生物炭和AM真菌對重金屬污染下土壤養(yǎng)分及望江南生長的影響

郭雄飛

(1.西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，四川 南充637000；2.西華師范大學(xué)環(huán)境科學(xué)研究所，四川 南充637000；3.華南農(nóng)業(yè)大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，廣東 廣州510642)

叢枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi，AMF)能與陸地上絕大多數(shù)的高等植物形成共生體[1]，AMF大量存在于農(nóng)田等土壤及各種逆境環(huán)境中，能夠增強(qiáng)宿主植物在逆境中的耐受性[2]，改善宿主植物的礦質(zhì)營養(yǎng)(尤其是磷)[3]，有利于植物的生長發(fā)育[4]。此外，在重金屬污染的土壤中，AMF可以通過不同途徑影響重金屬在土壤-植物系統(tǒng)中的遷移轉(zhuǎn)化，從而改變植物對重金屬的吸收累積，減緩重金屬對植物的毒害。

作為一種土壤改良劑，生物炭能夠增加土壤有機(jī)物質(zhì)含量，固持土壤養(yǎng)分，提高土壤肥力[5-6]，有利于根系的發(fā)育，使作物增產(chǎn)[5，7-8]，此外，生物炭還能吸附降低土壤中的重金屬和農(nóng)藥，降低農(nóng)田污染[9-10]，生物炭通過影響土壤的理化特性增加土壤養(yǎng)分的可利用性[11]，而土壤養(yǎng)分可利用性的增加能提高宿主植物根系A(chǔ)MF定殖率，增強(qiáng)宿主植物性能，提高植物組織中營養(yǎng)物質(zhì)的含量[12]。生物炭的吸附性能與其理化特性相關(guān)，可通過改性加以調(diào)節(jié)。負(fù)載鐵鹽是較為常見的改性方法[13-14]，改性之后鐵的氧化物和羥基氧化物會吸附在生物炭的表面，使其吸附重金屬的能力增強(qiáng)[15]。因此，既然生物炭與AMF均可減緩重金屬對植物的毒害，促進(jìn)植物的生長，且生物炭有利于AM菌絲的擴(kuò)展，兩者互作是否可以在增加AMF侵染率、提高作物產(chǎn)量上存在協(xié)同作用[16]，但目前這方面尚少有報道。

望江南(Cassiaoccidentalis)，豆科決明屬植物，一年到二年生半灌木狀草本植物，廣泛分布于熱帶地區(qū)，在我國南方典型重金屬污染礦區(qū)常有分布。望江南具備多種醫(yī)藥用途，植株各部分均具有巨大的藥理潛力[17]，因而具有較高的經(jīng)濟(jì)價值。該植物能夠在低磷土壤環(huán)境中茁壯成長，在富含重金屬的受污染地區(qū)仍然分布廣泛[18]。上述特點(diǎn)表明該植物在逆境條件下仍具有較強(qiáng)的競爭力，具有作為藥材或者污染區(qū)植被恢復(fù)材料的潛在價值。關(guān)于生物炭和AMF在望江南栽培中的應(yīng)用及風(fēng)險管理少有試驗(yàn)研究?；诖耍狙芯繑M采用望江南作為供試植物開展盆栽試驗(yàn)，比較普通生物炭、鐵改性生物炭和AMF對重金屬污染土中望江南生長、根系形態(tài)結(jié)構(gòu)及土壤養(yǎng)分的影響，闡明通過生物炭結(jié)合接種AMF是否可以協(xié)同促進(jìn)望江南生長并有效控制重金屬污染風(fēng)險，以期為生物炭和AMF在望江南種植體系中的安全利用及植被恢復(fù)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1供試生物炭 試驗(yàn)于2016年2月展開，本研究所用供試生物炭分為2種：普通生物炭和改性生物炭。普通生物炭為陜西億鑫生物能源科技開發(fā)有限公司在裂解爐、限氧環(huán)境下由廢棄果樹樹干、枝條熱裂解(450 ℃)所得。改性生物炭由廣東省生態(tài)環(huán)境與土壤研究所提供。由椰子殼在限氧環(huán)境下裂解而得，并加入含鐵化合物制得鐵改性生物炭。兩種生物炭的理化性質(zhì)見表1。

