不同磷水平下接种AM真菌对矿区废弃地土壤酶活性的影响

2017-08-08 05:49郝鲜俊张又丹
西南农业学报 2017年6期
关键词:施磷脲酶磷酸酶

韩 阳,郝鲜俊,张又丹

(山西农业大学资源环境学院,山西 太谷 030801)



不同磷水平下接种AM真菌对矿区废弃地土壤酶活性的影响

韩 阳,郝鲜俊*,张又丹

(山西农业大学资源环境学院,山西 太谷 030801)

【目的】针对煤矿开采造成土壤肥力下降,结构破坏,尤其是土壤酶活性降低的严重问题。【方法】以玉米为宿主植物,以矿区废弃地土壤为供试基质,通过不同磷水平(0,25,50,100 mg/kg)下接种不同AM真菌(G.e,G.m,G.i)的双因素盆栽试验,研究其对废弃地土壤AM真菌孢子数及土壤酶活性的影响,旨在为矿区废弃地土壤质量改善筛选优势AM真菌种属及施磷水平提供科学依据。【结果】接种处理土壤中均发现孢子,同一施磷水平AM真菌孢子数均呈G.e>G.m≥G.i的变化趋势。与不接种的对照处理相比,接种AM真菌可以提高土壤碱性磷酸酶,脲酶和蔗糖酶活性,其中土壤碱性磷酸酶活性以25 mg/kg磷水平接种G.e处理提高幅度最大,达29.9 %;土壤脲酶活性以100 mg/kg磷水平接种G.e处理提高幅度最大,达29.8 %;土壤蔗糖酶活性以0 mg/kg磷水平接种G.i处理提高幅度最大,达12.5 %。【结论】接种AM真菌与施磷水平互作对土壤AM真菌孢子数及土壤脲酶活性具有极显著影响,对土壤碱性磷酸酶及蔗糖酶活性无显著影响。

磷水平;AM真菌;矿区废弃地;孢子数量;土壤酶活性

【研究意义】我国是煤炭探明储量及煤炭生产和消费大国,到2014年底,我国原煤生产总量占能源生产总量的73.2 %,煤炭消费总量占能源消费总量的66 %(http://www.stats.gov.cn/tjsj/)[1],煤炭开采一方面为地方经济发展带来机遇,另一方面矿区开采中因露天采矿场、排土场、尾矿坝和塌陷区而造成大量土地废弃,土地压实现象严重,结构破坏,肥力下降,其中土壤微生物稀少和磷有效性低是制约废弃地土壤恢复进程的因素之一[2-4]。山西是煤炭资源大省,据统计,全省因煤炭开采造成6.7万hm2地面塌陷,其中耕地占40 %,造成大面积土地被废弃,因此提高矿区废弃地土壤肥力成为当前研究的热点问题。目前对矿区土壤恢复及治理主要采用物理、化学及生物技术,其中生物技术因其低成本、高效益、便于操作等优点被国内外广泛采用[5],特别是微生物修复技术利用微生物接种优势及其在植物根际的生命代谢活动,促进植物养分吸收及生长发育,改善土壤微生态环境,提高土壤肥力。【前人研究进展】丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,简称AM真菌)是土壤中重要的一类微生物,能与陆地90 %以上的高等植物根系形成互惠共生体。据报道,AM真菌可以通过其分泌物及庞大的菌丝网络对退化土壤生态系统进行修复[6],并促进植物对磷的吸收[7],提高植物的抗旱、抗病、耐盐碱[8-9]等抗逆能力。王瑾等[10]研究发现接种AM真菌可以提高土壤酶活性,从而促进土壤肥力的提高。同时宿主植物对AM真菌的接种效应与土壤肥力和菌种类型密切相关,许多研究表明,土壤磷水平较低时会激发AM真菌生长,而磷含量较高时会显著抑制AM真菌侵染植物根系和根外孢子的萌发。笔者前期试验表明,在采煤塌陷矿区土壤上,菌根侵染率与土壤磷水平呈显著正相关[11]。可见,AM真菌与土壤磷水平的关系尚无一致结论。【本研究切入点】为此,本试验在4个不同磷水平下,接种不同AM真菌,研究AM真菌在矿区废弃地的菌根效应及对土壤真菌孢子和土壤酶活性的影响,【拟解决的关键问题】旨在为改善矿区废弃地土壤质量,提高酶活性,筛选优势AM真菌和最佳施磷水平提供科学依据。

