不同處理對新成排土場3 種灌木生長和光合特性的影響

全 民，魯文岐，王 瑜，王 坤，畢銀麗，張家毓

（1 神華準格爾能源有限責任公司準能生產服務中心，內蒙古鄂爾多斯 010300；2 神華準格爾能源有限責任公司準能黑岱溝露天礦；3 神華準格爾能源有限責任公司準能環(huán)境保護部；4 中國礦業(yè)大學（北京）/煤炭資源與安全開采國家重點實驗室）

煤炭開采對土地、生態(tài)和人居環(huán)境產生了巨大破壞。目前，中國露天礦煤炭的產量已經從4%增加到了30%，露天開采條件下原生地表、地形、地貌被破壞，排出的剝離物，形成的損毀土地主要為排土場[1]。排土場原有生態(tài)環(huán)境及地表植被遭到破壞，需要進行復墾與生態(tài)重建。

礦區(qū)生態(tài)重建過程中，新生植被的演替可由自然演替和人工演替進行，其中自然演替進程非常緩慢，在自然演替過程中，施加人工復墾措施，可以縮短植被演替的周期，提高植被演替的速率[2]。李裕元等[3]的研究結果表明，礦區(qū)植被的自然恢復只有在種源或繁殖體充足的條件下才可能實現，且比人工恢復的時間要長得多。對于一般退化生態(tài)系統，自然恢復雖然可以增加土壤養(yǎng)分以及植被蓋度等，經過采煤擾動后土地極度退化，尤其是我國西部干旱半干旱區(qū)自然條件惡劣，水分條件匱乏，無法在自然條件下恢復，必須借助人工支持和誘導，栽植喬灌草等人工林來加速這一過程非常有利。植物修復最理想的狀態(tài)是生物與環(huán)境的協調進化，這種條件下對生物的選擇提出了較高要求，對植物的合理選擇尤為重要[4]。因此，應遵循“適地適植”的原則，要求嚴格做到覆蓋土、氣候等自然環(huán)境條件與篩選物種生態(tài)學特性相統一[5]。用于礦區(qū)生態(tài)恢復的復墾植被一般具有較強的生物及非生物脅迫耐受性，生長周期短，抗侵蝕能力強，并具有一定的生態(tài)功能[6]。

叢枝菌根（AM）真菌是幾乎所有陸地生態(tài)系統的重要組成部分，在干旱條件下對提高植物營養(yǎng)和水分吸收尤為重要[7]。AM 真菌還能增強植物的競爭能力，決定群落結構和生態(tài)系統的穩(wěn)定性[8]。近年來，AM 真菌與植物共生關系的研究由室內模擬實驗轉向田間原位研究，取得了很大的進展[9]。綠肥（green manure）能為土壤提供豐富的養(yǎng)分。各種綠肥的幼嫩莖葉，含有豐富的養(yǎng)分，一旦在土壤中腐解，能大量地增加土壤中的有機質和氮、磷、鉀、鈣、鎂和各種微量元素。風化煤中含有豐富的活性物質腐殖酸，廣泛應用于土壤改良劑、植物生長刺激劑和肥效增進劑領域。大量的研究表明，施用風化煤可以改善土壤團聚體的質量、水穩(wěn)性團聚體和陽離子交換量。風化煤和微生物配合使用加速了土壤物質的生物學循環(huán)，且提高土壤生物活性，有利于土壤熟化培肥。

豆科植物被認為是在缺水和貧瘠的廢棄地上進行植被恢復的優(yōu)良植物種類[10]。以新成排土場中不同處理的檸條、大果沙棘、紫穗槐作為研究對象，研究了土壤基本值及檸條、大果沙棘、紫穗槐的生長特性及光合指標，說明了不同年限排土場、不同處理及土壤基本值對紫穗槐的影響，以期為新成露天礦排土場生態(tài)恢復提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

