接菌對(duì)紫花苜蓿根系抗拉性及根菌復(fù)合土體抗剪強(qiáng)度影響

畢銀麗，羅 睿，王雙明

(1.西安科技大學(xué) 煤炭綠色開發(fā)地質(zhì)保障重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)(北京)煤炭資源與安全開采國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083)

隨著礦業(yè)資源開發(fā)，廢棄礦井的生態(tài)環(huán)境問題逐漸突顯，廢棄井工礦開采導(dǎo)致地表沉陷，廢棄露天礦排土場(chǎng)致使邊坡地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)。不同廢棄礦井對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響均與植物生長(zhǎng)密切相關(guān)，開采對(duì)植被根系造成了不同程度的拉傷或損傷，致使植被成活率降低，生物種群銳減、土地質(zhì)量退化。根系發(fā)育好壞是關(guān)系到生態(tài)修復(fù)能否成功的核心，植物根系不僅能從土壤中吸收水分和養(yǎng)分，還能改良土壤結(jié)構(gòu)和成分，從而增強(qiáng)土壤的抗剪切能力。根系對(duì)土力學(xué)作用方面的研究較多，根復(fù)合土抗剪強(qiáng)度明顯高于不含根素土。隨著土體含水率的提高，根復(fù)合土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)黏聚力降低，復(fù)合土中存在最優(yōu)含根量，當(dāng)復(fù)合土為最優(yōu)含根量時(shí)，土體的抗剪強(qiáng)度最大。研究發(fā)現(xiàn)草木根系力學(xué)特性受根徑、植物生長(zhǎng)位置等因素影響，根系中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素3種化學(xué)成分也可以影響根系抗剪強(qiáng)度。

近年來利用微生物修復(fù)技術(shù)在煤礦區(qū)沉陷地和露天排土場(chǎng)取得了較好的生態(tài)修復(fù)效應(yīng)，微生物修復(fù)技術(shù)成為根系修復(fù)和土壤改良的強(qiáng)有力手段。目前對(duì)采煤沉陷地根系發(fā)育影響較大的2種主要微生物是叢枝菌根真菌(AMF)和深色有隔內(nèi)生真菌(DSE)，2種真菌都能侵染植物根系促進(jìn)根系功能發(fā)育，提高生態(tài)修復(fù)效應(yīng)。AMF和DSE都能生成根外菌絲，增強(qiáng)根系與土壤的接觸面積，促進(jìn)宿主植物對(duì)養(yǎng)分的吸收利用，提高宿主的適應(yīng)性或營(yíng)養(yǎng)狀況，增強(qiáng)對(duì)拉傷或其他脅迫的抵抗性。接菌對(duì)損傷根系的修復(fù)機(jī)理和作用已有報(bào)道，而AMF和DSE聯(lián)合對(duì)根系力學(xué)特性和根菌復(fù)合土抗剪強(qiáng)度的研究卻鮮有報(bào)道。

紫花苜蓿適應(yīng)性廣、具有抗旱、抗寒等特點(diǎn)，為礦區(qū)適生優(yōu)勢(shì)植物。筆者選擇紫花苜蓿作為宿主植物，采用室內(nèi)盆栽實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同微生物接種根系進(jìn)行力學(xué)特性研究，比較菌根復(fù)合土黏聚力與含根量等指標(biāo)之間的關(guān)系，揭示不同真菌對(duì)紫花苜蓿根系力學(xué)強(qiáng)度特性及根菌復(fù)合土力學(xué)變化特征的影響，以期為微生物修復(fù)在采煤沉陷地或排土場(chǎng)廢棄地的力學(xué)研究提供新思路。

