露天煤礦排土場土層重構(gòu)及接菌對植物根系提水作用試驗研究

畢銀麗，高學(xué)江，柯增鳴，肖 禮

(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.中國礦業(yè)大學(xué)(北京) 礦山生態(tài)修復(fù)研究院，北京 100083)

我國煤炭基地主要集中在西部干旱半干旱區(qū)[1]，煤炭產(chǎn)業(yè)高強度開采形成大面積的排土場，破壞了土體結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土地退化，生物多樣性降低，生態(tài)環(huán)境失衡等一系列問題[2]。同時，礦區(qū)煤電開發(fā)過程中，長期大量疏排地下水引起地下水位下降，造成地下水資源浪費，進一步加劇了生態(tài)重建過程中水資源供需矛盾的問題[3]。

水資源高效利用是露天礦區(qū)排土場生態(tài)重構(gòu)的關(guān)鍵[4]。水力提升作用作為植物在干旱期間保持正常生長的重要因素，對維持植物生長具有重要意義。水力提升作用是指水被動地從潮濕的深層到淺層干土層，通過地表層的夜間再濕潤來改善植物水分平衡[5]，這種使土壤水分再分配機制已得到廣泛的認可。對植物個體及其根際區(qū)而言，水力提升將深層土壤水分向淺層干燥土壤釋放，緩解了植物的干旱脅迫，提高植物及其周圍植物水分和養(yǎng)分的吸收[6]。目前，露天煤礦排土場重構(gòu)土層一般底層為破碎巖石，僅在表層上覆40 cm土壤層，這種堆放結(jié)構(gòu)土壤含水率低、根系層淺，造成植被生長難，難以保證生態(tài)重構(gòu)的高效性[7]。有學(xué)者發(fā)現(xiàn)根系的水力提升發(fā)生次數(shù)與土壤含砂量呈負相關(guān)關(guān)系，因其質(zhì)地較粗導(dǎo)致根土接觸面積較差，限制水力提升的發(fā)生[8]。因此，土層重構(gòu)中合理的含砂比對植物的水力提升具有重要意義。

水力提升是植物根系與不同土壤環(huán)境長期相互作用的結(jié)果，它不僅能夠滋潤營養(yǎng)豐富的淺層土壤，還可以保持微生物的活性。微生物作為提升土壤功能的重要手段，可從根本上系統(tǒng)修復(fù)土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能，挖掘和激發(fā)土壤潛在肥力，加快土壤改良、植被重建[9]。由于深色有隔內(nèi)生真菌(dark septate endophytes,DSE)具有廣泛的宿主適應(yīng)性[10]，作為土壤微生物的重要組成部分，其發(fā)揮的生態(tài)學(xué)功能也尤為重要。在多種極端環(huán)境的植物根系中DSE 具有較高的定殖率，與其他微生物相比，DSE 不僅能定殖于宿主植物根皮層，還能在植物維管組織中定殖。接種DSE 可以通過調(diào)節(jié)根系中激素含量水平和比例來調(diào)節(jié)根系形態(tài)和構(gòu)型，促進根系生長，抵抗干旱脅迫環(huán)境，從而提高宿主的抗旱性[11]。而在礦區(qū)土地復(fù)墾中采用接種菌根真菌菌劑對礦區(qū)植物生長具有促進作用[12]。水力再分配的這種積極作用對于接菌生態(tài)修復(fù)的工程具有特別的意義，隨著植物與真菌共生體的建立和菌根共生作用的增強[13]，其對于西部礦區(qū)水分的高效利用將會起到更大的作用。

由于野外研究不可控因素較多，筆者采用室內(nèi)土柱試驗進行重構(gòu)土層的模擬，為探究接種DSE 后不同重構(gòu)土層植物的水分利用規(guī)律及水分利用效率，以期為礦區(qū)土層重構(gòu)及植物生長對水分高效利用提供理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 土柱試驗裝置

