微生物菌肥對草原礦區排土場土壤微生物與土壤酶活性的影響

珊 丹， 何京麗， 邢恩德， 榮 浩， 劉艷萍

(水利部 牧區水利科學研究所, 內蒙古 呼和浩特 010020)

微生物菌肥對草原礦區排土場土壤微生物與土壤酶活性的影響

珊 丹， 何京麗， 邢恩德， 榮 浩， 劉艷萍

(水利部 牧區水利科學研究所, 內蒙古 呼和浩特 010020)

[目的] 研究施入微生物菌肥對土壤微生物數量及主要土壤酶活性的影響，為利用微生物菌肥改良草原礦區排土場惡劣土壤環境提供理論依據。[方法] 采用完全隨機區組設計，設微生物菌肥2種施用方法、3種施用量，對不同施肥處理后土壤中可培養細菌、真菌、放線菌菌落數量進行測定，分析土壤過氧化氫酶活性、蔗糖酶活性、脲酶活性、堿性磷酸酶活性變化。[結果] 施用微生物菌肥土壤中可培養細菌、真菌、放線菌菌落數量均顯著高于未施肥處理(p<0.05)；施用微生物菌肥土壤中脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶活性比未施肥樣地分別增加29.0%，92.6%，25.7%，75.7%；土壤可培養細菌、真菌、放線菌菌落數量與土壤酶活性之間有一定的相關性；在微生物菌肥溝施法與較大的菌肥施用量作用下土壤可培養細菌、真菌、放線菌菌落數量較高，土壤酶活性較強。[結論] 微生物菌肥添加使草原礦區排土場土壤中微生物菌落數量增加、土壤酶活性增強，施用微生物菌肥改善了原狀土壤環境，增加了土壤肥力。

微生物菌肥; 施用方法; 施用量; 土壤微生物; 酶活性

文獻參數： 珊 丹， 何京麗， 邢恩德， 等.微生物菌肥對草原礦區排土場土壤微生物與土壤酶活性的影響[J].水土保持通報，2017,37(3)：81-85.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.014； Shan Dan, He Jingli, Xing Ende, et al. Effects of microbial fertilizer on microorganism and soil enzyme activity in coal mine dump of typical steppe[J]. Bulletin of Soil and Water Conservation, 2017,37(3)：81-85.DOI:10.13961/j.cnki.stbctb.2017.03.014

內蒙古自治區煤炭資源富集，優勢突出，已成為國家重要的能源基地之一。由于煤炭資源大多集中于生態環境相對脆弱的草原區，煤炭大量開發不可避免的給草原生態系統及當地農牧民的生產生活帶來負面影響，其中以露天開采最為明顯[1]。草原露天采煤產生的損毀土地主要為排土場[2]，排土場大量棄土棄渣的堆放，改變了土壤原有機械組成和結構，土壤貧瘠、水分條件差、生物活性低等特點嚴重制約草原礦區生態恢復與植被重建[3-4]。

土壤微生物是生態系統中重要的組成部分，也是土壤生態系統中最為活躍的部分，同時也是土壤系統中極其重要的分解者，因而在土壤養分的轉化、抵御外界干擾、維護系統穩定性，以及土壤的可持續發展方面占據著主導地位[5]。運用自生固氮菌、磷細菌、鉀細菌肥料及復合菌肥、菌根等現代微生物技術進行煤礦廢棄地土壤的綜合治理和改良，可通過微生物的接種優勢，重新建立失去微生物活性的土壤，恢復土壤微生物體系，促進生土熟化，縮短生態修復周期[6]。目前，國內外在利用微生物技術恢復煤礦受損土地方面已有研究成果，微生物對土壤的修復機制也較明確[7-9]，但由于微生物自身特性、環境因子變化等因素的限制，微生物技術的實際應用并不是很理想[10-11]。中國北方干旱半干旱草原區，受自然氣候惡劣、草原煤炭業關注度相對低等因素影響，微生物技術在草原礦區生態修復中的應用研究相對較少。本研究擬針對內蒙古草原自然氣候特點，以具有代表性的錫林郭勒典型草原礦區為研究對象，在草原露天煤礦排土場植被重建過程中開展微生物菌肥應用研究，以期通過微生物菌肥無毒害、無污染、增加土壤肥力、增強植物對養分的吸收等自身特性，改善排土場貧瘠的土壤條件，為植物正常生長發育構建一個良好的土壤環境，為草原露天礦生態修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

