接种AMF对西部煤矿区紫穗槐根系分布和水分利用效率的影响

西部干旱半干旱煤矿区井工开采导致了大面积采煤沉陷区的出现,矿区生态复垦难度较大,利用菌根微生物技术进行生态修复已经成为当前的研究热点。为探究接种丛枝菌根真菌(Arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)对紫穗槐根系分布特征和水分利用效率(Water Use Efficiency,WUE)的影响,研究通过室内土柱试验,设置了对照不种植紫穗槐幼苗(CK1)、种植紫穗槐幼苗(CK)、种植紫穗槐幼苗并接种AMF(+AM)3组试验处理,并对植物生长指标和土壤水分等进行了测定。结果表明:①接种AMF有效促进了紫穗槐的生长,其株高、SPAD(Soil and plant analyzer development)值、地上生物量和地下生物量相较CK处理分别提升38.5%、27.5%、11.1%、69.4%;②接菌改变了紫穗槐的根系分布,使总根系长度和根尖数分别增加329.0%和586.1%,平均根直径显著减小22.9%,2 mm以下细根根长比例提升370.1%。同时,接菌影响了土壤水分分布和紫穗槐的水分利用模式,使0~20 cm的土壤含水率较CK处理分别提高8.9%、7.8%,20~50 cm的含水率又分别降低16.8%、4.0%、11.6%;接菌增加了紫穗槐对表层5 cm以下土壤的水分利用比例,在5~30、30~50 cm分别提升15.4%、9.9%;③接菌使紫穗槐植株的WUE增加了27.5%,主成分分析结果表明,紫穗槐根系中的细根长(0.50~1.00 mm)和根尖数是干旱胁迫下接种AMF对土壤水分高效利用的关键根系特征。综上,接菌可对紫穗槐幼苗有明显的促生作用,通过对紫穗槐细根根系特征参数的显著改善,促进了对土壤水分的吸收及再分配能力,进而使紫穗槐植株表现出较高的WUE,该研究结果可为西部采煤沉陷区生物联合修复技术提供科学指导和技术支持。

接种AMF对海绵结构重构土层的玉米根系分布及水分利用特征的影响

[目的]露天煤矿区生态脆弱,水资源短缺,利用微生物复垦已成为矿区生态重建的研究热点。探究露天矿排土场重构土层海绵生态结构条件下接种丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhiza fungi,AMF)对玉米根系生长及水分利用特征的影响,为矿区生态农业建设提供科学依据。[方法]在室内布设土柱模拟试验,设置裸土柱(CK)、玉米不接菌(NM)和玉米接菌(AM)3个处理,采用氢氧稳定同位素示踪技术研究玉米根系水分利用特征。[结果]①接种AMF处理促进了玉米根系的生长,改变了玉米根系分布。AM处理玉米的总根长、总根表面积、总根体积和根尖数分别比NM处理高19.3%,14.8%,9.1%和34.0%,AM处理小于0.3mm的细根及大于0.7mm的粗根比例分别比NM处理高3.2%和3.5%。②AMF改变了玉米的水分利用特征,AM处理玉米利用的水分来源于0—20cm土层的比例较NM处理提升5.5%。③AM处理土柱0—20cm土层含水率显著低于NM处理,饱和黏土层含水率:CK处理>NM处理>AM处理。AMF提升了玉米根系吸收水分的能力,影响黏土层中水分的释出。[结论]在矿区排土场海绵结构重构土层上接种AMF能促进玉米根系发育,改善水分利用策略,使其充分利用海绵结构中涵水层保蓄的水分。