1 供試材料與方法

1.1 供試材料

選取適用于干旱半干旱地區(qū)生長(zhǎng)的紫花苜蓿種子(Medicago sativa L,多年生草本植物，簡(jiǎn)稱苜蓿，下同)，播種前用10% HO表面消毒10 min，后用去離子水反復(fù)沖洗3～4次，在26 ℃培養(yǎng)箱催芽1 d。供試菌種為摩西管柄囊霉(,簡(jiǎn)稱)和深色有隔內(nèi)生真菌(DSE)。微生物菌劑均為西安科技大學(xué)西部礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究院自主增殖擴(kuò)繁所得。供試土壤為質(zhì)量比3∶1沙子黑黏土混合而成，經(jīng)過121 ℃高溫高壓滅菌2 h后風(fēng)干備用。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)置詳如表1和圖1所示。每根管內(nèi)填充1.3 kg土，接種52 g含有AMF根段和根際土的AMF菌劑與土壤拌合后裝柱再播種；接種DSE為將 80%的DSE菌液(8×10cfu/mL)15 mL均勻撒在種子周圍，對(duì)照處理加等量滅活菌劑。每根管播5粒催芽苜蓿種子。試驗(yàn)在西安科技大學(xué)西部礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究院光照培養(yǎng)室內(nèi)進(jìn)行，日均溫度16～31 ℃，生長(zhǎng)期內(nèi)常規(guī)管理，采用稱重澆水法，保持土壤含水率為土壤最大飽和持水量的60%。種植3個(gè)月后，收獲植物地上部，烘干稱重其干物質(zhì)，地下部根菌復(fù)合土制備試樣進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)。

表1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

圖1 試驗(yàn)裝置

1.3 測(cè)定方法

..植物地上、地下生長(zhǎng)量及侵染率指標(biāo)測(cè)定

對(duì)紫花苜蓿地上株高、生物量、地下根徑、根長(zhǎng)指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定統(tǒng)計(jì)。采用刻度為0.1 cm的鋼卷尺對(duì)株高進(jìn)行測(cè)量，采用干重法測(cè)定地上和地下部的生物量。采用根系掃描系統(tǒng)MICROTEK GXY-A V2.3.2分析根徑、根長(zhǎng)等數(shù)據(jù)。隨機(jī)取新鮮根樣(約45個(gè)根段制片)，用10%KOH溶液浸泡24 h，沖洗干凈后，用酸性品紅乳酸甘油染色液染色法染色，在顯微鏡(Motic Panthera Client)下觀察測(cè)定苜蓿的AMF菌根和DSE侵染率。

..三軸剪切試驗(yàn)

土體抗剪強(qiáng)度是一個(gè)重要力學(xué)性質(zhì)，直接反應(yīng)土壤的聚合能力和遷移阻力。三軸剪切試驗(yàn)常常被作為土體在實(shí)際土層中受力狀況的模擬方法，能更合理反映土體的抗剪強(qiáng)度。因此，對(duì)接菌根系復(fù)合土試樣做不固結(jié)不排水試驗(yàn)(UU試驗(yàn))，由SLB-1A型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸蠕變儀進(jìn)行，對(duì)試樣分級(jí)施加25,50,100 kPa共3級(jí)圍壓，以0.8%/min的速率進(jìn)行剪切試驗(yàn)。方法參照GB/T 50123—2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的要求進(jìn)行：

=+tan

(1)

式中，為土體抗剪強(qiáng)度，kPa；為黏聚力，kPa；為法向應(yīng)力，kPa；為內(nèi)摩擦角，(°)。

..單根拉伸試驗(yàn)

三軸剪切試驗(yàn)結(jié)束后，將試樣放置在孔徑為0.02 mm的篩中清洗出根，用濾紙吸干根表面水分后稱重并統(tǒng)計(jì)，用根系表型分析系統(tǒng)掃描后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。單根拉伸試驗(yàn)以根從中間發(fā)生斷裂為有效數(shù)據(jù)。以單根最大抗拉力及根徑，計(jì)算出4種處理下根系的最大抗拉強(qiáng)度，計(jì)算公式為

=4(π)

(2)

式中，為最大單根抗拉強(qiáng)度,MPa；為最大單根抗拉力,N；為根段直徑,mm。

接菌根系復(fù)合土試樣的含根量為

=

(3)

式中，為接菌根系復(fù)合土含根量，指單位體積內(nèi)根土復(fù)合體所含植物根系的質(zhì)量,g/cm；為接菌根系復(fù)合土所含鮮根質(zhì)量,g；為接菌根系復(fù)合土體積，為96 cm。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2010進(jìn)行數(shù)據(jù)整理及統(tǒng)計(jì)，采用Origin2021進(jìn)行繪圖。使用IBM SPSS Statistics 20.0軟件進(jìn)行方差分析，顯著性水平=0.05。接菌貢獻(xiàn)率(%)=接菌與對(duì)照的苜蓿地上生物量差值/接菌生物量×100。

2 結(jié)果與分析

2.1 接菌對(duì)土體物理性質(zhì)及植物生長(zhǎng)指標(biāo)特征影響

..土體物理性質(zhì)

