胡一民，蘇鑫裕，李 俠，*

（1.中國農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，北京100193；2.山西大同大學生命科學學院，山西大同037009）

工業(yè)廢棄地因工業(yè)生產(chǎn)嚴重破壞了該區(qū)域土壤的生態(tài)環(huán)境，使得該區(qū)域土壤重金屬含量升高，土壤礦質(zhì)養(yǎng)分流失，土壤有機質(zhì)含量下降，植物群落多樣性呈現(xiàn)出顯著的下降趨勢[1-2]。植物作為自然生態(tài)系統(tǒng)中的生產(chǎn)者，在維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定中發(fā)揮著重要作用。然而，不當?shù)墓I(yè)生產(chǎn)破壞了區(qū)域內(nèi)土壤生態(tài)系統(tǒng)平衡，影響了土壤生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性[3]，因此關(guān)注工業(yè)廢棄地植物群落多樣性對于該區(qū)域生態(tài)環(huán)境穩(wěn)定性有關(guān)鍵的指示作用。

叢枝菌根真菌（arbuscular mycorrhizal fungi，AMF）是一類寄生在植物根系內(nèi)的真菌。它分布極為廣泛，能與90%以上的植物根系形成菌根共生體[4]。AMF 能夠在土壤結(jié)構(gòu)和肥力條件貧瘠的逆境下通過其侵染植物形成的龐大菌絲網(wǎng)絡(luò)來提高植物對于土壤中礦質(zhì)養(yǎng)分的吸收，尤其是對于一些生物有效性低的礦質(zhì)元素[5]。AMF 對自然生態(tài)系統(tǒng)中植物群落組成、植物多樣性及生產(chǎn)力維持具有重要作用[6]。

氮素是植物生長所需的大量元素，自然生態(tài)系統(tǒng)中越來越多的氮素投入會使植物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，影響植物多樣性[7]。隨著氮素的不斷輸入，對于一些生態(tài)系統(tǒng)（森林生態(tài)系統(tǒng)，草地生態(tài)系統(tǒng)），其植物多樣性出現(xiàn)降低的趨勢[8-9]。因此探討不同氮肥水平下AMF 對工業(yè)廢棄地植物生產(chǎn)力和多樣性的影響，能夠為工業(yè)廢棄地植被的修復和生態(tài)重設(shè)提供理論支撐及保持區(qū)域土壤生態(tài)環(huán)境提供一些理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗區(qū)概況

試驗安排在山西大同大學北校區(qū)工業(yè)廢棄地區(qū)域內(nèi)，試驗區(qū)地勢較為平坦，海拔高度為1 056 m，GPS 坐標為40°5′18″N，113°21′4″E，地處黃土高原東北邊緣，屬溫帶大陸性季風氣候，全年溫差較大，年平均氣溫5.5℃，年平均降水量400 mL，主要集中在7 月和8 月。試驗區(qū)土壤土層排列凌亂，其中包含多種建筑廢物，如瓷磚塊、玻璃、石塊石礫、混凝土塊、金屬等，土壤較為壓實和板結(jié)。土壤貧瘠，有機質(zhì)、水分含量均較低，pH（H2O，1∶5 土/水）7.86，有機質(zhì)含量（Schollenberger method）0.25%，速效磷含量（Olsen method）1.83 mg/kg，電導率0.216 mS/cm。

1.2 試驗設(shè)計

2018 年3 月，在試驗區(qū)植物群落中，布置18 個1.5 m×1.5 m 的樣方，所有樣方全部用棉繩圍圈，四周用土壘住。各個樣方之間的間隔至少為1 m。布置樣方時，植物尚未完全萌發(fā)。在18 個樣方中共設(shè)2 個因素，A 因素設(shè)2 個水平即水與滅菌劑；B 因素為不同的施氮水平，設(shè)定3 個水平分別為N0、N1、N2，共進行6 個不同處理，分別是水+N0、水+N1、水+N2 和滅菌劑+N0、滅菌劑+N1、滅菌劑+N2，每個處理3 次重復，進行完全試驗，實施在18 個樣方內(nèi)，各個樣方按照抽簽的方式隨機分布如圖1 所示。

圖1 試驗設(shè)計方案

滅菌劑采用苯菌靈（江蘇藍豐生物化工股份有限公司產(chǎn)），劑量按照O’Connor et al.（2002）[10]的用量來設(shè)計，每個滅菌劑處理樣方澆灌15 L 溶有9 g苯菌靈的水溶液，水處理的樣方澆灌15 L 水。氮素設(shè)定的3 個水平為：N0=0 g/m2、N1=15 g/m2、N2=30 g/m2。氮素的處理采用含氮量較高的NH4NO3，樣方面積為2.25 m2所需的NH4NO3加入量對應為：N0=0 g、N1=96.43 g、N2=192.86 g。滅菌劑與氮素混合處理時將NH4NO3與苯菌靈一同溶進水里進行澆灌，每個樣方均以15 L 水為標準。試驗分2 次進行處理，2 次相隔20 d，氮素每次各施入1/2 的量，苯菌靈則每次均按照標準施入。

