采礦廢棄地土壤微生物數量與理化性狀相關分析

摘要：以黃石市黃荊山采礦廢棄地為研究對象，對土壤微生物數量與土壤性狀的相關關系進行了探討。經多元線性逐步回歸和直接通徑分析發現，含水量和全氮是影響真菌數量的主要因子，其中含水量的影響最大；有機質、pH和速效氮是影響細菌數量的主要因子，其中有機質的影響最大；有機質和含水量是影響放線菌數量的主要因子，其中有機質的影響最大；速效氮、全氮和速效磷是影響固氮菌數量的主要因子，其中速效氮的影響最大。未發現真菌、細菌、放線菌及固氮菌數量與速效鉀含量之間有顯著的相關性。

關鍵詞：采礦廢棄地；土壤微生物數量；土壤理化性狀；相關性；黃石

中圖分類號：S718.8；X53 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）12-3060-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.12.017

Abstract：The abandoned quarries of Huangjing Mountain in Huangshi city was studied. The correlation between soil microbial quantity and soil physical and chemical properties was discussed. The multiple linear regression and path analysis revealed that， soil water content and total nitrogen were the main influencing factors relating to the fungi amount， and soil water content was the biggest influencing factor. Organic matter， pH and available nitrogen were the main influencing factors to the bacteria amount， and organic matter was the biggest influencing factor. Organic matter and soil water content were the main influencing factors to the actinomycete amount， and organic matter was the biggest influencing factor. Available nitrogen， total nitrogen and available phosphorus were the main influencing factors to the azotobacter amount， and available nitrogen was the biggest influencing factor. The correlation between soil microbial quantity and available potassium was not found.

Key words：abandoned quarries； soil microbial quantity； soil physical and chemical properties； correlation； Huangshi

自20世紀80年代以來，城鎮化的快速發展加大了石材的開發利用，開山取石成為一項重要的生產活動，但簡單的露天剝離開采工藝形成了大量的廢棄地，帶來了水土流失、環境污染、自然景觀破壞等一系列問題，采礦廢棄地的生態恢復研究正逐步成為學者們關注的焦點[1]。目前關于此方面的研究主要集中在工程技術措施[2]、植物物種選擇[3]及群落演替[4]、土壤修復及變化[5]等方面，但對不同人工植被群落中的土壤微生物數量分布與土壤因子關系的深入研究鮮見報道。

土壤微生物是森林生態系統中的重要組成部分，更是土壤分解系統的主要成分，在影響土壤生物活性及養分組成、維持土壤生態系統穩定性、促進土壤物質循環和能量流動等方面發揮著重要作用[6]；同時由于微生物對土壤環境的變化非常敏感，可作為監測土壤環境質量的重要指標，其多樣性研究已逐漸成為生態系統恢復與重建領域的研究熱點[7]。本研究以采礦廢棄地人工植被群落為研究對象，對其土壤微生物數量分布及土壤理化性狀的相關性進行了深入探討，旨在進一步豐富采礦廢棄地人工生態恢復理論，并提供相關的參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 試驗樣地概況

試驗地位于湖北省黃石市黃荊山北麓的采礦廢棄地，屬中亞熱帶季風氣候區，年平均氣溫16.4 ℃，年平均降雨量1 382 mm，巖石較堅硬且呈微-中風化，巖性主要為石灰巖、白云巖、灰巖、泥質灰巖，均為裸巖，70°以上邊坡面積達80%以上，幾乎無植被覆蓋。2009年，黃石市針對廢棄地中不同的立地類型，采取平臺、飄臺、燕巢種植、客土噴播等方法進行了植被恢復[8]，種植土壤均為客土配置而成，經過5年的生長恢復后，于2015年6月對各樣地進行了植被調查，各樣地具體情況見表1。

1.2 樣品采集方法

選取坡向、坡位等立地條件基本一致的典型小區作為采樣地點，于2015年6月采用“S”形法5點取樣，利用不銹鋼管取土器垂直取0～20 cm土層，取樣量基本保持一致，同一樣地土樣集中混勻，并用四分法混合收集，現場編號保存于滅菌塑料封口袋。當天帶回實驗室后分裝一份土壤樣品置于4 ℃冰箱中保存，用于測量土壤微生物數量。剩余樣品研磨粉碎、過2 mm篩，用于測定土壤理化性狀。

