CN115067153A - 一种dse和amf联合增强根系抗拉伤和根土复合体抗剪切的方法 - Google Patents

一种dse和amf联合增强根系抗拉伤和根土复合体抗剪切的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种DSE和AMF联合增强根系抗拉伤和根土复合体抗剪切的方法。该方法包括如下步骤：自地表10‑40cm深度土壤中加入丛枝菌根真菌AMF和深色有隔内生真菌DSE的联合菌剂，将联合菌剂与土壤混合拌匀后，播种种子，培养使接菌根系侵染率达到60％以上，菌丝密度达到5m/g土以上。本发明提供的方法，可以显著提升植物根系抗拉伤强度与根土复合体稳定性，具有重要现实生态应用潜力和价值，为微生物修复技术应用于矿区地质工程生态修复开拓一种新的研究角度和方法。

Description

一种DSE和AMF联合增强根系抗拉伤和根土复合体抗剪切的 方法
技术领域
本发明涉及地质工程力学和生态修复领域，具体为一种利用DSE和AMF联合增强植物根系抗拉伤和根土复合体抗剪切的技术方法。
背景技术
随着矿业资源开发，矿区生态环境问题逐渐突显，煤炭资源井工开采导致地表沉陷，露天矿排土场堆放致使边坡地质灾害频发。不同开采方式对生态环境的损伤特点不同，但均对植物根系产生影响与作用。井工开采沉陷裂缝发育对植被根系造成了不同程度的拉伤或损伤，致使植被成活率降低，生物种群锐减、土地质量退化。露天开采排土场堆放的边坡不稳定性导致地质灾害频发，生态重建难度加大。根系发育好坏是关系到生态修复能否成功的核心，植物根系不仅能从土壤中吸收水分和养分，还能改良土壤结构和成分，增强土体抗拉伤和抗剪切作用，对于矿山生态修复具有重要作用。
目前微生物修复技术在煤矿区沉陷地和露天排土场取得了较好的生态修复效应。丛枝菌根真菌(AMF)和深色有隔内生真菌(DSE)为常用矿山微生物修复菌剂，两种真菌都能侵染植物根系促进根系功能发育，且均能生成根外菌丝，增强根系与土壤的接触面积，促进宿主植物对养分的吸收利用，提高宿主的适应性或营养状况，增强对拉伤或其他胁迫的抵抗性。将两种真菌引入生物修复的力学特性研究，比较菌根复合土粘聚力与含根量等指标对抗拉伤和抗剪切的作用，揭示菌根系力学强度特性及根菌复合土力学变化特征，以期为微生物修复在采煤沉陷地或排土场废弃地的力学研究提供新思路和方法。
发明内容
本发明旨在针对保护和提升矿区植物根系生长发育及力学不稳定的问题，提供一种利用丛枝菌根真菌(AMF)和深色有隔内生真菌(DSE)联合增强植物根系抗拉伤和根土复合体抗剪切(强度)的方法。
本发明提供的DSE和AMF联合增强根系抗拉伤和根土复合体抗剪切(强度)的方法，包括如下步骤：
自地表10-40cm深度土壤中加入丛枝菌根真菌AMF和深色有隔内生真菌DSE的联合菌剂，将联合菌剂与土壤混合拌匀后，播种种子，培养使接菌根系侵染率达到60％以上，菌丝密度达到5m/g土以上。
优选地，所述方法还包括：种植植物获得根菌共生体后，采集植被根系和根土复合体，利用单根抗拉试验、三轴剪切试验和根系扫描系统测定植被的根径、根长、含根量、单根抗拉力、单根抗拉强度、根土复合体粘聚力或侵染率。
优选地，所述增强根系抗拉伤为宿主根系的单根抗拉力、单根抗拉强度中至少一种改善；所述增强根土复合体抗剪切为粘聚力、内摩擦角中至少一种改善；
优选地，所述增强根系抗拉伤为单根抗拉力、单根抗拉强度改善；所述增强根土复合体抗剪切为粘聚力改善。
优选地，采集根土复合体，在植被下方土壤剖面中从最底部往上按照每10cm深度采集；采集菌根根系样品时，清洗干净根系；其中，含根量分布深度为地表下10～40cm，优选为20～30cm。
优选地，培养90天后，双接菌丛枝菌根真菌和深色有隔内生真菌处理的菌根侵染率达60％以上。
优选地，培养90天后，双接菌丛枝菌根真菌和深色有隔内生真菌处理的菌丝密度达到5m/g土以上。
优选地，培养90天后，单根抗拉力增加90％～130％，单根抗拉强度增强48％～194％，粘聚力值提高41％～212％。
