李少朋++毕银丽++彭星

摘要：基于神东矿区天气干旱、水资源日益短缺的特点，利用矿井水回灌植物，通过在植物根际接种丛枝菌根真菌，研究接种丛枝菌根真菌对矿井水回灌玉米生长的影响及其对根际土壤的生态效应。结果表明，利用矿井水回灌玉米3个月后，接种丛枝菌根真菌促进了玉米的生长，接种丛枝菌根真菌处理玉米干质量比对照组高出3 g/株；试验选择的丛枝菌根真菌和玉米保持较高的共生关系，强化接种丛枝菌根真菌使玉米根系侵染率、菌丝密度分别达到76%、28 m/g；接种丛枝菌根真菌提高了玉米植株氮、磷、钾的含量，有利于根际难溶矿质元素的活化，且玉米根际土壤中有效磷、有机质含量增加显著。

关键词：丛枝菌根真菌；矿井水；回灌；玉米；土壤

中图分类号： S182；S513.07文献标志码： A文章编号：1002-1302（2016）05-0112-03

矿井水是煤矿区域水资源系统的特定组成部分。目前，中国煤炭开采主要以井工开采，煤炭开采过程中势必引起矿井水的外排。矿井水的直接排放不仅造成水资源浪费，还会引起环境污染问题。目前，中国矿井水排放量约42亿 m3，而利用率只有26%，随着对煤炭需求的增加，中国矿井水排放量呈逐年增加趋势[1]。矿井水的种类较多，其处理方法也不相同，在西方发达国家，利用可渗透性反应墙、膜分离和酸性中和等物理化学方法较为常见，其中生物方法广受关注。美国利用人工湿地处理煤矿酸性矿井水，并使排水pH值提高到6～9，平均总铁≤3 mg/L，总锰≤23 mg/L[2]；加拿大有研究者也提出利用慢速释放丸剂形式施加杀菌剂，控制黄铁矿的氧化，从源头抑制酸性矿井水的产生[3]。相对于西方发达国家，中国矿井水的治理和利用还存在一定差距，随着对水资源利用的日益重视，各种治理方法也相继出现，郭中权等采用预处理+阻垢剂+反渗透装置的处理工艺对某煤矿高硫酸根硬度矿井水处理，脱盐率一直保持在97%以上[4]。中国煤炭资源呈西多东少格局，且多分布于西部干旱半干旱的生态脆弱区，该区水资源的严重不足，已影响到我国煤炭工业的进一步发展[5]。因此，通过一定技术手段实现矿井水的再生利用，这不但能够缓解矿区水资源缺乏的局面，同时对矿区生态环境保护、满足人们生产和生活需求具有重要意义。

丛枝菌根真菌是一种严格的营共生生活的真菌，且广泛分布于自然界。大量的研究表明，丛枝菌根真菌不但能够促进植物对矿质元素的吸收[6]，促进植物生长，同时具有提高植物抗旱[7]、抗盐[8]、抗病虫害[9-10]和抗重金属污染等特征[11-12]；丛枝菌根真菌还可改善土壤团聚体结构，为土壤提供碳源[13-14]。丛枝菌根真菌对生态系统的稳定性起着重要作用，提高植物群落的多样性和生产力。基于此，本研究以矿区退化沙土为供试基质，玉米为供试植物，研究接种丛枝菌根真菌对矿井水回灌玉米生长的影响及其对根际土壤的生态效应，从而为矿井水安全回灌提供技术支持，也为丛枝菌根真菌在采煤沉陷区的推广应用提供参考。

1材料与方法

1.1试验地点

试验地点位于陕西省神木镇李家畔村。该区年均气温为7.3 ℃，年平均降水量在365 mm。冬季干旱，夏季暴雨，雨季集中，蒸发强烈，年平均蒸发量是年平均降水量的4.55～6.72 倍。

1.2试验材料

供试基质为神东矿区活鸡兔采煤塌陷地沙土，基本理化性质：速效钾含量7.8 mg/kg，速效磷含量1.3 mg/kg，pH值7.84，电导率67 μS/cm，有机质含量1.13 g/kg，全盐含量 0.054 9 g/kg。供试玉米种子由中国农业科学院种子公司提供，玉米品种为农大CFO24。供试菌剂为Glomus mosseae，由北京市农林科学研究院提供。用水来自活鸡兔污水处理厂的矿井水，选择的矿井水属于高矿化度水，其值高于1 000 mg/mL，活鸡兔矿井水属于劣Ⅴ类。

1.3试验设计

试验于2013年5月进行，采用盆栽方式，主要设置加菌（+M）与不加菌对照（CK） 2种处理，每种处理4个重复。每盆基质总重量为5 kg，其中加菌的是由200 g的G.mosseae菌剂与 4.8 kg 的沙土组成，不加菌组则是完全5 kg的沙土。种植玉米前矿井水浇灌，并使基质达到最大饱和持水量，水分平衡 1 d 后播种。玉米生长过程中利用矿井水浇灌，并使土壤含水量保持最大持水量的70%左右。玉米生长环境为露天生长，为了免受降水影响，雨天搭遮雨棚。

