接菌影响模拟重构土层水分布及水同位素分馏

2023-10-21毕银丽田乐煊柯增鸣

煤炭科学技术 2023年9期

毕银丽，田乐煊，柯增鸣

（1.西安科技大学西部矿山生态环境修复研究院, 陕西西安 710054；2.中国矿业大学(北京) 煤炭资源与安全开采国家重点实验室, 北京 100083）

0 引言

半干旱区露天采矿常引发土壤盐碱化[1]、荒漠化[2]、生态系统失衡[3-4]等系列生态问题。煤炭产业高强度开采形成大面积排土场，其堆积过程中土石大小混杂、大型机械压实不均、表土贫瘠等特点加大了土地复垦与生态重建的难度。对此，学者提出了排土场土层重构类的土体改良措施，即利用不同的表土替代物进行土地充填复垦，从而改良压实土体的物理性质使其土层顺序近似还原未开采前的土壤剖面[5]。重构后的土层内各项土壤物理性质在垂向上属于弱变异，土壤容重及孔隙率在层间存在显著差异[6]，且重构土壤剖面有利于水分的保持[7-8]。同时，HUANG 等[9-10]设置20 个模拟自然土壤剖面分析其渗透与排水过程，研究发现非均质的土层重构模式土壤储水更多，并证实表层覆盖砂土可以更好延缓水分的蒸发。

水分是半干旱区生态重建的主要限制因素，提高土壤水分利用效率是增强西部干旱区植被抗逆性的有效途径之一。随着菌根生物复垦生态工程在矿区排土场中的广泛应用，菌根生物复垦使矿区植被覆盖度显著提高，矿区生态服务功能显著提升。研究表明丛枝菌根真菌(Arbuscular Mycorrhiza Fungi，AMF)在促进植物养分吸收、土壤结构改良、修复根系功能的同时，在增强植物抗旱性方面也有重要作用[11]。人为接种丛枝菌根真菌可以帮助植物吸收土壤水分，避免植物组织脱水，提高其抗旱能力[12]。RUTH 等[13]利用分根实验量化了AMF 对植物吸水的贡献率，结果发现菌丝吸收的水分约占植物吸收水分的20%，也有研究表明，干旱状态下AMF 菌丝的吸水速率为正常供水时的2～7 倍[14]，其本质原因是菌丝穿入植物根系表皮细胞形成丛枝结构，菌根可以依据宿主植物地上部分对水分的需求灵活调整宿主水分的运输与分配，提高水分利用率[15]。另外，AMF 分泌出的球囊霉素可提高土壤团聚体的稳定性，进而提高土壤保水能力[16]。稳定氢氧同位素(18O、2H)作为水分子的一部分，其可揭示大量土壤水的相关信息，尤其近几年水同位素检测技术日益成熟，被国内外众多学者选择作为揭示土壤水运移规律[17]、植物用水规律[18-19]、水体蒸发规律[20-21]的一项有效手段。

然而，目前基于半干旱煤矿区排土场土层重构模式下，针对AMF 对植被根区土壤水分分布及水分馏的研究鲜有报道，本文通过室内土柱实验，研究AMF 与重构土层对玉米根系吸水及根区水分重分配的影响，为解决矿区排土场土地复垦方式单一、水资源短缺、复垦难度大、成本高等问题提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试植物为玉米，品种为“品糯28 号”，于中国种子交易网购入，为半干旱矿区生态修复常用的经济作物。选取表面无损且大小均匀的玉米种子，使用75%的乙醇静置灭菌1 min，振荡2 min，去离子水冲洗3 次，10%的过氧化氢振荡5 min，随后以无菌水洗净，于25 ℃黑暗培养箱中培养3 d，备用。

供试菌种为AMF 中的地表球囊霉(Glomus versiforme.)，由中国矿业大学(北京)微生物复垦实验室提供。

供试土壤分别为河砂与咸阳市泾阳县采集的黄土，均过2 mm 筛，经121 ℃高压蒸汽灭菌90 min，风干后备用。

试验装置为可组装的透明有机玻璃柱，其单个直径15 cm、高10 cm、厚0.3 cm，侧面有2 个对立直径1.5 cm 的小孔，试验中将其组装为总高80 cm 的土柱装置。