由表2可以看出，接菌和對(duì)照處理的土壤粒徑組成總體情況相同，均為細(xì)砂粒>中砂粒>粗砂粒。接菌處理的土壤構(gòu)成中粗砂粒所占比例均比未接菌前增高，且細(xì)砂粒也均比接菌前的含量成倍降低。此外接菌后的土壤顆粒分布中，雙接菌的土壤構(gòu)成里細(xì)砂粒所占的比例明顯低于單接菌處理后的土壤顆粒分布，說明雙接菌更有利于團(tuán)聚體的形成，這與雙接菌的植物生長(zhǎng)繁密，可降低地表水分蒸發(fā)，保水能力更強(qiáng)有關(guān)。

表2 土體物理性質(zhì)指標(biāo)

..植物生長(zhǎng)指標(biāo)特征

株高和地上生物量是植物長(zhǎng)勢(shì)最直觀的表征。隨接菌種類和方式的改變，苜蓿株高和地上生物量均呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。

由表3可知，接種菌根均不同程度地增加苜蓿的株高，其中雙接菌AMF+DSE處理的株高顯著提高29%；雙接菌AMF+DSE處理下的地上生物量顯著高于單接菌AMF和DSE處理(<0.05)，與2個(gè)單接菌處理分別對(duì)比增長(zhǎng)了55%,43%。隨著侵染率的增加，地上生物量顯著增加，接菌與苜蓿形成了較好的共生關(guān)系，表明雙接菌對(duì)宿主植物生長(zhǎng)更有促進(jìn)優(yōu)勢(shì)，菌根對(duì)生物量的貢獻(xiàn)率達(dá)74%。

表3 接菌處理對(duì)紫花苜蓿地上部和地下部生長(zhǎng)影響

2.2 接菌對(duì)單根抗拉力和單根抗拉強(qiáng)度的影響

不同接菌處理對(duì)苜蓿單根抗拉力、抗拉強(qiáng)度及根徑的影響見表4，接菌處理下紫花苜蓿平均根徑顯著大于CK2處理(<0.05)，而不同菌處理間差異不顯著。紫花苜蓿根系單根抗拉力在4種處理下由大到小依次為AMF+DSE>DSE>AMF>CK2，其中雙接菌處理下平均單根抗拉力顯著高于其他3種處理，分別為CK2,AMF,DSE處理的1.698倍、1.692倍、1.545倍。4種處理下紫花苜蓿根系平均單根抗拉強(qiáng)度由大到小依次為AMF+DSE>CK2>AMF>DSE，其中雙接菌處理下平均單根抗拉強(qiáng)度對(duì)比CK2,AMF,DSE處理增長(zhǎng)了20%,41%,52%，雙接菌AMF+DSE根系平均單根抗拉強(qiáng)度對(duì)比單接菌AMF,DSE處理有明顯增強(qiáng)。

單根抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根徑的關(guān)系如圖2所示。不同接菌處理的單根抗拉力隨根徑增加而增大，符合冪函數(shù)關(guān)系；單根抗拉強(qiáng)度隨直徑增大而減小，且單根抗拉強(qiáng)度隨根徑增大而減小的速率開始變緩慢，符合指數(shù)函數(shù)關(guān)系。該試驗(yàn)結(jié)果與朱海麗等、李可等對(duì)四翅濱藜、檸條錦雞兒和草地早熟禾根系單根拉伸試驗(yàn)結(jié)果相一致。由根系抗拉力與根徑之間的回歸表達(dá)式(表4)分析可知，不同處理的苜蓿根系抗拉力、抗拉強(qiáng)度與根徑之間均存在顯著相關(guān)關(guān)系，而雙接菌處理的冪函數(shù)關(guān)系變幅最大，不接菌處理變幅最低。當(dāng)根徑超過0.6 mm時(shí)，單根抗拉力隨根徑增大的速率更大，單根抗拉強(qiáng)度隨根徑增大而減小，表明雙接菌處理的苜蓿根系可顯著增強(qiáng)自身的抗拉特性。

