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Effect of combined application of microbial inoculum and fertilizer on white clover growth in reclaimed mine soil

菌剂与肥料配施对矿区复垦土壤白三叶草生长的影响



全 文 :中国生态农业学报 2011年 3月 第 19卷 第 2期
Chinese Journal of Eco-Agriculture, March 2011, 19(2): 280284


* 山西省科技攻关重大专项(2006031099-01)、国家科技支撑计划项目(2008BAD95B04)和山西省科技攻关项目(2007031060-2)资助
** 通讯作者: 郜春花(1963~), 研究员, 主要从事农业微生物、生态恢复方面的研究。E-mail: chunhuagao@163.com
李建华(1984~), 女, 硕士, 主要从事矿区复垦方面的研究。E-mail: jianhua0119@163.com
收稿日期: 2010-05-25 接受日期: 2010-10-28
DOI: 10.3724/SP.J.1011.2011.00280
菌剂与肥料配施对矿区复垦土壤白三叶草生长的影响*
李建华 郜春花** 卢朝东 张 强 靳东升 范继香
(山西省农业科学院农业环境与资源研究所 太原 030006)
摘 要 采用盆栽试验研究了矿区复垦土壤菌剂与肥料的不同配施对白三叶草(Trifolium repens Linn)生长的
影响。结果表明: 双接种 VA菌根真菌(Glomus mossea)和根瘤菌(Rhizobium)能显著提高白三叶草根瘤数、根瘤
鲜重和固氮酶活性, 根瘤数在有机肥双接种与无机肥双接种处理之间差异不显著, 而根瘤鲜重和固氮酶活性
差异显著; 肥料与各菌剂组合处理中, 有机肥双接种处理的白三叶草分枝数、干物质重最大; 在白三叶草生长
40 d和 150 d时, 双接种处理的叶片数均为各处理中最大值; 接种 VA菌根真菌、根瘤菌和双接种均可增加白
三叶草根系的菌根侵染率和土壤孢子数, 总体表现为双接种处理>接种 VA菌根真菌>接种根瘤菌, 有机肥相
应处理>无机肥相应处理>对照; 肥料与菌剂的配合施用可有效提高植物对土壤氮、磷、钾养分的吸收。在
矿区复垦土壤上有机肥与 VA 菌根真菌和根瘤菌菌剂配施能显著促进白三叶草的生长, 是提高矿区复垦土壤
植被恢复中比较适宜的组合方式。
关键词 矿区复垦土壤 有机肥 无机肥 微生物菌剂 白三叶草
中图分类号: S154.38 文献标识码: A 文章编号: 1671-3990(2011)02-0280-05
Effect of combined application of microbial inoculum and fertilizer
on white clover growth in reclaimed mine soil
LI Jian-Hua, GAO Chun-Hua, LU Chao-Dong, ZHANG Qiang, JIN Dong-Sheng, FAN Ji-Xiang
(Institute of Agricultural Environment and Resources, Shanxi Academy of Agricultural Sciences, Taiyuan 030006, China)
Abstract The effect of combined application of microbial inoculum and fertilizer on growth of white clover in reclaimed mine
soils were investigated in a pot experiment. Under dual inoculation of Glomus mossea and Rhizobium treatment, the number of
nodules, nodule fresh weight and nitrogenase activity in white clover increased significantly. For white clovers treated with either
dual inoculation of G. mossea and Rhizobium with organic mature or inorganic fertilizer, no significant difference existed in the
number of nodules. However, there were significant differences in nodule weight and nitrogenase activity. Both branch number and
dry biomass of white clovers were maximum for dual inoculation of G. mossea and Rhizobium with organic mature in all
treatments. Leaf number of white clovers was highest for the dual inoculation of G. mossea and Rhizobium on the 40th and 150th days
of growth. Both colonization infection rate and soil bacteria spore number increased under inoculation of G. mossea and/or
Rhizobium with general effectiveness orders of inoculation treatment of dual inoculation of G. mossea and Rhizobium>G. Mossea
inoculation>Rhizobium inoculation, and orders of fertilizer treatment of organic fertilizer>inorganic fertilizer>control. Furthermore,
the combined application of fertilizer and microbial inoculum effectively improved soil N, P, K utilization by white clovers. The
combined application of organic fertilizer with G. mossea and Rhizobium significantly promoted the growth of white clover in
reclaimed mine soils.
Key words Reclaimed mine soil, Organic fertilizer, Inorganic fertilizer, Microbial inoculum, White clover
(Received May 25, 2010; accepted Oct. 28, 2010)
煤炭是我国重要的能源, 占一次性能源的 70%
左右。工矿区项目建设和开采不仅破坏原地形地貌、
毁坏现有自然植被, 并使其丧失蓄水保土功能, 而
且会形成大量废土、弃渣, 占用和破坏耕地资源[12],
第 2期 李建华等: 菌剂与肥料配施对矿区复垦土壤白三叶草生长的影响 281