1.2 试验设计

试验共设置3 个处理，分别为纯土柱不种玉米(CK1)、种植玉米不接菌(CK2)、种植玉米接菌(AMF)，每个处理3 个重复，共9 个土柱。培育期为110 d (图1)。

试验在西安科技大学西部矿山生态环境修复研究院进行，试验期间环境平均温度23.4 ℃、平均湿度67.3%。将单个透明有机玻璃柱采用硅脂对接口进行防水处理后，使用玻璃胶组装为总高度80 cm的土柱装置，距底部10 cm 设一层饱水黏土层，密度为1.55 g/cm3，其余用砂土填充，密度为1.6 g/cm3。黏土层采用毛细饱和法饱和，平均饱和度87%，平均含水率26%。每个土柱种3 粒种子，其中AMF 处理需挖一个约5 cm 深的小坑，在种子周围撒入50 g 的地表球囊霉菌剂，覆盖砂土，浇水250 mL，发芽后选取生长大小相近的幼苗进行间苗，浇水频率为3 d/次，每次50 mL，可供玉米维持生长状态，表土层含水率始终保持在2.5%左右。

1.3 测定指标与方法

1.3.1 毛细水上升高度

试验自2021 年4 月17 日开始，每日使用卷尺测量毛细水上升高度，测量黏土层含水率频率3 d/次。

1.3.2 丛枝菌根真菌侵染

试验结束收获玉米时，从玉米根系的须根中随机选取新鲜根样(50 个根段制片)，用10%KOH 溶液浸泡24 h，去离子水洗净，使用酸性品红乳酸甘油染色液染色法染色，备用，随后在显微镜(Motic Panthera Client)下观察玉米根系的菌根侵染率。

1.3.3 玉米生长指标

使用钢尺测量玉米的株高冠幅，使用SPAD-502 Plus 测量玉米叶绿素(SPAD)值，玉米根系清洗干净后使用Microtek Scan Maker i800 plus 进行扫描，并用根系表型分析系统V2.3.2 软件分析根系结构。采用干重法测定玉米地上、地下生物量。

1.3.4 土壤水及玉米茎水稳定氢氧同位素

试验期间，收集每次的灌溉用水置于10 mL 样品瓶中，冷冻保存备用，作为土壤水同位素分馏前的基底值。试验结束后，土柱每10 cm 一层采集土壤样品，玉米采集其根茎结合部，装入10 mL 小玻璃瓶中，并且使用Parafilm 封口膜密封冷冻保存，采用国际上通用的低温真空抽提法抽提土壤水与玉米茎水(真空抽取系统 LI-2000, LICA United Technology Limited, China)，备用，使用液态水同位素分析仪(LGR912-0008, ABB Ltd, Canada)分别测量稳定氢氧同位素，仪器的测量精度为±0.1‰(δ2H)和±0.3‰(δ18O)。分析得出的δ2H 和δ18O 以相对于维也纳标准平均海洋水(VSMOW)的千分差值表示：

式中：δ为对应样品的稳定氢氧同位素值；RA为样品中重同位素与轻同位素的比值；Rr为国际通用标准物的重同位素与轻同位素的比值[22]。

δ值可由下式转换为R值：

某种元素的不同同位素原子以不同比例分配于不同物质或物相中的现象，称为同位素分馏。在本研究中，各深度土壤水相对于初始用水均会产生分馏，同位素分馏系数是用来描述某一体系中发生同位素分馏程度大小的参数[22]，用α表示：

式中：RC和RE分别为特定同位素在物质C 和E 中的同位素比值；αC/E为某反应系统内生成物C 中某元素的两种特定同位素组成的比值与反应物E 中同一元素中的同样两种同位素组成比值的商[22]。

联立式(2)、式(3)，可得α和δ值之间的换算关系：

通常，α≈1。因此，α对于1 的偏离量称之为“富集系数”，富集系数εE(C)表示某反应系统中生成物C 的同位素组成相对于反应物E 中同位素组成的富集程度(ε>0)或是贫化程度(ε<0)[22]，其计算公式为：

