鄂托克旗棋盘井洗煤厂矸石山复垦技术研究与应用

高和平，崔利东，尚海丽，董红娟，刘艳青

(1.国能蒙西煤化工股份有限公司，内蒙古 鄂托克旗 016014；2.内蒙古科技大学，内蒙古 包头 014000)

1 引言

鄂尔多斯市鄂托克旗棋盘井洗煤厂矸石山占地面积广大，随着开采深入，矸石山规模逐年剧增，对当地生态环境产生严重影响。为响应国家矿区生态修复政策，本文拟选取鄂尔多斯市鄂托克旗棋盘井洗煤厂矸石山北坡，针对当地寒冷、干旱的气候特征，以当地丰富的黄土作为覆土层，选择合适覆土厚度，并利用微生物接菌技术，筛选耐寒抗旱植株种类进行矸石山复垦。以该工区为示范基地，在2年时间内初步建立适合当地气候和矸石山条件的复垦技术，为进一步推广矸石山复垦技术提供参考[1]。

棋盘井煤矿区属于干旱草原地区，高原大陆性气候，年均气温3 ℃，风速5 m/s，降雨量不到250 mm，蒸发量约2700 mm，大于10 ℃积温2860 ℃，最大冻土深度280 cm。最早初霜日在9月初，最晚终霜日在5月中旬，无霜期110 d。因此，制约该地区植物生长的重要气候因素是低温和干旱。针对该地区的气候特点，本项目重点进行引种植株的耐寒抗旱能力筛选和培育。另外，该地区土壤质地偏碱性，局部地区盐碱化，土壤贫瘠，因此，引种植株筛选也要考虑植株对贫瘠、耐盐碱等抗逆性的能力[2]。

近年来，国内外学者对矸石山复垦技术有了较多的研究。其中毕银丽[3]等以宁夏大武口洗煤厂煤矸石山复垦地为实验点,在自然状况下接种丛枝菌根真菌,研究其对煤矸石山土地复垦的生态效果。研究结果发现，丛枝菌根能够提高植被成活，促进植株生长和发育同时扩大了根系的范围。王化秋[4]等通过采用高通量测序技术与统计学方法对煤矸石山种植年限为17年的香根草进行研究，发现球囊霉属广泛存在于煤矿区等各种生态环境中，同时促进植物根系发育，增加土壤碱化氮、速效钾、速效磷的吸收；田超[5]等以煤矿塌陷区土壤为研究对象，以紫花苜蓿为供试植物同时接种摩西球囊霉菌(Gm)和根瘤菌(V)进行温室盆栽试验，研究结果发现，双接种比单接种和未接种处理更能有效改善矿区土壤理化性质，提升矿区土壤肥力，并可促进苜蓿植株对氮、磷营养元素的吸收能力。

作为本文的特色之一，微生物接菌技术主要使用丛枝菌根接菌植物根系，可以促进植物根系的发育，提高土壤保水能力和植株抗旱性，促进土壤有效营养元素的利用，并抑制有害元素对植株的侵害。丛枝菌根在青藏高原等高寒地区的广泛应用也为棋盘井矿区的微生物复垦技术应用提供了科学依据和宝贵经验。丛枝菌根技术可全面提高植株对环境的抗逆性，优化棋盘井覆土厚度，节约资源和成本。丛枝菌根作为天然微生物菌剂，相比化学肥料，对环境无污染，经济可行[6,7]。

2 试验方法

2.1 试验地点

试验地点选择鄂尔多斯市鄂托克旗棋盘井洗煤厂矸石山。该研究区位于干旱草原地区，高原大陆性气候，年降雨量少，蒸发强烈。试验区面积0.64 km2。

供试土壤为鄂尔多斯市鄂托克旗棋盘井洗煤厂矸石山覆土，土质为沙壤土。

供试微生物为2种，分别为北京市农林科学院植物营养与资源研究所微生物室供经本实验室增殖培养的内生菌Glomus mosseae(G.m)，解磷细菌菌株为斯式泛菌(Pantoea stewartii)，记为CA。