1 材料与方法

1.1 试验材料

供试土壤类型为石灰性褐土,采自山西省介休市连福镇金山坡煤矿(112°06′17″~112°08′00″E,36°59′30″~37°01′00″N),煤矿于2007年3月关闭后撂荒至今。土壤经风干,过2 mm筛,装布袋,在121 ℃下高压蒸汽灭菌2 h,放置阴凉处备用。土壤基本理化性状:pH值8.44,有机质17.89 g/kg,全氮0.1 g/kg,全磷0.06 g/kg,速效磷9.01 mg/kg,全钾1.04 g/kg,速效钾94.2 mg/kg。

供试菌种购自北京市农林科学院植物营养与资源研究所BGC菌种库,包括:幼套球囊霉(Glomusetunicatum,G.e)编号BGC NM03F、摩西球囊霉(Glomusmosseae,G.m)编号BGC JX04B、根内球囊霉(Glomusintraradice,G.i)编号BGC NM03D。

供试玉米(maize)品种为‘长玉16’,选取籽粒饱满,大小一致的种子,在10 %H2O2溶液中浸泡15 min,用无菌水冲洗数次后,沥干水分备用。

1.2 试验设计

试验在山西农业大学资源环境学院试验站进行。试验设双因素,分别为磷水平和接种AM真菌。试验设4个施磷水平,按每千克土含磷量计算,施入过磷酸钙依次为0,25,50,100 mg/kg,标记为P0,P25,P50,P100;同一施磷水平下接种G.e、G.m、G.i以及不接种(CK),共4个处理。试验共有16个处理,每个处理重复3次。每盆装土6 kg,以CO(NH2)2和K2SO4作为底肥,使N和K2O含量均为150 mg/kg。供试菌种购买后经白三叶草繁殖3个月,采集含有孢子、菌丝体及侵染根段的土样混合物作为接种剂,每盆接种30 g,为使土壤微生物区系保持一致,不接种处理每盆接30 g灭菌接种剂及30 mL菌种滤液。于2015年4月25日播种,每盆播种玉米6粒,出苗1周后,间苗,每盆留玉米4株,生长100 d后收获。

1.3 测定项目及方法

土壤AM真菌孢子数测定:称取10 g风干土样,采用湿筛倾析—蔗糖离心法进行孢子分离[12],在显微镜下观测计数,结合孢壁结构,连孢菌丝等孢子特征,并根据国际AM真菌保藏中心INVAM网站上的最新分类图片和描述及VA菌根鉴定手册进行AM真菌种属的鉴定。

土壤酶活性的测定:土壤碱性磷酸酶活性的测定用磷酸苯二钠比色法,以24 h后1 g土中释放的酚的毫克数表示;土壤脲酶活性的测定用苯酚-次氯酸钠比色法,以24 h后1 g土壤中NH3-N的毫克数表示;土壤蔗糖酶活性的测定用3,5-二硝基水杨酸溶液比色法,以24 h后1 g土壤中释放的葡萄糖毫克数表示[13]。

1.4 数据处理与分析

试验数据用Excel和SPSS.20进行整理及方差分析,用Duncan’s新复极差法进行平均数多重比较,用Sigmaplot进行作图。

2 结果与分析

2.1 不同磷水平下接种AM真菌对土壤AM真菌孢子数的影响

接种与磷水平及两者的交互作用对土壤AM真菌孢子数均具有显著影响。不接种处理在供试磷水平下均未发现真菌孢子(表1)。同一磷水平下不同AM真菌孢子数量大小顺序为:幼套球囊霉(Glomusetunicatum,G.e)>摩西球囊霉(Glomusmosseae,G.m)≥根内球囊霉(Glomusintraradice,G.i)(图1),即接种G.e处理的土壤AM真菌孢子数均显著高于接种G.m和G.i处理(P<0.05);而接种G.m和G.i处理对土壤AM真菌孢子数在供试磷水平下均无显著差异(25 mg/kg磷水平除外)。不同磷水平对同一接种处理的土壤AM真菌孢子数具有不同的影响。接种G.e处理的土壤AM真菌孢子数随施磷水平提高而增加,在50 mg/kg磷水平时最高,较0,25,100 mg/kg分别增加39.2 %,23.9 %,29.5 %,且差异显著;在磷水平25,100 mg/kg时,土壤 AM真菌孢子数差异不显著,但两施磷水平下的孢子数较0 mg/kg的磷水平分别提高了20 %和13.7 %。接种G.m和G.i处理的土壤AM真菌孢子数均随磷水平提高呈先增加后降低的趋势,当磷水平在25 mg/kg时最多,与0 mg/kg磷水平相比分别增加44.2 %~71.1 %和39.3 %~64.3 %。接种G.i处理的土壤,磷水平在0,50,100 mg/kg时AM真菌孢子数均无显著差异。