1.4 数据统计

采用Microsoft Excel 2019 进行数据整理及统计，应用IBM SPSS Statistics 25 统计软件进行单因素方差分析（ANOVA)，显著性水平α=0.05。用Origin 2021 软件作图。

菌根贡献率的计算采用以下公式[23]：

式中：RMC为菌根贡献率；DAM为接菌植物指标数据；DCK为对照植物指标数据。

2 结果与分析

2.1 接菌对玉米生长指标的影响

接种AMF 后玉米的各项生物指标均高于对照(表1)，表明接菌对玉米植株的生长具有正向促进效果，其中AMF 在株高、地上生物量、地下生物量显著高于CK2 处理，分别增加15.78%、23.39%、43.40%。表2 为不同处理玉米根系的根长、体积、平均面积、投影面积在不同深度的结果。由表2 可知，接菌后玉米根系结构优于未接菌处理，并且在0～40 cm 内差异显著。AMF 处理中根系可伸长至70 cm 处，CK2 处理在同深度内未发现根系。接菌后总根长、根体积、投影面积增长幅度分别为21.0%、14.5%、21.4%。表明菌根在该分层土体结构中可以促进根系生长，加强根对水分与养分的吸收利用，增大玉米干物质。

表1 接种菌根对植株生长的影响Table 1 Effect of mycorrhizal inoculation on plant growth

表2 AMF 对玉米根系结构的影响Table 2 Effect of AMF on maize root structure

2.2 接菌对土柱毛细水运移的影响

图2 为不同处理对黏土层毛细水上升高度及速率的影响。土体内水分上升速率大致呈现下降趋势(图2b)，且各处理前15 d 的水分上升速率具有相同的规律。AMF 处理的水分上升高度在20 d 后显著高于CK1，最终湿润锋高度相比CK1 提高18.9%，表明试验初期菌根尚未发挥作用，但种植玉米后根系发育从而紧实土壤，降低孔隙大小，增大土壤密度，提高了毛细水上升高度。在试验后期与CK1 相比，CK2 与AMF 处理中水分上移速率均有从下降到上升的转折点，但AMF 处理较CK2 提前了9 d，表明AMF 促进玉米根系生长，并且增强了根系提水能力，提高玉米对深部土壤水的利用率。

图2 不同处理下土柱毛细水上升高度及速率Fig.2 Rising height and rate of capillary water in soil column under different treatments

图3 为饱水黏土层含水率变化规律，CK1 与AMF 处理黏土层初始含水率近似相等，在玉米处于发芽期时，CK1 黏土层内含水率下降更快。18 d 后AMF 处理黏土层含水率下降显著，分析原因为根系发育且菌丝伸长直接吸收利用黏土层内水分。34 d后3 种处理均在黏土层内补充液体养分，所以出现含水率增加现象，除此之外，在CK1 处理中含水率变化整体呈现下降趋势，但AMF 处理在25 d 出现含水率增长的现象，分析是因为AMF 增强了根系对水的重分配作用，所以黏土层含水率出现反复增减的现象。

图3 不同处理黏土层含水率变化规律Fig.3 Variation law of moisture content of clay layer under different treatments

2.3 玉米茎水与土壤水同位素特征

图4 为不同处理玉米茎水及土壤水氢氧同位素特征。3 种处理δ18O 均呈现表层大深层小的变化规律(图4a)。CK2 处理中玉米茎水的δ18O 与10～40 cm 处的土壤水δ18O 更为接近，说明该处理中玉米的生长用水主要来源于10～40 cm 处土壤水。而AMF 处理中植物茎的δ18O 与10～70 cm 处的土壤水δ18O 均表现为相近关系，同时又在一定范围内波动，该规律表明接菌后玉米根系可利用的水分深度更广泛，比CK2 处理用水空间提高了50%。

图4 不同处理玉米茎水及土壤水氢氧同位素特征Fig.4 Characteristics of hydrogen and oxygen isotopes in maize stem water and soil water under different treatments