1.1.2供試污染基質(zhì) 供試基質(zhì)為礦區(qū)土壤和林地表層土按質(zhì)量比1∶4混合而成。除非特別注明，以下所指“土壤” 即指此試驗(yàn)混合培養(yǎng)基質(zhì)。供試礦區(qū)土壤取自廣東省韶關(guān)市大寶山(N 24°34′11.47″,E 113°43′22.84″)礦區(qū)污染土壤，林地表層土取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)系農(nóng)場(N 23°10′5.33″,E 113°22′25.52″)，二者混合后的培養(yǎng)基質(zhì)的理化性質(zhì)見表1。將混合后的供試土壤在121 ℃ 的條件下高壓蒸汽滅菌 2 h，以殺滅土壤中的土著AM 真菌。

表1 供試基質(zhì)及生物炭的物理化學(xué)性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of the test soil and biochars used in the experiment

1.1.3接種菌劑 實(shí)驗(yàn)所用AM真菌為摩西球囊霉(Funneliformismosseae)，菌種來自北京市農(nóng)林科學(xué)院營養(yǎng)與資源所微生物室。試驗(yàn)用菌劑以玉米(Zeamays)為宿主通過盆栽擴(kuò)繁獲得，接種劑為擴(kuò)繁后含有的菌根真菌孢子、宿主玉米根段以及培養(yǎng)基質(zhì)的混合物(1 g菌劑約含60個孢子)。

1.1.4供試植物 2017年2月從華南農(nóng)業(yè)大學(xué)生態(tài)學(xué)系農(nóng)場(N 23°10′5.33″，E 113°22′25.52″)采集望江南種子。種子采用10%過氧化氫表面消毒10 min，用去離子水沖洗干凈，將濕潤吸水紙置于托盤中，然后將種子均勻地鋪在吸水紙上，28 ℃催芽2 d，待種子露白后播種。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計與指標(biāo)測定

1.2.1試驗(yàn)設(shè)計 試驗(yàn)共設(shè)計6個處理組合，設(shè)置不接菌處理(-M)和接菌處理(+M)，每個處理設(shè)置不施加生物炭(CK)，施加普通生物炭(biochar,BC)和施加鐵改性生物炭(Fe modified biochar，F(xiàn)e-BC)，每個處理設(shè)置 4 個重復(fù)，隨機(jī)區(qū)組排列。以圓形塑料花盆(高度13 cm×上口徑18 cm×下口徑12 cm) 作為試驗(yàn)培養(yǎng)容器，內(nèi)襯塑料袋。含添加生物炭的處理組，加80 g過2 mm篩的生物炭(4%，v/v) 與2 kg供試土壤混合均勻，施入底肥。含接種菌根真菌的處理組，每盆先裝入質(zhì)量約為1.6 kg的滅菌土壤，再將80 g菌劑均勻?qū)邮┰谂柙酝寥辣砻?，再在其上覆蓋其余0.4 kg土，厚度為1 cm左右。不接種處理采用相同方法加入等量的滅菌菌劑(121 ℃下蒸汽滅菌2 h)同時加入80 g菌種濾液。

裝盆完成后每盆播種發(fā)芽望江南種子6粒，待出苗 5 d 后間苗，每盆保留2株長勢相近的植株。試驗(yàn)采用自然光照，每天定時定量為盆栽植物補(bǔ)水，經(jīng)過4個月生長后收獲。

1.2.2指標(biāo)測定 生長指標(biāo)的測定：從播種后第2周開始，實(shí)驗(yàn)期間每周測定望江南幼苗的株高，選取望江南頂端的第3片復(fù)葉測定葉長和葉寬，每個處理選取3片測量，計算平均值。

根系形態(tài)及菌根侵染率的測定：試驗(yàn)苗生長4個月后，小心將整株幼苗與栽培基質(zhì)分離開來，用蒸餾水將根系土壤和雜質(zhì)沖洗干凈。取整體根系用WinRHIZO根系分析系統(tǒng)分析根系長度、直徑、面積、體積、根尖記數(shù)等根系形態(tài)參數(shù)。各處理分別取0.5 g左右根系樣品用于測定菌根侵染率。采用 Trypan blue 染色-鏡檢法觀測菌根侵染狀況，計算菌根侵染率[19]。烘干后稱重測定地上和根系生物量。