于4 月5 日開始第1 次處理樣方，4 月25 日進行樣方的第2 次處理，與第1 次處理完全相同。在5月15 日試驗結(jié)束時統(tǒng)計每個樣方中植物的種類和株數(shù)，并計算各樣方中的植物密度、蓋度、物種數(shù)目及物種的多樣性。

1.3 試驗指標測定

1.3.1 植物的生產(chǎn)力。5 月15 日試驗結(jié)束時，將樣方中所有植物連同根部一起挖出，每株植物都剪成地上和地下2 個部分，地下部的植物根系用于測定菌根侵染狀況，地上部則用于測定植物的生產(chǎn)力。

分別稱量植物地上部分的鮮重，之后將全株放入烘干箱內(nèi)于105℃下烘干30 min，進行殺青。殺青后，在80℃的烘箱內(nèi)再烘干2～3 h，至重量恒定為止，烘干結(jié)束后進行稱量，記錄地上部干重。

1.3.2 植物的多樣性。物種的多樣性是指群落中物種的數(shù)目和每一物種的個體數(shù)目。多樣性指數(shù)是豐富度和均勻性的綜合指標，最常用的香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)（Shannon-Weiner，H）計算公式為：

式中，H為信息量，即物種的多樣性指數(shù)；S為物種數(shù)目，Pi為物種i的個體ni在全部個體N中的比例。H信息量越大，不確定性也越高，多樣性也就越高，生態(tài)系統(tǒng)也加越穩(wěn)定[11]。

收獲時，首先統(tǒng)計各種不同處理的樣方內(nèi)植物的種類，然后根據(jù)公式計算出各個不同處理條件下的植物的多樣性指數(shù)即信息量H。

1.3.3 數(shù)據(jù)分析。試驗所得數(shù)據(jù)用sigmaplot12.5 做柱狀圖，并采用IBM SPSS Statistics 22 對數(shù)據(jù)進行方差分析，用LSD、Duncan 法進行多重性比較，以確定差異的顯著性。

2 結(jié)果與分析

2.1 植物的生產(chǎn)力

從圖2 可以看出，在N0、N1 條件下，用水處理和苯菌靈處理的植物的地上部干重的差異并未達到顯著水平；而在N2 條件下，用水處理后的植物地上部干重顯著高于用苯菌靈處理的結(jié)果（P＜0.05）。在全部水處理的條件下，植物地上部干重只有在N0 與N2 兩者之間達到顯著差異（P＜0.05），而N0、N2 與N1 均沒有出現(xiàn)顯著差異；在全部苯菌靈處理的條件下，植物地上部干重在N0、N1、N3 三者之間均未出現(xiàn)顯著差異。

圖2 不同處理下植物的地上部干重

2.2 植物的多樣性結(jié)果分析

由表1 可知，N0 水平下，水處理的樣方內(nèi)植物種類為4 種：克氏針茅、沙鞭、假紫草、苦苣菜；苯菌靈處理的樣方內(nèi)的植物種類為3 種：克氏針茅、沙鞭、大薊。N1 水平下，水處理的樣方內(nèi)植物種類為4 種：克氏針茅、沙鞭、假紫草、大薊；苯菌靈處理的樣方內(nèi)的植物種類為3 種：克氏針茅、沙鞭、苦苣菜。N2 水平下，水處理的樣方內(nèi)植物種類為5 種：克氏針茅、沙鞭、假紫草、苦苣菜、薺菜；苯菌靈處理的樣方內(nèi)的植物種類為4 種：克氏針茅、沙鞭、苦苣菜、大薊。在全部苯菌靈處理的樣方內(nèi)，隨氮素水平的變化，物種的數(shù)目沒有出現(xiàn)明顯的差異，而且均未發(fā)現(xiàn)假紫草和薺菜。而在全部水處理的樣方內(nèi)，物種的數(shù)目也不受施氮水平的影響，N1、N2、N3 水平下均有假紫草，N1 水平下有薺菜。在用水處理的全部樣方內(nèi)出現(xiàn)的植物的數(shù)目總數(shù)累積為13 種（包括重復物種），明顯高于苯菌靈處理的10 種。

