叢枝菌根與覆草對(duì)礦區(qū)玉米生長及土壤水分的影響

宋子恒，畢銀麗，2，張健

1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；2.西安科技大學(xué)地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院，陜西西安 710054

玉米是中國西北地區(qū)重要的糧食作物之一。該地區(qū)主要是季風(fēng)氣候，全年超過70%的降雨集中在7月和8月[1]。降雨量少和水分分布不均，是限制我國西北地區(qū)農(nóng)業(yè)發(fā)展的重要因素之一[2]。同時(shí)，我國西北半干旱地區(qū)采礦活動(dòng)頻繁，導(dǎo)致土壤結(jié)構(gòu)變化、土壤養(yǎng)分流失，進(jìn)一步限制了玉米等糧食作物的生長發(fā)育。地膜覆蓋作為一項(xiàng)有效的旱作增產(chǎn)技術(shù)，其主要以保水增溫的形式作用于土壤，通過提高降水利用率、加速土壤養(yǎng)分轉(zhuǎn)化、增強(qiáng)微生物活性、促進(jìn)作物生育進(jìn)程來提高作物產(chǎn)量[3-4]。有研究表明，利用植物殘?jiān)采w可以有效提高土壤肥力和土壤質(zhì)量，進(jìn)而增加作物產(chǎn)量[5]。在農(nóng)業(yè)區(qū)進(jìn)行覆草可以有效增加有機(jī)質(zhì)的含量，有利于促進(jìn)土壤團(tuán)聚體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，進(jìn)而影響土壤孔隙率，增強(qiáng)保水性能，減少水分流失[6]。在被侵蝕的實(shí)驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了三年的覆草試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)土壤的流失減少了49%[7]。對(duì)土壤進(jìn)行覆草處理可以有效改善土壤質(zhì)量、增加土壤肥力[8]。當(dāng)把草覆蓋到土壤表面時(shí)，草的腐解速度很慢，草在緩慢的腐解后進(jìn)入土壤，形成土壤有機(jī)物[9]。其他研究表明，對(duì)土壤進(jìn)行覆草后，相比于未覆草的處理，土壤中的有機(jī)物提高了3.9%到10.4%，土壤中的其他營養(yǎng)元素含量也會(huì)顯著提高[10]。覆草的效果取決于覆草的應(yīng)用環(huán)境條件，如坡度、土壤類型、土地利用、土壤管理方法和降雨量等因素[11]。叢枝菌根(Arbuscular mycorrhiza，簡(jiǎn)稱AM)真菌普遍存在于絕大多數(shù)植物根系，是土壤中與植物關(guān)系最為密切的微生物之一[12]，接種叢枝真菌有利于增加植物對(duì)養(yǎng)分和水分的攝取[13]。已有研究發(fā)現(xiàn)，AM真菌菌絲侵入作物根系形成有益共生體，增大根系吸收范圍，促進(jìn)作物吸收土壤中水分與移動(dòng)性差的營養(yǎng)元素，增強(qiáng)植株抗逆(干旱、鹽漬、重金屬毒害等)能力，進(jìn)而提高作物產(chǎn)量[14]。

為了緩解中國西北部降雨少干旱多、夏季蒸發(fā)量大以及沙土養(yǎng)分貧瘠的問題，本試驗(yàn)使用覆草聯(lián)合叢枝菌根培育玉米，就地取材使用紫花苜蓿進(jìn)行覆草，增加土壤保水性，結(jié)合叢植菌根真菌促進(jìn)植物對(duì)養(yǎng)分的吸收，以此來增加玉米產(chǎn)量。在覆草方式上，不使用表面覆草而改用植物根圍土下覆草，希望能夠充分利用土壤中的微生物加速苜蓿的腐解，縮短腐解過程。利用叢枝菌根真菌和覆草促進(jìn)植物生長，不僅可以減少礦區(qū)農(nóng)田塑料薄膜的使用，還可以增加土壤肥力，為礦區(qū)植物生長和土壤改良提供有力支持。