进而影响农作物生长和人类健康[3]。因此, 加快矿区
复垦地植被的恢复重建, 已成为一项紧迫且极其重
要的研究内容[4]。
研究表明在矿区复垦土壤上接种菌根真菌能够
明显改善植物的生长状况, 帮助植物吸收必需的营养
元素, 缩短复垦周期, 加速生态重建速度[5]。双接种
VA 菌根真菌和根瘤菌可增加根际土壤酸性和碱性
磷酸酶活性, 提高氮磷吸收速率, 促进植物生长[67]。
但长期实践证明单纯施用微生物肥料不能满足作物
生长的需要, 尤其在贫瘠土壤上, 生物肥的增产效
果有限, 与其他肥料配合施用效果更好[8]。目前有关
微生物菌剂与其他肥料配施在矿区复垦生态重建中
的应用还少见报道。因此, 本课题组在研究接种 VA
菌根真菌和根瘤菌菌剂对矿区复垦土壤养分及植物
吸收养分影响的基础上 [6], 继续进行菌剂与肥料配
施对白三叶草生物量及其生长指标等方面的影响研
究, 筛选适宜煤矿区复垦土壤特殊立地条件的微生
物菌剂和肥料的优势组合模式, 为加快矿区生态恢
复提供理论依据。
1 研究地区概况与研究方法
1.1 研究地区概况
试验地点设在山西省长治市郊区黄碾镇故县村
(东经 113°02′19″, 北纬 36°52′45″), 属潞安集团王庄
煤矿井田范围。20世纪 70年代开始地表沉陷, 2003
年前后沉陷稳定。沉陷前土地平整, 灌溉条件较好,
以种植蔬菜、小麦为主; 沉陷后地形呈马鞍状, 水浇
地变成了旱薄地, 土地生产力严重下降。
1.2 盆栽土壤的采集和基础养分含量
试验地面积为 0.6 hm2, 采用混推复垦方式整平,
按 S 型路线采集土样, 共采集 60 个点, 每点采样 1
m2, 采样深度为 0~20 cm, 带回实验室混合、过筛后
进行盆栽试验。混合样中另取 0.5 kg土样风干、过
筛后进行分析, 测得土壤的基本化学性质为: 有机
质 4.14 g·kg1, 全氮 0.45 g·kg1, 有效磷 1.22
mg·kg1, 速效钾 51.50 mg·kg1, pH 8.41。
1.3 供试材料
供试菌种 : VA 菌根为摩西球囊霉 (Glomus
mossea), 由北京市农林科学院提供; 三叶草根瘤菌
(Rhizobium leguminosarum bivar trifolii Dangeard),
由中国农业科学院提供。
试验作物白三叶草(Trifolium repens Linn)为豆
科三叶草属多年生牧草, 发芽率 95%。
1.4 盆栽试验
盆栽试验在山西省农业科学院土壤肥料研究所
日光温室内进行, 2008年 1月播种, 使用高 19 cm、
盆口直径 20 cm、盆底直径 16 cm的塑料盆, 每盆装
土 5 kg, 出苗 1周后每盆定苗 100株。
试验分别以无机肥(NPK)或有机肥(OM)做底肥,
各设 4个处理: 不接种对照(CK1)、接种 VA菌根真
菌(VA)、接种根瘤菌(R)、双接种 VA菌根真菌和根
瘤菌(VA+R); 另设不施肥不接种对照(CK0)。共 9
个处理(表 1), 4次重复, 采取完全随机区组排列。
接种 VA菌根真菌处理是将 20 g菌剂均匀撒施
在种子下约 2 cm处并覆土; 相应对照加入相同重量
的灭菌 VA 菌剂。接种根瘤菌处理用液体菌剂拌种,
相应对照用无菌水拌种。双接种 VA 菌根真菌和根
瘤菌处理是将 20 g VA菌剂均匀撒施在用液体根瘤
菌剂拌种处理的种子下约 2 cm处并覆土。盆施无机
肥水平: N 61.73 mg·kg1, P2O5 40 mg·kg1, K2O 66.67
mg·kg1, 以液体形式施入; 有机肥 3 g·kg1, 与土
混匀直接装盆。有机肥为膨化处理过的鸡粪(N 21.4
g·kg1, P2O5 20.1 g·kg1, K2O 18.4 g·kg1)。
在三叶草播种后第 40 d、80 d、150 d分别进行
分枝数和叶片数调查, 140 d后取根系做菌根真菌侵
染试验, 150 d后收获, 同时取根际土壤做土壤孢子
密度测定, 以及植株生物量、根系固氮能力、植株
养分分析测定。
1.5 项目分析方法
植物样品氮、磷、钾含量采用实验室常规方法测
定[9], 根瘤菌固氮酶活性用气相色谱仪乙炔还原法测
定[10], 土壤孢子密度采用湿筛倾析法测定[11], 植株根
系菌根浸染率的测定随机取鲜根段 50~100 条以
Phillips 和 Hayman[12]染色方法染色后, 采用交叉划线
法进行镜检测定侵染根段数, 并计算侵染率[菌根侵染
率(%)=侵染菌根的根段数/镜检根段总数×100%]。

