接種AMF 對(duì)西部煤礦區(qū)紫穗槐根系分布和水分利用效率的影響

畢銀麗 ，楊 偉 ，柯增鳴 ，武 超 ，李明超

（1.西安科技大學(xué) 西部礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究院, 陜西 西安 710054；2.西安科技大學(xué) 地質(zhì)與環(huán)境學(xué)院, 陜西 西安 710054；3.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100083）

0 引 言

隨著我國中東部地區(qū)煤炭資源的枯竭和開采條件日益復(fù)雜，位于西部的陜、蒙、晉、甘、寧成為我國當(dāng)前主要的產(chǎn)煤基地，其煤炭開采強(qiáng)度一直居于高位水平[1]。然而該區(qū)域大規(guī)模井工開采導(dǎo)致了大范圍采煤沉陷區(qū)的出現(xiàn)，采煤沉陷會(huì)產(chǎn)生大量的地表裂縫，使原有土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，導(dǎo)致土壤保肥保水能力下降[2]。煤炭開采后的地面不均勻沉降會(huì)降低土壤酶活、損傷植物根系、引起植物萎蔫甚至造成植物死亡等[3-4]，這對(duì)脆弱的礦區(qū)環(huán)境造成了嚴(yán)重威脅，因而，在采煤沉陷區(qū)進(jìn)行必要的植被恢復(fù)和生態(tài)治理具有重要意義。叢枝菌根真菌（Arbuscular Mycorrhizal Fungi，AMF）作為一種自然界中普遍存在的重要土壤微生物，可與大多數(shù)陸地植物物種形成良好的共生關(guān)系[5-7]。研究表明，接種AMF 可有效促進(jìn)宿主植物根系的發(fā)育，增強(qiáng)植物對(duì)土壤水分、養(yǎng)分的吸收，加速植物種群的建立，明顯的改良土壤質(zhì)量，同時(shí)還能提升植物對(duì)干旱、鹽堿、重金屬脅迫等的耐受力[8-11]?；诖?，將以AMF 為核心的微生物復(fù)墾技術(shù)應(yīng)用在礦區(qū)復(fù)墾、采煤沉陷區(qū)植被恢復(fù)等方面具有巨大潛力[12-13]。

紫穗槐（Amorpha fruticosa Linn）為豆科紫穗槐屬多年生木本植物，廣泛分布于亞洲和美洲。由于其耐旱、耐寒、耐鹽堿、抗風(fēng)沙、抗逆性極強(qiáng)，對(duì)沉陷區(qū)土壤具有較好的修復(fù)作用，能廣泛適應(yīng)礦區(qū)干旱、土壤肥力低下的嚴(yán)酷條件，現(xiàn)已被優(yōu)選為西部礦區(qū)植被復(fù)墾的先鋒物種[14-15]。近年來，對(duì)于紫穗槐的研究主要集中于紫穗槐的育苗技術(shù)、生長(zhǎng)特性、抗鹽堿脅迫能力等方面[16-18]，但對(duì)于接種AMF 后紫穗槐根系分布以及水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）的變化卻鮮有報(bào)道。筆者以紫穗槐為供試植物，以AMF 為供試微生物，利用室內(nèi)土柱試驗(yàn)?zāi)M西部采煤沉陷區(qū)干旱缺水、土壤貧瘠的特點(diǎn)，通過對(duì)植物生長(zhǎng)指標(biāo)、根系指標(biāo)，土壤不同層位水分等的監(jiān)測(cè)，明確菌根對(duì)紫穗槐促生及水分利用效率的影響機(jī)理，為高效、無污染的菌根資源大范圍應(yīng)用推廣提供科學(xué)指導(dǎo)，為西部采煤沉陷區(qū)生物聯(lián)合修復(fù)技術(shù)提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)中使用的土柱如圖1 所示，高55 cm，內(nèi)徑15 cm，其材質(zhì)為透明的有機(jī)玻璃。為方便試驗(yàn)結(jié)束后分層收集根系樣品，土柱分為5 節(jié)，頂部一節(jié)為15 cm，其余都為10 cm，土柱底部為密封，頂部開口。同時(shí)，在每一節(jié)土柱中間對(duì)稱位置處各開2 個(gè)直徑為1.5 cm的小孔（前后左右共4 個(gè)），便于試驗(yàn)結(jié)束后分層分區(qū)收集土壤樣品。土柱頂部預(yù)留5 cm 以方便紫穗槐幼苗生長(zhǎng)過程中進(jìn)行水分管理。