供试植物为紫花苜蓿、沙地柏、石竹和紫丁香4种。

2.2 试验方法

种覆土厚度，依次为0 cm、10本试验于2018年4月在鄂尔多斯市鄂托克旗棋盘井洗煤厂矸石山南坡进行。设置4 cm、30 cm、50 cm。每种覆土厚度又设置接菌G.m和对照CK2种处理。每种接菌处理又分别种植4种植物类型，依次为紫花苜蓿、沙地柏、石竹和紫丁香。共32种处理，每种处理设3个重复，合计96个样品。试验期间，浇水量保持田间持水量的75%，达到轻度干旱水平。试验持续10个月，进行土壤、植物样品采集测试。

2.3 测试项目和方法

2.3.1 植物生长指标

分别采集不同处理的地上部分和地下部分，105 ℃烘箱杀青30 min后，放置70 ℃烘箱直至烘干，分别称量记录不同处理的地上部分和地下部分干质量，并计算根冠比，即地下地上部干质量比。根系活力采用 α-萘胺法测定[8]，以1 h 1 g鲜根氧化的 α-萘胺质量表示根系的氧化活力。

2.3.2 土壤速效磷、碱解氮、速效钾含量测定

土壤速效钾采用 NH4OAc 浸提法[9]，测试仪器为 VarianVista-PRO型电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-AES)；土壤速效磷采用 0.5 mol/L NaHCO3浸提和钼锑抗显色法[]，测试仪器为 Rigol Ultra-3660 紫外分光光度计；土壤水溶性氮(碱解氮)采用碱解扩散法测定[]。

2.3.3 土壤球囊霉素相关蛋白测定

球囊霉素蛋白TG和EEG提取测定采用Wright的方法[10]，其中：

EEG提取：以液土比8∶1将1.0000 g土样与8 mL 20 mmol/L、pH 7.0的柠檬酸钠溶液加入50 mL塑料离心管，用透气膜封口后在121 ℃、103 kPa条件下提取0.5h，以4000 r/min离心8 min,取上清液，用Bradford法测定EEG含量。

TG提取：以液土比8∶1将0.5000 g土样与4 mL 100 mmol/L、pH9.0的焦磷酸钠溶液加入50 mL塑料离心管，用透气的膜封口后在121 ℃、103 kPa条件下提取1 h，循环3次，并统一收集上清液，Bradford法分别测定球囊霉素相关土壤蛋白(GRSP)含量，3者之和即为TG含量。

2.4 数据分析

试验数据使用SPSS 17.0统计软件进行数据分析，采用Duncan法进行差异显著性分析，显著水平设为0.05。

3 试验结果和分析

3.1 丛枝菌根真菌对不同覆土厚度下4种植物生长的影响

在接种丛枝菌根真菌条件下，不同覆土厚度会对这4种植物产生不同影响。由图1可知在接种丛枝菌根真菌后，不同覆土厚度的基质中的紫花苜蓿、沙地柏、石竹、紫丁香表现出在植物总干重、根冠比与株高等方面不同的变化规律。覆土厚度为10 cm时，紫花苜蓿、沙地柏、石竹、紫丁香的植物干重为3.2、13.8、5.4、12.1 g/株，而其根冠比为10.%、21.2%、10.9%、15.7%说明紫花苜蓿根系较为发达，与沙地柏对环境适应能力较强。随着覆土厚度增加4种植物的生长情况规律基本一致，但是植物生长情况更好，紫花苜蓿与沙地柏更加适应矸石山的干旱缺水环境下生长。这主要是由于煤矸石保肥保水能力差，而且供植物直接利用的营养物质相对较少，有效磷、有效钾、碱解氮含量均低于土壤中的含量，从而抑制了覆土较浅的植物的生长[11]；而覆土厚度为30 cm时，由于覆土层改变了煤矸石原有的密实度，使孔隙度和保水能力有所提高，为植物的生长提供了有利条件[12]。但是覆土厚度为50 cm时植物株高较覆土厚度30cm时分别减少28.4、10.4、-20、10.1 cm，说明覆土厚度过大会对植物生长产生抑制作用。这可能是由于覆土厚度过大导致土壤通气性减弱，根系发育受到抑制，根系活力受到影响导致[1，13]。