表1 试验设计
Tab. 1 The design of pot experiment
不接种对照(CK1)
No inoculum
接种根瘤菌(R)
Inoculation of Rhizobium
接种 VA菌根真菌(VA)
Inoculation of G. mossea
双接种 VA菌根真菌和根瘤菌(VA+R)
Dual inoculation of
G. mossea and Rhizobium
不施肥对照 No fertilizer (CK2) CK0 — — —
施无机肥 Inorganic fertilizer (NPK) CK-NPK R-NPK VA-NPK (VA+R)-NPK
施有机肥 Organic manure (OM) CK-OM R-OM VA-OM (VA+R)-OM

282 中国生态农业学报 2011 第 19卷



测定结果用 Excel、SPSS 13.0 软件进行统计分析。
2 结果与分析
2.1 菌剂与肥料配施对白三叶草生物指标的影响
2.1.1 对干物质量的影响
表 2 结果表明, 不接种情况下施有机肥或无机
肥均能显著提高白三叶草干物质量, 但有机肥与无
机肥处理之间差异不显著, 增产率分别为 76.88%、
74.46%。无机肥与各菌剂组合处理中, 双接种 VA菌
根真菌和根瘤菌组合[(VA+R)-NPK]的白三叶草干物
质量最大, 较根瘤菌组合(R-NPK)提高 49.32%, 较
VA菌根真菌组合(VA-NPK)提高 9.30%。有机肥与各
菌剂组合中 , 双接种 VA 菌根真菌和根瘤菌组合
[(VA+R)-OM]白三叶草干物质量显著高于其他组合,
较对照(CK-OM)、单接种根瘤菌(R-OM)、单接种 VA
菌根真菌 (VA-OM)分别提高 68.16%、 40.81%、
8.12%。有机肥与菌剂配施对白三叶草干物质量的促
进效应优于相应无机肥与菌剂的配施, 且有机肥与
VA菌根真菌和根瘤菌双接种组合最佳。

表 2 菌剂与肥料配施对白三叶草干物质量的影响
Tab. 2 Effect of combined application of microbial inoculum
and fertilizer on dry biomass of white clover g·pot1
CK1 R VA VA+R
CK2 7.83a
NPK 13.66b 14.72b 20.11d 21.98d
OM 13.85b 16.54c 21.54d 23.29e
不同小写字母表示处理间 0.05 水平上差异显著 , 下同。
Different small letters indicate significant difference among treatments
at 0.05 level. The same below.