表1 土壤AM真菌孢子数和土壤酶活性的方差分析

注:F值表示F统计量;P值表示截尾概率;*:当P值<0.05时,影响显著;NS:当P>0.05时,影响不显著。

Note:Fvalue wasFstatistic;Pvalue was truncated probability;*:Significant atPvalue<0.05,NS:Not significant atP>0.05.

2.2 不同磷水平下接种AM真菌对土壤碱性磷酸酶活性的影响

土壤磷酸酶可加速有机磷的脱磷速率,对土壤磷素的有效性具有重要作用,其活性是评价土壤磷素生物转化方向与强度的重要指标[14]。接种与磷水平对土壤碱性磷酸酶活性具有极显著影响,但两者的交互作用对土壤碱性磷酸酶活性无显著影响(表1)。不接种处理土壤碱性磷酸酶活性,随施磷水平的提高而降低(图2),0 mg/kg磷水平显著高于100 mg/kg磷水平。相同磷水平下接种G.e处理的土壤碱性磷酸酶活性在25,50,100 mg/kg磷水平时显著高于不接种处理(P<0.05),分别提高29.9 %,28.9 %,19.6 %,且在50 mg/kg磷水平时显著高于接种G.m和G.i处理(P<0.05),但其余磷水平均无显著差异(P>0.05)。此外,接种G.e处理的土壤碱性磷酸酶活性随磷水平的变化无显著差异,而接种G.m和G.i处理的土壤碱性磷酸酶活性随施磷水平的提高呈下降趋势,即低磷水平(0,25 mg/kg)处理的土壤碱性磷酸酶活性显著高于高磷水平(100 mg/kg),接种G.i处理的土壤碱性磷酸酶活性除50 mg/kg磷水平时显著高于接种G.m处理外,其余磷水平均无显著差异。

2.3 不同磷水平下接种AM真菌对土壤脲酶活性的影响

脲酶广泛存在于土壤中,是一种专性较强的酶,它能酶促尿素水解生成氨、二氧化碳和水。研究脲酶活性及其调控技术对提高尿素氮肥转化利用率具有重要意义[13]。接种与磷水平及两者的交互作用对土壤脲酶活性均存在显著影响(表1)。不接种处理的土壤脲酶活性随磷水平提高呈先升后降的变化趋势,在25 mg/kg磷水平时显著高于0、100 mg/kg磷水平(P<0.05),但与50 mg/kg磷水平间无显著差异,表明适中的磷水平可以提高土壤脲酶活性(图3)。接种G.i处理的土壤脲酶活性在0,25,50 mg/kg磷水平时,均显著高于不接种以及接种G.e,G.m处理(P<0.05),分别达24.6 %、29.6 %、16.3 %,25.6 %、38.2 %、28.7 %和22.7 %、19.2 %、13.5 %。接种G.e处理在100 mg/kg磷水平时土壤脲酶活性较0,25,50 mg/kg磷水平显著增加,增加幅度为13.3 %~27.5 %,且与不接种相比显著提高(29.8 %)。接种G.m处理的土壤脲酶活性随施磷水平增加先升后降,在50 mg/kg时最高,显著高于不施磷处理,但与50,100 mg/kg磷水平相比,无显著差异。