1 材料和方法

1.1 試驗(yàn)區(qū)域

試驗(yàn)區(qū)位于陜西神木縣大柳塔山溝村(39°29′N，110°28′E)，屬溫帶干旱半干旱大陸性季風(fēng)氣候，平均氣溫7.9 ℃～11.3 ℃，10 ℃以上的積溫為2 847.2 ℃～4 147.9 ℃。無霜期134～169 d，年日照時(shí)數(shù)2 593.5～2 914.2 h，全年降水量 316～513 mm，是陜西省降水量最少的地區(qū)，且多集中在7、8、9三個(gè)月份，約占全年降水量的三分之二。光照充足，溫差大，氣候干燥，雨熱同季。主要自然災(zāi)害是干旱和低溫。該地區(qū)農(nóng)田地勢(shì)變化較為平緩，土壤類型為風(fēng)沙土，土質(zhì)疏松，蓄水保肥能力較差。2016年日照2 876 h，年平均氣溫為8.9 ℃，年平均降水量在420 mm左右。土壤有機(jī)質(zhì)含量為4 g/kg，全氮(TN)0.38 g/kg，堿解氮12.5 mg/kg，速效磷(AP)6.9 mg/kg，速效鉀(AK)51.2 mg/kg，田間最大持水量25.01%，pH值7.72。

1.2 田間試驗(yàn)布設(shè)

為了探索接種AM真菌聯(lián)合覆草對(duì)玉米生長的影響，共設(shè)計(jì)了4個(gè)處理，其中M 為接種AM真菌處理，F(xiàn)為覆草處理，MF為接種AM真菌+覆草處理，CK為對(duì)照組，每組處理3個(gè)重復(fù)，共12片樣區(qū)(圖1)。試驗(yàn)區(qū)長5 m、寬2 m，樣區(qū)之間相距1 m，栽種玉米為(9×4)棵。選用的菌種為摩西球囊霉菌(Funneliformismosseae)，每株玉米接種菌劑200 g；接種方式為：播撒玉米種子前，在穴中先播撒200 g菌劑，后將玉米種子播種在菌劑上，覆土。覆草方法為：待玉米出苗后，將試驗(yàn)田附近收集到的紫花苜蓿打斷成20 cm長，圍繞玉米根圍覆草，覆草深度距離地表10 cm，覆草厚度為5 cm，覆草后將土回填掩埋。每片樣區(qū)覆草重量為20 kg。

圖1 野外試驗(yàn)區(qū)樣地示意圖Fig.1 Schematic diagram of sample plot in field experiment area

1.3 野外指標(biāo)的測(cè)定

在每個(gè)小區(qū)中心部分安裝EM 50水分探頭，安裝深度為25 cm，對(duì)土壤層的含水量進(jìn)行長期的監(jiān)測(cè)。每天上午10：00記錄土壤含水量。

在大喇叭口期、灌漿期、成熟期監(jiān)測(cè)玉米的生長狀況，監(jiān)測(cè)指標(biāo)包括葉色SPAD值、植物根系特征、光合速率、土壤呼吸速率與產(chǎn)量。其中SPAD值采用SPAD-502 Plus(Konica)葉綠素測(cè)定儀測(cè)定，6次重復(fù)；植物根系特征采用植物根系生長監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CI-600掃描根系剖面圖，并用CI-690RootSnap根系分析軟件得出數(shù)據(jù)；利用Li-6400 XT便攜式光合儀測(cè)定光合速率；采用美國 LICOR 公司生產(chǎn)的 LI-8100土壤呼吸儀測(cè)量土壤呼吸速率。

待玉米成熟后，收獲玉米地上部分與地下根系部分，測(cè)定玉米地上部分干物質(zhì)量和地下根系干重，玉米穗脫粒、烘干后，折算成實(shí)際產(chǎn)量。同時(shí)，在小區(qū)中心部分植株隨機(jī)取根際土樣，用于測(cè)定土壤理化性質(zhì)。

1.4 土壤樣品的收集和理化性質(zhì)的測(cè)定

在試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)收集土壤樣品，取土深度為15 cm，所有樣品一式3份，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。采集后的土壤樣品保存于4 ℃等待實(shí)驗(yàn)室分析。在進(jìn)行試驗(yàn)前將土壤風(fēng)干并且過100目篩，去除土壤中的植物殘?jiān)?，檢測(cè)土壤的pH值、土壤球囊霉素、相關(guān)土壤蛋白、有機(jī)質(zhì)、TN、AP、AK等指標(biāo)。

土壤的pH值利用土壤pH計(jì)測(cè)定(土水比為1∶5)；土壤有機(jī)質(zhì)使用重鉻酸鉀容量法測(cè)定[15]；土壤全氮利用凱氏定氮法測(cè)定[16]；土壤有效磷濃度使用NaHCO3浸提-鉬銻抗比色法測(cè)定[17]；土壤有效鉀利用醋酸銨提取，用火焰原子吸光光度法進(jìn)行檢測(cè)[18]；EE-GRSP 和 DE-GRSP的含量采用Bradford法測(cè)定[19]，T-GRSP為EE-GRSP和DE-GRSP的總和；侵染率利用Phillips方法清洗根系染色后進(jìn)行觀察[21]。