研究表明, 双接种 VA 菌根真菌和根瘤菌对白
三叶草表现为协同促进作用, 根瘤菌通过生物固氮
为豆科植物生长提供有效氮源, VA菌根真菌为植物
提供有效磷。充足的氮素营养改善了植物体内的生
理活动, 能增加叶面积、延长光合作用时间, 提高光
合作用效率。良好的磷素营养促进了植物的光合作
用和同化物运输等, 并且使植物在水分消耗和 CO2
同化及代谢之间保持平衡, 因而表现为干物质量累
积增多[5]。
2.1.2 对分枝数的影响
白三叶草生长 40 d、80 d和 150 d时分别进行
分枝数调查, 结果显示(表 3)在白三叶草生长 40 d时,
施肥对白三叶草分枝数的影响较大, 无机肥和有机
肥都能显著提高白三叶草的分枝数, 且有机肥和无
机肥相应处理之间差异显著, 有机肥效果更佳, 有
机肥双接种处理[(VA+R)-OM]的分枝数最高。
在白三叶草生长 80 d时, 不同接种处理中有机
肥和无机肥相应处理间差异显著。有机肥与菌剂配
施优于无机肥相应处理, 有机肥双接种处理[(VA+R)-
OM]与单接种 VA 菌根真菌处理(VA-OM)之间差异
不显著。
在白三叶草生长 150 d时, 对照处理(CK0)分枝
数随时间延长增加幅度最大, 为 80 d 时的 3.36 倍,
这可能与对照处理的植物生物量小、透光性好等原
因有关。此时, 各接种处理仍表现为有机肥各处理
优于无机肥相应处理, 有机肥双接种处理[(VA+R)-
OM]白三叶草分枝数最高。说明在有机肥条件下, VA
菌根真菌和根瘤菌对植物生长有协同促进作用。
2.1.3 对叶片数的影响
白三叶草生长 40 d、80 d和 150 d分别进行叶
片数调查, 结果表明(表 4)有机肥各接种处理叶片数
高于无机肥相应处理。在白三叶草生长 40 d时, 有
机肥与各菌剂组合处理中 , 双接种[(VA+R)-OM]和
单接 VA 菌根真菌(VA-OM)处理叶片数最多, 且处
理之间差异不显著。

表 3 菌剂与肥料配施对白三叶草分枝数的影响
Tab. 3 Effect of combined application of microbial inoculum and fertilizer on branch numbers of white clover
40 d 80 d 150 d

CK1 R VA VA+R CK1 R VA VA+R CK1 R VA VA+R
CK2 1.60a 1.79a 6.02a
NPK 2.67b 2.56b 2.55b 2.73c 3.52b 3.68bc 4.11d 4.40e 7.02b 7.78b 8.31bc 8.90c
OM 2.91d 2.85cd 3.47e 3.53f 3.96c 4.40e 4.74f 4.74f 7.56b 8.80c 9.04d 9.44e

表 4 菌剂与肥料配施对白三叶草叶片数目的影响
Tab. 4 Effect of combined application of microbial inoculum and fertilizer on leaf number of white clover
40 d 80 d 150 d

CK1 R VA VA+R CK1 R VA VA+R CK1 R VA VA+R
CK2 177.69a 200.00a 670.75a
NPK 266.60b 255.95b 314.66c 302.45c 353.79b 377.78c 506.25d 486.75d 709.38b 813.67c 930.69cd 990.55e
OM 325.81cd 331.50d 401.86e 402.76e 409.13cd 512.75d 549.00e 540.00e 768.17b 970.07d 975.42d 1 008.63e