試驗地位于內蒙古鄂爾多斯市準格爾旗東部黑岱溝煤礦（111°13′～111°20′E，39°43′～39°49′N），位于鄂爾多斯高原東北部，準格爾煤田中部，整個煤田被黃土所覆蓋。全區(qū)地形西北高，東南低，高程相差170m。礦區(qū)氣候屬于典型的中溫帶半干旱大陸性氣候，年均溫7.2℃，極端最高溫度38.3℃，極端最低溫度-30.9℃，≥10℃年積溫3350℃。一般結冰日期為10 月下旬～翌年4 月下旬，最大凍土深度為1490mm。年總降水量為231～460mm，平均為404mm，降水多集中在7～9 月份，約占全年降水量的60%～70%。月平均降水量為33.5mm，最大小時降水量36.9mm（1972 年7 月），最大一次降水量88.1mm，延續(xù)時間約6h（1973 年7月），最大積雪厚度150mm。年蒸發(fā)量2082mm，日照3119.3h。四季分明，冬春氣候寒冷，干燥，多大風，夏季雨量集中，秋季涼爽，短促。

1.2 試驗材料及試驗設計

1.2.1 供試菌種。供試菌種為AM 真菌摩西管柄囊霉（Funneliformis mosseae，F.m），由北京市農林科學研究院植物營養(yǎng)與資源研究所微生物室提供，后經中國礦業(yè)大學（北京）微生物復墾實驗室增殖培養(yǎng)得到。接菌菌劑為沙土基質，有效成分為AM 真菌孢子、菌絲、及被侵染的植物根段（每10g 菌劑含660 個孢子）。

1.2.2 試驗設計。試驗小區(qū)位于黑岱溝露天煤礦內排土場（2018 年新成）。試驗小區(qū)面積為20m×30m，對照為34m×44m，小區(qū)間隔6m。試驗設置接菌（I）、綠肥（G）、接菌+綠肥（IG）、風化煤+綠肥（DG）、接菌+綠肥+風化煤（IGW）與不接種對照（CK）6 個處理。每個處理小區(qū)栽植植物16 行，每行21 株，行株距為2m×2m。2018 年4 月中旬栽植供試植物檸條、大果沙棘、紫穗槐，同時對各處理進行接種、施加風化煤及綠肥處理，具體方法是：將植物放入樹坑后，在植物根部施加菌劑、風化煤或菌劑+風化煤，菌劑施用量為每株植物穴施50g，風化煤施用量為每株植物穴施100g，然后將之前剝離的表土重新覆蓋。綠肥處理為在植物周圍播撒紫花苜蓿草籽，播撒量為6g/m2。各處理完成后，澆水達土壤最大飽和持水量，隨后每周澆水1 次，1 個月后免除澆水，進行自然管理。綠肥處理的苜蓿出苗45d 后進行翻壓。

1.3 試驗方法

1.3.1 樣品采集。于2018 年4 月栽植完成后對不同處理區(qū)土壤進行采樣。采樣方法是：按S 路線隨機選擇4個點，除去表面約1cm 土壤后，采集0～20cm 土壤約500g。土壤自然風干后，去除枯枝落葉等雜質，過1mm篩，測定球囊霉素土壤相關蛋白和土壤理化性狀等指標。

1.3.2 生長指標測定。2019 年8 月中旬，利用鋼卷尺測量苗木株高，利用游標卡尺測量苗木地徑，利用SPAD502 葉綠素儀測量植物SPAD 值，每處理小區(qū)采用“S”型隨機選取每株植物30 株，每株植物測量3 次取平均值。采用Li-6400XT 便攜式CO2/H2O 分析系統（Li-COR Inc.，Lincoln，Nebraska USA），于晴朗無風的天氣9：00～11：00，選擇生長良好、主莖上正數第3 片展開功能葉片測定光合速率（Pn）、氣孔導度（Gs）、蒸騰速率（Tr）和胞間CO2濃度（Ci），光源有效輻射為1000μmol/m2·s，氣體Flow 值為500mmol/s。每小區(qū)隨機測定3 株苗木。水分利用效率（WUE）為凈光合速率與蒸騰速率的比值。