1.5 數(shù)據(jù)分析

所有數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析均使用SPSS 11.0 和 Excel 2010。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對(duì)土壤性質(zhì)影響

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在玉米種植期間，土壤中有效磷(AP)和有效鉀(AK)的含量都是增加的(表1)。在成熟期時(shí)，AK的含量是大喇叭口期的1.19倍，是灌漿期的1.09倍；AP的含量分別是大喇叭口期和灌漿期的1.27倍和1.42倍。在種植期間，CK處理的TN變化最小，而M和MF處理中在成熟期時(shí)土壤中的TN含量都顯著低于對(duì)照組。經(jīng)過5個(gè)月的培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)農(nóng)田土壤的有機(jī)質(zhì)含量并沒有發(fā)生顯著的變化。在成熟期時(shí)，F(xiàn)、MF處理的有機(jī)質(zhì)含量高于大喇叭口期，但是并不顯著；土壤中TN、AP、AK在玉米生長的不同時(shí)期產(chǎn)生了變化，在雨水較多的月份即灌漿期，都顯著增加，這些養(yǎng)分的增加應(yīng)該是來自于土壤中紫花苜蓿降解釋放的養(yǎng)分。土壤中的有機(jī)質(zhì)含量并沒有顯著增加的原因，可能為本試驗(yàn)在較為干旱的沙地進(jìn)行覆草，腐解速度緩慢；試驗(yàn)中覆草為紫花苜蓿，莖稈較粗、不易腐解，較粗的植物纖維對(duì)有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生了較強(qiáng)的吸附力，部分紫花苜蓿腐解后，N、P、K等養(yǎng)分進(jìn)入了土壤被植物利用，但是有機(jī)質(zhì)仍然因腐解不夠徹底而固定在植物纖維附近。試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，在玉米生長的各個(gè)階段，M和M覆草處理中的T-GRSP和EE-GRSP都是顯著高于其他處理的，接菌能夠顯著增加土壤中球囊霉素的含量。

表1 不同處理的土壤中營養(yǎng)元素含量Tab.1 The content of nutrient elements in different soil treatments

2.2 不同處理對(duì)玉米產(chǎn)量的影響

玉米成熟后收獲產(chǎn)量(干重)見表2。其中，M的地下部分干重顯著高于F，F(xiàn)的玉米產(chǎn)量顯著低于CK，M顯著高于CK。M的產(chǎn)量比F高出了47.7%，CK高出了13%。F會(huì)使產(chǎn)量降低，可能是草覆蓋在玉米根圍而使玉米的根系無法充分接觸土壤，從而無法充分吸收土壤中的養(yǎng)分。在試驗(yàn)完成后發(fā)現(xiàn)，覆于植物根圍的草由于填埋時(shí)間較短尚未腐解，從而無法為植物提供足夠的養(yǎng)分。

表2 不同處理的玉米產(chǎn)量Tab.2 Corn yield of different treatments

2.3 不同處理對(duì)玉米根系生長的影響

通過掃描根管發(fā)現(xiàn)(表3)，未覆草的處理中玉米發(fā)育較好，根的直徑和根尖數(shù)都顯著大于覆草的，在大喇叭口期接菌處理的根表面積是覆草處理的2倍，F(xiàn)M的根表面積是覆草處理的1.1倍。到成熟期后，接菌處理的根表面積分別是CK、覆草處理、覆草接菌處理的1.2倍、1.6倍和1.33倍。

表3 不同處理的玉米根系的生長狀況Tab.3 Growth status of maize roots under different treatments

2.4 不同處理對(duì)植物光合速率和SPAD值的影響

分別在三個(gè)時(shí)期監(jiān)測(cè)玉米葉片的光合速率和SPAD值(表4)。隨著時(shí)間的推移，葉片中的葉綠素含量呈現(xiàn)先增多再減少的趨勢(shì)，灌漿期時(shí)玉米葉片的葉綠素最多，光合作用最旺盛。葉綠素也與葉片的光合速率成正相關(guān)。接菌處理下葉片的葉綠素含量顯著高于其他處理，在大喇叭口期，M的葉色值分別是CK、F、MF的1.22倍、1.43倍、1.2倍；到達(dá)灌漿期變?yōu)榱?.24倍、1.38倍、1.24倍。接菌顯著增加了葉片的葉色值并且提高了葉片的光合速率。但是進(jìn)行F后，葉片的葉色值和光合速率都顯著降低。在灌漿期，CK的葉色值和葉片光合速率分別是F的1.11倍和1.33倍，但是僅為FM和M的 0.99倍和0.94倍。