從圖3 可以看出，N0 水平下，水處理的多樣性指數(shù)高于苯菌靈的處理，分別為0.598、0.335；N1 水平下，水處理的多樣性指數(shù)也高于苯菌靈，分別為0.796、0.569；N2 水平下，水處理的多樣性指數(shù)仍高于苯菌靈處理，分別為1.096、0.618。在同一施氮水平下，用水處理的樣方內(nèi)的物種多樣性指數(shù)均高于苯菌靈處理，僅在苯菌靈+N2 處理中的物種多樣性指數(shù)略低于水+N1 處理。

表1 不同處理中的植物種類

圖3 不同處理下物種的多樣性

3 討論與結(jié)論

在自然生態(tài)系統(tǒng)中，AMF 分布極為廣泛，對植物的生長影響顯著。該次試驗中，對于植物的生產(chǎn)力，在全部的苯菌靈處理中，植物的地上部干重在不同施氮水平下，相互之間的差異均未達到顯著水平；而在全部的水處理下，N0 與N2 水平之間的差異達到顯著。這說明氮肥與AM 真菌協(xié)同處理有利于菌根效應的發(fā)揮，促進植物生物量積累。這與龍顯莉等[12]的研究結(jié)果一致。土壤含氮量影響植物與菌根的相互作用，在氮素含量很低的工業(yè)廢棄地，菌根也是一個有效的供氮途徑，有研究表明，在氮素含量受限的土壤中，植物會較大比例的利用來自菌根的氮素[13]。該次試驗結(jié)果表明，隨著土壤中氮素含量的升高，AMF 對植物地上部的積累有促進作用。分析原因可能是AMF 促進了植物對土壤中其他生物有效性低的礦質(zhì)元素的吸收，從而表現(xiàn)出生物量的積累[14]。

對于物種的多樣性，同一施氮水平下，水處理的樣方內(nèi)的香農(nóng)-維納多樣性指數(shù)（Shannon-Weiner，H）顯著高于苯菌靈的處理，兩因素之間差異達到顯著水平。說明在工業(yè)廢棄地生態(tài)系統(tǒng)內(nèi)AMF 可以顯著提高了物種多樣性和物種豐度，這一結(jié)論與康前等人在廢棄礦地土壤生態(tài)系統(tǒng)中的得到的結(jié)果具有一致性[15]。對于植物的多樣性，水處理條件下，不同施氮水平樣方內(nèi)的植物多樣性表現(xiàn)出顯著差異，隨著施氮量的升高，植物多樣性增加。當?shù)屎窟_到9 t/hm2時，氮肥施用對植物豐富度有顯著的負效應[16]，該次試驗氮肥投入量最高為30 g/m2，是9 t/hm2標準的1/2，說明氮肥含量在一定范圍內(nèi)，AMF 有助于植物多樣性的提高。苯菌靈+N2 水平這一處理的物種多樣性指數(shù)要略高于水+N0 水平的處理，說明AMF 對廢棄地物種多樣性提高的效應相當于施加N2 水平氮肥的效應。不同的是，相較于水+N0 水平處理，苯菌靈+N2 水平處理需要不斷投入外源氮肥以保證土壤中一定含量的氮素。適當施用氮肥能夠有效提高植物產(chǎn)量，但過量氮肥的投入容易造成因氮肥損失而產(chǎn)生的諸多環(huán)境問題，從而降低氮肥利用率[17]。AMF 只需要接種一次就可以在土壤中大量繁殖，無需每年接種，節(jié)約成本同時提高土壤肥力，維持生態(tài)平衡，保護生態(tài)環(huán)境[18]。

工業(yè)廢棄地由于其土壤較為貧瘠，造成廢棄地內(nèi)植物的生態(tài)指標下降，植物的生產(chǎn)力也相對較低，物種多樣性降低，使得城市工業(yè)廢棄地這一生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，同時自我調(diào)節(jié)能力也不斷減弱[19]。因此，將AMF 接種到工業(yè)廢棄地多種植物根系內(nèi)，形成有利于植物生長的菌根，同時，在一定范圍內(nèi)加大氮肥的施入量應該可以顯著的改善工業(yè)廢棄地內(nèi)的植物的生長狀況，提高植物的生產(chǎn)力，提高物種的豐富度和多樣性。這樣不僅有利于提高工業(yè)廢棄地植被的自我修復能力，增加生態(tài)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和自我調(diào)節(jié)能力，還能夠有效改善工業(yè)廢棄地植被的覆蓋率，從而將無用的廢棄地通過其生態(tài)修復能力變?yōu)槌鞘芯坝^，在一定程度上解決了目前城市建設(shè)發(fā)展過程中遇到的環(huán)境污染和生態(tài)系統(tǒng)破壞這一難題。