第 2期 李建华等: 菌剂与肥料配施对矿区复垦土壤白三叶草生长的影响 283


白三叶草生长 80 d时, 无机肥与各菌剂组合处
理中, 接种 VA 菌根真菌 (VA-NPK) 叶片数最多,
较对照(CK-NPK)增加 43.09% , 有机肥与各菌剂组
合中, 接种 VA菌根真菌 (VA-OM) 叶片数最多, 较
对照(CK-OM)增加 34.19%。
白三叶草生长 150 d时, 对照(CK0)白三叶草叶
片较小, 叶片数增加最多, 为 80 d时的 3.35倍。但
白三叶草叶片数仍以双接种处理(VA+R)最多, 且有
机肥、无机肥处理之间差异不显著。
2.2 菌剂与肥料配施对白三叶草菌根侵染的影响
表 5 结果表明, 不接种处理土壤中仍有菌根真
菌的侵染, 这是由于试验土壤中存在的土著菌根真
菌侵染宿主植物根系。无机肥与各菌剂组合处理中,
接种根瘤菌(R-NPK)提高了土著菌根真菌对白三叶
草的侵染, 接种 VA 菌根真菌处理(VA-NPK)的菌根
侵染率、土壤孢子密度显著高于不接种处理 (CK-
NPK)和单接种根瘤菌处理 (R-NPK), 双接种处理
[(VA+R)-NPK]的菌根侵染率、土壤孢子密度最大 ;
有机肥与各菌剂组合处理与无机肥相应处理总体上
表现出相同趋势。

表 5 菌剂与肥料配施对白三叶草菌根侵染率和土壤菌
根真菌孢子密度的影响
Tab. 5 Effect of combined application of microbial inoculum
and fertilizer on mycorrhiza colonization rate and spore density
of mycorrhiza fungi in white clover soil
菌根侵染率
Mycorrhiza colonization
infection rate (%)
土壤孢子密度
Soil spore density of
mycorrhiza fungi
[No.·g1(soil)]

CK1 R VA VA+R CK1 R VA VA+R
CK2 23.43a 3.71ab
NPK 24.83b 40.63c 66.53e 77.53f 3.34a 4.97bc 6.36e 11.70f
OM 24.90b 53.33d 66.85e 70.87f 4.28ab 5.07bc 10.63f 19.77g

研究表明, VA菌根真菌与根瘤菌双接种(VA+R)
显著提高了三叶草根系的侵染率, 这与李淑敏等 [7]
的研究结果一致。双接种 VA 菌根真菌和根瘤菌能
增强根际土壤酸性和碱性磷酸酶活性, 加速氮和磷
的吸收, 对改善作物生长环境, 促进作物生长有重
要意义[7]。同时菌剂与肥料的配施有助于菌根真菌
侵染, 施有机肥能更有效地促进菌根真菌对植株的
侵染。
2.3 菌剂与肥料配施对白三叶草根系固氮能力的
影响
白三叶草是具有固氮能力的豆科牧草, 在矿区
复垦土壤上, 不接种根瘤菌根系也能产生根瘤, 但
固氮酶活性较低; 接种根瘤菌处理的根瘤数、根瘤
鲜重、固氮酶活性都高于不接种处理, 且差异显著
(表 6)。谢英荷等[13]的研究结果也表明有效根瘤的形
成与接种根瘤菌有直接关系, 在根瘤菌作用下, 白
三叶草的结瘤能力和固氮酶活性有大幅提高。双接
种丛枝菌根真菌和根瘤菌处理的白三叶草根瘤数、
根瘤鲜重、固氮酶活性又显著高于单接种根瘤菌处
理(表 6)。说明 VA菌根真菌和根瘤菌具有互惠互利
的协同增效作用, 菌根的侵染可为植物提供大量磷
素, 满足根瘤固氮作用对磷的需求, 提高固氮酶活
性, 进而促进根瘤菌的固氮作用[1416]。
白三叶草根瘤数、根瘤鲜重、固氮酶活性等各
项指标在有机肥和无机肥处理之间差异基本不显著,
接种菌剂处理中有机肥条件下三叶草根瘤菌的固氮
酶活性略高于无机肥条件(表 6)。
2.4 菌剂与肥料配施对白三叶草养分吸收的影响
表 7 结果表明, 在矿区复垦土壤上施用肥料能
提高白三叶草对土壤中氮、磷、钾营养的吸收, 接
种菌剂也能显著提高白三叶草对土壤养分的吸收 ,
表明在矿区复垦土壤上肥料与菌剂的配合施用可有
效提高植物对土壤养分的利用率。有机肥双接种处
理[(VA+R)-OM]白三叶草吸收氮的能力最强 , 与其
他处理之间差异显著, 是对照(CK0)的 2.62倍; 白三
叶草对磷营养的吸收表现为有机肥接种丛枝菌根真
菌(VA-OM)处理最优, 是对照(CK0)的 5.35倍; 白三
叶草对钾营养的吸收表现为无机肥各处理优于有机
肥相应处理, 以无机肥双接种处理[(VA+R)-NPK]为
最优, 是空白对照(CK0)的 2.28倍。