2.4 不同磷水平下接种AM真菌对土壤蔗糖酶活性的影响

蔗糖酶能酶促蔗糖生成葡萄糖和果糖,对增加土壤中易溶性营养物质具有重要作用,不仅可以表征土壤熟化程度,还是评价土壤肥力的重要指标[15]。接种与磷水平对土壤蔗糖酶活性存在显著影响,但两者的交互作用对土壤蔗糖酶活性无显著影响(表1)。不接种处理土壤蔗糖酶活性在50 mg/kg磷水平时最高,为6.4 mg/g,与25,100 mg/kg磷水平差异不显著,但均显著高于不施磷处理(图4)。相同磷水平下,土壤蔗糖酶活性在3种AM真菌接种处理间无显著差异(P>0.05)。接种G.e处理的土壤蔗糖酶活性随施磷水平提高而增加,在100 mg/kg磷水平时较不施磷处理增加11.2 %,且差异显著(P<0.05)。接种G.m和G.i处理的土壤蔗糖酶活性均在50 mg/kg磷水平时最高,其中接种G.m处理较0,100 mg/kg磷水平分别增加11 %,10.7 %,且差异显著(P<0.05),与25 mg/kg磷水平无显著差异,但接种G.i处理的土壤蔗糖酶活性4个磷水平间无显著差异,在0 mg/kg磷水平时比不接种处理增加12.5 %。

2.5 相关性分析

从表2可看出,AM真菌孢子数与土壤磷酸酶、蔗糖酶呈正相关,且与磷酸酶相关性显著,相关系数为0.366,与脲酶呈负相关。土壤磷酸酶、脲酶、蔗糖酶两两间呈正相关,其中脲酶与蔗糖酶相关性显著,相关系数为0.457。

注:n=48;**:在0.01水平(双侧)上显著相关;*:在0.05水平(双侧)上显著相关。

Note:n=48; **:Significant difference at the 0.01 level;*:Significant difference at the 0.05 level.

3 讨 论

AM真菌具有特殊的生态功能,对逆境生态环境具有一定的适应性,尤其在矿区废弃地土壤恢复过程中具有较好的生态效应,既可以通过菌根菌丝改良土壤结构[16],同时AM真菌分泌物在营养物质吸收、土壤肥力改善过程中具有重要作用[17]。本研究通过对矿区土壤接种不同AM真菌发现,土壤AM真菌孢子数呈G.e>G.m≥G.i的变化趋势,表明不同菌种在产孢数量上存在一定差异,可能是不同菌种所具有的特殊功能所致。同时许多研究表明过低或过高的施磷水平不利于菌根真菌对宿主植物的侵染及孢子的形成[18-19],而适度的增施磷肥可以增加AM真菌孢子数量,从而有效发挥菌根真菌在植物生长过程中的作用。本试验结果表明,中等施磷水平(25,50 mg/kg)是该矿区废弃土壤AM真菌孢子繁殖的最佳水平,施磷水平50 mg/kg是接种G.e处理AM真菌孢子形成的最佳水平,25 mg/kg是接种G.m,G.i处理AM真菌孢子形成的最佳水平。

土壤酶来源于动植物活体、残体以及土壤微生物,已被用作表征生物活性的重要指标,在土壤养分循环中具有重要作用。许多研究发现,通过种植植物可以增加土壤酶活性,而AM真菌作为自然界中普遍存在的一类内生菌根真菌,可与植物根系建立共生关系,通过接种处理,可以促进土壤酶活性的增加[20]。钱奎梅等[21]以煤矸石为主体基质,以污泥为有机改良剂,通过接种地表球囊霉(Glomusversiforme,G.v)和摩西球囊霉(G.m)研究矿区土壤恢复重建,结果表明接种处理基质酶活性的增加显著高于对照(P<0.05)。本研究发现,不同施磷水平、不同接种处理对土壤酶活性的影响不同。不接种处理土壤碱性磷酸酶活性随施磷水平提高而降低,这与郑棉海等[22]对3种林型不同施磷处理的研究结果一致,可能是由于施磷水平提高抑制了土壤微生物及植物根系对磷酸酶的分泌。但接种G.e后会显著提高土壤碱性磷酸酶活性,尤其以25 mg/kg施磷水平最明显,提高29.9 %,同时相关性分析结果显示AM真菌孢子数与土壤磷酸酶活性呈显著正相关,进一步验证接种AM真菌可以增强土壤磷酸酶活性,从而将有机磷水解为正磷酸盐供植物吸收利用,这与苏友波等[23]的研究结果一致。土壤脲酶活性主要与土壤氮素、有机质、微生物数量相关[24],提高土壤脲酶活性有利于作物对氮素的吸收利用,从而提高矿区土壤氮素利用率。本研究发现,不接种AM真菌土壤脲酶活性随磷水平呈先升后降的变化趋势,说明过低或过高的磷水平对脲酶活性有一定的抑制作用,这与罗燕等[25]对柑橘钻木根际土壤脲酶活性的研究结果一致。接种G.e、G.m对土壤脲酶的增加不显著,但接种G.i可以显著提高脲酶活性,达29.6 %,表明G.i是增强土壤中脲酶活性的优势菌种。本研究发现,不接种AM真菌时土壤蔗糖酶活性表现为施磷显著高于不施磷处理,在50 mg/kg磷水平最大,该结果与张彦才[26]等对9个施磷水平下盆栽番茄土壤蔗糖酶活性的研究结果相似,即中等施磷水平更有利于土壤蔗糖酶活性的增强。而接种AM真菌可以在一定程度上增加土壤蔗糖酶活性,但较不接种无显著差异,相关性分析结果表明,AM真菌与土壤蔗糖酶活性间呈正相关,但相关性不显著。此外,本试验还表明,AM真菌和磷水平间存在一定的交互作用,但这种交互作用的机制还需进一步深入研究。