表4 不同接菌處理對(duì)單根抗拉力及抗拉強(qiáng)度影響

圖2 不同處理下根徑與單根抗拉力、單根抗拉強(qiáng)度關(guān)系

2.3 不同接菌對(duì)復(fù)合土抗剪強(qiáng)度特征的影響

..主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系

由表5可知，在同一圍壓作用下，所有種植植物的根土復(fù)合土均可增加土體的主應(yīng)力差，同時(shí)接菌處理的主應(yīng)力差峰值顯著大于不接菌處理，其中雙接菌處理的主應(yīng)力差最大，單接菌次之。在單接菌中，DSE處理的菌根復(fù)合土主應(yīng)力差高于AMF處理。原因是接菌根系更粗、根量更大(表5)，對(duì)土壤產(chǎn)生顯著的“加筋”作用，增加了土壤之間的摩擦力，在受到剪切作用時(shí)，生成的摩擦力會(huì)使菌根不容易被拉斷，菌根就起到了錨桿的作用，所以土體的抗剪強(qiáng)度也會(huì)提高。因此前述主應(yīng)力差由大到小的順序與根徑、含根量順序一致，依次為AMF+DES,DSE,AMF,CK2,CK1。有研究表明，AMF和DSE均可與植物共生，促進(jìn)根系發(fā)育，對(duì)植物根系生長(zhǎng)有顯著正向影響。在本試驗(yàn)中，接菌處理的含根量和根徑均顯著高于不接菌處理，因此其抗剪強(qiáng)度都高于不接菌處理。有研究發(fā)現(xiàn)，AMF和DSE可以一起生長(zhǎng)并定殖在宿主根系，形成共生結(jié)構(gòu)，對(duì)根系發(fā)育和土壤性質(zhì)有直接關(guān)聯(lián)，2者通過土壤養(yǎng)分積累和與植物的養(yǎng)分交換來促進(jìn)植物生長(zhǎng)及根系發(fā)育。因此雙接菌處理的菌根復(fù)合土強(qiáng)度對(duì)比單接菌AMF,DSE處理增加了16%,13%。在含水率和根徑無明顯差異的情況下，DSE處理的土體含根率遠(yuǎn)超于AMF處理。

表5 土樣破壞時(shí)主應(yīng)力差和接菌貢獻(xiàn)率

不同接菌處理下復(fù)合土在剪切試驗(yàn)中主應(yīng)力差與軸向應(yīng)變的關(guān)系曲線如圖3所示，其中圍壓=25 kPa,=50 kPa,=100 kPa。由圖3可知,峰值主應(yīng)力差隨著圍壓的增大而增大；隨著圍壓增大應(yīng)力-應(yīng)變曲線初始階段線性程度有增加，具有明顯的彈性性質(zhì)，說明接菌復(fù)合土體符合摩爾-庫(kù)倫抗剪強(qiáng)度理論。接菌處理的根系可顯著提高土體抗變形作用(表5)，在25 kPa圍壓作用下，當(dāng)主應(yīng)力差為20 kPa時(shí)，AMF+DSE處理試樣的軸向應(yīng)變?yōu)?.03%，DSE為0.94%，AMF為0.75%，CK2為0.56%，與單接菌相比，雙接菌處理的根系相對(duì)更顯著提高土體的抗剪強(qiáng)度，提高了146%。

圖3 同一深度不同處理試樣在3種圍壓下主應(yīng)力差(σ1-σ3)和軸向應(yīng)變?chǔ)?曲線

在三軸剪切試驗(yàn)的初始階段，相同圍壓作用下雙接菌處理試樣的抗剪強(qiáng)度相較其余處理試樣的抗剪強(qiáng)度增長(zhǎng)速率更為明顯。對(duì)于崩塌、滑塌、沉陷等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的突發(fā)性特點(diǎn)，雙接菌處理的根系在災(zāi)害發(fā)生初始階段可起到顯著增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度的作用，提高土體抗變形能力，因此在一定程度上起到顯著提高土體穩(wěn)定性，增大減損的功效。

..不同接菌黏聚力隨深度變化規(guī)律分析

由表6及圖4可知，在相同深度處，接菌處理下根菌復(fù)合土試樣的黏聚力均大于未接菌處理。此外，在地表下10～20 cm處，3種接菌處理下根菌復(fù)合土試樣的黏聚力為16.0～27.9 kPa，與不接菌處理相比黏聚力最大增幅達(dá)5倍多，接菌貢獻(xiàn)率最高達(dá)186%。不同處理下黏聚力由大至小依次為AMF+DSE(27.90 kPa)>DSE(17 kPa)>AMF(16.00 kPa)>CK2(15.00 kPa)>CK1(5.73 kPa)。相應(yīng)的在20～30,30～40 cm處，接菌處理下根菌復(fù)合土試樣的黏聚力分別為18.00～32.66,14.00～18.83 kPa，與不接菌處理相比根菌復(fù)合土黏聚力增幅分別為5.88%～196.91%,19.15%～115.2%，接菌處理貢獻(xiàn)率達(dá)到192%,160%。