表 6 菌剂与肥料配施对白三叶草根系固氮能力的影响
Tab. 6 Effect of combined application of microbial inoculum and fertilizer on nitrogen fixation ability of white clover root
根瘤数
Number of nodules per pot
根瘤鲜重
Fresh weight of nodules (mg·pot1)
固氮酶活性
Nitrogenase activity [µmol(C2H4)·g1·h1]
CK1 R VA VA+R CK1 R VA VA+R CK1 R VA VA+R
CK2 5.10a 4.13a 0.083a
NPK 5.80b 29.20d 6.40b 35.80e 4.31b 33.52d 5.02c 42.90f 0.18b 1.07d 0.25c 1.24e
OM 5.60b 28.90d 7.10c 37.20e 4.33b 32.78d 4.98c 36.40e 0.18b 1.10d 0.25c 1.43f


284 中国生态农业学报 2011 第 19卷


表 7 菌剂与肥料配施对白三叶草养分吸收的影响
Tab. 7 Effect of combined application of microbial inoculum and fertilizer on nutrient uptake of white clover mg
吸氮量
Total nitrogen uptake
吸磷量
Total phosphorus uptake
吸钾量
Total potassium uptake
CK1 R VA VA+R CK1 R VA VA+R CK1 R VA VA+R
CK2 251.92a 12.71a 191.66a
NPK 388.10b 447.87cd 577.04e 609.17ef 24.34b 25.14bc 34.75cd 45.14e 321.93c 359.59d 418.41f 436.90g
OM 418.51c 494.51d 611.83f 660.03g 1.61c 37.79d 67.95g 59.35f 300.84b 295.05b 374.53ef 364.46e

3 结论与讨论
VA菌根真菌与根瘤菌双接种于豆科植物, 对植
物生长有协同修复作用[17]。汪洪钢等[18]以离体绿豆
根器官为材料的研究表明, 菌根真菌可直接侵入根
瘤内, 为根瘤固氮提供磷素营养, 同时蚕豆根瘤固
氮为菌根真菌提供氮素营养, 改善菌根真菌的营养
状况。本试验研究证明了双接种能显著增加白三叶
草的生物量, 提高白三叶草根瘤数、根瘤鲜重、根
瘤的固氮酶活性, 增强根系菌根真菌的侵染率和土
壤孢子密度, 进而提高白三叶草利用土壤中有效态
氮、磷、钾的能力。
同时试验表明, 在矿区复垦土壤上有机肥与菌
剂配施的综合效果优于相应无机肥与菌剂配施, 具
体表现为有机肥相应处理>无机肥相应处理>对
照。其原因一方面有机肥能改善养分库容, 提高土
壤供肥容量, 增加基质中有机质含量, 尤其是活性
有机质含量 , 为微生物提供丰富的能源和营养源 ,
促进微生物的活性与增殖; 另一方面, 施用有机肥
能有效增加和活化土壤养分 , 改善土壤理化性质 ,
促进微生物活动, 增强土壤调理功能[1920]。
因此, 在煤矿复垦区特殊立地条件下种植豆科
牧草, 有机肥与 VA 菌根真菌和根瘤菌配施能提高
植物生长速率、促进植物对养分的吸收, 是矿区复
垦初期土壤植被恢复中比较适宜的组合模式。
参考文献
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