圖1 試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental setup

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)共設(shè)置3 組處理：不種植紫穗槐幼苗（CK1）、種植紫穗槐幼苗處理（CK）、種植紫穗槐幼苗并接種AMF 處理（+AM），每組處理3 個(gè)重復(fù)。

1.3 試驗(yàn)管理

試驗(yàn)于2022 年6 月8 日—8 月24 日在西安科技大學(xué)西部礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究院溫室進(jìn)行，試驗(yàn)期間日均溫為27.5 ℃，平均濕度為46.0%。試驗(yàn)中的供試土壤為砂土（模擬西部風(fēng)積沙區(qū)土壤），其設(shè)計(jì)容重、電導(dǎo)率、最大持水量、有機(jī)質(zhì)含量分別為1.55 g/cm3、158.50 μS/cm、18.83%、0.84 g/kg，速效磷與速效鉀含量分別為1.84、12.35 mg/kg，土壤砂粒含量為75.30%，屬于中砂。供試砂土自然風(fēng)干后過2 mm篩，經(jīng)121 ℃、100 kPa 高溫蒸汽滅菌90 min 后風(fēng)干備用。由于供試砂土肥力低下，在土壤中加入養(yǎng)分作為底肥，養(yǎng)分由NH4NO3、KH2PO4、K2SO4配制而成，其用量控制為N、P、K 質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為100、30、150 mg/kg，和砂土混合均勻。試驗(yàn)中土壤裝填高度為50 cm，按設(shè)計(jì)容重從下向上分層稱重裝填，每層裝填完進(jìn)行打毛處理以便上下層之間接觸均勻。

供試植物選擇長(zhǎng)勢(shì)均一、大小一致（總長(zhǎng)15～20 cm，莖粗2～3 mm）的半年生紫穗槐幼苗，種植前對(duì)無須根和無莖葉的幼苗進(jìn)行24 h 泡水處理。幼苗種植后第2 天即進(jìn)行接菌處理，在土壤表層0～20 cm 層位加入50 gAMF 菌劑，與砂土充分混合，并在其它兩組處理中加入等量滅活菌劑。試驗(yàn)中使用的AMF 菌種為摩西管柄囊霉（Funneliformis mosseae），其為擴(kuò)繁后含有真菌孢子、菌絲和侵染根段的根土混合物[7]。

1.4 試驗(yàn)過程

整個(gè)試驗(yàn)過程持續(xù)75 d，前60 d 保證植物正常生長(zhǎng)，后15 d 模擬礦區(qū)環(huán)境對(duì)植物進(jìn)行干旱脅迫，不再進(jìn)行水分灌溉。土柱表層土壤（0～20 cm）的初始含水量控制為砂土最大持水量的60%±3.1%，每3 d澆一次水，前3 周每周補(bǔ)一次營養(yǎng)液，水分和營養(yǎng)液澆灌量均為每次50 mL，營養(yǎng)液配制濃度和土壤底肥濃度相同。在植株干旱脅迫期間，表層土壤的平均質(zhì)量含水率為4.5%±0.56%，低于砂土最大持水量的30%，達(dá)到重度干旱脅迫[19]。

1.5 測(cè)定指標(biāo)及方法

1.5.1菌根侵染率

試驗(yàn)結(jié)束收取紫穗槐根系時(shí)隨機(jī)取少量細(xì)根根樣（約25 根），沖洗干凈，用10% KOH 溶液浸泡并水浴鍋加熱（90 ℃）1.5 h，清水沖洗數(shù)次備用，后使用酸性品紅乳酸甘油染色液法染色、脫色，完成后制片，并在顯微鏡（(Motic Panthera Client)）下觀察測(cè)定紫穗槐根系的菌根侵染率。

1.5.2紫穗槐生長(zhǎng)指標(biāo)