內蒙古大唐國際錫林浩特礦業有限公司勝利東2號露天煤礦位于內蒙古錫林郭勒盟錫林浩特市境內，露天礦呈北東—南西走向不規則的四邊形，面積49.88 km2，開采規模6.00×107～7.00×107t/a。試驗區位于勝利東2號露天煤礦南排土場，南排土場位于礦區東南部，占地面積13.66 km2，為平臺、邊坡相間分布的階梯式地形，相對高度100 m，每級臺階坡面高度約20 m，排土場為煤矸石與土混排后覆土，覆土深度50—80 cm[12]。試驗區為排土場陽坡平臺，根據土壤理化性質試驗，試驗區土壤容重為1.36 g/cm3，土壤粒徑以>0.05 mm的細砂為主，土壤質量較差，養分含量較低，0—20 cm土層的土壤全氮含量為0.18 g/kg，全磷為0.29 g/kg，全鉀為40.43 g/kg，有機質為6.30 g/kg，pH值為8.96。

試驗區地處內蒙古高原中部，屬中溫帶干旱半干旱氣候，多年平均降水量289 mm，集中分布在6—8月，多年平均蒸發量1 830.8 mm，年平均氣溫1.7 ℃；勝利東2號露天煤礦所處草原區域土壤為典型栗鈣土，隱域性土壤發育，由于栗鈣土的成土母質主要是黃土狀沉積物、各種巖石風化物、河流沖積物、風沙沉積物等，風蝕嚴重[13-14]。草原礦區原地表植被屬典型草原植被，以克氏針茅(Stipakrylovii)、羊草(Leymuschinense)為主要建群種，植被蓋度35%～50%。

1.2 試驗設計

微生物液體菌肥為“E-2001微生物肥”，產地：美國，美國ART公司(Agricultural Research Technologies, Ltd.)，E-2001微生物肥是一種純天然微生物菌劑，包含芽孢桿菌、放線菌、浸麻菌、固氮菌、促生根際細菌等十幾種有益微生物，能產生使土壤恢復活力的各種營養菌和酶，有效活性微生物菌每毫升10億以上。2001經農業部肥料登記評審委員會審定獲中華人民共和國肥料登記證。供試植物為紫花苜蓿(Medicagosativa)、披堿草(Elymusdahuricus)；紫花苜蓿、披堿草間作條播種植，種植行距50 cm，紫花苜蓿、披堿草播種量均為1 g/m2。試驗區設置在排土場平臺，設2種微生物肥施用方法(A因素)、3種微生物肥施用量(B因素)和一個對照處理(CK，不施肥小區)，每個處理3次重復；微生物菌肥的2種施用方法主要為撒施法(A1，即將激活稀釋后的微生物菌肥均勻噴灑于植物根部附近的土壤中)和溝施法(A2，即在靠近植物根部開溝，將微生物菌肥施入溝內后覆土)；3種微生物肥施用量(ml/m2)分別為0.12(B1)，0.24(B2)，0.36(B3)；采用完全隨機區組設計，分為3個區組，每個區組設7個小區，小區規格為2 m×3 m，小區間距0.5 m。

1.3 土壤樣品采集與測定

植物生長末期(9月初)在每個試驗小區供試植物根際周邊隨機選取0—30 cm土壤樣品，每小區3次重復。土樣采集后過2 mm土壤分析篩，4 ℃冰箱保存備用。土壤中可培養細菌、真菌、放線菌菌落數量測定采用平板計數法[15]；細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基，放線菌采用改良高氏1號培養基，真菌采用馬丁氏孟加拉紅培養基。土壤過氧化氫酶活性采用高錳酸鉀滴定法測定，結果以0.1 N KMnO4ml/g表示；蔗糖酶活性采用二硝基水楊酸比色法測定，結果以葡萄糖mg/g(37 ℃，24 h)表示；脲酶活性采用靛酚藍比色法測定，結果用NH3-N mg/g(37 ℃，24 h)表示；堿性磷酸酶活性采用磷酸苯二鈉比色法測定，結果以酚mg/g(37 ℃，24 h)表示[16]。