1.3 測定方法

土壤pH采用pH計測定，含水量采用烘干法測定，有機質測定采用重鉻酸鉀-容量法，全氮測定采用半微量凱氏定氮法，速效氮測定采用堿解擴散法，速效磷測定采用碳酸氫鈉浸提-鉬銻抗比色法，速效鉀測定采用乙酸銨浸提-火焰光度法[9]。采用稀釋涂布平板法記數土壤微生物數量[10]。馬鈴薯蔗糖培養基培養真菌，牛肉膏蛋白胨培養基培養細菌，高氏1號培養基培養放線菌，阿須貝氏培養基培養固氮菌。真菌用10-2、10-3、10-4稀釋液涂抹平板，細菌用10-7、10-8、10-9稀釋液涂抹平板，放線菌和固氮菌用10-3、10-4、10-5稀釋液涂抹平板，固氮菌用10-7、10-8、10-9稀釋液涂抹平板，每個處理重復3次，接種后置于25～30 ℃培養室內培養，細菌培養2～3 d、真菌培養5～7 d、放線菌及固氮菌培養7～10 d，分類鑒定并計數。數據分析采用SPSS 19.0軟件。

2 結果與分析

2.1 土壤微生物數量與土壤性狀之間的相關性分析

土壤微生物數量與土壤因子之間存在著密切聯系，土壤養分和水分可為土壤微生物提供生長發育的必備條件，土壤酸堿度對土壤中的生物活性及有效養分有顯著影響。從土壤因子之間的相關性分析（表2）可見，有機質與全氮、速效氮呈極顯著正相關，與速效磷呈顯著正相關；全氮與速效氮、速效磷呈顯著正相關；速效磷與速效鉀呈顯著正相關，其他因子之間相關性不顯著。從土壤微生物數量的相關性分析（表3）可知，真菌與放線菌呈顯著正相關，細菌與固氮菌呈顯著正相關，其他因子之間相關性不顯著。由表4可知，土壤因子與土壤微生物數量之間的相關系數各有差異，真菌數量與含水量呈極顯著正相關關系，與全氮呈顯著正相關關系；細菌數量與有機質、全氮呈極顯著正相關關系，與速效氮、速效磷、速效鉀呈顯著正相關關系；放線菌數量與含水量、有機質、全氮呈顯著正相關關系；固氮菌數量與有機質、速效氮呈極顯著正相關關系，與全氮、速效磷呈顯著正相關關系。總體來說，有機質、全氮與四大類微生物數量之間均表現出了較高的相關程度，而速效鉀和pH與四大類微生物數量之間卻幾乎無明顯的相關性。

2.2 土壤微生物數量與土壤性狀的多元線性回歸分析

為進一步探討土壤微生物數量與土壤因子之間的關系，以真菌數量（y1）、細菌數量（y2）、放線菌數量（y3）、固氮菌數量（y4）作為因變量，pH（x1）、含水量（x2）、有機質（x3）、全氮（x4）、速效氮（x5）、速效磷（x6）、速效鉀（x7）為自變量，對其進行逐步線性回歸分析，通過引入自變量和根據自變量對模型貢獻大小進行選擇并剔除，建立最優關系模型，分別為：①真菌數量與土壤因子的最優關系模型為y1=0.606 4+0.074 1x2+0.735 1x4，表明真菌數量隨著含水量和全氮含量的升高而增加；②細菌數量與土壤因子的最優關系模型為y2=7.239 1-1.224 4x1+0.070 7x3+0.016 9x5，表明細菌數量隨有機質和速效氮含量的升高而增加，隨pH的降低而增加；③放線菌數量與土壤因子的最優關系模型為y3=-1.694 2+0.134 2x2+0.078 9x3，表明放線菌數量隨著含水量和有機質含量的升高而增加；④固氮菌數量與土壤因子的最優關系模型為y4=-0.013 2+0.783 8x4+0.019 5x5-0.014 5x6，表明固氮菌數量隨著全氮和速效氮含量的升高而增加，隨著速效磷含量的升高而減少。