紫穗槐株高、冠幅使用鋼卷尺測(cè)定（精度1 mm）, SPAD 值使用SPAD-502 Plus 葉片葉綠素儀（KONICA MINOLTA, INC.Japan）測(cè)定。根系樣品按每10 cm 分層取出，根系形態(tài)特征通過將根系清洗干凈，展開平鋪在透明的根盤中，掃描獲得根系的數(shù) 字 圖 像（Microtek Scanmaker i800 plus）。利用RhizoPheno 根系處理軟件分析數(shù)字圖像獲得根尖數(shù)、根長(zhǎng)度、根表面積、根體積及平均直徑。將植物地上部分和分層收取的根系清洗干凈置于70 ℃烘箱中烘干至恒重，用以測(cè)地上生物量和地下生物量。研究中使用的根系分布指標(biāo)計(jì)算公式如下：

式中：RMD 為根質(zhì)量密度，g/cm3；RLD 為根長(zhǎng)密度，cm/cm3；RAD 為根表面積密度cm2/cm3；RVD 為根體積密度，cm3/cm3；Wr為單位體積壤中的根生物量，g；Lr為單位體積壤中的根長(zhǎng)，cm；Ar為單位體積壤中的根表面積，cm2；Vr為單位體積壤中的根體積，cm3；V為根系所占的土壤體積，研究中為單層土柱的容積。

1.5.3土壤含水率和電導(dǎo)率

含水率的測(cè)定。土壤樣品按5×3 的網(wǎng)格法取樣，土壤含水率采用烘干法測(cè)定。

電導(dǎo)率的測(cè)定。待測(cè)樣品按同上方法取出，風(fēng)干后過1 mm 篩，取5 g 放于50 mL 燒杯中，加入25 mL蒸餾水，配成1∶5 的土水混合液，充分?jǐn)嚢? min 后靜置半小時(shí)，用電導(dǎo)率測(cè)定儀（SevenExcellence? 多參數(shù)測(cè)試儀pH/EC）測(cè)定電導(dǎo)率。

1.5.4紫穗槐的水分利用效率

植物的水分利用效率（Water Use Efficiency，WUE）指植物消耗單位質(zhì)量水分TE所積累的干物質(zhì)的質(zhì)量。研究中WUE 的具體計(jì)算公式如下：

式中：WF，WL，ΔSWS分別為起始土壤含水量，收獲時(shí)土壤含水量和生長(zhǎng)期補(bǔ)水量，g。以上含水量均由稱重法獲得。

式中，EWU為水分利用效率；Y為總生物量，g。

1.5.5氫氧同位素和葉片的碳同位素

土壤和紫穗槐木質(zhì)部中的水分采用LI-2100 全自動(dòng)真空抽提系統(tǒng)（LICA United Technology Limited,China）提取。紫穗槐木質(zhì)部水、土壤水的δD 和δ18O 使用液態(tài)水同位素分析儀(LGR912-0008, ABB Ltd, Canada) 進(jìn)行分析，其測(cè)量精度分別為±0.1‰(δD和±0.3‰(δ18O)。紫穗槐葉片的碳同位素使用元素分析儀-同位素比質(zhì)譜儀(EA-IRMS，Germany)測(cè)定，儀器的測(cè)量精度為±0.001‰，測(cè)定使用的具體公式如下：

式中，Rsa和Rst分別為待測(cè)樣品和標(biāo)準(zhǔn)樣中的重同位素的和輕同位素的比值（18O/16O、2H/1H、13C/12C）。氫氧同位素的標(biāo)準(zhǔn)品為維也納標(biāo)準(zhǔn)平均海水(VSMOW)，碳同位素的標(biāo)準(zhǔn)品為美國南卡羅來納州白堊系皮狄組地層中的美洲擬箭石(VPDB)。

1.6 數(shù)據(jù)處理

使用Microsoft Excel 2019 整理數(shù)據(jù)；利用IBM SPSS Statistics 26 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行獨(dú)立樣本t 檢驗(yàn)和單因素方差分析，顯著性水平α=0.05；使用R4.1.1 軟件進(jìn)行土壤水分氫氧同位素的差異性分析與植物水分來源的MIXSIAR 模型估計(jì)；使用Orgin2021 繪圖，并使用其中的Correlation Plot 插件進(jìn)行數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析和熱圖繪制、使用Principal Component 插件進(jìn)行主成分分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 接菌對(duì)植物生長(zhǎng)的影響