表6 不同處理及不同深度的根土復(fù)合體黏聚力及其與含根量之間的擬合關(guān)系

圖4 10～20,20～30,30～40 cm深度下不同處理試樣黏聚力

不同處理下黏聚力由大至小依次為AMF+DSE>DSE>AMF>CK2>CK1處理，該結(jié)論與試樣含根量分布大小一致。說明菌根能起到加筋作用，含量越多用來約束土體變形的能力就越強(qiáng)，因此雙接菌處理在不同深度處均能顯著提高紫花苜蓿根菌復(fù)合土的黏聚力。

對(duì)比同一處理不同深度下的黏聚力可知，地表下20～30 cm深度處根菌復(fù)合土黏聚力最大，其次為10～20 cm深度處，30～40 cm處黏聚力最小，也與含根量分布順序一致。根量在淺土層20～30 cm處分布最多，在越深的土層位置，根系分布相對(duì)越少，對(duì)增強(qiáng)土體黏聚力發(fā)揮的作用隨之減小。具體表現(xiàn)為在地下30～40 cm深度處，5種處理下的含根量比10～20 cm處相對(duì)降低了44%～100%，比20～30 cm處降低了73%～100%。

..不同接菌黏聚力隨根長(zhǎng)、根徑變化規(guī)律

由表7分析可知，菌根復(fù)合土存在最優(yōu)根徑的特點(diǎn)，即菌根復(fù)合土的黏聚力在根徑約為0.6 mm時(shí)達(dá)到相對(duì)最大值；當(dāng)根徑小于0.6 mm時(shí)，菌根復(fù)合土黏聚力隨根徑增加而增加；當(dāng)根徑大于0.6 mm時(shí)，表現(xiàn)為隨根徑增加而減小的趨勢(shì)。可見并不是越粗的根對(duì)提高土體黏聚力作用越強(qiáng)。

表7 根徑、根長(zhǎng)分布統(tǒng)計(jì)

根長(zhǎng)在不接菌處理下隨深度增加而減小(表6)，在接菌處理下均呈現(xiàn)隨深度先增大后減小的規(guī)律，且都在20～30 cm處最長(zhǎng)，黏聚力與根長(zhǎng)在深度上亦有相同規(guī)律。在30～40 cm深度處，雙接菌AMF+DSE處理的平均根長(zhǎng)比CK2,AMF,DSE處理的根長(zhǎng)分別降低了10%,83%,135%，但黏聚力比上述3種處理分別增長(zhǎng)了37.6%,25.65%,19.76%，表明雙接菌的菌根對(duì)提高紫花苜蓿菌根復(fù)合土黏聚力具有更顯著的正向效應(yīng)。

..不同接菌黏聚力和內(nèi)摩擦角隨含根量變化規(guī)律

根系多分布淺土層(20～30 cm)，對(duì)由含根量引起的黏聚力變化進(jìn)行分析可知(表8)，接菌處理下根菌復(fù)合土的含根量均大于CK2，黏聚力隨含根量的增加而增加，含根量與黏聚力呈正相關(guān)關(guān)系。其中，雙接菌處理的接菌貢獻(xiàn)率高達(dá)186%，是單接菌AMF,DSE處理的1.744倍、1.641倍，表明雙接菌處理可顯著增強(qiáng)土體強(qiáng)度。

表8 不同接菌處理20～30 cm深度土樣含根量、黏聚力及內(nèi)摩擦角

本試驗(yàn)中4種處理下的內(nèi)摩擦角均無明顯變化，說明菌根對(duì)內(nèi)摩擦角影響很小，主要通過增加黏聚力來提高土體的抗剪強(qiáng)度。

3 討 論

筆者研究了紫花苜蓿根系在接菌處理下單根抗拉強(qiáng)度與根徑的關(guān)系，以及根菌復(fù)合土抗剪強(qiáng)度與根長(zhǎng)、根徑、含根量、深度之間的關(guān)系。