2 結果與分析

2.1 微生物菌肥施用后土壤微生物菌落的變化

試驗區各類土壤微生物菌落數量由多到少依次為：細菌>放線菌>真菌(表1)。從可培養的細菌菌落數量上看，微生物菌肥施用處理下土壤可培養細菌菌落數量均高于未施肥處理的土壤，溝施法+0.36 ml/m2施用量(A2B3)處理下壤中的可培養細菌菌落數量最高，其次為A1B3處理，A2B3處理與CK處理之間的變化差異達到顯著水平(p<0.05)，其他處理間變化差異不顯著。在土壤可培養真菌方面，不施肥處理(CK)的真菌菌落數量非常少，微生物菌肥處理樣地土壤可培養真菌菌落總數要顯著高于未施肥處理的土壤(p<0.05)(除A1B1處理外)，A2B2(溝施法+0.24 ml/m2施用量)處理下土壤可培養的真菌菌落總數較高，A2B2與A1B1，CK之間的變化差異顯著(p<0.05)。不同施肥處理的土壤可培養放線菌數量與可培養的細菌菌落數量具有相似的變化規律，除A1B1處理外，其他施加微生物肥組合的菌落數量均顯著高于未施肥處理(CK)(p<0.05)。

表1 不同施肥處理土壤微生物菌落數量變化

注：A1為撒施法,A2為溝施法; B1,B2和B3表示微生物肥施用量分別為0.12，0.24和0.36 mL/m2;顯著水平p<0.05,不同小寫字母表示各處理間差異顯著。下同。

2.2 微生物菌肥對土壤酶活性的影響

由表2可知，土壤中脲酶活性隨著微生物菌肥的添加而增高，其中A2B2，A2B3處理土壤中脲酶活性要顯著高于未施用菌肥(CK)的樣地(p<0.05)；從施用方法來看，溝施法處理下的土壤中脲酶活性要顯著高于撒施法，從施用量來看，微生物菌肥施用量越大，脲酶活性越高，但經方差分析，變化差異未達到顯著水平。

表2 不同施肥處理土壤酶活性的變化

注：顯著水平p<0.05，施用方法間的比較采用小寫字母表示，施用量間的比較采用大寫字母表示。

不同微生物菌肥組合對土壤中蔗糖酶活性的影響較大，蔗糖酶活性由高到低的順序依次為：A2B3>A1B3>A2B2>A1B1>A1B2>A2B1>CK；除了A2B2與A1B1處理之間的蔗糖酶活性變化不明顯外，其他處理間的差異均達到顯著水平(p<0.05)；從微生物菌肥施用方法與施用量的對比中發現(表2)，增大微生物菌肥施用量，蔗糖酶活性明顯增強，說明施用劑量加大，微生物菌肥對土壤蔗糖酶活性的影響明顯。

土壤磷酸酶可以分為酸性磷酸酶、中性磷酸酶和堿性磷酸酶3種，每種磷酸酶的活性因土壤條件而各異。在大多數情況下，土壤pH值為中性至堿性時，磷酸酶的活性最強[17]。因本研究供試土壤pH值在8.84～8.92，所以我們僅選取土壤堿性磷酸酶的活性加以分析。根據試驗結果(表2)可知，微生物菌肥的添加增強了土壤堿性磷酸酶活性，不同施用方法與施用量組合之間的土壤堿性磷酸酶活性雖然有一定差異，但沒有明顯變化規律。從施用量來看(表2)，隨著施用量增加，土壤堿性磷酸酶活性出現先增加后降低的趨勢。過氧化氫酶是參與土壤中物質和能量轉化的一種重要氧化還原酶，在一定程度上可以表征土壤生物氧化過程的強弱。從表2可以看出，不同微生物菌肥處理下土壤過氧化氫酶活性的變化趨勢與蔗糖酶活性變化趨勢基本一致，由大到小的順序為：A2B3>A1B3>A1B2>A2B2>A2B1>A1B1>CK，各個施肥處理間的變化差異達到顯著水平，說明，土壤過氧化氫酶活性隨著微生物菌肥施用量的增大而逐漸增強，3種菌肥施用量之間的變化差異顯著(p<0.05)。

2.3 土壤微生物數量與酶活性的相關性分析

通過對微生物菌肥作用下，土壤可培養細菌、真菌、放線菌菌落數量與土壤酶活性之間的相關性分析可知(表3)，土壤中可培養細菌菌落數量與脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶均呈正相關關系，與堿性磷酸酶呈顯著負相關；可培養真菌菌落數量與脲酶、蔗糖酶、堿性磷酸酶、過氧化氫酶均呈正相關關系，但相關性均未達到顯著水平；土壤中可培養放線菌菌落數量與脲酶、堿性磷酸酶、蔗糖酶呈正相關，其中與脲酶、堿性磷酸酶的相關性達到顯著水平(p<0.05)，土壤中可培養的放線菌菌落數量與土壤過氧化氫酶之間無明顯相關性。土壤酶在土壤發生發育、土壤肥力形成、土壤凈化及生態系統的物質循環過程中起著重要作用[18]，它們參與催化土壤中發生的一系列復雜的生物化學反應[19]。有研究表明，土壤酶的活性與土壤微生物數量密切相關[16,20-21]。土壤中可培養細菌、真菌、放線菌菌落數量與土壤酶活性之間相關關系說明，微生物菌肥施用增加了土壤中活體微生物數量，增強土壤生物活性和生化活性，土壤微生物的生長、繁殖過程促進各種酶的分泌，進而增強土壤酶活性。

