75.3%、79.4%、100.2%、63.7%；T3披堿草的根長、地上鮮重、地上干重分別增加22.5%、47.9%、47.9%，但增長不顯著。

表4 不同活性褐煤用量對披堿草生長的影響(n=4)

注：同列中不同大寫字母表示差異極顯著(P<0.01)，不同小寫字母表示差異顯著(P<0.05)。

上述結果表明，活性褐煤不同施用量處理均可以促進皮剪草的生長，其株高及地下部生物量顯著增加，地上部生物量有增加趨勢，但效果不顯著。披堿草生物量的提高主要是由于活性褐煤的使用改善了土壤結構、養(yǎng)分含量以及土壤微生物的數量及活性[24]，促進披堿草生物量的積累。綜合上述試驗結果，推薦在實際應用中活性褐煤的最優(yōu)使用量為4 500～7 500 kg/hm2。

3 結 論

本研究以對伊敏露天煤礦排土場土壤為研究對象，將菌根菌與不同用量的活性褐煤配合適用于土壤中，在溫室大棚內進行盆栽試驗，試驗結果表明,活性褐煤與菌根菌配合施用對改善土壤質量有良好的效果。

1) 活性褐煤使用量的增加，提高了土壤速效養(yǎng)分、有機質含量、陽離子交換量以及土壤中微生物數量。

2) 活性褐煤使用量不超過4 500 kg/hm2，可以提高披堿草根系菌根侵染率、根系菌根侵染密度、侵染根段菌根侵染密度；活性褐煤用量不超過7 500 kg/hm2，可以提高侵染根段、根系叢枝豐富度。

3) 活性褐煤使用量的增加，促進了披堿草株高、地下鮮重、地下干重、總干重的增長；當活性褐煤用量不超過7 500 kg/hm2時，促進了披堿草根長、地上鮮重、地上干重的增長。

因此，綜合上述結果可以看出,活性褐煤的最優(yōu)用量為4 500～7 500 kg/hm2。但本次研究主要是在盆栽條件下進行，后期需繼續(xù)對于實際應用排土場改良土壤的效果進一步研究。