2.3 土壤性狀對土壤微生物數量的通徑分析

通徑分析是回歸分析的拓展，可以更好地處理自變量和因變量之間的復雜關系。對主要土壤因子進行了通徑分析后的結果見表5，由表5可知，影響真菌數量的土壤因子直接通徑系數大小順序為含水量>全氮，表明含水量對真菌數量的影響最大；影響細菌數量的土壤因子直接通徑系數大小順序為有機質>pH>速效氮，表明有機質對細菌數量的影響最大；影響放線菌數量的土壤因子直接通徑系數大小順序為有機質>含水量，表明有機質對放線菌數量的影響也最大，但其直接通徑系數并未達到顯著水平；影響固氮菌數量的土壤因子直接通徑系數大小順序為速效氮>速效磷>全氮，表明速效氮是影響固氮菌數量的最關鍵因子，上述結果與簡單相關分析的結果一致。

3 討論

植被恢復后產生持續的凋落物和腐爛的根系，進一步增加了有機質的積累，促進了有機物質的礦化和再合成，同時恢復植被中豆科植物居多，在生長過程中固氮作用較大，故全氮、速效氮、速效磷含量易受其影響，而速效鉀含量雖然與有機質含量存在一定的相關性，但這種相關性并不顯著，這可能與不同的林分組成有關。真菌與放線菌在微生物中充當著特殊分解者的作用，它們都具有豐富的酶系統，能夠分解難分解物質，且喜分布于類似的土壤環境中，兩者之間息息相關；同時前人的研究結果顯示，通常情況下細菌和固氮菌的數量會隨著有機質含量的增加而增多，細菌和固氮菌之間存在著顯著的相關性，與本研究結果基本一致。

土壤微生物是土壤中有機物的重要分解者，與土壤理化性質變化息息相關，土壤微生物能充分反映土地利用及其生態功能的變化，可作為土壤質量評價的重要指示指標[11]。植被恢復會對微生物產生積極影響，這與土壤中的生物量密切相關，如凋落物、根系分泌物等。許多學者對兩者之間的關系進行了探討，楊寧等[12]對不同植被恢復階段的丘陵坡地進行了研究，發現土壤有機質、有效磷等與微生物量碳有較大的關聯度。趙萌等[13]則發現杉木林地中土壤中的微生物總數及細菌、放線菌的數量會隨著土壤含水率的升高而顯著增加，細菌、真菌、放線菌的數量隨著土壤有機碳、全氮含量的升高而增加。邵寶林等[14]則對橫斷山北部高山區35個樣點的土樣進行了分析，結果表明，放線菌數量與pH呈顯著正相關關系，真菌數量與土壤全鉀含量呈極顯著正相關關系。王岳坤等[15]對海南清瀾港紅樹林的土壤微生物數量與土壤因子關系進行了研究，發現土壤細菌數量與土壤pH、含水量、全磷含量、全鉀含量明顯相關；放線菌的數量與土壤pH、有機質含量、有效鉀含量明顯相關；真菌數量與土壤pH、全鉀含量明顯相關。由本研究中通徑分析可知，含水量和全氮是影響真菌數量的主要因子，其中含水量的直接作用最大，這可能是由于真菌能在潮濕氣候環境下大量繁殖，受水分條件影響較大有關；有機質、pH和速效氮是影響細菌數量的主要因子，其中有機質的影響最大，這與細菌較強的分解能力聯系緊密，它們能促進植物殘體的分解，使土壤中有機物質顯著增加；有機質和含水量是影響放線菌數量的主要因子，其中有機質的直接作用最大，這可能與其特殊分解作用有關；速效氮、全氮和速效磷是影響固氮菌數量的主要因子，其中速效氮的直接作用最大，這主要是由于植被恢復后特別是豆科植物的固氮菌增多，使土壤中氮含量增加。以上結果可以看出，由于受到不同林分組成、植被覆蓋率、水熱條件等因素的影響，土壤微生物數量與土壤理化性狀之間的相關關系也不盡相同。此外，本研究未發現真菌、細菌、放線菌及固氮菌數量與速效鉀含量之間存在顯著相關性，但它們之間還是存在一定程度的相關性，有待進一步研究。

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