毕银丽，高学江，柯增鸣，肖 礼
(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) 矿山生态修复研究院，北京 100083)
我国煤炭基地主要集中在西部干旱半干旱区[1]，煤炭产业高强度开采形成大面积的排土场，破坏了土体结构，导致土地退化，生物多样性降低，生态环境失衡等一系列问题[2]。同时，矿区煤电开发过程中，长期大量疏排地下水引起地下水位下降，造成地下水资源浪费，进一步加剧了生态重建过程中水资源供需矛盾的问题[3]。
水资源高效利用是露天矿区排土场生态重构的关键[4]。水力提升作用作为植物在干旱期间保持正常生长的重要因素，对维持植物生长具有重要意义。水力提升作用是指水被动地从潮湿的深层到浅层干土层，通过地表层的夜间再湿润来改善植物水分平衡[5]，这种使土壤水分再分配机制已得到广泛的认可。对植物个体及其根际区而言，水力提升将深层土壤水分向浅层干燥土壤释放，缓解了植物的干旱胁迫，提高植物及其周围植物水分和养分的吸收[6]。目前，露天煤矿排土场重构土层一般底层为破碎岩石，仅在表层上覆40 cm土壤层，这种堆放结构土壤含水率低、根系层浅，造成植被生长难，难以保证生态重构的高效性[7]。有学者发现根系的水力提升发生次数与土壤含砂量呈负相关关系，因其质地较粗导致根土接触面积较差，限制水力提升的发生[8]。因此，土层重构中合理的含砂比对植物的水力提升具有重要意义。
水力提升是植物根系与不同土壤环境长期相互作用的结果，它不仅能够滋润营养丰富的浅层土壤，还可以保持微生物的活性。微生物作为提升土壤功能的重要手段，可从根本上系统修复土壤生态系统的功能，挖掘和激发土壤潜在肥力，加快土壤改良、植被重建[9]。由于深色有隔内生真菌(dark septate endophytes,DSE)具有广泛的宿主适应性[10]，作为土壤微生物的重要组成部分，其发挥的生态学功能也尤为重要。在多种极端环境的植物根系中DSE 具有较高的定殖率，与其他微生物相比，DSE 不仅能定殖于宿主植物根皮层，还能在植物维管组织中定殖。接种DSE 可以通过调节根系中激素含量水平和比例来调节根系形态和构型，促进根系生长，抵抗干旱胁迫环境，从而提高宿主的抗旱性[11]。而在矿区土地复垦中采用接种菌根真菌菌剂对矿区植物生长具有促进作用[12]。水力再分配的这种积极作用对于接菌生态修复的工程具有特别的意义，随着植物与真菌共生体的建立和菌根共生作用的增强[13]，其对于西部矿区水分的高效利用将会起到更大的作用。
由于野外研究不可控因素较多，笔者采用室内土柱试验进行重构土层的模拟，为探究接种DSE 后不同重构土层植物的水分利用规律及水分利用效率，以期为矿区土层重构及植物生长对水分高效利用提供理论依据。
1.1 土柱试验装置
试验装置如图1 所示，试验采用模拟土柱(外壳为有机玻璃)，土柱高80 cm，内径15 cm，土柱最下方侧壁有内径0.3 cm 供水口为方便从下方供水：供水装置为高25 cm、内径20 cm 的马氏瓶：蒸发量利用埋置的小型蒸渗管进行测量。土柱侧壁每10 cm 开有直径为1.5 cm 小孔以便土样采集，土柱下部0～20 cm 模拟浅层地下水由大粒径砾石构成并与马氏瓶水位保持一致，20 cm 以上为本研究所模拟的重构土层，在重构土层中添加一层为切断上下部土壤毛管水传输的2 cm砾石夹层。
图1 土柱试验装置Fig.1 Soil column test device
1.2 试验材料
试验重构土层供试土为河沙和野外采集的黄土，河沙与黄土的容重、电导率、有机质含量分别是1.60、1.55 g/cm3，158.5、230.5 μS/cm，1.97、5.46 g/kg。河沙过2 mm 筛，黄土粉碎过1 mm 筛并将2 种土不同比例混合，分别为不掺黄土的纯沙土，为S0，沙土中掺质量分数10%的黄土为S1，沙土中掺质量分数20%的黄土为S2，沙土中掺质量分数40%的黄土为S3。混合土经过高温高压灭菌后备用，混合土粒径见表1。模拟浅层地下水中的砾石为粒径0.5～1.0 cm 大小不一的砾石混合而成。供试植物玉米(Zea mays L)，品种为“品糯28 号”，播种前进行消毒冲洗，供试菌种为DSE，微生物菌剂由西安科技大学西部矿山生态环境修复研究院自主增殖扩繁所得。