表1 為不同處理下紫穗槐的生長(zhǎng)指標(biāo)和菌根效應(yīng)?？梢钥闯觯臃NAMF 使紫穗槐的株高、SPAD值、地上生物量和地下生物量分別提升38.5%、27.5%、11.1%、69.4%，這表明接菌對(duì)紫穗槐具有明顯的促生作用。對(duì)比不同處理下的菌根侵染率，發(fā)現(xiàn)+AM 處理的侵染率顯著高于CK 處理，表明人為接種AMF的侵染結(jié)果較好。圖2 為紫穗槐根系中AMF 的定殖結(jié)構(gòu)，可以明顯觀察到AMF 的菌絲和泡囊結(jié)構(gòu)。

表1 不同處理下紫穗槐的生長(zhǎng)指標(biāo)和菌根效應(yīng)Table 1 Growth indices and mycorrhizal effects of Amorpha fruticosa L under different treatments

圖2 紫穗槐根系的AMF 定殖結(jié)構(gòu)Fig.2 AMF colonization structure of roots of Amorpha fruticosa L

2.2 接菌對(duì)植物根系分布的影響

2.2.1接菌對(duì)總根系指標(biāo)的影響

根系是植物吸收和利用土壤水分、養(yǎng)分的關(guān)鍵部位，定量化表征根系指標(biāo)對(duì)研究植物生長(zhǎng)具有重要意義，圖3 為不同處理下紫穗槐的總根系指標(biāo)。結(jié)果表明，接種AMF 顯著增加了紫穗槐的總根系長(zhǎng)度和根尖數(shù)，相比于CK 處理，接菌使總根系長(zhǎng)度和根尖數(shù)分別增加了329.0%和586.1%，這表明接菌對(duì)植物根系具有明顯的促生作用。此外，接菌使紫穗槐的平均根直徑顯著減小22.9%，說明接菌更有利于紫穗槐細(xì)根的發(fā)育。

圖3 不同處理下紫穗槐的總根系指標(biāo)Fig.3 Total root indices of Amorpha fruticosa L under different treatments

2.2.2不同根徑下的根系形態(tài)特征

表2 為不同根徑下的根系形態(tài)特征參數(shù)。研究中將根系分為3 種類型：細(xì)根（0～1.0 mm）、中細(xì)根（1.0～2.0 mm）、粗根（>2 mm）[20]。由表2 可知，接菌處理不同根系直徑下的根系長(zhǎng)度、根表面積和根體積均有所提高，在4 種根系直徑下的根長(zhǎng)度+AM 處理較CK 處理分別提高761.1%、357.2%、151.5%、44.1%，而根表面積、根體積也有類似的結(jié)果。明顯的，接種AMF 對(duì)2 mm 以下細(xì)根的根系特征參數(shù)提升更為顯著，其根長(zhǎng)比例較CK 處理提升370.1%。此外，還發(fā)現(xiàn)兩種處理中0.5～1.0 mm 的根在兩者總根長(zhǎng)中都占比最多，但根表面積和根體積的分布卻與此不同。

表2 不同根徑下根系特征參數(shù)的比較Table 2 Comparison of root characteristic parameters under different root diameters

2.2.3不同深度下的根系分布特征

采用RMD、RLD、RAD、RVD 表征不同處理下根系的垂向分布。從圖4 可以看出，接種AMF 明顯改善了不同深度下紫穗槐的根系分布特征，尤其在10～20 cm 土層，+AM 處理的RMD、RLD、RAD、RVD 均顯著高于CK 處理。此外，接菌處理中根系可伸長(zhǎng)至30 cm 處，CK 處理在同深度內(nèi)未發(fā)現(xiàn)根系，表明菌根在水平向改善紫穗槐根系分布的同時(shí)，也促進(jìn)了植物根系向更深土壤層位的生長(zhǎng)，這將更有利于植物對(duì)深層土壤水分的利用。

圖4 不同深度下根系的分布特征Fig.4 Distribution characteristics of roots at different depths

2.3 土壤水分和電導(dǎo)率的分布特征

圖5 為不同處理土壤剖面含水率的變化。可以看出，不同處理的土壤含水率隨深度增加而不斷增大，其中CK1 處理的平均含水率在不同深度上均大于其它處理，這與CK1 處理中無植物和AMF 真菌有關(guān)。+AM 與CK 處理相比，在0～10、10～20 cm土層的平均含水率分別提高8.9%、7.8%；而在20～50 cm 的深層土壤中，土層的平均含水率又分別降低了16.8%、4.0%、11.6%。該結(jié)果一方面表明了接菌后根與菌絲組成的復(fù)合體增加了植物對(duì)深層水分的利用，減少了對(duì)淺層土壤水分的利用；同時(shí)也表明接菌增加了紫穗槐根系的提水作用，促進(jìn)了植物根系對(duì)土壤水分的再分配作用。