根系是植物重要器官，不僅吸收輸導(dǎo)土壤中水分養(yǎng)分、還有合成和儲(chǔ)存營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的功能，還具有固持水土能力。研究表明，植物根系通過發(fā)揮其自身的抗拉特性以增強(qiáng)土體的抗剪強(qiáng)度，同時(shí)，植物根系具有的抗拉性能是增強(qiáng)采煤沉陷或邊坡穩(wěn)定性最重要的因素。單根力學(xué)特性大小與根系尺寸有著密切關(guān)系。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)部分植物的單根抗拉力、抗拉強(qiáng)度研究表明，植物根系拉拔力隨根徑增加而增大，抗拉力與植物生物學(xué)特性、土壤含水率等因素有關(guān)?？赡苁请S著根系直徑的增粗，根的橫截面積迅速增加，且根系木質(zhì)化程度會(huì)隨著根徑的增大而提高，使細(xì)胞排列相對(duì)緊密，含水量降低，促使根系具有較好的抵抗變形的能力，抗拉力也隨之增加。本試驗(yàn)中，各處理下紫花苜蓿根系抗拉強(qiáng)度隨直徑增加呈指數(shù)函數(shù)減小，與檸條、沙棘和沙柳根系抗拉強(qiáng)度的變化規(guī)律一致。本研究接菌處理促使宿主植物根徑增加，引起根系單根抗拉強(qiáng)度發(fā)生顯著變化，而本試驗(yàn)接菌處理之間的平均根徑無顯著變化，但雙接菌的單根抗拉強(qiáng)度顯著高于單接菌，說明雙接菌增強(qiáng)了植物根系的抗拉伸能力。

抗剪強(qiáng)度是衡量根-土復(fù)合土力學(xué)性能的重要力學(xué)特性，也是生態(tài)治理研究領(lǐng)域中熱點(diǎn)問題之一，而黏聚力和內(nèi)摩擦角是主要體現(xiàn)抗剪強(qiáng)度的力學(xué)指標(biāo)。對(duì)根-土復(fù)合體來講，當(dāng)土體受到外力作用時(shí)，不僅產(chǎn)生土粒與土粒之間的凝聚力，還產(chǎn)生土粒與根系之間的凝聚力，故黏聚力可理解為土壤與根系之間的凝聚力之和；且復(fù)合土受到剪切作用時(shí)，不僅產(chǎn)生土粒之間的摩擦作用，還有土粒與根系之間的摩擦作用，因此內(nèi)摩擦角可理解為土壤與根系之間的綜合摩擦角。本試驗(yàn)中內(nèi)摩擦角均未產(chǎn)生顯著差異，各個(gè)處理下的復(fù)合體試樣抗剪強(qiáng)度大小集中體現(xiàn)在黏聚力的變化上。申紫燕等的研究結(jié)果指出，復(fù)合體黏聚力與速效P、含根量和有機(jī)質(zhì)3種因素之間的關(guān)聯(lián)度較高。在土壤表層，有機(jī)質(zhì)、速效P等營(yíng)養(yǎng)易產(chǎn)生表聚現(xiàn)象，可促進(jìn)了植物根系生長(zhǎng)，含根量也隨之增大。而AMF和DSE在改良土壤性狀方面均有重要作用，接種后土壤質(zhì)地發(fā)生變化，增強(qiáng)了土壤保水能力，土壤養(yǎng)分也有明顯改善，如有機(jī)碳、全氮等營(yíng)養(yǎng)含量明顯增高。本試驗(yàn)中，雙接菌AMF+DSE處理在相同深度下比單接菌處理黏聚力大，菌根復(fù)合體黏聚力呈現(xiàn)出隨土體深度增加而減小的趨勢(shì)，與含根量在深度上變化規(guī)律一致，均為20～30 cm深度處最大。DOCKER等對(duì)根-土復(fù)合土試樣進(jìn)行原位直剪試驗(yàn)，指出植物根系可顯著增強(qiáng)土體抗剪強(qiáng)度和抗剪切變形能力。植物根系不僅可通過影響土壤中養(yǎng)分的供應(yīng)來提高土體強(qiáng)度與穩(wěn)定性，且植物根系和相關(guān)微生物也會(huì)分泌一些有機(jī)物質(zhì)，即根系分泌物，與土壤力學(xué)性質(zhì)也密切相關(guān)。接菌有利于土壤碳累積、植物養(yǎng)分交換及促進(jìn)植物生長(zhǎng)激素的增加來影響根系發(fā)育和植物生長(zhǎng)。本研究中接菌處理均產(chǎn)生了根外菌絲，接菌處理下根菌復(fù)合土的含根量均大于CK，其土壤強(qiáng)度也顯著提升。菌絲作為真菌的營(yíng)養(yǎng)體，是由纖維素、蛋白質(zhì)及幾丁質(zhì)等組成，隨著菌絲的不斷生長(zhǎng)，菌絲之間相互交織形成菌絲網(wǎng)絡(luò)，將土體黏結(jié)形成一個(gè)黏結(jié)體，促進(jìn)根系吸收更多的水分及養(yǎng)分之外，也增強(qiáng)了對(duì)土壤的保水作用和植物生長(zhǎng)的促進(jìn)作用。研究表明，菌絲對(duì)提高土體強(qiáng)度的原因是菌絲對(duì)基質(zhì)材料的纏繞和黏結(jié)，菌絲定殖程度對(duì)其力學(xué)特性有重要的影響。且AMF+DSE也可通過根分泌物的有機(jī)物如黏液、微生物誘導(dǎo)的生物膜，真菌纏結(jié)和微生物誘導(dǎo)的生物礦化形成的土壤團(tuán)聚體。很明顯，黏液可改變緊靠根系周圍區(qū)域的土壤結(jié)構(gòu)，從而改變?cè)搮^(qū)域的機(jī)械和水文行為，從而有利于植物生長(zhǎng)，還可促進(jìn)土壤顆粒與根系的機(jī)械黏附，促進(jìn)2者之間的接觸。同時(shí)，根際周圍的微生物聚合物會(huì)影響土壤的機(jī)械性能，已有研究證明新鮮根系分泌物可降低土壤的滲透阻力，使根系延長(zhǎng)，它導(dǎo)致土壤顆粒黏附在根上，促進(jìn)周邊區(qū)域在根際附近聚集，從而有效使植物錨固周邊的土壤，使土壤的變形阻力有效增強(qiáng)。因此，對(duì)菌絲引起的根際周圍土壤環(huán)境的變化對(duì)土壤結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能的貢獻(xiàn)仍需要更深入的探討。

