不同施氮水平下AMF 對工業(yè)廢棄地植物生產(chǎn)力和多樣性的影響

胡一民，蘇鑫裕，李 俠，*

（1.中國農(nóng)業(yè)大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院，北京100193；2.山西大同大學(xué)生命科學(xué)學(xué)院，山西大同037009）

工業(yè)廢棄地因工業(yè)生產(chǎn)嚴(yán)重破壞了該區(qū)域土壤的生態(tài)環(huán)境，使得該區(qū)域土壤重金屬含量升高，土壤礦質(zhì)養(yǎng)分流失，土壤有機(jī)質(zhì)含量下降，植物群落多樣性呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢[1-2]。植物作為自然生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者，在維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定中發(fā)揮著重要作用。然而，不當(dāng)?shù)墓I(yè)生產(chǎn)破壞了區(qū)域內(nèi)土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡，影響了土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[3]，因此關(guān)注工業(yè)廢棄地植物群落多樣性對于該區(qū)域生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性有關(guān)鍵的指示作用。

叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）是一類寄生在植物根系內(nèi)的真菌。它分布極為廣泛，能與90%以上的植物根系形成菌根共生體[4]。AMF 能夠在土壤結(jié)構(gòu)和肥力條件貧瘠的逆境下通過其侵染植物形成的龐大菌絲網(wǎng)絡(luò)來提高植物對于土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收，尤其是對于一些生物有效性低的礦質(zhì)元素[5]。AMF 對自然生態(tài)系統(tǒng)中植物群落組成、植物多樣性及生產(chǎn)力維持具有重要作用[6]。

氮素是植物生長所需的大量元素，自然生態(tài)系統(tǒng)中越來越多的氮素投入會(huì)使植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響植物多樣性[7]。隨著氮素的不斷輸入，對于一些生態(tài)系統(tǒng)（森林生態(tài)系統(tǒng)，草地生態(tài)系統(tǒng)），其植物多樣性出現(xiàn)降低的趨勢[8-9]。因此探討不同氮肥水平下AMF 對工業(yè)廢棄地植物生產(chǎn)力和多樣性的影響，能夠?yàn)楣I(yè)廢棄地植被的修復(fù)和生態(tài)重設(shè)提供理論支撐及保持區(qū)域土壤生態(tài)環(huán)境提供一些理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)概況

試驗(yàn)安排在山西大同大學(xué)北校區(qū)工業(yè)廢棄地區(qū)域內(nèi)，試驗(yàn)區(qū)地勢較為平坦，海拔高度為1 056 m，GPS 坐標(biāo)為40°5′18″N，113°21′4″E，地處黃土高原東北邊緣，屬溫帶大陸性季風(fēng)氣候，全年溫差較大，年平均氣溫5.5℃，年平均降水量400 mL，主要集中在7 月和8 月。試驗(yàn)區(qū)土壤土層排列凌亂，其中包含多種建筑廢物，如瓷磚塊、玻璃、石塊石礫、混凝土塊、金屬等，土壤較為壓實(shí)和板結(jié)。土壤貧瘠，有機(jī)質(zhì)、水分含量均較低，pH（H2O，1∶5 土/水）7.86，有機(jī)質(zhì)含量（Schollenberger method）0.25%，速效磷含量（Olsen method）1.83 mg/kg，電導(dǎo)率0.216 mS/cm。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2018 年3 月，在試驗(yàn)區(qū)植物群落中，布置18 個(gè)1.5 m×1.5 m 的樣方，所有樣方全部用棉繩圍圈，四周用土壘住。各個(gè)樣方之間的間隔至少為1 m。布置樣方時(shí)，植物尚未完全萌發(fā)。在18 個(gè)樣方中共設(shè)2 個(gè)因素，A 因素設(shè)2 個(gè)水平即水與滅菌劑；B 因素為不同的施氮水平，設(shè)定3 個(gè)水平分別為N0、N1、N2，共進(jìn)行6 個(gè)不同處理，分別是水+N0、水+N1、水+N2 和滅菌劑+N0、滅菌劑+N1、滅菌劑+N2，每個(gè)處理3 次重復(fù)，進(jìn)行完全試驗(yàn)，實(shí)施在18 個(gè)樣方內(nèi)，各個(gè)樣方按照抽簽的方式隨機(jī)分布如圖1 所示。

圖1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案

滅菌劑采用苯菌靈（江蘇藍(lán)豐生物化工股份有限公司產(chǎn)），劑量按照O’Connor et al.（2002）[10]的用量來設(shè)計(jì)，每個(gè)滅菌劑處理樣方澆灌15 L 溶有9 g苯菌靈的水溶液，水處理的樣方澆灌15 L 水。氮素設(shè)定的3 個(gè)水平為：N0=0 g/m2、N1=15 g/m2、N2=30 g/m2。氮素的處理采用含氮量較高的NH4NO3，樣方面積為2.25 m2所需的NH4NO3加入量對應(yīng)為：N0=0 g、N1=96.43 g、N2=192.86 g。滅菌劑與氮素混合處理時(shí)將NH4NO3與苯菌靈一同溶進(jìn)水里進(jìn)行澆灌，每個(gè)樣方均以15 L 水為標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)分2 次進(jìn)行處理，2 次相隔20 d，氮素每次各施入1/2 的量，苯菌靈則每次均按照標(biāo)準(zhǔn)施入。