1.4 統計分析

試驗數據采用Excel 進行整理統計，利用SPSS 20.0 進行LSD 多重比較檢驗及方差分析。R 語言basic包及ggcor 包用于相關性分析及作圖。

2 結果與討論

2.1 不同試驗處理及3 種不同植物試驗區(qū)土壤基本值差異

由表1 可知，土壤因子在不同植物間差異顯著（P＜0.05），但在不同試驗處理間差異不顯著（P＜0.05）。其中大果沙棘pH 值區(qū)間為7.87～8.00，紫穗槐pH 值區(qū)間為7.78～7.92，整體高于區(qū)間pH 值為7.26～7.93 的檸條。電導率及速效磷方面，3 種不同植物間差異不顯著。酶活性方面，脲酶活性、磷酸酶均在3種不同植物間差異顯著。脲酶方面，紫穗槐區(qū)間為11.33～12.11mmol/g·L·h，整體高于區(qū)間分別為10.55～11.03mmol/g·L·h的檸條與區(qū)間 為10.76～11.65mmol/g·L·h 的大果沙棘。磷酸酶方面，檸條區(qū)間為28.19～29.09mmol/g FW·min，大果沙棘區(qū)間為28.31～29.32mmol/g FW·min，整體高于區(qū)間為20.00～28.53mmol/g FW·min 的紫穗槐。易提取球囊霉素方面，不同植物間差異顯著，檸條區(qū)間為13.03～20.17mg/g，整體高于區(qū)間為8.46～12.19mg/g 的大果沙棘和區(qū)間為8.22～13.03mg/g 的紫穗槐。速效鉀方面，檸條區(qū)間為3.53～5.42mg/kg，整體高于區(qū)間為3.06～4.81mg/kg 的大果沙棘和區(qū)間為3.53～5.42mg/kg的紫穗槐。同種植物內，不同試驗小區(qū)的土壤基本值差異不顯著（P＜0.05）。造成土壤因子差異的原因可能與排土場覆土不均勻有關。

2.2 不同試驗處理對3 種植物生長的影響

由表2 可知，株高、地徑、SPAD 在不同植物間差異顯著（P＜0.05）。其中大果沙棘株高為136.83～144.90cm，整體高于區(qū)間為53.03～92.44cm 的檸條以及區(qū)間為97.34～125.93cm 的紫穗槐。地徑方面，其中大果沙棘區(qū)間為20.25～21.90cm，整體高于區(qū)間為5.04～10.59 mm 的檸條以及區(qū)間為8.89～14.70mm 的紫穗槐。SPAD 值方面，檸條區(qū)間為80.33～137.55，整體高于區(qū)間為38.25～58.63 的大果沙棘以及區(qū)間為34.65～41.33 的紫穗槐。

株高、地徑、SPAD 值在不同處理間同樣差異顯著（P＜0.05）。檸條方面，株高、SPAD 值在接菌（I）處理有最大值為92.44cm、137.55，且顯著高于其他處理（P＜0.05）；地徑同樣在接菌（I）有最大值為10.59mm，且顯著高于綠肥（G）、接菌+綠肥（IG）、綠肥+風化煤（DG）、接菌+綠肥+風化煤（IGW）處理（P＜0.05）。大果沙棘方面，株高值在接菌+綠肥（IG）處理有最大值144.90m，地徑在綠肥（G）有最大值為22.38mm，但均與其他處理無顯著差異（P＜0.05），SPAD 值在綠肥+風化煤（DG）處理有最小值38.25，且顯著低于其他處理（P＜0.05）。紫穗槐方面，株高在接菌（I）處理有最大值125.93cm，顯著高于綠肥（G）、接菌+綠肥（IG）、綠肥+風化煤（DG）、接菌+綠肥+風化煤（IGW）處理（P＜0.05）；地徑在對照（CK）有最大值為14.70mm，且顯著高于綠肥+風化煤（DG）、接菌+綠肥+風化煤（IGW）處理（P＜0.05）。