表1 土壤颗粒机械组成Table 1 Soil particle size compositions
1.3 试验设计
试验共布设了4 种重构土层，分别为S0、S1、S2和S3。每种重构土层设不接菌 (-M) 与接菌处理(+M)2 种微生物处理。共8 个处理，每个处理均设有3 个重复，不同重构土层同时设置不种植不接菌的纯对照4 个，共28 个土柱装置。
试验于2021 年5 月17 日进行。将消毒后的种子进行播种并在种子下方放入固体DSE 菌剂，每个土柱进行建苗。本试验玉米生长共分为3 个时期：出苗期(5 月17 至5 月21 日)、拔节期(5 月21 日至6 月30 日)、穗期(6 月30 日至7 月30 日)。玉米进入拔节期，上层(砾石夹层以上15 cm)土壤不浇水，下层(砾石夹层以下40 cm)马氏瓶继续供水，上下土层含水率通过取土法测量控制，控制上层为相对干旱层，下层为相对湿润层。进入穗期，下层马氏瓶也停止供水。
1.4 试验方法
植物株高采用卷尺测量，根茎采用游标卡尺测量，植物鲜重采用称重法测量，植物干重采用干重法进行测量。植物全氮：将烘干植物粉碎，过筛(0.25 mm)，称取50 mg 样品用锡纸包裹后进入vario MACRO cubeelementar 型元素分析仪进行测量。植物全磷：称取粉碎过筛(0.25 mm)的烘干植物样品0.1 g 置于100 mL的消煮管中，采用H2SO4-H2O2消煮法进行消煮，运用ICP(ICP-OES，Optima 5300DV，Perkin Elmer，Waltham，MA)进行测量。侵染率：随机取新鲜根样(约45 个根段制片)，用10%KOH 溶液侵泡24 h，冲洗干净后，用酸性品红乳酸甘油染色液染色法染色，在Motic Panthera Client 型显微镜下观察测定玉米的DSE 侵染率。
采用EM50 每一周测量两次砾石夹层以上部分的体积含水率后再换算为质量含水率，时间为前一天20:00 和第2 天06:00，并用小型蒸渗管测量上层夜间蒸发量，夜间植物蒸腾速率较小，蒸腾量可忽略不计，计算玉米每天根系的提水量。
体积含水率=质量含水率×土的干容重
式中：G为根系提水量，g；
M为上桶干土质量，g；
θAM为第2 天06:00 上桶质量含水率，%；
θPM为前一天20:00 上桶质量含水率，%；
m为上桶夜间蒸发量，g。
玉米地上部分采收后分层从土壤中取出玉米根系，冲洗干净后低温保存。用MICROTEK Scanmaker i800plus 型扫描仪和RhizoPheno 型根系系统测定总根长度、总根表面积和总根体积，并计算各层根质量密度及根长密度。根质量密度(RMD)为单位体积根系的质量，mg/cm3；
根长密度(RLD)为单位体积根系的长度，cm/cm3。
试验结束后，土壤样品进行分层采集同时玉米样品采集根茎结合处后装入10 mL 小玻璃瓶，并用封口膜密封冷冻保存，将冷冻的样品解冻后放入LI-2100全自动真空冷凝抽提系统提取植物叶片水以及木质部水分，提取的水分用孔径为0.45 μm、直径为13 mm 的针筒式滤膜过滤器过滤后装入2 mL 的样品瓶中待测。本次试验中所有的水样采用DLT-100 型液态水同位素分析仪进行同位素测定。其中，δD 值的测试误差不超过±0.6‰，δ18O 值的不超过±0.2‰。分析得出的δD 和δ18O 以相对于维也纳标准平均海洋水(Vienna Standard Mean Ocean Water，VSMOW)的千分差值表示：式中：δ为对应样品的稳定氧同位素值；
RS为样品中重同位素与轻同位素的比值；
RSt为国际通用标准物的重同位素与轻同位素比值。
2.1 不同处理对植物生长影响