試驗裝置如圖1 所示，試驗采用模擬土柱(外殼為有機玻璃)，土柱高80 cm，內(nèi)徑15 cm，土柱最下方側(cè)壁有內(nèi)徑0.3 cm 供水口為方便從下方供水：供水裝置為高25 cm、內(nèi)徑20 cm 的馬氏瓶：蒸發(fā)量利用埋置的小型蒸滲管進行測量。土柱側(cè)壁每10 cm 開有直徑為1.5 cm 小孔以便土樣采集，土柱下部0～20 cm 模擬淺層地下水由大粒徑礫石構(gòu)成并與馬氏瓶水位保持一致，20 cm 以上為本研究所模擬的重構(gòu)土層，在重構(gòu)土層中添加一層為切斷上下部土壤毛管水傳輸?shù)? cm礫石夾層。

圖1 土柱試驗裝置Fig.1 Soil column test device

1.2 試驗材料

試驗重構(gòu)土層供試土為河沙和野外采集的黃土，河沙與黃土的容重、電導(dǎo)率、有機質(zhì)含量分別是1.60、1.55 g/cm3，158.5、230.5 μS/cm，1.97、5.46 g/kg。河沙過2 mm 篩，黃土粉碎過1 mm 篩并將2 種土不同比例混合，分別為不摻黃土的純沙土，為S0，沙土中摻質(zhì)量分數(shù)10%的黃土為S1，沙土中摻質(zhì)量分數(shù)20%的黃土為S2，沙土中摻質(zhì)量分數(shù)40%的黃土為S3?；旌贤两?jīng)過高溫高壓滅菌后備用，混合土粒徑見表1。模擬淺層地下水中的礫石為粒徑0.5～1.0 cm 大小不一的礫石混合而成。供試植物玉米(Zea mays L)，品種為“品糯28 號”，播種前進行消毒沖洗，供試菌種為DSE，微生物菌劑由西安科技大學(xué)西部礦山生態(tài)環(huán)境修復(fù)研究院自主增殖擴繁所得。

表1 土壤顆粒機械組成Table 1 Soil particle size compositions

1.3 試驗設(shè)計

試驗共布設(shè)了4 種重構(gòu)土層，分別為S0、S1、S2和S3。每種重構(gòu)土層設(shè)不接菌 (-M) 與接菌處理(+M)2 種微生物處理。共8 個處理，每個處理均設(shè)有3 個重復(fù)，不同重構(gòu)土層同時設(shè)置不種植不接菌的純對照4 個，共28 個土柱裝置。

試驗于2021 年5 月17 日進行。將消毒后的種子進行播種并在種子下方放入固體DSE 菌劑，每個土柱進行建苗。本試驗玉米生長共分為3 個時期：出苗期(5 月17 至5 月21 日)、拔節(jié)期(5 月21 日至6 月30 日)、穗期(6 月30 日至7 月30 日)。玉米進入拔節(jié)期，上層(礫石夾層以上15 cm)土壤不澆水，下層(礫石夾層以下40 cm)馬氏瓶繼續(xù)供水，上下土層含水率通過取土法測量控制，控制上層為相對干旱層，下層為相對濕潤層。進入穗期，下層馬氏瓶也停止供水。

1.4 試驗方法

植物株高采用卷尺測量，根莖采用游標卡尺測量，植物鮮重采用稱重法測量，植物干重采用干重法進行測量。植物全氮：將烘干植物粉碎，過篩(0.25 mm)，稱取50 mg 樣品用錫紙包裹后進入vario MACRO cubeelementar 型元素分析儀進行測量。植物全磷：稱取粉碎過篩(0.25 mm)的烘干植物樣品0.1 g 置于100 mL的消煮管中，采用H2SO4-H2O2消煮法進行消煮，運用ICP(ICP-OES，Optima 5300DV，Perkin Elmer，Waltham，MA)進行測量。侵染率：隨機取新鮮根樣(約45 個根段制片)，用10%KOH 溶液侵泡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Motic Panthera Client 型顯微鏡下觀察測定玉米的DSE 侵染率。

采用EM50 每一周測量兩次礫石夾層以上部分的體積含水率后再換算為質(zhì)量含水率，時間為前一天20:00 和第2 天06:00，并用小型蒸滲管測量上層夜間蒸發(fā)量，夜間植物蒸騰速率較小，蒸騰量可忽略不計，計算玉米每天根系的提水量。