优选地，所述联合菌剂为丛枝菌根真菌摩西管柄囊霉(Funneliformis mosseae，简称F.m)和深色有隔内生真菌(DSE)。
优选地，所述土壤为沙子和黑黏土以质量比3:1配比而成；所述土壤密度为1.3g·cm-3。
优选地，所述播种的种子为紫花苜蓿Medicago sativa L的种子，属豆科植物。
优选地，丛枝菌根真菌AMF菌剂与土壤质量比为0.04:1，深色有隔内生真菌DSE菌剂与土壤体积比0.02:1；所述丛枝菌根真菌AMF菌剂孢子密度为126个/g土，所述深色有隔内生真菌DSE菌剂为80％的DSE菌液(8×105cfu/ml)。
优选地，所述植被生长期内采用称重法浇水；保持土壤含水率为土壤最大饱和持水量的60％；环境温度为昼夜温度31℃/16℃；光周期为12h光照/12h黑暗。
根据本发明的一种实施方式，本发明的利用DSE和AMF联合增强根系抗拉伤和根土复合体抗剪切的方法可以应用于下述方面：1)防风固沙；2)加速受损根系修复；3)矿区沉陷地复垦；4)矿区排土场边坡稳定性；5)矿区生态恢复。
本发明利用DSE和AMF联合增强根系抗拉伤和根土复合体抗剪切强度的方法，可以显著提升植物根系抗拉伤强度与根土复合体稳定性，具有重要现实生态应用潜力和价值，为微生物修复技术应用于矿区地质工程生态修复开拓一种新的研究角度和方法。
附图说明
图1为试验装置的示意图。图1中尺寸单位为厘米(cm)。
图2A为不同处理下根径与单根抗拉力关系。
图2B为不同处理下根径单根抗拉强度关系。
图3为不同处理下的菌丝密度。
图4A-4D为同一深度不同处理试样在3种围压下主应力差和轴向应变曲线。
图5为10-20cm、20-30cm、30-40cm深度下不同处理试样粘聚力。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
下述实施例中的试验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂、仪器等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
实施例
1)试验设计：
选取的紫花苜蓿(Medicago sativa L，属豆科植物)种子播种前用10％H2O2表面消毒10min，后用去离子水反复冲洗3-4次，在26℃培养箱催芽1d。供试菌种为摩西管柄囊霉(Funneliformis mosseae，简称F.m；属于丛枝菌根真菌AMF)和深色有隔内生真菌(DSE)，微生物菌剂均为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。供试土壤为沙子和黑黏土以质量比3:1配比而成，经过121°高温高压灭菌2h后风干备用。
试验设计及装置详见下表1及图1，图1中尺寸为厘米(cm)。管长为45cm，填土40cm，留5cm的浇水空间。每根管内填充1.3kg土，土壤密度为1.3g·cm-3。接种AMF是将52g含有AMF根段和根际土的AMF菌剂与10-40cm土壤拌合后装柱再播种(丛枝菌根真菌AMF菌剂与土壤质量比为0.04:1)，其中AMF菌剂孢子密度为126个/g土；接种DSE是将80％的DSE菌液(8×105cfu/ml)15ml均匀撒在种子周围，对照处理加等量灭活菌剂(深色有隔内生真菌DSE菌剂与土壤体积比0.02:1)。每根管播5粒催芽苜蓿种子。
试验在西安科技大学西部矿山生态环境修复研究院光照培养室内进行，日均温度16-31℃，生长期内常规管理，采用称重浇水法，保持土壤含水率为土壤最大饱和持水量的60％；环境温度为昼夜温度31℃/16℃；光周期为12h光照/12h黑暗。种植培养90天后，采集根土复合体，在植被下方土壤剖面中从最底部往上按照每10cm深度采集；收获地下部根菌复合土制备试样进行三轴剪切试验，随后清洗出根系进行单根拉伸试验。
表1 试验设计表
Figure BDA0003647618960000041
2)指标测定：