植被的地上部分是反映植物生长状况最直接的表现形式。通过表2 发现不同重构土层下玉米地上部分各指标均有显著差异。S2 玉米的干重比S0、S1、S3分别提高了5.16、1.47、1.34 倍。S0 菌根侵染率最高。黄土的添加使菌根的侵染率下降，S1、S2、S3 菌根侵染率接近。S0 菌根对地上植物各项指标的贡献率均最高，干鲜重的贡献率高达一倍；
S2 菌根对地上植物各项指标的贡献率最低。研究结果说明土壤是影响植被生长的主要因素，接菌对植物的生长起到显著的促进作用。
表2 玉米地上部分各指标统计Table 2 Statistical table of each index of maize above ground
2.2 根系及土壤水分分布
对土壤各层根系分析，发现不同重构土层对根系各项参数均有显著影响，不同土层根系分布也均有差异(图2)。S2 根系各项指标均发育最好，并且根系已生长至土柱底部。而纯沙土的主根系只生长至距土壤表层向下35 cm 处。所有处理表层0～15 cm 土层，根系生物量积累量均较高，在整个土壤剖面，表层根系生物量占总生物量的35%～86%。其中S0、S1、S3 的根系生物量主要集中在0～15 cm 处，S2 的主要集中在0～25 cm 处(图2a)。0～35 cm 土层，根系质量密度(RMD)随土壤深度增加成指数形式降低，根长密度(RLD)与RMD 规律基本一致。而部分处理35～45 cm 处RMD和RLD 较高，是由于部分根系已生长至土柱最下方的20 cm 模拟含水层中。菌根对植物根系各项指标均有促进作用。
图2 不同处理各层的根质量密度和根长密度Fig.2 Root mass density and root length density in each layer of different treatments
研究结果表明，玉米的根径可分为＞0.8 mm、0.2～0.8 mm 和0～0.2 mm 3 个等级[14]。土层深度和掺土处理对主根、次根和三级根的RLD 有显著影响(表3)。主根、次根和三级根沿土壤剖面从表层开始显著降低，部分处理的35～45 cm 处的RLD 较大。玉米根系在整个土柱中，三级根根长占整株玉米的45%～60%，主根根系只占整株玉米的6%～26%，玉米本就是须根系植物所以三次根较发达。不同重构土层处理及接菌处理对3 种根径级的根长比例没有显著影响，说明玉米根系的整体形态不会随着土壤的结构变化而变化。
表3 不同处理各层3 个等级根的根长密度百分比统计Table 3 Statistical table of root length density percentage of three grades of roots in different treatments
不同处理土壤含水率随深度变化规律如图3 所示。不同处理下种植玉米与不种植玉米(对照)相比，S0 各层含水率与对照无明显差异；
S1 各层含水率与对照相比明显减少，35～45 cm 处减小幅度最大；
S2 各层含水率与对照相比减少幅度最显著，且随着土柱深度变化，减小幅度逐渐变大；
S3 各层含水率与对照相比明显减少，25～45 cm 处含水率变化幅度较均匀。所有处理0～15 cm 处含水率均无明显变化，35～45 cm 处含水率变化最大。同时各重构土层接菌处理的含水率均比不接菌低，是因为接菌植物长势更好，水分利用更多。
图3 不同处理土壤最终含水率Fig.3 Final soil moisture content for different treatments
2.3 植物水分利用特征
从图4 可以发现，在整个土层中，S0 和S1 的δ18O 值呈先减小后增大的趋势，S2 和S3 的δ18O 值随深度增加逐渐减小且趋于稳定。S0 和S1 玉米吸水深度在25 cm 和35～40 cm 处；
S2 和S3 玉米吸水深度主要在40 cm 和35 cm 处。玉米吸水深度与根系生长发育状况及分布规律相一致，S0 和S1 根系主要分布在0～25 cm。而S2 和S3 根系虽然在0～25 cm 处也同样发达但表层土壤含水率较低，根系会在含水率更高的35～45 cm 处获取水分。重构土层处理吸水深度都存在明显差异。同一重构土层处理下，接菌与不接菌δ18O 值变化相接近，且接菌增加植物的水分利用深度，是由于接菌促进植物根系生长，进而影响玉米对水分的利用。