圖5 不同處理土壤剖面含水率的變化Fig.5 Variation of soil profile moisture content in different treatments

土壤的電導(dǎo)率隨土壤深度增加而逐漸增大（圖6），這與土壤含水率的變化趨勢(shì)相同。土壤電導(dǎo)率變化是土壤鹽分分布的直接表征，以電導(dǎo)率為142.0 μS/cm的鹽分基準(zhǔn)線為例，可以看到，從CK1 到+AM 處理，3 種處理下土壤鹽分的積聚層位在逐漸上升，這與根系和AM 菌絲吸收水分密切相關(guān)。此外，在更深的鹽分淋濾層（>30 cm）,各處理之間的電導(dǎo)率差異不大。

圖6 不同處理土壤剖面電導(dǎo)率的變化Fig.6 Variation of soil profile conductivity in different treatments

2.4 接菌對(duì)紫穗槐根系吸水來源的影響

2.4.1紫穗槐根系用水層位

由于土壤水分從植物根系向木質(zhì)部輸送過程中不存在同位素組分分餾，木質(zhì)部水的δ18O、δD 反映了植物對(duì)水源的利用?！爸苯酉嚓P(guān)法”是將植物和土壤水分的氫氧穩(wěn)定同位素線組合在一起，兩者相交的部分即為植物的主要供水層位[19]。

圖7 為不同處理下土壤水和紫穗槐木質(zhì)部水的δ18O 和δD?？梢钥闯?，CK 處理和+AM 處理與土壤氫氧同位素變化曲線的交點(diǎn)在0～5 cm 土壤層位，表明兩種處理下植物的最大用水層位最有可能為該層位。此外，接菌處理下木質(zhì)部與土壤氫氧同位素的交點(diǎn)隨土壤深度有所下移，表明接菌加深了植物的潛在用水層位。

圖7 不同處理下土壤水和紫穗槐木質(zhì)部的 δ18O 與 δDFig.7 δ18O and δD of soil water and xylem of Amorpha fruticosa L under different treatments

2.4.2不同層位吸水比例

利用MIXSIAR 模型具體量化了不同處理下紫穗槐從土壤各層中的吸水比例（圖8），從圖中可以看出，CK 處理和+AM 處理對(duì)0～5 cm 土壤層位的用水比例最多，分別為51.6% 和26.1%，這和利用直接相關(guān)法所判斷的結(jié)果一致。此外，紫穗槐對(duì)其他層位的土壤水分也有利用，在表層5 cm 以下的5～30、30～50 cm 層位，接菌后紫穗槐吸水比例分別增加15.4%、9.9%，這與接菌后紫穗槐根系特征參數(shù)的顯著改善和菌絲對(duì)水分的吸收作用有關(guān)。

圖8 紫穗槐各層的用水比例Fig.8 Proportion of water used in each layer of Amorpha fruticosa L

2.5 接菌對(duì)紫穗槐WUE 和葉片δ13C 的影響

圖9 為不同處理下紫穗槐的水分利用特征?？梢钥闯鼋臃NAMF 增加了紫穗槐的WUE(圖9a)，增加幅度為27.5%。圖9b 為不同處理下紫穗槐葉片的δ13C 值，CK 和+AM 處理葉片的δ13C 值分別在-26.989‰～-27.229‰和-25.489‰～-25.549‰之間，可以看出接菌處理之后紫穗槐葉片的δ13C 值也有所增大，這和接種AMF 后紫穗槐WUE 增大的結(jié)果一致。紫穗槐葉片δ13C 值越負(fù)，其自身WUE 越低，δ13C 值指示了不同處理植物的WUE 差異。

圖9 不同處理下紫穗槐的水分利用特征Fig.9 Water use characteristics of Amorpha fruticosa L under different treatments