于4 月5 日開始第1 次處理樣方，4 月25 日進(jìn)行樣方的第2 次處理，與第1 次處理完全相同。在5月15 日試驗(yàn)結(jié)束時(shí)統(tǒng)計(jì)每個(gè)樣方中植物的種類和株數(shù)，并計(jì)算各樣方中的植物密度、蓋度、物種數(shù)目及物種的多樣性。

1.3 試驗(yàn)指標(biāo)測定

1.3.1 植物的生產(chǎn)力。5 月15 日試驗(yàn)結(jié)束時(shí)，將樣方中所有植物連同根部一起挖出，每株植物都剪成地上和地下2 個(gè)部分，地下部的植物根系用于測定菌根侵染狀況，地上部則用于測定植物的生產(chǎn)力。

分別稱量植物地上部分的鮮重，之后將全株放入烘干箱內(nèi)于105℃下烘干30 min，進(jìn)行殺青。殺青后，在80℃的烘箱內(nèi)再烘干2～3 h，至重量恒定為止，烘干結(jié)束后進(jìn)行稱量，記錄地上部干重。

1.3.2 植物的多樣性。物種的多樣性是指群落中物種的數(shù)目和每一物種的個(gè)體數(shù)目。多樣性指數(shù)是豐富度和均勻性的綜合指標(biāo)，最常用的香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)（Shannon-Weiner，H）計(jì)算公式為：

式中，H為信息量，即物種的多樣性指數(shù)；S為物種數(shù)目，Pi為物種i的個(gè)體ni在全部個(gè)體N中的比例。H信息量越大，不確定性也越高，多樣性也就越高，生態(tài)系統(tǒng)也加越穩(wěn)定[11]。

收獲時(shí)，首先統(tǒng)計(jì)各種不同處理的樣方內(nèi)植物的種類，然后根據(jù)公式計(jì)算出各個(gè)不同處理?xiàng)l件下的植物的多樣性指數(shù)即信息量H。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析。試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)用sigmaplot12.5 做柱狀圖，并采用IBM SPSS Statistics 22 對數(shù)據(jù)進(jìn)行方差分析，用LSD、Duncan 法進(jìn)行多重性比較，以確定差異的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物的生產(chǎn)力

從圖2 可以看出，在N0、N1 條件下，用水處理和苯菌靈處理的植物的地上部干重的差異并未達(dá)到顯著水平；而在N2 條件下，用水處理后的植物地上部干重顯著高于用苯菌靈處理的結(jié)果（P＜0.05）。在全部水處理的條件下，植物地上部干重只有在N0 與N2 兩者之間達(dá)到顯著差異（P＜0.05），而N0、N2 與N1 均沒有出現(xiàn)顯著差異；在全部苯菌靈處理的條件下，植物地上部干重在N0、N1、N3 三者之間均未出現(xiàn)顯著差異。

圖2 不同處理下植物的地上部干重

2.2 植物的多樣性結(jié)果分析

由表1 可知，N0 水平下，水處理的樣方內(nèi)植物種類為4 種：克氏針茅、沙鞭、假紫草、苦苣菜；苯菌靈處理的樣方內(nèi)的植物種類為3 種：克氏針茅、沙鞭、大薊。N1 水平下，水處理的樣方內(nèi)植物種類為4 種：克氏針茅、沙鞭、假紫草、大薊；苯菌靈處理的樣方內(nèi)的植物種類為3 種：克氏針茅、沙鞭、苦苣菜。N2 水平下，水處理的樣方內(nèi)植物種類為5 種：克氏針茅、沙鞭、假紫草、苦苣菜、薺菜；苯菌靈處理的樣方內(nèi)的植物種類為4 種：克氏針茅、沙鞭、苦苣菜、大薊。在全部苯菌靈處理的樣方內(nèi)，隨氮素水平的變化，物種的數(shù)目沒有出現(xiàn)明顯的差異，而且均未發(fā)現(xiàn)假紫草和薺菜。而在全部水處理的樣方內(nèi)，物種的數(shù)目也不受施氮水平的影響，N1、N2、N3 水平下均有假紫草，N1 水平下有薺菜。在用水處理的全部樣方內(nèi)出現(xiàn)的植物的數(shù)目總數(shù)累積為13 種（包括重復(fù)物種），明顯高于苯菌靈處理的10 種。