表3 土壤微生物菌落數量與土壤酶活性的相關關系

注：*表示在置信度(雙側)為0.05時，相關性顯著。

3 討 論

草原退化生態系統恢復過程中，隨著恢復年限的延長，地上植被生物量增加，土壤微生物數量以及土壤酶活性的也隨之增加，一般地上植被在短期的人工措施下得到恢復，然而土壤中的微生物要經過4～5 a以上的治理才可能有初步的效果[22]。對于氣候條件、土壤環境更為惡劣的草原礦區排土場，建造一個良好的土壤結構和肥力條件，是生態系統恢復的關鍵，進而保證植被的可持續發展，微生物菌肥為構建一個穩定的、可循環的土壤微生物群落提供了有效途徑，許多研究都表明，施用微生物菌肥能明顯改善土壤環境，對植物生長也有促進作用[10,23-24]。本研究中，施用微生物菌肥后，草原露天煤礦形成的人工再塑地貌明顯的變化就是土壤中細菌、放線菌、真菌數量增加。土壤真菌作為土壤微生物區系的重要成員，同其他微生物一起參與生態系統中的物質循環和能量流動，土壤真菌還參與土壤腐殖化和礦質化過程，對腐殖質和土壤團粒結構的形成起著十分重要的作用[25]，施用微生物菌肥使土壤可培養真菌數量增加，進而改善人工再塑地貌土壤團粒結構，提高土壤肥力。放線菌是廣泛分布于土壤中的優勢微生物類群，通過降解土壤中的各種不溶性有機物質以獲得細胞代謝所需的各種營養，對有機物的礦化有著重要作用，從而參與自然界物質循環，凈化環境、改良土壤。施用微生物菌肥后的土壤可培養細菌、放線菌、真菌菌落數量的明顯增加，說明微生物菌肥中的外源微生物與土壤土著微生物共同參與了土壤中的物質循環和能量代謝，改善了原狀土壤的微環境。

研究結果表明，不同施用方法中，溝施法處理下的土壤可培養細菌、真菌、放線菌菌落數量均高于撒施法，說明開溝施用菌肥然后覆土的方式更易于微生物菌肥中有益菌群與土壤中的微生物協同作用，加快生土熟化；但另一方面，溝施法在人力、物力上的花費要明顯高于撒施法，并且2種施肥方法之間土壤可培養細菌、真菌、放線菌菌落數量的變化差異未達到顯著水平，因此，綜合考慮施肥效果和經濟效益，何種施肥方法更勝一籌還需進一步研究。3種菌肥施用量中，微生物菌肥最大施用量(B3)的土壤可培養細菌、放線菌菌落數量要高于其他兩種施用量，而真菌菌落總數隨著施用量增加，出現先增加后降低的趨勢，可培養細菌、真菌、放線菌菌落數量在3種施肥量之間的變化差異不顯著。6種施用方法和施用量的組合中，溝施法與0.36 ml/m2施用量(A2B3)更有利于微生物菌肥所含的特定有益微生物菌群發揮功效，促進土壤可培養細菌的生長。