表4 不同處理下玉米葉片光合速率與SPAD值Tab.4 Photosynthetic rate and SPAD value of maize leaves under different treatments

2.5 不同處理對(duì)土壤含水率影響

經(jīng)過連續(xù)的長期水分檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)覆草對(duì)于土壤的保水有著卓越的效果，在干旱期可以有效地防止水分蒸發(fā)，在多雨期也不會(huì)大量積水導(dǎo)致植物爛根。覆草效果就像在土壤中埋下海綿，可以適量儲(chǔ)存水分為植物提供需要，讓土壤能夠長期、持續(xù)地為植物提供水分(圖2)。在降水相對(duì)集中的6月和8月，可以發(fā)現(xiàn)覆草的保水性能比未覆草高出近50%；而在降雨較少的時(shí)期，覆草依然能有效減少水分的蒸發(fā)，比未覆草的保水量增加30%。

圖2 不同處理下長期水分監(jiān)測(cè)Fig.2 Long term water monitoring under different treatments

3 討 論

3.1 覆草和接菌對(duì)土壤的影響

覆草對(duì)于土壤性質(zhì)的改善不是單純的物理或者化學(xué)變化[22-23]。植物本身包含各種營養(yǎng)元素，在腐解充分的情況下，紫花苜蓿可以轉(zhuǎn)變?yōu)橥寥佬枰臓I養(yǎng)元素進(jìn)而增加土壤的養(yǎng)分含量。此外，植物中的木質(zhì)素和蛋白質(zhì)不易降解，可以長期保存于土壤中，增加土壤肥力[24]，并形成一個(gè)水分保護(hù)層。有研究表明，對(duì)土壤進(jìn)行鋪覆稻草可以從兩個(gè)方面緩解土壤的退化，即增加土壤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和增加土壤中的養(yǎng)分[25]。趙慧穎等[26]研究發(fā)現(xiàn)，鋪設(shè)稻草可以有效地增加土壤的有機(jī)質(zhì)、有效磷和有效鉀。與此同時(shí)，有機(jī)質(zhì)會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橛懈蟊缺砻娣e和吸附能力的腐殖土。這些變化可以顯著降低土壤中水分的流失[27]。

球囊霉素相關(guān)蛋白酶(GRSP)由叢枝菌根真菌的菌絲和孢子分泌，最終儲(chǔ)存于土壤中進(jìn)而改善土壤的物理性質(zhì)[28]。近期的研究表明，TG和EEG都能有效地改善土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性[29]。在本試驗(yàn)中，接菌處理的TG和EEG都是顯著高于其他處理的；接菌同時(shí)覆草的處理中，TG和EEG也是顯著高于未接菌的處理。這說明接菌可以有效提高土壤質(zhì)量，改善土壤結(jié)構(gòu)，即使在覆草的情況下，接菌也有同樣的效果。

3.2 覆草和接菌對(duì)于植物生長的影響

早前的研究表明，通過塑料覆膜可以改善土壤的水熱條件[30]，以此來促進(jìn)玉米的長勢(shì)，并且顯著提高玉米總干重(根部+莖部)的量[31]。Ali等[32]研究發(fā)現(xiàn)，覆膜能夠使玉米產(chǎn)量增加。但是在本試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)接菌處理的產(chǎn)量比覆草處理高，這是由于覆草方式的不同引起的差異。未覆草的處理中玉米發(fā)育較好，根的直徑和根尖數(shù)都顯著大于覆草，這是由于覆草區(qū)距離玉米根部太近，在前期根部發(fā)育時(shí)抑制了根部的生長擴(kuò)散，從而導(dǎo)致了覆草區(qū)根部相對(duì)較小。在這種情況下，接菌有效地刺激了植物根系的生長發(fā)育。這一結(jié)果也與之前的研究結(jié)論相同，即接菌能夠有效提高植物對(duì)養(yǎng)分的攝取，能夠提高根部和莖部的生物量，增加植物的抗逆性[33]。植物葉片是植物生長期的凈生產(chǎn)力的主要貢獻(xiàn)者[34]，然而葉片的光合作用速率對(duì)很多環(huán)境條件有不同的響應(yīng)，因此會(huì)對(duì)產(chǎn)量造成不同影響[35]。葉綠素含量的改變一般是為了響應(yīng)某種環(huán)境因素的變化[36]，葉綠素與葉片的光合速率成正相關(guān)。接菌處理中葉片的葉綠素含量顯著高于其他處理的，在大喇叭口期，M的葉色值分別是CK、F、MF的1.22倍、1.43倍、1.20倍；到達(dá)灌漿期變?yōu)榱?.24倍、1.38倍、1.24倍。接菌顯著增加了葉片的葉色值并且提高了葉片的光合速率，但是進(jìn)行覆草后，葉片的葉色值和光合速率都顯著降低。在灌漿期，CK的葉色值和葉片光合速率分別是覆草處理的1.11倍和1.33倍，MF和M的0.99倍和0.94倍。值得注意的是，雖然F中葉綠素含量顯著低于其他組，但是在MF的葉色值始終高于CK。相較于水分因素，根系生長對(duì)植物的生長發(fā)育占主導(dǎo)地位，MF中可以利用叢枝菌根真菌有效地補(bǔ)充因根系發(fā)育不足而損失掉的養(yǎng)分。