表1 不同試驗處理下3 種植物的土壤基本值

表2 不同試驗處理下3 種植物株高、地徑及SPAD 值

2.3 不同試驗處理對3 種植物光合指標的影響

Pn 和Gs 分別反映光合作用產生糖類的速率和氣孔關閉程度，Ci 反映內環(huán)境中CO2的濃度，Tr 反映植物水分代謝狀況。由表3 可知，除Ci、WUE 外，光合指標在3 種不同植物間差異顯著（P＜0.05），其中檸條凈光合速率為4.18～14.10，整體高于區(qū)間為6.33～9.44 的大果沙棘及區(qū)間為2.41～8.89 的紫穗槐；氣孔導度與蒸騰速率規(guī)律一致，檸條區(qū)間分別為0.14～0.31、4.49～8.73，整體高于區(qū)間分別為0.08～0.19、3.05～6.09的大果沙棘及區(qū)間為0.10～0.19、3.54～6.06 的紫穗槐。

3 種植物的Pn、Ci、WUE 在不同處理間差異顯著（P＜0.05）。檸條方面，Pn 在接菌+綠肥+風化煤（IGW）有最大值14.10，顯著其他處理（P＜0.05）；Gs、Tr在接菌（I）有最大值分別為0.31、8.73，顯著高于對照（CK）、綠肥（G）、接菌+綠肥（IG）、風化煤+綠肥（DG）等處理（P＜0.05）；Ci 在接菌（I）有最大值297.00，顯著高于接菌+綠肥（IG）處理（P＜0.05）；WUE 在接菌+綠肥（IG）有最大值1.54，且顯著高于對照（CK）、綠肥（G）、接菌+綠肥（IG）、接菌+風化煤+綠肥（IGW）等處理（P＜0.05）。大果沙棘方面，Pn 在接菌+綠肥（IG）有最大值9.44，顯著其他處理（P＜0.05）；Gs 在接菌（I）有最大值分別為0.19，顯著高于對照（CK）、綠肥（G）、接菌+綠肥（IG）、接菌+風化煤+綠肥（IGW）等處理（P＜0.05）；Ci 在綠肥+風化煤（DG）有最大值281.57，顯著高于對照（CK）、接菌+綠肥（IG）處理（P＜0.05）；Tr 在接菌+綠肥（IG）有最大值6.09，顯著高于對照（CK）、接菌+綠肥（IG）、接菌+綠肥+風化煤（IGW）處理（P＜0.05）；WUE 在接菌+綠肥+風化煤（IGD）有最大值1.80，且顯著高于風化煤+綠肥（DG）等處理（P＜0.05）。紫穗槐方面，Pn、Gs 在接菌+綠肥+風化煤（IGW）有最大值分別為8.89、0.19，顯著對照（CK）、綠肥（G）、接菌+綠肥（IG）、綠肥+風化煤（DG）處理（P＜0.05）；Ci 在接菌（I）有最大值296.95，顯著高于接菌+綠肥（IG）、接菌+綠肥+風化煤（IGW）處理（P＜0.05）；Tr 在接菌+綠肥（IG）有最大值6.06，顯著高于對照（CK）、綠肥（G）等處理（P＜0.05）；WUE 在接菌+風化煤+綠肥（IGW）有最大值1.64，且顯著高于其他處理（P＜0.05）。

2.4 不同試驗處理及3 種不同植物土壤因子、生長、光合指標的相關性

以7 個土壤基本值指標（pH、電導率、脲酶、磷酸酶、易提取球囊霉素、速效磷、速效鉀）、3 個植物生長指標（株高、地徑、SPAD 值）及5 個光合指標（Pn、Gs、Ci、Tr、WUE）為變量進行相關性分析。由圖1 可知，WUE 與株高呈顯著正相關，相關系數為0.54（P＜0.05）；Gs、Ci、Tr 與株高顯著負相關，相關系數分別-0.56、-0.44、-0.47（P＜0.05）；pH 值與株高顯著正相關，相關系數為0.55（P＜0.05）；電導率、易提取球囊霉素與株高呈顯著負相關，相關系數分別為-0.43、-0.58（P＜0.05）。地徑與土壤因子、光合參數相關性規(guī)律與株高一致。光合指數方面，pH 與水分利用效率呈顯著正相關，與胞間CO2濃度呈顯著負相關，相關系數為-0.34（P＜0.05），其他土壤因子均與光合參數無顯著相關性。