露天煤矿区不同生态措施对紫穗槐水分利用特征的影响

[目的]为探究排土场不同生态措施下典型植物的水分利用特征,提高植物水分利用效率,加速矿区生态恢复进程。[方法]以黑岱沟煤矿排土场6种生态措施(对照、接菌、绿肥、接菌+绿肥、绿肥+风化煤、接菌+绿肥+风化煤)下紫穗槐为对象,结合水的氢氧稳定同位素等方法分析。[结果](1)排土场土壤含水率为3%~9%,在0-30,70-100 cm土层较低,在30-70 cm土层较高。(2)紫穗槐的水分供给来源于降水和土壤水,土壤水分在0-30 cm土层发生显著的分馏现象,且在不同生态措施表现出显著差异,绿肥处理最大,接菌+绿肥处理最小。(3)不同生态措施下紫穗槐的水分利用特征存在显著差异,接菌处理对50-100 cm土层的水分利用比例较高,为53.4%;绿肥处理紫穗槐主要利用表层(0-20 cm土层)土壤水分,为42.6%;接菌+绿肥处理紫穗槐对各层土壤水分利用比例较为均匀。[结论]接菌+绿肥处理优化了紫穗槐水分利用特征,增加对表层和深层水分的利用比例,可作为排土场的生态复垦措施,促进西部干旱矿区生态恢复速率和效应。

接菌对根土复合体抗剪拉作用机理及其矿山生态修复潜力

煤炭开采形成了露天排土场和井工沉陷地,改变了原始地貌和生态。露天排土场边坡不稳易水土流失造成滑坡剪切植被根系,井工沉陷致使地裂缝发育拉伤植物根系,因而矿山生态修复的关键之一是增强植物根系的抗剪切和抗拉伤性能。微生物复垦具有改善土壤理化性状、促进植物根系发育和抗逆境等功能,接菌对根土复合体抗剪切和拉伤的作用对于揭示其矿山生态修复机理奠定了基础。人工修复后,植物根系与土壤形成根土复合体,可大幅增加土体的抗剪强度,增强浅层土体的稳定性,有效降低了露天排土场边坡水土流失和缓解了根系拉伤。丛枝菌根真菌(AMF)和深色有隔内生真菌(DSE)两种微生物在根际普遍存在,与根系形成的菌根共生体和根际土壤黏结在一起成为根菌土复合体,其抗剪切作用机理及影响因素目前研究较少。因此,本文针对根土复合体的力学特性及影响因素、接菌后对根土复合体抗剪切影响及在煤矿区生态修复潜力进行综述,同时结合试验数据分析得出,联合接种AMF和DSE可显著提高了植物地下生物量、土壤黏聚力、根土复合土体的抗剪强度。微生物复垦技术不仅提高人工修复植被成活率及抗逆性,还可增强抗剪切或抗拉伤等力学特性,对于矿区生态修复具有重要的应用潜力。

土层重构模式下接种DSE对玉米根系形态及水分利用的影响

干旱半干旱区煤矿露天开采破坏了地表形态,加速水土流失,水资源的缺失严重影响了露天矿排土场植被恢复的效果。土层重构与微生物修复技术为解决露天矿排土场植被缺水困境指明了方向,但目前对土层重构下植物根系形态特征与土壤水分利用的关系以及深色有隔内生真菌(DSE)在其中起到的重要作用缺乏足够的认识,因此,本研究旨在探究土层重构模式下玉米根系生长和水分利用情况以及DSE的作用机制。研究对象为玉米,在温室进行为期4个月的土层重构室内模拟试验。试验布设3组处理,分别为空白对照(N-CK)、土层重构不接种DSE(L-CK)、土层重构且接种DSE(L-DSE)。试验结果表明:①与纯砂土处理相比,土层重构处理的玉米根系总根长度降低了39.7%,根系中小于0.3 mm细根的比例提高了8.86%,深层(50~70 cm)土壤水分的利用率提高了16.1%。②与土层重构不接种DSE处理相比,接种DSE玉米的叶片脯氨酸含量提高了69.8%,30~50 cm土层根系根尖数、比根长分别提高了106.6%、38.5%,且深层水分的利用效率相较于纯砂土处理及土层重构不接种DSE处理分别增加了29.3%、11.1%。③玉米根系的根尖数与比根长是土层重构模式下实现对深层土壤水分高效利用的关键根系特征。综合研究表明,土层重构有助于优化玉米根系结构,提高细根所占比例及根尖数目,改善缺水环境下玉米的水分利用模式,且土层重构模式下接种DSE可以通过提高玉米叶片脯氨酸含量,优化玉米根系结构等途径提高对深层土壤水分的利用率,进而提高作物的长期抗旱能力。