3 种处理δ2H 随深度的变化规律整体与δ18O 相似(图4b)，说明表土层因为土壤蒸发作用使H 原子以水的形式蒸散发到空气中，而D 由于分子质量大则留在了土壤水中。CK2 中玉米茎水的δ2H 与10～40 cm 处的土壤水δ2H 更为接近，说明该处理的玉米主要吸收利用10～40 cm 处土壤水。而AMF处理中植物茎的δ2H 与10～50 cm、60～70 cm 处的土壤水δ2H 更为接近。与CK2 相比，吸收范围增加了66.6%，说明接菌处理玉米根系发育优于未接菌处理，所以根系可以吸收利用保水黏土层向下渗透的土壤水。

从总体来看，种植有玉米的处理中δ18O 与δ2H值在深层与浅层之间出现增减反复的现象，说明浅层和深层的部分水分来源相同，表明玉米利用根系的提水作用从深层土壤中吸收水分，通过主根向上运输，再由浅层须根释放到表层较为干燥的土壤中，进而改善表层土壤的干旱缺水的现象，也可以保证植物自身的表层根系的水分供给。

图5 为不同处理土壤水18O、2H 富集系数。由图5a, 图5b 可知，与灌溉用水的水同位素相比，18O、2H 富集系数在各处理间均呈现由富集转向贫化的趋势。表层0～10 cm 处，AMF 与CK2 处理的18O、2H富集系数显著低于CK1，表明种植玉米后，表土层中土壤水同位素分馏的现象减弱。10～50 cm 内的土壤水同位素分馏现象较弱，在50 cm 以下的深层土壤中，土壤水同位素分馏的现象逐渐增强，主要表现为随深度的增加18O、2H 逐渐贫化。60～70 cm 处，AMF 处理的18O 与2H 的富集系数显著高于CK1 处理，但CK2 与CK1 处理间没有显著差异，且AMF处理的18O 与2H 的富集系数的绝对值显著低于CK1处理。

图5 不同处理土壤水18O、2H 富集系数Fig.5 18O and 2H enrichment coefficients of soil water under different treatments

由图5c, 图5d 可知，与CK1 处理同一深度的土壤水同位素相比，CK2、AMF 处理中均表现出随深度增加由贫化18O、2H 转变为富集状态。在深度0～50 cm 内，CK2、AMF 的18O、2H 富集系数无显著差异，在60～70 cm 处，AMF 的18O、2H 的分馏程度均大于CK2 处理。表明接菌在深层土壤中比对照的分馏强度大，且在深度60～70 cm 处AMF 与CK2相比由贫化2H 状态转变为富集2H 状态。

3 讨论

3.1 土体分层与根系联合作用对土壤水分布的影响

土地复垦技术在半干旱煤矿区区内广泛应用，利用土层重构的方式起到稳定土壤的作用[24]，并且重构后的土层结构在对水分的保蓄能力上与原始地貌更为相似[25]。而植物修复是矿区土地复垦改善景观、恢复原始地貌的一项关键绿色技术[26]。本试验为模拟半干旱沙地煤矿区排土场降雨量小、蒸发量大的试验环境，只设一个底部饱和黏土层作为蓄水土层，以期利用底部黏土层达到减少蒸发提高水分利用效率的作用[27]，试验结果表明，重构后的土层增强了对水分的保蓄能力，其中含水层毛细水未达到表土层，减弱了含水层的蒸发作用[28]，在后续的生态重建中可以为植物生长提供长期且稳定的水源补给。植物在处于干旱状态时会刺激根系的提水作用，提高表层土壤的毛细水带，该结论与张扬[29]、李唯等[30]一致。并且本研究发现重构后的土层内种植玉米可以进一步减弱表土的土壤蒸发，增强土壤保水能力[31]。土壤水与植物茎水的同位素示踪结果同样表明，不同层位的土壤水显示同源关系，也证实了是根系在其中的吸水与释水作用导致的[32]。并且接菌后玉米的同位素特征与各层位土壤水同位素特征更为相近，也说明根系在其中起到了水分重分配作用[33]。综上，模拟重构土层与根系联合作用可以提高半干旱沙地矿区土层的水分保蓄能力，扩大供给植物生长的水分来源。