图4 不同处理玉米水、土壤水中δ18O 的变化Fig.4 Changes of δ18O in corn water and soil water under different treatments
基于δ18O 值的MixSIAR 模型水源分析结果如图5 所示。S0 主要吸收0～25 cm 处土壤水分，水分利用比例达到80%和74%。S1 主要吸收15～35 cm 处土壤水分，水分利用比例达到64%和66%。S2 主要吸收25～45 cm 处土壤水分，水分利用比例达到70%和64%。S3 主要吸收25～45 cm 处土壤水分，水分利用比例达到69%和67%。随着黄土掺比越多，玉米的水分利用深度也在不断向下。植物对各层的水分利用效率与土壤各层含水率的变化相一致，说明土壤中水分的变化也同样可以反映植物对水分的利用效率。而接菌处理在水分利用效率上无显著差异，这是由于MixSIAR 模型水源分析是在多因素影响下植物水分利用的预测估算，而接菌是微观地改变植物生长状况，所以接菌对植物水分利用效率无显著影响。
图5 不同处理玉米对各层水分利用比例Fig.5 The water utilization ratio of different maize treatments to each layer
2.4 玉米根系的提水效应
从图6 分析发现，玉米根系提水量接近单峰状，随着生育期推进，呈先增大后减小的趋势，在2021 年7 月5 日到7 月12 分别达到最大值(图6a)。所有处理中，S2+M 处理在整个阶段提水量及累积提水量均最高。不同重构土层下，S2 提水量最大，S0 提水量最低，S2 提水量比S0 提水量高30%。相同重构土层下，接菌的提水量均显著高于不接菌，但S3 接菌与不接菌提水量无显著差异，由于S3 接菌与不接菌玉米的长势差异也并不显著(图6b)。
图6 玉米水分胁迫下提水量Fig.6 The amount of water to be lifted under water stress in maize
3.1 重构土层对水分及植物根系分布的影响
本试验不同重构土层是由沙土与黄土不同配比混合而成，各重构土层的土壤机械组成存在很大差异。纯沙土重构土层的机械组成砂粒含量较多，粉粒、黏粒含量较少。因此，土壤的大孔隙较多，土质较松散，水分易蒸发下渗，不易保存被植物吸收利用，容易导致水资源浪费，这与采煤沉陷对沙地土壤水分运移的影响研究结果相似[15]，因此，纯沙土的重构土层不适合在干旱半干旱矿区应用。在沙土中添加黄土可以改变土壤的机械组成，会使原有的大孔隙被小颗粒填充。会随着黄土不断添加，土壤黏聚力更强，易于水分的保存，更适合干旱半干旱矿区土层重构。黄土的添加会导致小孔隙增加，增大土壤与根系的接触面积，促进植物根系发育。但本试验S3 根系的质量密度及根长密度均低于S2，原因可能是由于随着黄土掺比的增多，土壤太过紧实不易侧根的发育，这与压实土壤下柠条根系发育规律相似[16]。因此，沙土中添加黄土也不宜过多，本试验得出沙土中添加20%黄土的重构土层效果是最优的。同时，本实验中所有处理的玉米根系主要分布在土壤表层，这是由于玉米根系构型、遗传因素和重力、土壤阻力等环境因素的制约所导致[17]。因此，在黄土富集的西北部露天煤矿区，排土场重构采用沙土配比覆土方式具有更好的实践意义及对后期的植被生长和生态重建也具有重要意义。
3.2 接菌对植物根系及植物水分利用的影响