2.6 根系分布與植物水分利用效率之間的相關(guān)性分析

圖10 為紫穗槐根系分布與WUE 之間的相關(guān)性分析，其中株高和總根長(zhǎng)、根尖數(shù)、細(xì)根長(zhǎng)、根表面積、根尖數(shù)、根體積之間呈現(xiàn)顯著正相關(guān)關(guān)系（P<0.05）；平均根直徑和總根長(zhǎng)、根尖數(shù)、細(xì)根長(zhǎng)、根表面積、葉片δ13C 值之間均呈現(xiàn)顯著負(fù)相關(guān)關(guān)系；而WUE 與總根長(zhǎng)、根尖數(shù)、平均根直徑、細(xì)根長(zhǎng)、根表面積、根體積之間的相關(guān)系數(shù)分別為0.49、0.54、-0.47、0.48、0.66、0.89；此外，WUE 與葉片δ13C 值之間的相關(guān)系數(shù)為0.38。

圖10 根系分布與植物水分利用效率之間的相關(guān)性分析Fig.10 Correlation analysis between root distribution and plant WUE

2.7 接菌對(duì)紫穗槐WUE 影響的關(guān)鍵根系特征分析

通過上一步的結(jié)果發(fā)現(xiàn)，紫穗槐的WUE 和根系形態(tài)參數(shù)指標(biāo)之間具有較高的相關(guān)性。接種AMF影響了紫穗穗的根系形態(tài)特征，為了明確接菌后那種根系特征直接影響了紫穗槐的WUE，利用根系形態(tài)特征參數(shù)與紫穗槐WUE 進(jìn)行了主成分分析（圖11）。

圖11 紫穗槐根系對(duì)水分利用效率影響的主成分分析Fig.11 Principal component analysis of effect of roots of Amorpha fruticosa L on water use efficiency

對(duì)RT（根尖數(shù)）、RL（總根長(zhǎng)）、FRL（0.50～1.00 mm的細(xì)根長(zhǎng)）、RA（根表面積）、RV（根體積）、RMD（根質(zhì)量密度）、MRD（平均根直徑）、SM（土壤含水率）8個(gè)指標(biāo)進(jìn)行主成分分析。由主成分的特征值及貢獻(xiàn)率結(jié)果可知，前2 個(gè)主成分解釋了91% 的紫穗槐WUE，達(dá)到了累計(jì)貢獻(xiàn)率>80% 的要求。其中，RL、RT、FRL 對(duì)第一主成分的影響較大，對(duì)第二主成分影響最大的指標(biāo)分別為RMD、MRD。以上結(jié)果表明，根系中0.50～1.00 mm 的細(xì)根長(zhǎng)和根尖數(shù)可能是接種AMF 后提升植物WUE 的關(guān)鍵根系特征。

3 討 論

3.1 接種AMF 對(duì)紫穗槐生長(zhǎng)和根系分布的影響

接種AMF 可以提高紫穗槐的生物量并改善紫穗槐的根系結(jié)構(gòu)[21]，陳婕等研究表明紫穗槐在水分脅迫條件下接種AMF 可表現(xiàn)出較高的菌根侵染率和生物量[22]，這和研究的結(jié)果一致。研究中接菌處理顯著提高了AMF 在紫穗槐根系中的侵染率，紫穗槐根系與AMF 形成菌根共生體后表現(xiàn)出明顯的促生效應(yīng)，+AM 處理的生物量較CK 處理更高，這對(duì)紫穗槐應(yīng)對(duì)礦區(qū)干旱的環(huán)境具有積極意義。

AMF 能夠促進(jìn)紫穗槐根系生長(zhǎng)并改變根系分布。根系作為植物吸收養(yǎng)分、水分以及各種微量元素的主要器官，根系形態(tài)特征可以反映植株的生長(zhǎng)狀況[23]。研究中+AM 處理的根系特征參數(shù)均顯著優(yōu)于CK 處理，這是由于接菌處理促進(jìn)了植物體內(nèi)生長(zhǎng)素類似物IBA 的合成，該類物質(zhì)可引起植物根系形態(tài)發(fā)生顯著變化[24]；同時(shí)吳強(qiáng)盛等[25]研究發(fā)現(xiàn)接種AMF 對(duì)白三葉草的根系構(gòu)型，如根長(zhǎng)度、根表面積、根體積、根尖數(shù)、根分支數(shù)和交叉數(shù)都有顯著的促進(jìn)作用，這支持了研究結(jié)果。此外，研究中還發(fā)現(xiàn)接種AMF 顯著減小了紫穗槐的平均根直徑，且明顯促進(jìn)了2 mm 以下細(xì)根的生長(zhǎng)，這與畢銀麗、劉凱洋等的研究結(jié)果類似[26-27]。細(xì)根作為植物根系系統(tǒng)中生理活性最高的成分，主要負(fù)責(zé)吸收大量水分和養(yǎng)分[28]，尤其接菌后對(duì)細(xì)根根系特征參數(shù)的顯著改善，能夠在水分虧缺狀態(tài)下使得更多土壤水分被植被利用。另外，接菌后土壤不同深度下的根系參數(shù)指標(biāo)（RMD、RLD、RAD、RVD）也得到了顯著改善，尤其在20 cm以下層位。同時(shí)接菌后紫穗槐的根系到達(dá)了更深的土壤層位，這對(duì)其利用更深層的土壤水分至關(guān)重要。