4 结 论

(1)接种AM真菌可以有效侵染玉米根系,AM真菌孢子数以接种幼套球囊霉最多,其次为摩西球囊霉和根内球囊霉,且中等施磷水平更有利于AM真菌孢子形成。

(2)较不接种处理相比,接种幼套球囊霉可以显著提高土壤碱性磷酸酶活性,不同磷水平下无显著差异。接种摩西球囊霉和根内球囊霉对土壤碱性磷酸酶活性增加不显著。

(3)较不接种处理相比,接种根内球囊霉可以显著提高土壤脲酶活性,且中等施磷水平为脲酶活性提高的最佳磷水平。

(4)接种AM真菌对土壤蔗糖酶活性的增加不显著,且3种AM真菌种属间无显著差异。

(5)AM真菌与磷水平交互对AM真菌孢子数及土壤脲酶活性具有显著影响。

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(责任编辑 陈 虹)

Effects of AM Fungi Inoculated with Different Phosphorus Levels on Soil Enzyme Activities in Abandoned Mining Area

HAN Yang, HAO Xian-jun*, ZHANG You-dan

(College of Resources and Environment, Shanxi Agricultural University, Shanxi Tai’gu 030801, China)

【Objective】The degradation in soil structure and fertility following coal mining was studied, especially in the decrease of soil enzyme activities.【Method】The different AM (G.e, G.m, G.i ) in the soil from the abandoned land in mining area with potted corn as host plants combined with phosphorous treatment at 0,25,50,100 mg/kg were inoculated, and the number of fungi spores and soil enzyme activities under the treatments were examined for selecting superior AM strains and optimum phosphorus level in the abandoned land of coal mining area.【Result】The spores in all inoculated soils were presented with increasing numbers of spores in the order of G.e﹥G.m≥G.i at the same rate of phosphorous application. Compared of control treatment, the inoculation increased the activities in alkaline phosphatase, urease and sucrase, among which the highest increase of enzyme activity was 29.9 % in alkaline phosphatase at phosphorous rate of 25 mg/kg; Inoculated with G.e, and 29.8 % in urease at 100 mg/kg; Inoculated with G.i, and 12.5 % in sucrase at 0 mg/kg.【Conclusion】The interaction between the inoculation and phosphorous rates affected the number of spores and activity of urease significantly and insignificantly on the activities of alkaline phosphatase and sucrase.

Phosphorus level; Arbuscular mycorrhiza fungi; Abandoned mining area; Spore number; Soil enzyme activity

1001-4829(2017)6-1402-06

10.16213/j.cnki.scjas.2017.6.028

2016-07-10

山西省回国留学人员科研基金项目(2015-061);国家自然科学基金青年科学基金项目(41601327)

韩 阳(1991-),男,河北张家口人,在读硕士研究生,研究方向为矿区复垦与生态重建,E-mail: hanyanglife@163.com,Tel:18435419402;*为通讯作者:郝鲜俊,E-mail: haoxianjun660@126.com。

S154.3

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