土壤養(yǎng)分含量測定：采用電位計法測定pH值；采用重鉻酸鉀氧化-外加熱法測定有機(jī)質(zhì)；采用半微量凱氏法測定全氮；采用堿熔-鉬銻抗比色法測定全磷；采用堿熔-原子吸收分光光度計法測定全鉀；采用擴(kuò)散法測定水解氮；采用氟化銨-鹽酸法測定速效磷[20]。采用乙酸銨振蕩浸提，然后用原子吸收分光光度計測定速效鉀[21]。

1.3 數(shù)據(jù)處理

采用Excel和SPSS 19.0軟件進(jìn)行統(tǒng)計分析，采用SigmaPlot 13進(jìn)行作圖。

2 結(jié)果與分析

圖1 生物炭和AMF對土壤pH的影響Fig.1 Influence of biochars and AMF on soil pH CK，BC和Fe-BC分別表示對照，普通生物炭和鐵改性生物炭；-M和+M分別表示接種和未接種。不同字母表示差異顯著(P<0.05)。下同。CK, BC and Fe-BC indicated control，biochar and iron modified biochar，respectively；-M and +M indicated inoculation and inoculation，respectively. Different letters indicated significant difference at P<0.05 level. The same below.

2.1 生物炭和AMF對重金屬污染下土壤pH的影響

如圖1所示，和不施加生物炭(CK)相比，施用生物炭顯著增加了土壤pH (P<0.05)，但普通生物炭比改性生物炭對土壤pH增加的效應(yīng)更加顯著。無論施用生物炭與否，接種AM真菌對土壤pH無顯著影響(P>0.05)。

2.2 生物炭和AMF對重金屬污染條件下土壤有機(jī)質(zhì)及氮、磷、鉀養(yǎng)分含量的影響

2.2.1生物炭和AMF對重金屬污染條件下土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量的影響 如圖2所示，單一接種AMF對土壤有機(jī)質(zhì)含量無顯著影響(P>0.05)。但與對照相比，2種生物炭均極顯著增加土壤有機(jī)質(zhì)含量(P<0.01)，且單一BC處理和單一Fe-BC處理下土壤有機(jī)質(zhì)含量分別是對照(CK)的2.29和2.07倍。生物炭和AMF復(fù)合處理對土壤有機(jī)質(zhì)含量的影響與相應(yīng)生物炭單一處理的影響一致。

圖2 生物炭和AMF對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量的影響Fig.2 Influence of biochars and AMF on the contents of organic matter， total nitrogen, phosphorous and potassium in soil

單一接種處理?xiàng)l件下，與對照相比，土壤全氮含量增加9.48%。單一BC處理和單一Fe-BC處理下，與對照相比，土壤全氮含量分別增加60.18%和46.95%。在施加生物炭條件下接種AMF對土壤全氮含量無顯著影響(P>0.05)。

單一接種處理下，與對照相比，土壤全磷含量有小幅度增加，在施加生物炭條件下接種AMF對土壤全磷含量則無顯著影響(P>0.05)。2種生物炭則均能增加土壤全磷含量，單一BC處理與單一Fe-BC處理下，與對照相比，土壤全磷含量分別增加7.85%和19.69%，生物炭與接種復(fù)合處理對土壤全磷含量的影響與生物炭單一處理一致。

與對照相比，BC與接種復(fù)合處理降低土壤全鉀含量，F(xiàn)e-BC單一處理和Fe-BC與接種AMF復(fù)合處理則顯著增加土壤全鉀含量(P<0.05)。其他處理間則差異不顯著(P>0.05)。