從土壤酶活性來看，土壤脲酶、蔗糖酶、過氧化氫酶活性均隨著微生物菌肥施用量的增大而逐漸增強，只有土壤堿性磷酸酶活性是隨著施用量增加出現先增加后降低的趨勢。于群英[26]研究也發現，堿性磷酸酶活性隨著麥秸、豬糞的增加而增高，但當施用量達一定量時，堿性磷酸酶活性不再增高，而略微下降，產生這種變化的可能原因是土壤有機酸，有機酸是土壤中普遍存在的一類有機化合物，是土壤中有機物料分解產生一些有機酸而對土壤磷酸酶活性產生了一定的影響。土壤酶參與土壤中的生物化學過程，在生態系統有機物分解和營養元素循環中必不可少[27]。Cardenas F等[28]研究發現，土壤微生物、細菌及真菌的細胞死亡、胞壁崩潰等過程向土壤分泌釋放酶。不同的土壤微生物種群，在代謝等過程中釋放的酶種類、數量也不同。土壤中添加純天然微生物菌劑勢必會影響土壤微生物種群，改變土壤酶活性。張鵬等[29]研究發現，露天煤礦排土場植被重建顯著提高了的土壤酶活性，但對于大部分土壤酶，18 a的時間不足以使土壤酶活性恢復到天然植被區的水平，土壤酶活性的恢復需要一個漫長的過程。典型草原露天煤礦排土場植被恢復過程中添加微生物菌肥，可以使土壤中脲酶、蔗糖酶、磷酸酶、過氧化氫酶活性明顯增強，提高土壤酶活性恢復速率。E-2001微生物肥含有十余種活性有益微生物菌，適用于多種植物，具有廣普性；另一方面，E-2001微生物肥對環境溫度有一定要求，周圍溫度控制在18 ℃以上，菌肥中的微生物才能被全部激活。本試驗區地處內蒙古高原中部，年平均氣溫1.7 ℃，氣候溫度對施用微生物菌肥的有一定的限制作用，施用菌肥后土壤可培養細菌菌落數量(除A2B3處理外)與不施肥處理(CK)之間變化差異未達到顯著水平是否與環境溫度影響菌肥中微生物活性有關，還需更深入地研究。

4 結 論

微生物菌肥的添加促進土壤有益菌的大量繁殖，施加微生物肥處理下的土壤中可培養細菌、真菌、放線菌菌落數量明顯高于未施肥處理；溝施法+0.36 ml/m2施用量組合土壤中可培養細菌、放線菌菌落數量較高，土壤中蔗糖酶、過氧化氫酶活性較強；土壤可培養細菌、真菌、放線菌菌落數量與土壤酶活性之間有一定的相關關系；施用微生物菌肥可改良草原礦區排土場土壤，土壤中微生物數量、土壤酶活性顯著增加，促進了生土向熟土的轉化，對縮短草原礦區生態恢復周期有重要作用。

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Effects of Microbial Fertilizer on Microorganism and Soil Enzyme Activity in Coal Mine Dump of Typical Steppe

SHAN Dan, HE Jingli, XING Ende, RONG Hao, LIU Yanping

(InstituteofWaterResourcesforPastoralArea,MinistryofWaterResourcesofChina,Hohhot,InnerMongolia010020,China)

[Objective] To explore the effects of microbial fertilizers on soil microorganism numbers and soil enzyme activities, and provide theoretical basis for improving soil environment on coal mine dump of typical steppe. [Methods] With a randomized complete block design on coal mine dump of typical steppe, two application methods and three fertilizing amounts of microbial fertilizer were set. Numbers of cultured bacteria, fungi and actinomycetes colonies were measured. Soil enzyme activity changes of urease, invertase, alkaline phosphatase and catalase were analyzed. [Results] Beneficial micro floras in soil increased to large number with the addition of microbial fertilizer. Numbers of cultured bacteria, fungi and actinomycetes colonies were all significantly higher than those of CK(p<0.05). Soil enzyme activities were improved with the application of microbial fertilizer. Soil enzyme activities of urease, invertase, alkaline phosphatase and catalase increased by 29%, 92.6%, 25.7% and 75.7%, respectively, as compared to no microbial fertilizer. There was certain correlation between numbers of bacteria, fungi, actinomycetes colonies and soil enzyme activities. Numbers of cultured bacteria, fungi and actinomycetes colonies were higher than those of other combination and soil enzyme activities were enhanced under ditching and fertilizing with larger application amount. [Conclusion] The study proved that addition of microbial fertilizer increased microorganism and soil enzyme activities significantly on coal mine dump of typical steppe, meanwhile it also improved the undisturbed soil environment and increased soil fertility.

microbial fertilizer; application methods; application amount; soil microorganism; enzyme activity

2016-09-27

2016-10-28

內蒙古自治區科技計劃項目“草原礦區生態修復重建關鍵技術研究與示范”(20140713)；中國水利水電科學研究院基本科研業務費專項“草原礦區生態修復配合施肥土壤保育研究”(MK2016J23)

珊丹(1978—),女(蒙古族),內蒙古自治區赤峰市人,博士,高級工程師,主要從事草地生態與水土保持方面的研究。E-mail:mksshd@126.com。

A

1000-288X(2017)03-0081-05

S154.2， S156.2