體積含水率=質(zhì)量含水率×土的干容重

式中：G為根系提水量，g；M為上桶干土質(zhì)量，g；θAM為第2 天06:00 上桶質(zhì)量含水率，%；θPM為前一天20:00 上桶質(zhì)量含水率，%；m為上桶夜間蒸發(fā)量，g。

玉米地上部分采收后分層從土壤中取出玉米根系，沖洗干凈后低溫保存。用MICROTEK Scanmaker i800plus 型掃描儀和RhizoPheno 型根系系統(tǒng)測定總根長度、總根表面積和總根體積，并計算各層根質(zhì)量密度及根長密度。根質(zhì)量密度(RMD)為單位體積根系的質(zhì)量，mg/cm3；根長密度(RLD)為單位體積根系的長度，cm/cm3。

試驗結(jié)束后，土壤樣品進行分層采集同時玉米樣品采集根莖結(jié)合處后裝入10 mL 小玻璃瓶，并用封口膜密封冷凍保存，將冷凍的樣品解凍后放入LI-2100全自動真空冷凝抽提系統(tǒng)提取植物葉片水以及木質(zhì)部水分，提取的水分用孔徑為0.45 μm、直徑為13 mm 的針筒式濾膜過濾器過濾后裝入2 mL 的樣品瓶中待測。本次試驗中所有的水樣采用DLT-100 型液態(tài)水同位素分析儀進行同位素測定。其中，δD 值的測試誤差不超過±0.6‰，δ18O 值的不超過±0.2‰。分析得出的δD 和δ18O 以相對于維也納標準平均海洋水(Vienna Standard Mean Ocean Water，VSMOW)的千分差值表示：式中：δ為對應(yīng)樣品的穩(wěn)定氧同位素值；RS為樣品中重同位素與輕同位素的比值；RSt為國際通用標準物的重同位素與輕同位素比值。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同處理對植物生長影響

植被的地上部分是反映植物生長狀況最直接的表現(xiàn)形式。通過表2 發(fā)現(xiàn)不同重構(gòu)土層下玉米地上部分各指標均有顯著差異。S2 玉米的干重比S0、S1、S3分別提高了5.16、1.47、1.34 倍。S0 菌根侵染率最高。黃土的添加使菌根的侵染率下降，S1、S2、S3 菌根侵染率接近。S0 菌根對地上植物各項指標的貢獻率均最高，干鮮重的貢獻率高達一倍；S2 菌根對地上植物各項指標的貢獻率最低。研究結(jié)果說明土壤是影響植被生長的主要因素，接菌對植物的生長起到顯著的促進作用。

表2 玉米地上部分各指標統(tǒng)計Table 2 Statistical table of each index of maize above ground

2.2 根系及土壤水分分布

對土壤各層根系分析，發(fā)現(xiàn)不同重構(gòu)土層對根系各項參數(shù)均有顯著影響，不同土層根系分布也均有差異(圖2)。S2 根系各項指標均發(fā)育最好，并且根系已生長至土柱底部。而純沙土的主根系只生長至距土壤表層向下35 cm 處。所有處理表層0～15 cm 土層，根系生物量積累量均較高，在整個土壤剖面，表層根系生物量占總生物量的35%～86%。其中S0、S1、S3 的根系生物量主要集中在0～15 cm 處，S2 的主要集中在0～25 cm 處(圖2a)。0～35 cm 土層，根系質(zhì)量密度(RMD)隨土壤深度增加成指數(shù)形式降低，根長密度(RLD)與RMD 規(guī)律基本一致。而部分處理35～45 cm 處RMD和RLD 較高，是由于部分根系已生長至土柱最下方的20 cm 模擬含水層中。菌根對植物根系各項指標均有促進作用。

圖2 不同處理各層的根質(zhì)量密度和根長密度Fig.2 Root mass density and root length density in each layer of different treatments