2.2.2生物炭和AMF對重金屬污染下土壤堿解氮、速效磷、速效鉀含量的影響 如圖3所示，與對照相比，單一接種AMF處理下土壤堿解氮含量增加26.81%。2種生物炭單一處理對土壤堿解氮含量則無顯著影響(P>0.05)。在施加生物炭條件下同時接種AMF則顯著降低土壤堿解氮含量(P<0.05)。無論施用生物炭與否，接種處理均小幅降低了土壤有效磷含量，但差異不顯著(P>0.05)。無論接種AMF與否，2種生物炭均顯著增加了土壤有效磷含量(P<0.05)。單一BC處理與單一Fe-BC處理下土壤有效磷含量分別是對照的3.05和 2.38倍，但與2種生物炭分別和接種復(fù)合處理相比差異不顯著(P>0.05)。無論施加生物炭與否，接種處理對土壤有效鉀含量無顯著影響(P>0.05)。生物炭則顯著增加了土壤有效鉀含量(P<0.05)，單一BC處理與單一Fe-BC處理下土壤有效磷含量分別是對照的3.72和12.73倍。與土壤有效磷含量一致，生物炭和接種復(fù)合處理與各自單一處理對土壤有效鉀含量影響一致。

圖3 生物炭和AMF對土壤堿解氮、有效磷、速效鉀含量的影響Fig.3 Influence of biochars and AMF on the contents of available N， available P and available K in soil

總體來看，接種AMF對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀含量無顯著影響(P>0.05)，2種生物炭均可增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮和全磷含量，并且普通生物炭增加土壤全氮含量的幅度比鐵改性生物炭的更大，鐵改性生物炭在增加土壤全磷含量上的幅度比普通生物炭的更大。普通生物炭對土壤全鉀含量無顯著影響，鐵改性生物炭則顯著增加了土壤全鉀含量(P<0.05)。從土壤堿解氮、速效磷、速效鉀等土壤速效養(yǎng)分含量來看，單一接種AMF處理下，土壤堿解氮含量增加，但在施加生物炭的條件下接種AMF其含量則降低。接種AMF對土壤有效磷和速效鉀含量無顯著影響(P>0.05)，但施加2種生物炭后，土壤有效磷和速效鉀含量均極顯著增加(P<0.01)，并且相比之下，普通生物炭比鐵改性生物炭更有利于增加土壤有效磷含量，而鐵改性生物炭比普通生物炭更有利于增加土壤速效鉀含量。

圖4 生物炭和AMF對植物菌根侵染率的影響Fig.4 Effects of biochar and AMF on mycorrhizal colonization rate of plant

2.3 生物炭和AMF對重金屬污染下望江南根系菌根侵染率的影響

在未接種摩西球囊霉的處理組中未檢測到有菌根侵染，圖4表明，接種AM真菌后，望江南根系有較高的菌根侵染率。與單獨(dú)接種真菌的對照組相比，施加生物炭極顯著增加了根系菌根侵染率(P<0.01)，而施加改性生物炭則降低其菌根侵染率。

2.4 生物炭和AMF對重金屬污染下望江南根系形態(tài)的影響

生物炭和AMF對望江南根系構(gòu)型的影響如圖5所示，無論施用生物炭與否，與不接種相比，接種AMF處理下望江南根系拓展程度均較高，普通生物炭促進(jìn)了根系的發(fā)育，而鐵改性生物炭則抑制根系的發(fā)育，但2種生物炭與AMF聯(lián)合均顯著促進(jìn)了望江南根系的發(fā)育和拓展。

圖5 各處理下望江南幼苗根系構(gòu)型Fig.5 Root architecture of C. occidentalis seedlings in different treatment 比例尺：圖中1 cm代表實(shí)際長度4.8 cm。Scale: 1 cm in the Figure represents the actual length of 4.8 cm。

生物炭和AMF對望江南根系形態(tài)的影響如表2所示。單一接種AMF處理下，與對照相比，望江南根系增大，各根系形態(tài)參數(shù)均增加，其增加幅度為：總根長(17.44%)、根表面積(24.78%)、根體積(40.33%)、總投影面積(24.78%)、平均直徑(3.92%)、根尖數(shù)(50.96%)和根系分叉數(shù)(3.22%)。單一施加生物炭處理下，2種生物炭對望江南根系參數(shù)的影響有所差異，單一BC處理下，與對照相比，望江南根系總根長、根表面積、總投影面積、根尖數(shù)和根系分叉數(shù)分別增加19.85%、7.51%、7.51%、52.53%和9.75%，而單一Fe-BC處理下，相應(yīng)參數(shù)則分別降低14.10%、21.01%、21.02%和12.25%。但2種生物炭處理均降低了望江南根系根體積和平均直徑。