圖1 土壤基本值及3 種植物生長、光合指標相關性圖

表3 不同試驗處理下3 種植物光合指標

3 討論

叢枝菌根真菌具有增加植物對礦質營養(yǎng)的吸收，改善植物生長狀況，提高產量和改善品質等特性。研究表明，接種叢枝菌根真菌促進了植株的成活與生長發(fā)育，紫穗槐連續(xù)監(jiān)測3 年，植株成活率高達20%，植株生長速度快[11]，向日葵花期可以提前10～15d，產量增加1 倍，土壤質量改善，微生物種類增加[12]。本試驗中，加入叢枝菌根的試驗處理顯著提高了檸條、大果沙棘、紫穗槐的生長指標，具有顯著的促生效應。劉青柏[13]在對阜新礦煤矸石山的播種造林研究發(fā)現，采用植草造林紫穗槐和沙棘成活率較高，分別為91.7%和87.6%，造林后生長良好。臺培東等[14]在霍林河露天礦排土場土地楊勤學復墾技術研究中也認為沙棘是草原露天煤礦排土場最理想的復墾植物，以沙棘為主的人工灌叢應作為排土場植被恢復的主要模式進行推廣。

研究表明，光合作用是植物生長最重要的生理過程，90%～95%的植物生物量由光合作用產生，只有5%～10%的植物生物量源于植物根系吸收的營養(yǎng)物質[15]。AM 真菌能加速恢復礦區(qū)土壤微生物群落，重建受損生態(tài)系統，為植被重建創(chuàng)造條件。研究發(fā)現，通過AM真菌能提高松嫩鹽堿草地植物的Pn、增大生姜葉片的Gs，提高生姜葉片的Tr 和Ci，為干物質積累創(chuàng)造條件[16]。本研究結果表明，接菌+綠肥+風化煤（IGW）處理能提高檸條、紫穗槐的光合作用，促進其植株生長。

Sainju 等[17]研究發(fā)現植被根系的密度與土壤的有機質、總氮、水溶性磷以及可交換性陽離子呈正相關，與土壤pH 呈負相關。并且土壤微生物產生的有機酸，使演替初期的堿性土壤pH 逐漸降低[18]。隨著復墾年限的延長，土壤中的微生物數量、根系真菌菌株數量、根系真菌多樣性指數逐年遞增。MouPu 等[19]認為植被的根系形態(tài)與發(fā)育狀況與土壤中養(yǎng)分的分布以及營養(yǎng)物質的配置密切相關。因此，土壤肥力水平是決定植被重建的重要制約因素。本試驗中，試驗區(qū)域部分土壤因子存在顯著差異，可能對3 種灌木的生長及光合指標產生影響。

本研究對檸條、大果沙棘、紫穗槐生長旺盛季節(jié)（8月）的生長及光合進行測定分析，未監(jiān)測其動態(tài)變化狀況，但在不同處理下檸條、大果沙棘、紫穗槐的生長特性、光合作用已出現差異，且部分處理有積極作用。因此，今后的研究應重點關注不同處理對檸條、大果沙棘、紫穗槐的持續(xù)影響作用及其生理機制，種植檸條、大果沙棘、紫穗槐后土壤因子的變化規(guī)律。

4 結論

（1）3 種植物種植區(qū)域土壤基本值差異顯著，但3種植物不同試驗處理間土壤基本值差異不顯著，這可能與排土場建設過程中覆土的均勻程度有關。

（2）3 種灌木生長特性及光合指標差異顯著，大果沙棘各項最為優(yōu)秀。接菌處理能顯著提高3 種灌木生長特性，但對光合指標影響不顯著；接菌、接菌+綠肥+風化煤處理等處理能提高3 種灌木的光合作用，促進其植株生長。

（3）植物株高、地徑及光合指標與土壤基本值間相關性顯著，土壤基本值一定程度上影響了不同處理對紫穗槐的促生效果。