研究結(jié)果表明，玉米的根徑可分為＞0.8 mm、0.2～0.8 mm 和0～0.2 mm 3 個等級[14]。土層深度和摻土處理對主根、次根和三級根的RLD 有顯著影響(表3)。主根、次根和三級根沿土壤剖面從表層開始顯著降低，部分處理的35～45 cm 處的RLD 較大。玉米根系在整個土柱中，三級根根長占整株玉米的45%～60%，主根根系只占整株玉米的6%～26%，玉米本就是須根系植物所以三次根較發(fā)達。不同重構(gòu)土層處理及接菌處理對3 種根徑級的根長比例沒有顯著影響，說明玉米根系的整體形態(tài)不會隨著土壤的結(jié)構(gòu)變化而變化。

表3 不同處理各層3 個等級根的根長密度百分比統(tǒng)計Table 3 Statistical table of root length density percentage of three grades of roots in different treatments

不同處理土壤含水率隨深度變化規(guī)律如圖3 所示。不同處理下種植玉米與不種植玉米(對照)相比，S0 各層含水率與對照無明顯差異；S1 各層含水率與對照相比明顯減少，35～45 cm 處減小幅度最大；S2 各層含水率與對照相比減少幅度最顯著，且隨著土柱深度變化，減小幅度逐漸變大；S3 各層含水率與對照相比明顯減少，25～45 cm 處含水率變化幅度較均勻。所有處理0～15 cm 處含水率均無明顯變化，35～45 cm 處含水率變化最大。同時各重構(gòu)土層接菌處理的含水率均比不接菌低，是因為接菌植物長勢更好，水分利用更多。

圖3 不同處理土壤最終含水率Fig.3 Final soil moisture content for different treatments

2.3 植物水分利用特征

從圖4 可以發(fā)現(xiàn)，在整個土層中，S0 和S1 的δ18O 值呈先減小后增大的趨勢，S2 和S3 的δ18O 值隨深度增加逐漸減小且趨于穩(wěn)定。S0 和S1 玉米吸水深度在25 cm 和35～40 cm 處；S2 和S3 玉米吸水深度主要在40 cm 和35 cm 處。玉米吸水深度與根系生長發(fā)育狀況及分布規(guī)律相一致，S0 和S1 根系主要分布在0～25 cm。而S2 和S3 根系雖然在0～25 cm 處也同樣發(fā)達但表層土壤含水率較低，根系會在含水率更高的35～45 cm 處獲取水分。重構(gòu)土層處理吸水深度都存在明顯差異。同一重構(gòu)土層處理下，接菌與不接菌δ18O 值變化相接近，且接菌增加植物的水分利用深度，是由于接菌促進植物根系生長，進而影響玉米對水分的利用。

圖4 不同處理玉米水、土壤水中δ18O 的變化Fig.4 Changes of δ18O in corn water and soil water under different treatments

基于δ18O 值的MixSIAR 模型水源分析結(jié)果如圖5 所示。S0 主要吸收0～25 cm 處土壤水分，水分利用比例達到80%和74%。S1 主要吸收15～35 cm 處土壤水分，水分利用比例達到64%和66%。S2 主要吸收25～45 cm 處土壤水分，水分利用比例達到70%和64%。S3 主要吸收25～45 cm 處土壤水分，水分利用比例達到69%和67%。隨著黃土摻比越多，玉米的水分利用深度也在不斷向下。植物對各層的水分利用效率與土壤各層含水率的變化相一致，說明土壤中水分的變化也同樣可以反映植物對水分的利用效率。而接菌處理在水分利用效率上無顯著差異，這是由于MixSIAR 模型水源分析是在多因素影響下植物水分利用的預(yù)測估算，而接菌是微觀地改變植物生長狀況，所以接菌對植物水分利用效率無顯著影響。

圖5 不同處理玉米對各層水分利用比例Fig.5 The water utilization ratio of different maize treatments to each layer

2.4 玉米根系的提水效應(yīng)

從圖6 分析發(fā)現(xiàn)，玉米根系提水量接近單峰狀，隨著生育期推進，呈先增大后減小的趨勢，在2021 年7 月5 日到7 月12 分別達到最大值(圖6a)。所有處理中，S2+M 處理在整個階段提水量及累積提水量均最高。不同重構(gòu)土層下，S2 提水量最大，S0 提水量最低，S2 提水量比S0 提水量高30%。相同重構(gòu)土層下，接菌的提水量均顯著高于不接菌，但S3 接菌與不接菌提水量無顯著差異，由于S3 接菌與不接菌玉米的長勢差異也并不顯著(圖6b)。