作为重要的内生真菌，DSE 在植物生长和养分吸收中具有积极的生态作用[18]。同时，DSE 具有广泛的寄主范围[19]，DSE 物种既具有禾本科寄主植物的特征，又具有非禾本科寄主植物的特征。本研究接种DSE提高了玉米的生长(株高、地径、叶面积、植物生物量)和根系形态(总根长、根表面积、根体积)，但对根径没有显著影响，这与Li Xia 等[20]的结果一致。DSE 分泌大量的酶可将土壤中的有机氮和难溶性磷等转化为可利用的形式，扩大营养库，从而促进植物生长[21]。并且接种DSE 可以通过调节根系内源激素的含量和比例来调节根系形态结构，促进根系生长。接种DSE 提高了植物对水分的利用效率，主要是因为DSE 可有效降低干旱胁迫对细胞超微结构的损伤，帮助宿主改善根系的形态和构型，扩大根系的吸收范围，增加根系与土壤的接触，进而提高根系对水分的吸收。与Liu Yan等[22]研究结果一致。接菌提高植物水分的利用深度，是因为植物根系具有向水生长性，当上层水分干燥时，根系会不断向下方水分含量高的土壤中生长，这与胡田田等[23]学者研究结果一致。DSE 作为一类内生真菌，其种类分布广、功能作用多，在提高植被成活率、植被环境适应性及生态功能稳定性方面表现出良好的应用前景，对于矿区生态微生物修复可持续发展具有更深远的意义。
3.3 重构土层、接菌对根系提水效应的影响
不同环境条件下，植物根系吸收水分的方式会有所不同。在西北部干旱半干旱矿区，降水量较低，光照强、蒸发量大，土壤表层水分较少，植物为了满足自身需求所需水量，很可能会通过根系利用更深层的土壤水分[24]。本次试验所有重构土层均是由下部供水，会产生一个表层土壤干燥、下层土壤湿润的水势梯度，而土壤水势正是决定根系提水作用的关键。夜间植物蒸腾作用较低，植物会通过深层根系将深层的水分输送到表层，从而会产生根系提水现象。不同重构土层由于机械组成的差异，导致各层含水量也存在差异。S2 与S0 相比，S2 的重构土层保水性更好，深层水分含量较高，表层与深层的水势梯度相差更大。因此，S2 植物的提水量更大、提水效果也更好。张扬等[25]利用上下桶装置，通过设置不同土壤水分状况，发现只有在上层干旱、下层湿润条件下，玉米才有根系提水现象，说明根系提水与上下桶的水势差有关，这与本试验结果一致，说明重构土层对根系提水效应的影响主要是由于不同重构土层水分差异所导致。
本试验中所有重构处理在接种DSE 后根系的提水量均有提高。一方面是因为DSE 真菌和植物形成菌根，进而延伸出黏质菌丝，促进植物在干旱环境中对水分和营养的运输，S.G.D.Santos 等[26]对此已有研究。另一个原因是接种DSE 可以促进植物根系的生长，从而提高植物的根系提水效率。同时菌根与植物也具有相互作用，当水分满足自身需求时植物也会将部分水分输送到菌根中供其吸收利用。王甜甜等[27]有相似的结论，这一现象也解释了本试验S2 提水量是最高的原因。玉米的提水量呈先增大后减小的趋势，是由于玉米在整个生育期前期根系较少提水作用不明显，随着生育期的推进根系不断向下生长提水效果逐渐显著，后期由于下层水分被吸收利用土壤水势梯度降低，植物提水量逐渐降低。卢佳等[28]发现植物的提水量也受其不同生育期的需水量所影响，这也是玉米整个生育期提水量发生变化的重要原因。因此，接种DSE 对植物根系提水作用具有积极作用，有待后续进一步研究。
a.不同重构土层水分分布不同，保水效果存在差异。纯沙土重构土层不利水分的保存，不适合在干旱半干旱矿区应用；
掺土40%重构土层虽保水效果好但土壤太过密实不易植物侧根的发育，不适合在矿区应用；
掺土20%重构土层保水效果好且植物根系发达、水分利用率高，易于植物的生长，适合干旱半干旱矿区的土体重构。
b.接种DSE 对重构土层植物根系生长具有促进作用，同时也提高了植物的水分利用效率及水分利用深度，掺土20%重构土层水分利用效率提高了6%，水分利用深度提高了5 cm。菌根与植物是相互影响的，掺土20%重构土层接菌后植物长势最好。
c.植物根系提水量主要受水势梯度及根系的影响。掺土20%重构土层水势梯度最大，植物根系发育最好，提水量最大。接菌对根系提水量的影响主要体现在接菌促进根系生长增加根系吸水面积，植物提水量也受植物整个生育期的需水量影响。
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