1.4测定方法

苗期玉米生长至70 d 后，采集玉米植株，在100 ℃烘箱内杀青30 min，然后放到70 ℃烘箱内直至烘干，测定玉米干质量。菌根侵染率采用台盼蓝染色法测定[15]；菌丝密度采用网格交叉法测定[16]；pH值和电导率分别利用pH计和电导仪测定；玉米叶片和根系中全氮、全磷和全钾含量的测定参考鲍士旦的方法[17]。土壤有机质含量的测定采用重铬酸钾外加热法（K2Cr2O7-H2SO4 法）；土壤速效磷含量测定采用钼锑抗比色法。土壤全盐（可溶盐总量）采用无CO2 去离子水，按土水比1 ∶5 提取，振荡5 min，过滤后用质量法测定[18]。

2结果与分析

2.1丛枝菌根真菌和矿井水回灌玉米共生关系

从图1可以看出，本研究所选择的丛枝菌根真菌和宿主植物玉米之间保持较好的共生关系，在利用矿井水回灌的条件下，强化接种菌根真菌提高了玉米根系的侵染率，其中+M处理要比CK处理高出29百分点，且2种处理侵染率差异显著。在未接丛枝菌根条件下，CK组玉米根系菌根侵染率也保持在40%以上，这主要是试验所选择的矿区土壤含有土著的丛枝菌根真菌。丛枝菌根真菌在干旱、重金属胁迫和盐害条件促进植物的生长，且和宿主植物能保持较高的共生关系，尽管本研究选择矿化度较高的矿井水回灌，但二者的共生关系未受影响，强化接种丛枝菌根真菌更有利于二者形成共生关系。

菌丝密度反映了菌根在促进植物生长、营养吸收和抗逆性等方面的能力大小。菌丝体是丛枝菌根真菌和宿主植物之间的特有产物，菌丝体是协助植物体吸收土壤养分和水分的重要通道。菌丝长度是丛枝菌根真菌生态适应性评价的重要指标，利用矿井水回灌玉米研究表明，丛枝菌根真菌在矿区退化土壤中生态适应性较好。逆境条件下，菌丝可以伸展到土壤养分亏缺区，扩大植物根系与土壤的接触面积。从图2可以看出，接种菌根真菌3个月后，玉米根际土壤中菌丝密度显著提高，其中+M处理菌丝密度是CK处理的2倍。

2.2丛枝菌根真菌对矿井水回灌玉米生长的影响

接种丛枝菌根真菌促进了玉米生长，且有利于玉米植株干物质的积累，其中+M处理玉米干质量平均每株要比CK高3 g（图3）。强化接种丛枝菌根真菌有利于宿主植物根际菌丝体的形成，扩大了玉米根系与土壤的接触面积，促进玉米对土壤中养分的吸收，从而有利于玉米植株干物质的吸收。大量研究表明，逆境条件更有利于丛枝菌根真菌和宿主植物形成共生关系。长期使用高矿化度的矿井水灌溉，将对植物根际土壤造成危害，影响植物根系的生长发育，强化接种菌根真菌缓解因矿井水回灌对玉米生长造成的不利影响。

2.3接种丛枝菌根真菌对矿井水回灌玉米矿质元素的影响

氮、磷、钾是植物生长发育不可或缺的大量元素，植物体内氮、磷、钾的含量也是反映其生长状态的指标。接种丛枝菌根真菌促进玉米对土壤中矿质元素的吸收，有利于玉米植株氮、磷、钾的累积，接种丛枝菌根真菌3个月后，+M处理玉米植株氮、磷、钾含量分别比CK处理高出1.21、0.84、 2.76 mg/kg（图4）。对于地处干旱半干旱的神东矿区来说，由于其处于毛乌素沙地边缘，该区以沙质土为主，加之煤炭开采导致土壤退化严重，土壤日趋贫瘠化，严重制约着该区农业的可持续发展。丛枝菌根真菌和矿区植物保持较高的共生关系，接种丛枝菌根提高了宿主植物对土壤中矿质元素的吸收，提高了土壤中氮、磷、钾元素的利用率，促进了植物的生长，接种丛枝菌根真菌有利于矿区采煤塌陷地的复垦和生态重建。

2.4接种丛枝菌根真菌对矿井水回灌玉米根际土壤的影响

土壤是植物赖以生存的基础，提供植物生活所必需的矿物质元素和水分，是生态系统中物质与能量交换的重要场所，土壤的优劣直接影响植物的生长发育。从表1可以看出，接种丛枝菌根真菌降低了根际土壤的pH值，同时有利于根际矿物元素的活化，接种丛枝菌根3个月后，+M处理玉米根际电导率显著高于CK处理；接种丛枝菌根真菌提高了玉米根际有效磷的含量，这主要是丛枝菌根真菌促进了土壤中难溶磷的活化；接种丛枝菌根真菌提高了玉米根际土壤有机质的含量，其中+M处理有机质的含量是CK组的1.2倍，对于长时间使用矿井水回灌的玉米根际土壤，接种丛枝菌根真菌实现了对矿区退化土壤的改良和培肥。大量的研究表明，丛枝菌根真菌产生的球囊霉素相关蛋白为土壤提供碳源，同时改善土壤团聚体，接种丛枝菌根真菌实现了对矿区退化土壤的培肥。