黄土丘陵区治沟新造耕地土壤的水盐分异特征

[目的]黄土丘陵区“治沟造地”工程形成的部分新造耕地面临着土壤盐碱化的风险,探究新造耕地土壤水盐空间分异特征及其影响因素,为预防和防治土壤盐碱化,促进新造耕地可持续利用提供理论依据。[方法]选择该区典型新造耕地,沿沟头至沟口设置6个试验小区,依次为采样点1,2,3,4,5,6,利用网格法获取每个小区0—20,20—40 cm深度的土壤样品,采用多重分形方法分析新造耕地土壤水、盐空间分异特征。[结果]新造耕地土壤水、盐含量沿沟头至沟口皆逐渐降低,采样点1,2,3地块的平均土壤水分和平均盐分含量分别为17.6%和0.81 g/kg,分别比采样点4,5,6地块的平均值高23.0%和14.1%(p<0.05)。采样点1,2,3地块土壤水、盐的多重分形参数D_(1)小于采样点4,5,6地块,而ΔD表现出相反的结果,表明采样点1,2,3地块土壤水、盐的空间变异性均较高。浅的地下水影响深度是促进采样点1,2,3地块盐分在表层土壤积累的主要原因(p<0.05);地形特征也是一个重要原因,采样点1,2,3地块地形狭窄,不利于排水,易发生涝渍,加剧了盐分积累(p<0.05)。此外,采样点1,2,3地块可能受到较高盐分含量的坡面径流和泥沙侵入,提高了该区域土壤水、盐分含量及其变异性。[结论]地下水影响深度、地形特征及坡面径流泥沙是造成采样点1,2,3地块土壤水、盐含量及其空间变异性较高的重要原因。因此,靠近沟头位置的新造耕地是未来土壤盐碱化预防的重点区域。

AMF-玉米联合对“表土层–含水层–隔水层”排土场重构模式土壤水盐分布的影响

土壤水盐分布严重影响煤矿区排土场生态重建及植物组配模式,为探究菌根植物影响下煤矿区排土场“表土层−含水层−隔水层”三层重构模式下的土壤水盐分布特征,采用室内土柱试验,设置种植玉米+接种丛枝菌根真菌(YM+AMF)、仅种植玉米(YM)和不种玉米+不接菌(CK)3个处理。结果表明:(1)不同处理对土柱底部水分运移特征无显著影响,各处理含水层毛细水上升高度均约为10 cm;(2)水分与盐分分布随土层深度均呈正相关关系;接种AMF有利于保持表层土壤水分含量,相较于YM处理土壤含水率在0~10、10~20 cm分别提高52.0%、43.9%;接菌处理降低了10~50 cm土层的盐分含量,在20~30、30~40、40~50 cm处接菌处理的电导率较YM处理分别低了41.0%、14.1%、8.1%;(3)利用MixSIAR模型量化了不同深度土层水分对玉米的贡献率,表明YM和YM+AMF处理的主要供水层皆位于0~10 cm,供水率分别为44.3%和30.5%。同时,在累计土壤剖面水分贡献率上,接菌显著提高了中深部土层(20~70 cm)的水分贡献率,累计提升了13.8%。该研究成果对西部矿区“以水量植”的生态复垦具有重要科学指导意义。