復(fù)合處理下，接種AMF與BC復(fù)合處理下，與對照、單一接種AMF處理和單一BC處理相比，各根系形態(tài)參數(shù)均增加，且幅度分別為：總根長(58.89%、35.29%和32.57%)，根表面積(66.64%、33.54%和54.99%)，根體積(75.00%、24.70%和81.03%)總投影面積(66.64%、33.55%和55.00%)，平均直徑(4.12%、0.19%和18.00%)，根尖數(shù)(93.73%、28.33%和27.01%)和根系分叉數(shù)(93.50%、87.46%和76.32%)。接種AMF與Fe-BC復(fù)合處理下，除與單一接種AMF處理相比，望江南根尖數(shù)略有降低外，與對照、單一接種AMF處理和單一Fe-BC處理相比，其他各根系形態(tài)參數(shù)也均增加，各參數(shù)增加幅度分別為：總根長(34.14%、14.22%和56.17%)，根表面積(46.30%、17.25%和85.23%)，根體積(59.67%、3.78%和119.72%)總投影面積(46.31%、17.26%和85.24%)，平均直徑(7.84%、3.77%和19.57%)和根系分叉數(shù)(49.47%、44.80%和70.34%)，與對照和單一BC處理相比，根尖數(shù)則分別增加(34.78%和33.22%)。

各處理下，望江南根系形態(tài)生長情況排序?yàn)椋築C(+M)>Fe-BC(+M)>+M>BC>CK>Fe-BC。說明接種AMF與BC復(fù)合處理比相應(yīng)單一處理更有利于望江南根系發(fā)育。

表2 生物炭和AMF對望江南根系形態(tài)參數(shù)的影響Table 2 Effects of biochar and AMF on C. occidentalis root conformational parameters

注：同列不同字母表示差異顯著(P<0.05)。

Note: Different lowercase letters in the same column indicate significant different at 0.05 level.

2.5 生物炭和AMF對重金屬污染下望江南生長動態(tài)的影響

2.5.1生物炭和菌根對重金屬污染下望江南株高生長動態(tài)的影響 不同處理下望江南幼苗株高的動態(tài)變化見圖6。不同處理下望江南幼苗株高均隨時間的延長逐漸增大，且呈現(xiàn)慢-快-慢的變化趨勢。單一處理下，2種生物炭對望江南株高的增長無顯著的促進(jìn)作用，尤其在生長初期，單一接種AMF處理對株高初期無顯著影響(P>0.05)，但隨時間延長，播種45 d后，接種處理CK(+M)下，株高均高于同一時間對照CK(-M)處理下株高，且其生長期相對較長，播種120 d后仍表現(xiàn)出增長趨勢。

施加生物炭同時接種AMF復(fù)合處理對望江南株高的影響與單一接種菌種的影響趨勢一致。無論施加哪種生物炭，2種生物炭分別與AMF聯(lián)合施用與各自單一生物炭處理相比，其對望江南株高增加在后期有顯著的促進(jìn)作用。并且，單一生物炭處理下，望江南幼苗在播種105 d以后株高增長較為緩慢，生長逐漸趨于穩(wěn)定，但接種AMF處理下，株高生長速度相對較高，仍表現(xiàn)生長趨勢。

不同處理下，望江南株高增長的總體排序?yàn)? BC(+M)>Fe-BC(+M)>+M>CK>Fe-BC>BC。

2.5.2生物炭和AMF對重金屬污染下望江南葉長和葉寬的影響 生物炭和菌根對望江南葉長影響如圖6所示。單一生物炭處理對葉長的影響與對株高影響基本一致，不同處理下望江南幼苗葉長隨時間的延長逐漸增大，生長初期各處理間望江南葉片長度差異不顯著(P>0.05)。但與株高不同的是，生長后期各處理下葉長增長速度均較緩慢，播種120 d后有趨于穩(wěn)定的趨勢。無論施加生物炭與否，接種AMF處理下，與未接種處理(CK)相比，同一時間望江南葉長均較高。尤其在2種生物炭和菌種復(fù)合處理下，與其相應(yīng)的單一生物炭處理相比，望江南葉長極顯著增加(P<0.01)。