圖6 玉米水分脅迫下提水量Fig.6 The amount of water to be lifted under water stress in maize

3 討論

3.1 重構(gòu)土層對水分及植物根系分布的影響

本試驗不同重構(gòu)土層是由沙土與黃土不同配比混合而成，各重構(gòu)土層的土壤機械組成存在很大差異。純沙土重構(gòu)土層的機械組成砂粒含量較多，粉粒、黏粒含量較少。因此，土壤的大孔隙較多，土質(zhì)較松散，水分易蒸發(fā)下滲，不易保存被植物吸收利用，容易導(dǎo)致水資源浪費，這與采煤沉陷對沙地土壤水分運移的影響研究結(jié)果相似[15]，因此，純沙土的重構(gòu)土層不適合在干旱半干旱礦區(qū)應(yīng)用。在沙土中添加黃土可以改變土壤的機械組成，會使原有的大孔隙被小顆粒填充。會隨著黃土不斷添加，土壤黏聚力更強，易于水分的保存，更適合干旱半干旱礦區(qū)土層重構(gòu)。黃土的添加會導(dǎo)致小孔隙增加，增大土壤與根系的接觸面積，促進植物根系發(fā)育。但本試驗S3 根系的質(zhì)量密度及根長密度均低于S2，原因可能是由于隨著黃土摻比的增多，土壤太過緊實不易側(cè)根的發(fā)育，這與壓實土壤下檸條根系發(fā)育規(guī)律相似[16]。因此，沙土中添加黃土也不宜過多，本試驗得出沙土中添加20%黃土的重構(gòu)土層效果是最優(yōu)的。同時，本實驗中所有處理的玉米根系主要分布在土壤表層，這是由于玉米根系構(gòu)型、遺傳因素和重力、土壤阻力等環(huán)境因素的制約所導(dǎo)致[17]。因此，在黃土富集的西北部露天煤礦區(qū)，排土場重構(gòu)采用沙土配比覆土方式具有更好的實踐意義及對后期的植被生長和生態(tài)重建也具有重要意義。

3.2 接菌對植物根系及植物水分利用的影響

作為重要的內(nèi)生真菌，DSE 在植物生長和養(yǎng)分吸收中具有積極的生態(tài)作用[18]。同時，DSE 具有廣泛的寄主范圍[19]，DSE 物種既具有禾本科寄主植物的特征，又具有非禾本科寄主植物的特征。本研究接種DSE提高了玉米的生長(株高、地徑、葉面積、植物生物量)和根系形態(tài)(總根長、根表面積、根體積)，但對根徑?jīng)]有顯著影響，這與Li Xia 等[20]的結(jié)果一致。DSE 分泌大量的酶可將土壤中的有機氮和難溶性磷等轉(zhuǎn)化為可利用的形式，擴大營養(yǎng)庫，從而促進植物生長[21]。并且接種DSE 可以通過調(diào)節(jié)根系內(nèi)源激素的含量和比例來調(diào)節(jié)根系形態(tài)結(jié)構(gòu)，促進根系生長。接種DSE 提高了植物對水分的利用效率，主要是因為DSE 可有效降低干旱脅迫對細胞超微結(jié)構(gòu)的損傷，幫助宿主改善根系的形態(tài)和構(gòu)型，擴大根系的吸收范圍，增加根系與土壤的接觸，進而提高根系對水分的吸收。與Liu Yan等[22]研究結(jié)果一致。接菌提高植物水分的利用深度，是因為植物根系具有向水生長性，當上層水分干燥時，根系會不斷向下方水分含量高的土壤中生長，這與胡田田等[23]學(xué)者研究結(jié)果一致。DSE 作為一類內(nèi)生真菌，其種類分布廣、功能作用多，在提高植被成活率、植被環(huán)境適應(yīng)性及生態(tài)功能穩(wěn)定性方面表現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景，對于礦區(qū)生態(tài)微生物修復(fù)可持續(xù)發(fā)展具有更深遠的意義。