图1 丛枝菌根真菌对不同覆土厚度下4种植物生长的影响

3.2 丛枝菌根真菌对不同覆土厚度和植物类型条件下土壤养分利用的影响

土壤养分利用率反映植物吸收矿质养分的能力和土壤养分含量之间的平衡关系。对于矸石山来说，接种AMF可以提高紫花苜宿、沙地柏、石竹、紫丁香对养分的吸收(表1)，无论覆土厚度的深浅，接种菌根都能显著提高了这4种植物对碱解氮、速效磷、速效钾的吸收。氮素作为构成一切生命体的重要元素[8]，在作物生长过程中对作物生长发育和产量起着至关重要的作用。在植物的生长过程中消耗了表层土壤养分，实验结束与对照组土壤相比，接种AMF的碱化含量均有所下降。这是由于土壤中的有效态氮就是土壤碱解氮同时可以反映出土壤近期内的氮素供应状况，密切影响与作物生长。由表1可以看出，接种AMF的植物种植区内不同覆土厚度下的土壤碱解氮含量均小于未接种的，说明接种AMF促进了植物生长。经过GM处理后的土壤速效磷含量随着覆土厚度增加而增加，在覆土厚度为30 cm时紫花苜宿、沙地柏、石竹与紫丁香速效磷达到最大值分别为40.59、25.33、24.25、28.2 mg/kg，受钾吸收量的影响，在覆土厚度30 cm时同样了出现峰值。当覆土厚度为50 cm时，速效钾含量与覆土厚度10 cm时相近，此时由于覆土厚度过大，抑制植物钾素吸收，同时对土壤氮、磷素的吸收产生抑制作用，因而土壤碱化氮含量有一个初步升高，速效磷与速效钾含量减小[16]。

表1 丛枝菌根真菌在不同覆土厚度和植物类型条件下的土壤养分

3.3 不同覆土厚度和植物类型条件下的土壤球囊霉素相关蛋白含量变化

对于不同覆土厚度的矸石种植区，接种丛枝菌根真菌条件下对植物生长具有显著改良效应如图2所示。随着覆土厚度增加，土壤球囊霉素相关蛋白含量有着明显变化。紫花苜蓿加菌处理后在覆土厚度10、20、30、50 cm时TG含量分别为192.3、199.5、179.5、179.4 mg/kg；EEG含量为34.2、46.4、37.1、41.7 mg/kg，相比对照组在覆土厚度10、20、30、50 cm时TG含量分别减少79.2、49.5、44.5、-0.5 mg/kg；EEG含量分别减少了-26.5、8.9、7.1、0.2 mg/kg说明加入AMF能显著提高根际土壤总球囊霉素和易提取球囊霉素的含量[8]，紫花苜蓿覆土厚度20 cm时，球囊霉素增加最为明显。其中，沙地柏在覆土厚度为30 cm时，球囊霉素增加最为明显加入AMF后TG、EEG含量分别达到168.3、77.2 mg/kg；石竹在覆土50 cm时球囊霉素增加最为明显，TG、EEG含量分别达到136.9、55.1 mg/kg；紫丁香在覆土30 cm时球囊霉素增加最为明显，TG、EEG含量分别达到176.2、53.6 mg/kg。统计发现覆土厚度30 cm时，在丛枝菌根真菌的协同作用下，植物生长较好，接种丛枝菌根真菌对矸石山复垦具有显著改良效应[15～17]。

图2 不同覆土厚度和植物类型条件下的土壤球囊霉素相关蛋白含量

4 结论

丛枝菌根真菌促进了矸石山植被生长和土壤养分利用效率。在丛枝菌根的协同作用下，矸石山最佳覆土厚度为30 cm。该覆土厚度可以为植物生长提供充足的养分条件。矸石山的适宜性植被为紫花苜蓿和沙地柏，这2种植物抗旱性强、根系发达，适宜矸石山的立地条件。