圖6 生物炭和AMF對望江南株高、葉長和葉寬的影響Fig.6 Effects of biochar and AMF on C. occidentalis height， leaf length and width

不同處理下望江南幼苗葉寬的動態(tài)變化見圖6。與對望江南株高的影響一致，單一生物炭處理對其葉寬的影響不顯著(P>0.05)，與不施加生物炭相比略微降低葉片寬度。無論施加生物炭與否，接種AMF處理與不接種相比均顯著增加望江南葉寬，其生長趨勢與葉長一致。CK(-M)與CK(+M)處理下，播種15～30 d望江南葉片寬度增加速度較為緩慢，播種30～90 d生長速度加大，播種90 d以后，逐漸趨于穩(wěn)定。

BC(-M)與BC(+M)處理下，播種90 d以前望江南葉片增長速度較大，90 d以后則趨于平緩。Fe-BC(-M)處理下，望江南葉寬播種90 d前逐漸平穩(wěn)增加，90 d以后則趨于平緩。Fe-BC(+M)處理下，其葉寬增長變化趨勢則表現(xiàn)為慢-快-慢。

2.6 生物炭和AMF對重金屬污染下望江南生物量的影響

如圖7所示，在對照處理下，單一接種菌根對望江南根系生物量無顯著影響(P>0.05)，而在施加生物炭的處理下，接種AMF則顯著增加了根系及地上部的生物量(P<0.05)，且增加幅度均在40%以上。

圖7 生物炭和AMF對望江南地上部和根系干重的影響 Fig.7 Effects of biochar and AMF on C. occidentalis shoots and roots dry weights

不接種AMF時，施加2種生物炭均降低了望江南根系及地上部生物量，且相比于普通生物炭，施用改性生物炭后根系生物量降低幅度更大，地上部生物量降低幅度則較小。接種AMF時，與單一接種AMF相比，施加普通生物炭顯著增加了根系及地上部生物量(P>0.05)，施用鐵改性生物炭增加了根系生物量，但小幅度降低了地上部生物量。具體來看，普通生物炭與菌根聯(lián)合處理下，與CK(-M)處理相比，望江南地上部和根系生物量分別增加273.35%和169.15%，與單一接種AMF處理相比，望江南地上部和根系生物量分別增加76.60%和85.13%，與單一普通生物炭相比，望江南地上部和根系生物量分別增加476.12%和101.85%；而改性生物炭與菌根聯(lián)合處理下，與CK(-M)處理相比，望江南地上部和根系生物量分別增加21.58%和24.91%。與單一接種AMF處理相比，望江南地上部生物量降低23.26%，根生物量則增加41.31%。與單一改性生物炭相比，望江南地上部和根系生物量分別增加82.35%和97.84%。

由此可知，相較于接種AMF，2種生物炭對望江南生物量的影響較大，且相較于改性生物炭，普通生物炭與菌根聯(lián)合處理能最大限度地增加望江南地上部和根系生物量。

3 討論

3.1 土壤pH和養(yǎng)分含量

本試驗(yàn)中，AMF對土壤pH值均無顯著影響。2種生物炭則均增加了土壤pH值，這與生物炭的堿性有關(guān)，這一結(jié)果與Fellet等[22]研究結(jié)果一致。相比鐵改性生物炭，普通生物炭增加土壤pH的幅度更大，因?yàn)楣┰嚮|(zhì)顯酸性，鐵改性生物炭中含鐵化合物在酸性條件下，其Fe2-的含量較高，能結(jié)合OH-離子降低土壤pH，抵消了生物炭對pH的增加量。