3.3 覆草和接菌對(duì)于土壤水分的影響

早前許多文章對(duì)土壤覆草進(jìn)行了研究，包括火災(zāi)后植被恢復(fù)[37]、礦區(qū)復(fù)墾[38]或者森林恢復(fù)[39]。覆草也被用于農(nóng)業(yè)中促進(jìn)作物生產(chǎn)，同時(shí)可以控制干旱地區(qū)的水土流失。利用稻草進(jìn)行覆草可以有效提高土壤水分的貯存[40]。在降水相對(duì)集中的6月和8月，可以發(fā)現(xiàn)降水期間覆草的保水性能比未覆草高出近50%，而在降雨較少的7月和9月，覆草依然能有效減少水分的蒸發(fā)，保水量比未覆草多30%。Jordán 等[41]將這一原因歸結(jié)于覆草影響了土壤的孔隙率、土壤團(tuán)聚體穩(wěn)定性和有機(jī)質(zhì)含量，增加了有效含水量。研究表明，叢枝菌根真菌共生體對(duì)干旱地區(qū)的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有很大的優(yōu)勢(shì)：一方面，叢枝菌根真菌和植物共生后能夠通過球囊霉素促進(jìn)土壤團(tuán)聚體的形成，以此來提高水分和養(yǎng)分保持量[42]；另一方面，很多叢枝菌根真菌菌絲也能夠擴(kuò)大對(duì)養(yǎng)分和水分的吸收區(qū)域，以幫助宿主植物吸收更多的水分和養(yǎng)分[43]。本試驗(yàn)中，F(xiàn)和M之間、CK與M之間，水分差距非常微小，在沙地土壤中叢枝菌根真菌的保水貢獻(xiàn)率較低，沒能體現(xiàn)出叢枝菌根真菌對(duì)土壤保水效果，原因是該地區(qū)降雨時(shí)間較為集中而且蒸發(fā)量大，沙土質(zhì)地難以在一個(gè)耕作期內(nèi)發(fā)生較大的改變。

4 結(jié) 論

中國西北地區(qū)降雨少，蒸發(fā)量大，土壤貧瘠，保水能力差，使用紫花苜蓿覆草聯(lián)合叢枝菌根真菌促進(jìn)玉米在煤礦區(qū)沙地的生長，以紫花苜蓿為保水材料，通過腐解可以增加土壤的養(yǎng)分。通過5個(gè)月的野外試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：

(1) 覆草對(duì)土壤的水分保持具有非常顯著的效果。降水期間覆草處理的保水性能比對(duì)照組高出近50%，而在降雨較少的時(shí)期，覆草依然能有效減少水分的蒸發(fā)，覆草處理的保水量超過對(duì)照組的30%。

(2) 接菌玉米產(chǎn)量顯著高于對(duì)照處理。接菌產(chǎn)量比覆草處理高出了47.7%，比對(duì)照組高出13%。覆草處理會(huì)使產(chǎn)量降低，這一點(diǎn)可能是由于覆草時(shí)將草覆蓋在玉米根圍，使玉米的根系無法充分接觸到土壤，無法充分吸收土壤中的養(yǎng)分。

(3) 接種叢枝菌根真菌增加了土壤中球囊霉素的含量和土壤中的微生物活性，促進(jìn)了植物的生長。到達(dá)成熟期時(shí)，接菌處理的根表面積分別是對(duì)照、覆草、覆草+接菌處理的1.2倍、1.6倍和1.33倍；受氣候和沙質(zhì)土壤的影響，在中國西北地區(qū)進(jìn)行覆草，需要更長的腐解時(shí)間才能改善土壤質(zhì)量、提高土壤養(yǎng)分；同時(shí)由于沙質(zhì)土壤難以形成土壤團(tuán)聚體，因此需要更長時(shí)間的種植才能體現(xiàn)出叢枝菌根真菌在土壤保水性上的效果。