3.2 接種AMF 對(duì)土壤水分鹽分分布的影響

土壤水分、鹽分分布與紫穗槐根系和AM 菌絲對(duì)水分的吸收作用密切相關(guān)，研究中土壤水分與鹽分分布分別與土壤深度呈正相關(guān)關(guān)系。值得注意的是，相較于CK 處理，接菌增加了淺層土壤0～20 cm的土壤含水率，而減小了深層20～50 cm 的含水率。分析原因有以下兩點(diǎn)：其一，接菌形成的菌絲網(wǎng)絡(luò)協(xié)助植物根系到達(dá)了更深的土壤層位，同時(shí)菌絲可以伸長(zhǎng)至根系無法到達(dá)的更深層土壤，兩者協(xié)同促進(jìn)了植物對(duì)深層土壤水分的吸收，使對(duì)應(yīng)層位的土壤含水率減小[29]；其二，接菌加強(qiáng)了紫穗槐根系的提水作用，植物根系及龐大的菌絲網(wǎng)絡(luò)在夜間將深部的土壤水分?jǐn)y帶運(yùn)輸并釋放至干燥的淺層土壤中，增加了淺層土壤的含水率[30]。此外，植物種植和接菌使土壤中的鹽分積聚層位有所上升，在0～30 cm 土壤層位表現(xiàn)最為明顯。研究表明，根長(zhǎng)密度對(duì)土壤鹽分分布具有重要影響，較大的根長(zhǎng)密度增加了對(duì)土壤水分的吸收，引起土壤孔隙中溶質(zhì)濃度增加，進(jìn)而造成土壤鹽分積聚[7,31]。研究中接菌處理不同層位的RLD 均大于未接菌處理，因而其在土壤剖面中出現(xiàn)了明顯的鹽分積聚，CK1 處理由于未種植植物，其土壤鹽分隨表層澆灌水一直被淋洗到土壤最深層，因而其在0～30 cm 土層鹽分含量最低。

通過以上分析，接種AMF 改變了紫穗槐根系分布和土壤水分、鹽分的空間分布，那么必然會(huì)影響植物吸水深度及比例的變化。研究中發(fā)現(xiàn)土壤水中的同位素組成隨著土壤深度的增加而逐漸減小。當(dāng)接種AMF 時(shí)，紫穗槐木質(zhì)部水同位素值向更負(fù)值方向偏移，這主要是由于接菌增加了植物對(duì)更深層土壤水分的利用。在5 ～30 cm 根系的主要影響區(qū)、>30cm 的根系弱影響區(qū)，接菌均增加了土壤水分的吸收比例，這與接菌后土壤水分的空間分布結(jié)果一致。這主要是由于在5～30 cm 層位，接菌顯著增加了細(xì)根根長(zhǎng)、根表面和根體積；而在>30 cm 的更深層位，菌絲協(xié)助植物吸收了更深層的土壤水分[29]。在干旱和蒸發(fā)強(qiáng)烈的礦區(qū)，淺表層土壤水分受蒸散發(fā)影響嚴(yán)重，一般難以維系礦區(qū)復(fù)墾植被的生長(zhǎng)。因而想要取得良好的復(fù)墾效果，植被利用更深層的土壤水分至關(guān)重要。SONG 等[32]研究表明，在干旱半干旱地區(qū)，深部土壤水分已經(jīng)成為植物抵御干旱脅迫和維持生存的重要水源。研究中，接種AMF 恰好增加了紫穗槐對(duì)深部土壤水分的吸收比例，這對(duì)礦區(qū)復(fù)墾植被抵御干旱脅迫和提升抗逆性具有重要作用。