從圖3 可以看出，N0 水平下，水處理的多樣性指數(shù)高于苯菌靈的處理，分別為0.598、0.335；N1 水平下，水處理的多樣性指數(shù)也高于苯菌靈，分別為0.796、0.569；N2 水平下，水處理的多樣性指數(shù)仍高于苯菌靈處理，分別為1.096、0.618。在同一施氮水平下，用水處理的樣方內(nèi)的物種多樣性指數(shù)均高于苯菌靈處理，僅在苯菌靈+N2 處理中的物種多樣性指數(shù)略低于水+N1 處理。

表1 不同處理中的植物種類

圖3 不同處理下物種的多樣性

3 討論與結(jié)論

在自然生態(tài)系統(tǒng)中，AMF 分布極為廣泛，對植物的生長影響顯著。該次試驗(yàn)中，對于植物的生產(chǎn)力，在全部的苯菌靈處理中，植物的地上部干重在不同施氮水平下，相互之間的差異均未達(dá)到顯著水平；而在全部的水處理下，N0 與N2 水平之間的差異達(dá)到顯著。這說明氮肥與AM 真菌協(xié)同處理有利于菌根效應(yīng)的發(fā)揮，促進(jìn)植物生物量積累。這與龍顯莉等[12]的研究結(jié)果一致。土壤含氮量影響植物與菌根的相互作用，在氮素含量很低的工業(yè)廢棄地，菌根也是一個(gè)有效的供氮途徑，有研究表明，在氮素含量受限的土壤中，植物會(huì)較大比例的利用來自菌根的氮素[13]。該次試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著土壤中氮素含量的升高，AMF 對植物地上部的積累有促進(jìn)作用。分析原因可能是AMF 促進(jìn)了植物對土壤中其他生物有效性低的礦質(zhì)元素的吸收，從而表現(xiàn)出生物量的積累[14]。

對于物種的多樣性，同一施氮水平下，水處理的樣方內(nèi)的香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)（Shannon-Weiner，H）顯著高于苯菌靈的處理，兩因素之間差異達(dá)到顯著水平。說明在工業(yè)廢棄地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)AMF 可以顯著提高了物種多樣性和物種豐度，這一結(jié)論與康前等人在廢棄礦地土壤生態(tài)系統(tǒng)中的得到的結(jié)果具有一致性[15]。對于植物的多樣性，水處理?xiàng)l件下，不同施氮水平樣方內(nèi)的植物多樣性表現(xiàn)出顯著差異，隨著施氮量的升高，植物多樣性增加。當(dāng)?shù)屎窟_(dá)到9 t/hm2時(shí)，氮肥施用對植物豐富度有顯著的負(fù)效應(yīng)[16]，該次試驗(yàn)氮肥投入量最高為30 g/m2，是9 t/hm2標(biāo)準(zhǔn)的1/2，說明氮肥含量在一定范圍內(nèi)，AMF 有助于植物多樣性的提高。苯菌靈+N2 水平這一處理的物種多樣性指數(shù)要略高于水+N0 水平的處理，說明AMF 對廢棄地物種多樣性提高的效應(yīng)相當(dāng)于施加N2 水平氮肥的效應(yīng)。不同的是，相較于水+N0 水平處理，苯菌靈+N2 水平處理需要不斷投入外源氮肥以保證土壤中一定含量的氮素。適當(dāng)施用氮肥能夠有效提高植物產(chǎn)量，但過量氮肥的投入容易造成因氮肥損失而產(chǎn)生的諸多環(huán)境問題，從而降低氮肥利用率[17]。AMF 只需要接種一次就可以在土壤中大量繁殖，無需每年接種，節(jié)約成本同時(shí)提高土壤肥力，維持生態(tài)平衡，保護(hù)生態(tài)環(huán)境[18]。

工業(yè)廢棄地由于其土壤較為貧瘠，造成廢棄地內(nèi)植物的生態(tài)指標(biāo)下降，植物的生產(chǎn)力也相對較低，物種多樣性降低，使得城市工業(yè)廢棄地這一生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，同時(shí)自我調(diào)節(jié)能力也不斷減弱[19]。因此，將AMF 接種到工業(yè)廢棄地多種植物根系內(nèi)，形成有利于植物生長的菌根，同時(shí)，在一定范圍內(nèi)加大氮肥的施入量應(yīng)該可以顯著的改善工業(yè)廢棄地內(nèi)的植物的生長狀況，提高植物的生產(chǎn)力，提高物種的豐富度和多樣性。這樣不僅有利于提高工業(yè)廢棄地植被的自我修復(fù)能力，增加生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自我調(diào)節(jié)能力，還能夠有效改善工業(yè)廢棄地植被的覆蓋率，從而將無用的廢棄地通過其生態(tài)修復(fù)能力變?yōu)槌鞘芯坝^，在一定程度上解決了目前城市建設(shè)發(fā)展過程中遇到的環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)破壞這一難題。