3讨论与结论

水资源的缺乏是神东矿区社会经济发展的瓶颈所在，也是矿区生态环境治理的限制性因素。煤炭开采过程中会产生大量的矿井水，神东矿区矿井水矿化度高，直接回灌会造成土壤盐碱化和重金属污染等危害，同时也不利于植物生长。矿区生态环境治理技术的引进必须考虑到经济性和可持续性，特别是处于干旱和半干旱的神东矿区，该区生态系统脆弱，抗外界干扰能力差。神东矿区是中国发现的最大的煤炭基地，煤炭开采主要以井工开采为主，井工开采导致大面积的地表沉陷，也造成大量地表水和地下水流失，加剧了该区生态环境退化。采煤塌陷地治理采用物理化学方法治理成本较高，可持续性差，而生物治理技术广受青睐。

丛枝菌根真菌是普遍存在于植物根际的生物菌肥，它在提高植物的抗逆性方面起到重要作用已经引起人们关注。丛枝菌根真菌生物技术是神东矿区生态环境治理的核心手段之一。利用矿井水直接回灌会造成土壤盐碱化问题，诸多研究结果表明，接种丛枝菌根真菌可以缓解盐胁迫对植物生长造成的影响，接种丛枝菌根真菌促进了植物的生长和提高了植物的生产力。本研究发现，接种丛枝菌根真菌缓解了矿井水回灌对玉米生长的影响，尽管+M处理根际土壤盐度有所增加，但pH值呈下降趋势。杜善周等首次将菌根生物技术在矿区采煤塌陷地生态环境治理上应用，研究得出，丛枝菌根真菌和宿主植物之间保持较高的共生关系，接种丛枝菌根真菌促进了紫穗槐、白蜡树和侧柏等植物生长，并取得一定的生态效应[19]。煤炭开采导致植被破坏和覆盖率的降低是神东矿区最主要的环境问题，目前，神东矿区植被恢复主要以人工种植为主，单一的人工种植很难在根本上解决矿区环境问题。强化接种菌根改善了根际微环境，微生物量明显增加，提高了土壤生态系统多样性，并使土壤生态系统稳定性加强[20]。神东矿区采煤塌陷地的土壤为贫瘠化沙土，利用丛枝菌根真菌提高宿主植物对土壤中矿质元素的吸收，这对矿区复垦和生态重建至关重要。大量研究表明[21-24]，丛枝菌根真菌可促进植物氮、磷、钾元素的吸收。丛枝菌根真菌一个重要功能是实现对退化土壤的改良和培肥，丛枝菌根分泌的球囊霉素相关蛋白，是土壤碳的积极贡献者，同时也参与土壤团聚体的构建。本研究发现，强化接种丛枝菌根真菌提高了玉米根际有机质的含量，+M处理有机质提高了24.6%，这可能是根际土壤中球囊霉素相关蛋白增加所致。

矿井水再生利用在一定程度上能缓解矿区水资源短缺的现状，但其利用过程中要注意风险，首先需考虑怎样降低矿井水矿化度及其伴生的重金属，从而实现其安全回灌。矿井水在今后很长一段时间内将伴随着煤炭开采而存在，现阶段煤炭是中国最主要的能源物质，在中国社会经济高速发展中起着不可替代的作用，且在今后很长一段时间内，煤炭在中国能源构成中其主导地位不会改变。矿井水在回灌前需通过一定技术手段进行处理，并制定合理的回灌量和回灌时间等，从而为矿井水矿区的合理利用提供指导，相关研究今后需进一步加强。本研究所选用的丛枝菌根真菌适合在矿区推广应用，不但促进了矿井水回灌玉米生长，同时也改善了玉米根际微环境。但考虑到矿井水的独特性，丛枝菌根真菌、植物和土壤之间的关联性需进一步研究。

本研究所选择的丛枝菌根真菌和矿井水回灌玉米保持较高的共生关系，强化接种丛枝菌根真菌使玉米根系侵染率提高了29百分点，接种丛枝菌根真菌处理玉米根际土壤菌丝密度是对照组的2倍。

接种丛枝菌根真菌有利于玉米植株干物质的积累，其中+M处理玉米干质量要比CK高出3 g/株；强化接种丛枝菌根真菌使玉米对土壤矿质元素的吸收，玉米植株氮、磷、钾含量分别比CK提高了12.63%、59.15%和19.03%。

接种丛枝菌根真菌改善了植物根际微环境，并有助于根际土壤难溶矿质元素的活化，矿井水回灌玉米根系土壤有效磷和有机质增加显著。本研究所选用丛枝菌根真菌适合在采煤塌陷地退化土壤上推广使用。

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