3.3 接種AMF 對(duì)紫穗槐WUE 的影響

在西部干旱半干旱煤礦區(qū)，水分是影響植被恢復(fù)和生態(tài)復(fù)墾的關(guān)鍵核心因子[33]，如何有效增加復(fù)墾區(qū)植被對(duì)土壤水分的利用效率，成為當(dāng)前背景下的研究熱點(diǎn)問題。研究中接種AMF 提升了紫穗槐植株的WUE，增加了植物在干旱缺水環(huán)境下的生產(chǎn)能力。這是由于AMF 侵染紫穗槐根系后，擴(kuò)大了植物對(duì)土壤水分和養(yǎng)分的吸收面積[34]，同時(shí)接菌植物通過提升葉片的光合速率而增加了自身的碳儲(chǔ)備量，即增加植物干物質(zhì)的積累并對(duì)地上生物量和地下生物量進(jìn)行重新組配[35]，使植物根冠協(xié)調(diào)生長(zhǎng)進(jìn)而綜合提高了植株的WUE。研究中，具體表現(xiàn)為+AM處理具有更大的SPAD 值、生物量、根冠比等。此外，研究中發(fā)現(xiàn)，根尖數(shù)和0.5～1.0 mm 細(xì)根長(zhǎng)的顯著增加是接菌后紫穗槐WUE 提升的關(guān)鍵因素，這和畢銀麗等[19]在研究土層重構(gòu)模式下接種深色有隔內(nèi)生真菌（DSE）對(duì)玉米水分利用影響時(shí)的結(jié)果類似。另外，利用植物葉片的碳同位素值（δ13C）來表征植株的長(zhǎng)期水分利用效率，已得到廣泛研究和應(yīng)用[36]。研究中發(fā)現(xiàn)WUE 和葉片的δ13C 值具有一定的相關(guān)性，且接菌后兩者都有所增大，這與前人的研究結(jié)果類似[37]。邢丹、PENUELAS 等[38-39]研究表明，葉片的δ13C 值反映了凈光合速率和氣孔導(dǎo)度兩個(gè)量的相對(duì)大小，所以可以推測(cè)，研究中接菌通過提升以上兩者而增加了植物的WUE[40]，這與紫穗槐植株基于個(gè)體水平所反映的WUE 結(jié)果一致。另外，不難看出，基于個(gè)體水平的植物WUE 由于需要定量測(cè)量植株的生物量和耗水量，這在礦區(qū)植被恢復(fù)過程中幾乎難以實(shí)現(xiàn)，但高效、無損的碳同位素技術(shù)卻為定量化表征復(fù)墾后植被的水分利用狀況提供了一種新途徑。

4 結(jié) 論

1）接種AMF 有效促進(jìn)了紫穗槐的生長(zhǎng)，相較于CK 處理，其株高、SPAD 值、地上生物量和地下生物量分別提升38.5%、27.5%、11.1%、69.4%。

2）接種AMF 改變了紫穗槐的根系分布及土壤水分利用模式，提高了紫穗槐抵御干旱脅迫的能力。接種AMF 后使總根系長(zhǎng)度和根尖數(shù)分別增加329.0%和586.1%，使平均根直徑顯著減小22.9%。此外，接菌增加了紫穗槐對(duì)表層5 cm 以下土壤水分的利用比例，在5～30、30～50 cm 分別提升15.4%、9.9%，AMF 菌劑在提高紫穗槐抗旱能力中表現(xiàn)出很大的潛力。

3）接菌增加了紫穗槐植株的WUE，這對(duì)“以水量植”的礦區(qū)復(fù)墾意義重大。紫穗槐根系中的細(xì)根長(zhǎng)（0.5～1.00 mm）和根尖數(shù)是干旱脅迫下接種AMF對(duì)土壤水分高效利用的關(guān)鍵根系特征，這將為評(píng)價(jià)微生物菌劑在干旱半干旱區(qū)的應(yīng)用情況提供重要的參考依據(jù)。

研究是在基于室內(nèi)土壤滅菌條件下進(jìn)行的，其對(duì)于復(fù)雜氣候條件（干旱少雨、蒸發(fā)強(qiáng)烈）和原生土壤菌群相互作用下的西部礦區(qū)是否完全適用，有待進(jìn)一步研究。