3.3 重構(gòu)土層、接菌對根系提水效應(yīng)的影響

不同環(huán)境條件下，植物根系吸收水分的方式會有所不同。在西北部干旱半干旱礦區(qū)，降水量較低，光照強、蒸發(fā)量大，土壤表層水分較少，植物為了滿足自身需求所需水量，很可能會通過根系利用更深層的土壤水分[24]。本次試驗所有重構(gòu)土層均是由下部供水，會產(chǎn)生一個表層土壤干燥、下層土壤濕潤的水勢梯度，而土壤水勢正是決定根系提水作用的關(guān)鍵。夜間植物蒸騰作用較低，植物會通過深層根系將深層的水分輸送到表層，從而會產(chǎn)生根系提水現(xiàn)象。不同重構(gòu)土層由于機械組成的差異，導(dǎo)致各層含水量也存在差異。S2 與S0 相比，S2 的重構(gòu)土層保水性更好，深層水分含量較高，表層與深層的水勢梯度相差更大。因此，S2 植物的提水量更大、提水效果也更好。張揚等[25]利用上下桶裝置，通過設(shè)置不同土壤水分狀況，發(fā)現(xiàn)只有在上層干旱、下層濕潤條件下，玉米才有根系提水現(xiàn)象，說明根系提水與上下桶的水勢差有關(guān)，這與本試驗結(jié)果一致，說明重構(gòu)土層對根系提水效應(yīng)的影響主要是由于不同重構(gòu)土層水分差異所導(dǎo)致。

本試驗中所有重構(gòu)處理在接種DSE 后根系的提水量均有提高。一方面是因為DSE 真菌和植物形成菌根，進而延伸出黏質(zhì)菌絲，促進植物在干旱環(huán)境中對水分和營養(yǎng)的運輸，S.G.D.Santos 等[26]對此已有研究。另一個原因是接種DSE 可以促進植物根系的生長，從而提高植物的根系提水效率。同時菌根與植物也具有相互作用，當水分滿足自身需求時植物也會將部分水分輸送到菌根中供其吸收利用。王甜甜等[27]有相似的結(jié)論，這一現(xiàn)象也解釋了本試驗S2 提水量是最高的原因。玉米的提水量呈先增大后減小的趨勢，是由于玉米在整個生育期前期根系較少提水作用不明顯，隨著生育期的推進根系不斷向下生長提水效果逐漸顯著，后期由于下層水分被吸收利用土壤水勢梯度降低，植物提水量逐漸降低。盧佳等[28]發(fā)現(xiàn)植物的提水量也受其不同生育期的需水量所影響，這也是玉米整個生育期提水量發(fā)生變化的重要原因。因此，接種DSE 對植物根系提水作用具有積極作用，有待后續(xù)進一步研究。

4 結(jié)論

a.不同重構(gòu)土層水分分布不同，保水效果存在差異。純沙土重構(gòu)土層不利水分的保存，不適合在干旱半干旱礦區(qū)應(yīng)用；摻土40%重構(gòu)土層雖保水效果好但土壤太過密實不易植物側(cè)根的發(fā)育，不適合在礦區(qū)應(yīng)用；摻土20%重構(gòu)土層保水效果好且植物根系發(fā)達、水分利用率高，易于植物的生長，適合干旱半干旱礦區(qū)的土體重構(gòu)。

b.接種DSE 對重構(gòu)土層植物根系生長具有促進作用，同時也提高了植物的水分利用效率及水分利用深度，摻土20%重構(gòu)土層水分利用效率提高了6%，水分利用深度提高了5 cm。菌根與植物是相互影響的，摻土20%重構(gòu)土層接菌后植物長勢最好。

c.植物根系提水量主要受水勢梯度及根系的影響。摻土20%重構(gòu)土層水勢梯度最大，植物根系發(fā)育最好，提水量最大。接菌對根系提水量的影響主要體現(xiàn)在接菌促進根系生長增加根系吸水面積，植物提水量也受植物整個生育期的需水量影響。