①采用根系扫描系MICROTEK GXY-A V2.3.2分析根径、根长等数据。随机取新鲜根样(约45个根段制片)，用10％KOH溶液浸泡24h，冲洗干净后，用酸性品红乳酸甘油染色液染色法染色，在显微镜(Motic Panthera Client)下观察测定苜蓿的AM菌根和DSE侵染率。
②三轴剪切试验：对接菌根系复合土试样做不固结不排水试验(UU试验)，由SLB-1A型应力应变控制式三轴蠕变仪进行，对试样分级施加25kPa、50kPa、100kPa共3级围压，以每分钟0.8％的速率进行剪切试验。方法参照《土工试验方法标准》GB/T 50123-2019的要求进行：
Figure BDA0003647618960000051
式中：τf为土体抗剪强度，kPa；C为黏聚力，kPa；σ为法向应力，kPa；
Figure BDA0003647618960000052
为内摩擦角，°。
③单根拉伸试验：三轴剪切试验结束后，将试样放置在孔径为0.02mm的筛中清洗出根，用滤纸吸干根表面水分后称重并统计，用根系表型分析系统扫描后统计数据。单根拉伸试验以根从中间发生断裂为有效数据。以单根最大抗拉力及根径，计算出4种处理下根系的最大抗拉强度，计算公式如：
P＝4F/πD2 (2)
式中：P为最大单根抗拉强度(MPa)；F为最大单根抗拉力(N)；D为根段直径(mm)。
接菌根系复合土试样的含根量由如下公式确定：
mr＝mf÷V (3)
式中：mr为接菌根系复合土含根量，指单位体积内根土复合体所含植物根系的质量(g/cm3)；mf为接菌根系复合土所含鲜根质量/g；V为接菌根系复合土体积，为96cm3。
3)结果分析：
由根系抗拉力与根径的回归表达式分析可知(表2)，不同处理的苜蓿根系抗拉力、抗拉强度与根径之间均存在显著相关关系，接菌处理下紫花苜蓿平均根径显著大于CK2处理(P＜0.05)。其单根抗拉力在四种处理下由大到小依次为AMF+DSE＞DSE＞AMF＞CK2。不同处理的苜蓿根系平均单根抗拉强度由大到小依次为AMF+DSE＞CK2＞AMF＞DSE。单根抗拉力增加90％～130％，单根抗拉强度增强48％～194％。当根径超过0.6mm时(图2A和图2B)，单根抗拉力随根径增大的速率更大，单根抗拉强度随根径增大而减小，表明双接菌处理的苜蓿根系可显著增强自身的抗拉特性。
单根抗拉力、抗拉强度及侵染率的关系(表2)，均随着侵染率的增加而增加，接菌与苜蓿形成了较好的共生关系，且双接菌对宿主植物生长更有促进优势，其贡献率高达74％。菌根侵染率达到60％以上，菌丝密度达到5m/g土以上(图3)。
表2 不同接菌处理对单根抗拉力及抗拉强度影响
Figure BDA0003647618960000061
在同一围压作用下(表3)，接菌处理的主应力差峰值显著大于不接菌处理，其中双接菌处理的主应力差最大，单接菌次之。主应力差由大到小的顺序与根径、含根量顺序一致，依次为AM+DES、DSE、AM、CK2、CK1。
不同接菌处理下复合土在剪切试验中主应力差与轴向应变的关系(图4A-图4D)，围压P1＝25kPa、P2＝50kPa、P3＝100kPa。当主应力差为20kPa时，AMD+DSE处理试样的轴向应变为1.03％，DSE为0.94％，AMF为0.75％，CK2为0.56％，与单接菌相比，双接菌处理的根系相对更显著提高土体的抗剪强度，提高了146％。
表3 土样破坏时主应力差和接菌贡献率
Figure BDA0003647618960000062
在相同深度处(表4、图5)，接菌处理下根菌复合土试样的粘聚力均大于未接菌处理，粘聚力值提高41％～212％。在地表下10-20cm深度处，3种接菌处理下根菌复合土试样的粘聚力为16～27.9KPa，与不接菌处理相比粘聚力最大增幅达5倍多，接菌贡献率最高达186％。在20-30cm、30-40cm深度处，接菌处理下根菌复合土试样的粘聚力分别为18～32.66KPa、14.00～18.83KPa，与不接菌处理相比根菌复合土粘聚力增幅分别为5.88％～196.91％、19.15％～115.2％，接菌处理贡献率达到192％、160％。不同处理下粘聚力由大至小依次为AMF+DSE＞DSE＞AMF＞CK2＞CK1处理，该结论与试样含根量分布大小一致。