西部露天排土场有机生物改土对紫穗槐水分利用效率影响

露天煤矿排土场植被恢复对生态系统功能提升具有重要意义,为研究不同有机生物改土措施下土壤理化性质及植物生长对恢复植物水分利用效率的影响,以黑岱沟露天煤矿排土场6种(对照、接菌、绿肥、接菌+绿肥、绿肥+风化煤、接菌+绿肥+风化煤)生物改土措施下紫穗槐为对象。研究结果表明,有接菌的处理促进了紫穗槐对土层中水分的利用效率,从而表现出较低的土壤含水率。接菌处理显著提高了土壤有机质和全氮质量分数,分别比对照分别高37.1%和11.0%。同时,接菌和接菌+绿肥处理平均土壤全氮质量分数相同,表明绿肥对土壤全氮质量分数几乎没有影响。接菌处理紫穗槐植株最高,分别比对照、绿肥、接菌+绿肥、绿肥+风化煤、接菌+绿肥+风化煤提高了5.7%、20.2%、19.4%、14.5%、13.7%。紫穗槐平均冠幅及全碳质量分数在不同处理间表现出相似的规律:接菌>对照>接菌+绿肥+风化煤>绿肥+风化煤>接菌+绿肥>绿肥。通过主成分分析发现各因素对紫穗槐水分利用效率解释度达到85.4%,主要受光合速率和气孔导度的影响,其次是土壤有机质和全氮质量分数。接菌处理紫穗槐平均水分利用效率为140.34μmol/mol,且显著高于其他处理。综上表明,接菌处理可以改善露天排土场水分环境,优化紫穗槐的水分利用特征。

露天煤矿排土场土层重构及接菌对植物根系提水作用试验研究

露天煤矿排土场土层重构对于生态重建具有重要意义,为研究接种深色有隔内生真菌(dark septate endophytes,DSE)对不同重构土层模式下玉米根系水分的利用效应,采用土柱模拟培养试验,设置4种类型土层处理,每种土层类型下设置接菌及对照处理,共8组处理。结果表明:掺黄土20%处理下玉米根长密度最大,分别为掺黄土0%、10%和40%的3.2、2.4、2.8倍,水分胁迫后根系具有向下生长、吸取深层水分的能力;基于δ^(18)O值的MixSIAR模型水源分析,掺黄土0%处理下玉米主要利用0~25 cm处的水分,水分利用效率达到80%;掺黄土10%处理下玉米主要利用15~35 cm处的水分,水分利用效率达到64%;而掺黄土20%处理下玉米对0~25 cm处的水分利用效率仅为36%,对25~45 cm处水分利用率达到64%,说明掺黄土20%处理下玉米主要利用土壤深层水分。接种DSE提高了植物吸收更深层水的能力,掺黄土20%处理下水分利用深度向下增加了5 cm,掺黄土20%基质中接菌处理在干旱胁迫后植物根系提水量达到最大,生长期总提水量较不接菌处理提升了45%;在不接菌条件下掺黄土20%植物根系提水量是掺黄土0%的1.45倍,而在接菌条件下掺黄土20%植物根系提水量可达到掺黄土0%的1.72倍。综上认为,接种DSE及土层重构均对提升植物提水能力具有显著作用。此外,本研究结果对露天矿区排土场土层重构过程中土壤改良及植物的水分利用效率提供实验参考依据。

黄土高原地区森林生态系统地下生物量影响因素

根系将土壤和大气相连与植物体共同影响生态系统的碳循环,同时根系也是森林生态系统土壤碳库的重要来源。研究表明森林地下生物量受生物因素和非生物因素影响,因此研究各因素对根系生物量的影响对精确估算土壤碳库至关重要。基于我国相关部门的观测及调查数据,通过标准化计算和统计分析来量化各因素对黄土高原地区地下生物量的影响。结果表明:黄土高原森林生态系统地下生物量主要分布在11.99-27.46 Mg/hm^(2)之间;非生物因素对地下生物量起主导作用,其中降雨量和地形影响最为显著;不同土壤类型地下生物量表现出:棕壤>褐土>岩性土;不同森林类型地下生物量大小为:针叶林>针阔叶混交林>落叶阔叶林;不同地形地下生物量由大到小为:丘陵、山地>高原、平原;地下生物量在坡位上的分布大小为:坡麓>上、中、下三个坡位>平地;人类活动和动物活动干扰对地下生物量的影响没有显著差异。另外,在分析中发现若影响因素中含经纬度,非生物和生物因素对地下生物量的影响程度分别为68.9%和31.1%;若影响因素中不含经纬度,非生物和生物因素对地下生物量的影响程度分别为81.1%和18.9%,说明经纬度与其他因素存在很强的相关性,并严重影响着生物因素和非生物因素对森林生态系统地下生物量的比重。研究结果对地下生物量的估测有一定的意义,可以为森林植被如何通过根系适应环境的研究提供参考,为植被恢复、森林经营管理及地下部分碳循环的研究提供依据。