總體來看，接種AMF對土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、全鉀、堿解氮、有效磷和速效鉀含量均無顯著影響，這可能是由于本試驗(yàn)研究的是植物根圍整個土壤的肥力大小，而菌根效應(yīng)對土壤養(yǎng)分含量的影響則對菌絲際土壤的影響更為明顯[23]。2種生物炭均可增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷和速效鉀含量，這與多數(shù)研究結(jié)論一致[24-25]，這與生物炭本身的多孔性以及其較大的比表面積和電荷密度有關(guān)，能使土壤對養(yǎng)分元素的吸持能力增強(qiáng)[26]，同時，生物炭表面的陽離子交換量與氧化作用的提高，生物炭對微生物棲息與繁殖的微環(huán)境的改良，以及補(bǔ)給微生物生長所需的碳源和礦質(zhì)營養(yǎng)也可能是土壤養(yǎng)分含量增加的因素之一[27-28]。且本研究中鐵改性生物炭與普通生物炭對不同養(yǎng)分的影響有所差異，這可能與生物炭本身的結(jié)構(gòu)功能特性的差異及對土壤pH的影響的差異有關(guān)。生物炭對土壤的堿解氮、全鉀影響不顯著，分析其可能原因是本試驗(yàn)采用礦區(qū)污染土壤與林地表層土混合營養(yǎng)基質(zhì)栽培，相對于土壤本身就含有更高的堿解氮和全鉀，而生物炭中含碳量高，堿解氮、全鉀含量低，施入栽培基質(zhì)后直接增多的效應(yīng)不明顯，而施入相對肥力較低的土壤間接增加土壤養(yǎng)分利用率的作用更顯著[5，29]。

3.2 AMF侵染情況和植物生長狀況

通常情況下，重金屬對AMF在植物根系的侵染有一定影響。本研究中，在多種重金屬元素的復(fù)合污染下，AMF仍表現(xiàn)出較高的侵染率，這表明AMF對重金屬具有一定的耐性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所有未接種AMF處理組均未觀察到AMF侵染，接種組則侵染良好，且2種生物炭對AMF侵染率的影響有所差異，普通生物炭顯著增加了AMF侵染率，這與Kolb等[30]和Ezawa等[31]的研究結(jié)論一致。這可能與生物炭為真菌提供了適宜的環(huán)境，降低了污染物的毒害有關(guān)。并且生物炭可吸附對AMF有害的物質(zhì)[27，32]，有效減緩了多種重金屬元素對AMF的毒害。另一方面，鐵改性生物炭則降低了AMF侵染率，說明本試驗(yàn)中，生物炭經(jīng)過含鐵化合物改性后不利用AMF存活，2種不同生物炭對AMF侵染率的影響不同，這與Han 等[33]的不同制備工藝下生物炭對AMF影響不同的研究結(jié)論一致，并且，鐵基生物炭由于活性鐵元素的存在，可能會活化部分重金屬，增強(qiáng)其對AMF的毒性。

生物炭的類型和制作原材料是評估其作為微生物棲息地和改良土壤效應(yīng)的關(guān)鍵因子。有研究表明，在日本，通過用稻殼炭調(diào)節(jié)土壤pH，吸收那些抑制根系生長和微生物活性的有毒物質(zhì)或農(nóng)藥，可增加根系A(chǔ)MF侵染率[12]。據(jù)報道，在澳大利亞，當(dāng)?shù)罔駱渖锾繉MF侵染率也有類似的效應(yīng)[34]，但Rondon等[35]的研究中桉樹(Eucalyptusrobusta)生物炭則無此效應(yīng)。