表4 不同处理及不同深度的根土复合体粘聚力值及其与含根量之间的拟合关系
Figure BDA0003647618960000071
根系多分布浅表层(20-30cm)，粘聚力随含根量的增加而增加，含根量与粘聚力呈正相关关系，双接菌处理的接菌贡献率高达186％，是单接菌AMF、DSE处理的1.744倍、1.641倍，表明双接菌处理可显著增强土体强度(表5)。
表5 不同接菌处理20-30cm深度土样含根量、粘聚力及内摩擦角
Figure BDA0003647618960000072
以上数据说明通过接种AMF和DSE处理可以增强根系抗拉伤和根土复合体强度。
本发明提供的利用DSE和AMF增强根系抗拉伤和根土复合体强度的技术方法，可以显著提升植物根系抗拉伤强度与根土复合体稳定性，具有重要现实生态应用潜力和价值，也为微生物修复技术应用于矿区生态修复开拓一种新的研究角度和方法。
以上内容，是本发明效果比较好的具体实施方式，本发明的保护范围还应涵盖本发明的技术方案和发明构思。

Claims (10)

1.一种DSE和AMF联合增强根系抗拉伤和根土复合体抗剪切的方法，包括如下步骤：
自地表10-40cm深度土壤中加入丛枝菌根真菌AMF和深色有隔内生真菌DSE的联合菌剂，将联合菌剂与土壤混合拌匀后，播种种子，培养使接菌根系侵染率达到60％以上，菌丝密度达到5m/g土以上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述方法还包括：种植植物获得根菌共生体后，采集植被根系和根土复合体，利用单根抗拉试验、三轴剪切试验和根系扫描系统测定植被的根径、根长、含根量、单根抗拉力、单根抗拉强度、根土复合体粘聚力或侵染率。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述增强根系抗拉伤为宿主根系的单根抗拉力、单根抗拉强度中至少一种改善；所述增强根土复合体抗剪切为粘聚力、内摩擦角中至少一种改善；
优选地，所述增强根系抗拉伤为单根抗拉力、单根抗拉强度改善；所述增强根土复合体抗剪切为粘聚力改善。
4.根据权利要求1或2所述的方法，采集根土复合体，在植被下方土壤剖面中从最底部往上按照每10cm深度采集；采集菌根根系样品时，清洗干净根系；其中，含根量分布深度为地表下10～40cm，优选为20～30cm。
5.根据权利要求2或3所述的方法，其中，培养90天后，菌根侵染率达60％以上或者菌丝密度达到5m/g土以上；单根抗拉力增加90％～130％，单根抗拉强度增强48％～194％，粘聚力值提高41％～212％。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述联合菌剂为丛枝菌根真菌摩西管柄囊霉Funneliformis mosseae和深色有隔内生真菌DSE。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述土壤为沙子和黑黏土以质量比3:1配比而成；所述土壤密度为1.3g·cm-3。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述播种的种子为紫花苜蓿Medicago sativaL的种子，属豆科植物。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中，丛枝菌根真菌AMF菌剂与土壤质量比为0.04:1，深色有隔内生真菌DSE菌剂与土壤体积比0.02:1；所述丛枝菌根真菌AMF菌剂孢子密度为126个/g土，所述深色有隔内生真菌DSE菌剂为80％的DSE菌液(8×105cfu/ml)。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述植被生长期内采用称重法浇水；保持土壤含水率为土壤最大饱和持水量的60％；环境温度为昼夜温度31℃/16℃；光周期为12h光照/12h黑暗。
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