Effects of restoration modes on the spatial distribution of soil physical properties after land consolidation: a multifractal analysis

Soil physical properties(SPP)are considered to be important indices that reflect soil structure,hydrological conditions and soil quality.It is of substantial interest to study the spatial distribution of SPP owing to the high spatial variability caused by land consolidation under various land restoration modes in excavated farmland in the loess hilly area of China.In our study,three land restoration modes were selected including natural restoration land(NR),alfalfa land(AL)and maize land(ML).Soil texture composition,including the contents of clay,silt and sand,field capacity(FC),saturated conductivity(Ks)and bulk density(BD)were determined using a multifractal analysis.SPP were found to possess variable characteristics,although land consolidation destroyed the soil structure and decreased the spatial autocorrelation.Furthermore,SPP varied with land restoration and could be illustrated by the multifractal parameters of D1,ΔD,ΔαandΔf in different modes of land restoration.Owing to multiple compaction from large machinery in the surface soil,soil particles were fine-grained and increased the spatial variability in soil texture composition under all the land restoration modes.Plough numbers and vegetative root characteristics had the most significant impacts on the improvement in SPP,which resulted in the best spatial distribution characteristics of SPP found in ML compared with those in AL and NR.In addition,compared with ML,Δαvalues of NR and AL were 4.9-and 3.0-fold that of FC,respectively,andΔαvalues of NR and AL were 2.3-and 1.5-fold higher than those of Ks,respectively.These results indicate that SPP can be rapidly improved by increasing plough numbers and planting vegetation types after land consolidation.Thus,we conclude that ML is an optimal land restoration mode that results in favorable conditions to rapidly improve SPP.

接种AMF对玉米根系及土壤水分分布的影响

西部露天煤矿区气候干旱,提高矿区植物利用深层土壤水是矿区生态环境恢复的重要步骤,明晰微生物生态修复技术下植物根系及土壤水分分布特征对于矿区生态重建具有重要意义。为了探讨接种丛枝菌根真菌(arbuscular mycorrhizal fungi,AMF)对玉米根系形态及土壤水分分布的影响,本研究以饱和粉质黏土作为隔水层,砂土作为土壤层来进行室内土柱试验,共设置了不种玉米不接种AMF(CK)、种植玉米不接种AMF(YM)、种植玉米接种AMF(YF)3个试验处理,并在试验过程中对土壤水分分布和植物生长相关指标进行监测。结果表明:试验前期接菌处理下土壤平均含水率比不接菌处理低14.5%,而试验后期接菌处理比不接菌处理高20.1%,同时还发现97.4%的玉米根系主要分布在0–40 cm的土层中。与不接种AMF处理相比,接种AMF的玉米细根的根长度、根体积和根表面积占比分别增加4.4%、1.2%和2.6%。通过直接对比法和贝叶斯混合模型分析表明,接菌处理下玉米对中层土壤(10–50 cm)水分吸收为47.1%,而不接菌处理对该层土壤水分吸收则为35%。这些结果表明接种AMF能提高植物对土壤中层水的利用比例。研究结果可作为西部露天煤矿区土地复垦与生态恢复提供科学依据和技术支撑。