本研究中，無論施加生物炭與否，AMF對望江南根系總根長、根表面積、根體積、根尖數(shù)、根系分叉數(shù)等根系形態(tài)參數(shù)均有顯著的促進(jìn)作用，這與之前多數(shù)相關(guān)研究的結(jié)論一致[36-39]，說明接種AM真菌不同程度地緩解了重金屬對望江南根系的毒害，其可能的原因是AM真菌的侵染能夠增加根系細(xì)胞壁的木質(zhì)化程度，使宿主植物根尖表皮細(xì)胞層數(shù)增多，促進(jìn)根系的生長和分枝，改變根系形態(tài)結(jié)構(gòu)[40]，進(jìn)而增強(qiáng)根系結(jié)合重金屬的能力。另一方面，本研究中，單一普通生物炭處理下，根系各形態(tài)參數(shù)也有一定程度的增加，單一鐵改性生物炭處理下，望江南根系相應(yīng)各形態(tài)參數(shù)則降低，AMF與生物炭復(fù)合處理下，相比于對照處理、單一接種AMF處理和單一生物炭處理，望江南根系各形態(tài)參數(shù)增加程度更大，尤其是普通生物炭與AMF復(fù)合其促生效果更顯著，這說明普通生物炭顯著增加了望江南根系侵染率，有利于其根系的生長發(fā)育。生物炭和AMF對望江南根系形態(tài)的影響與對其地上部生長發(fā)育具有一定的一致性。通過分析望江南株高、葉長和葉寬的生長動態(tài)可知，不同處理下，隨生長時間的延長，望江南株高動態(tài)變化與葉長和葉寬動態(tài)變化情況基本一致。植物播種后初期，其根系尚未發(fā)達(dá)，生物炭和AMF通過改變土壤環(huán)境以影響望江南的生長發(fā)育，而初期AMF尚未侵染其根系或侵染率較低， AM真菌侵染宿主植物后一般從初侵染的寄生關(guān)系逐漸過渡到互利共生關(guān)系[41]。初期土壤養(yǎng)分充足，生物炭固持養(yǎng)分以達(dá)到促生效應(yīng)的功能尚未能顯現(xiàn)，因此， 二者對土壤環(huán)境無顯著性影響，各處理間的望江南株高、葉長、葉寬無顯著差異。隨生長期延長，各處理下望江南株高、葉長和葉寬均表現(xiàn)為慢-快-慢的變化趨勢，并且，無論施加生物炭與否，AMF處理下望江南株高、葉長和葉寬始終高于未接種處理，在播種120 d后的生長后期，未接種AMF處理組望江南生長較為緩慢，有趨于穩(wěn)定的趨勢，接種AMF處理組其生長速度較高，仍保持一定的生長趨勢。說明AMF作用下，望江南根系發(fā)育更佳，可延長望江南生長期?？傮w上，接種AMF對望江南表現(xiàn)出顯著促生作用，接種處理大幅度地提高了望江南生物量(圖3)，這與之前很多有關(guān)AMF促進(jìn)宿主植物生長的研究結(jié)論一致[42-43]。

相比較而言，AMF對土壤pH和土壤養(yǎng)分的影響比對望江南植株的影響小，而生物炭對土壤pH和土壤養(yǎng)分的影響比對望江南植株的影響大。生物炭可顯著改良土壤環(huán)境，AM真菌有利于植物對養(yǎng)分的吸收，當(dāng)AM真菌和生物炭同時施用時，在外部環(huán)境的改善和根系擴(kuò)建的雙重作用下，望江南根系結(jié)構(gòu)及干物質(zhì)積累改變最顯著。與單一處理相比，兩者互作對望江南的促生長效應(yīng)有著顯著的協(xié)同增效作用，尤其是對普通生物炭與AMF互作的土壤改良和促生效果最好，鐵改性生物炭對促進(jìn)望江南生長的作用效果相對較差，其影響機(jī)制有待進(jìn)一步探討。同時，考慮到生物炭和AM真菌對植物生長和重金屬的復(fù)雜交互作用，仍需要進(jìn)一步試驗(yàn)探索兩者最佳配施條件。

4 結(jié)論

在重金屬污染土壤中，望江南正常生長，對重金屬污染表現(xiàn)出一定的耐性。接種AMF對土壤養(yǎng)分含量均無顯著影響。2種生物炭均表現(xiàn)出一定的土壤改良效應(yīng)，均可增加土壤有機(jī)質(zhì)、全氮、全磷、有效磷和速效鉀含量，但對堿解氮、全鉀含量影響不顯著；接種AMF后，望江南根系表現(xiàn)出較高的菌根侵染率，施用生物炭則可進(jìn)一步增加菌根侵染率，促進(jìn)望江南根系形態(tài)的擴(kuò)建、植株生長及干物質(zhì)積累，并且相比于單一AMF接種處理，與生物炭復(fù)合處理其促生效率更高，尤其是AMF與普通生物炭聯(lián)合效率更高；生物炭與AMF不同的利用方式可在發(fā)揮土壤改良效應(yīng)同時降低重金屬對望江南的毒害并促進(jìn)望江南的生長。