3.2 接菌对土壤水同位素分馏的影响

土壤水的分馏有多方面的原因，主要受到蒸发温度、相对湿度、盐度及风速等因素的影响[34]。而半干旱沙地矿区中土壤蒸发强度大、相对湿度低，所以土壤的分馏强度也大[35]，但本次模拟研究发现种植玉米与玉米接菌处理均可以显著降低表土水同位素分馏。有相关研究表明植物在发生蒸腾作用之前，根系吸水过程及运输过程均不会产生分馏作用[36]。但本研究发现AMF 在不同深度内对土壤水同位素分馏有不同的影响，在深层土壤中增强其分馏作用。分析原因有以下两点：其一，AMF 可以伸长菌丝网络，吸收根系可及之外的水分，一方面对玉米根系发育产生正向促进效果，加强根系对水分的吸收利用[37]，另一方面，菌丝也吸收利用一部分水[38]。所以本研究中AMF 处理的18O、2H 富集系数绝对值显著低于CK1 处理，表明AMF 可以增大土壤盐分，减少表土层内的自由水，减弱表土层内土壤水同位素分馏的现象。其二，有相关学者研究也发现，AMF 在根内的定殖结构占据植物根的质外体区室[39]，所以POCA 等[40]认为AMF 不是通过大量吸收和向植物供应较干旱部位的水来直接影响同位素的分馏，而是通过阻碍水通过质外体的运动来间接改变土壤水同位素分馏，这也解释了本研究中深层土壤水中AMF 处理的18O 与2H 富集系数显著大于CK1 的现象。总的来说，AMF 是通过改变根系结构、土壤含水及理化性质间接影响土壤水同位素分馏。

3.3 接菌对玉米吸水的影响

土壤微生物在矿区的有机修复功能是近年来土地复垦的关注热点[41]。陆地上大部分植物均能与AMF 形成互利共生的关系，有研究表明供给植物生长的水分主要来自于根系吸收传输的水分[42]，而被丛枝菌根侵染后的植物根系可以利用根外菌丝吸收水分输送至宿主根系，促进植物的水分吸收率、维持植物生长[43]。张亚敏等[44]研究证实缺水状态下接菌不仅提高了植株的地下干物质累计，而且提高了根系的投影面积。本研究结果也表明，在少量灌溉水的条件下，接种丛枝菌根真菌后的地上、地下干物质及根系投影面积与CK2 处理相比均有显著增加，说明丛枝菌根真菌对模拟半干旱沙地矿区缺水环境中的植物生长展现其抗逆性，维持植物生存状态，吸收养分与水分反哺于植物根系[45]。同时，有研究表明AMF 可以利用其自身形成的菌丝网络协助根系获取根系无法到达处的水分[46]，这也解释了为何本次研究中AMF 处理的玉米δ18O 值与各深度土壤水的接近程度要高于CK2 处理。其原因为菌丝网络的延深长度要大于根系可达到的范围，而菌丝吸收的水分可通过根系传输给宿主植物[47]，再经提水作用由侧根释放至上部干燥土壤中，在菌丝-根系-土壤之间形成良性循环，所以在半干旱矿区排土场下设保水黏土层，并联合接种AMF 可以扩大植株的吸水利用范围，为解决半干旱沙地矿区水资源短缺的问题提供科学依据。

本研究通过对不同处理土柱内的水同位素、根系进行分层分析，解释了AMF 在玉米根系提水过程中的水分分布以及对土壤水同位素分馏的影响，表明接种AMF 有利于在干旱环境下植物对深层土壤水的利用。但尚未研究不同复垦剖面对土壤水分布及分馏的影响，后期可设置一系列不同位置、厚度、密度的重构土层，并针对土壤水与植物水之间的同位素差异，深入揭示植物在各类复垦剖面中的水分利用规律，对半干旱矿区生态修复具有一定的生态意义。