在自然環(huán)境中，根系形態(tài)結(jié)構(gòu)發(fā)育具有隨機(jī)、多樣性，且坡地根系形態(tài)不同于平地，受坡度影響，根系固土作用不及預(yù)期，很多學(xué)者意識(shí)到植物根系的形態(tài)結(jié)構(gòu)是影響土體抗剪強(qiáng)度的重要因素。本試驗(yàn)僅對(duì)比了接菌對(duì)植物根系力學(xué)特性的影響，對(duì)根系在地下的形態(tài)結(jié)構(gòu)變化對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響尚未展開，有待后續(xù)進(jìn)一步研究。

4 結(jié) 論

(1)試驗(yàn)中根系平均單根抗拉力由大到小順序依次為AMF+DSE>DSE>AMF>CK，其單根抗拉力變化為4.22～7.17 N，隨著根徑增加而增大。平均單根抗拉強(qiáng)度由大到小依次為AMF+DSE>CK>AMF>DSE，隨著根徑增加而減小，接菌貢獻(xiàn)率最大為147%。

(2)不同接菌處理下復(fù)合土抗剪強(qiáng)度顯著大于素土，說明接菌能顯著提高土體的抗剪強(qiáng)度，貢獻(xiàn)率達(dá)186%。接菌處理下菌根復(fù)合土黏聚力均比相同深度未接菌處理的菌根復(fù)合土的黏聚力大,其中AMF+DSE雙接菌處理下的菌根復(fù)合土黏聚力最大，為CK處理的2倍。

(3)不同接菌處理的復(fù)合土含根量有差異，在地表下10～20,20～30 cm深度處逐漸增加，至30～40 cm深度時(shí)減小，其黏聚力隨著含根量變化規(guī)律一致。含根量與黏聚力呈正相關(guān)關(guān)系。雙接菌處理的黏聚力最大，且含根量在深度上均在地表下20～30 cm深度處最佳。

(4)苜蓿根系對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的增強(qiáng)作用存在最優(yōu)根徑，苜蓿最優(yōu)根徑為0.6 mm，菌根復(fù)合土抗剪強(qiáng)度最高。