不同復墾年限煤矸山土壤微生物功能菌變化及其影響因素

張小玲, 于亞軍

(山西師范大學 地理科學學院, 山西 臨汾 041000)

土壤微生物功能菌是指執行同一種功能的相同或不同形態的土壤微生物[1]，能迅速對土壤微環境的變化做出反應，可較早地指示土壤生態系統功能的變化，反映出土壤質量和健康狀況[2]。土壤微生物功能菌可為土壤性質的變化趨勢提供可靠的依據，是土壤環境質量評價的重要生物學指標[3]。煤矸山是煤矸石堆存形成的，其大量堆存不僅破壞和占用土地，而且可能引發生態環境問題[4]。所以，對煤矸山進行復墾治理是改善礦區生態環境的有效途徑[5]。目前，采用推平覆土造地后進行植被綠化是我國北方地區對早期形成的煤矸山復墾治理的主要方式[6]。但是煤矸山推平覆土時通過碾壓、鏟平等工程技術措施形成的“重構土壤”改變了土壤的水、肥、氣、熱等特性[7]，并可能受到底層煤矸石中重金屬污染的脅迫，使土壤微生物功能菌數量變化，從而影響土壤中營養物質循環和肥力釋放，造成復墾重構土壤質量狀況較差。當前，已有利用微生物活性反映礦區破壞土壤質量演變狀況的相關研究報道[8-9]。但利用土壤微生物功能菌揭示煤矸山復墾重構土壤質量演化狀況的研究報道并不多見。因此，研究不同復墾年限煤矸山土壤微生物功能菌變化特征及其與土壤理化性質之間的關系，可以揭示不同復墾年限煤矸山土壤質量的變化情況及其主要的驅動因子，有助于指導煤矸山“因時制宜”的開展植被復墾。本文以山西省霍州曹村煤礦3種年限煤矸山復墾地為研究對象，分析不同復墾年限土壤性質和微生物功能菌數量的差異，揭示土壤理化性質對微生物功能菌數量的影響，以期為煤矸山植被復墾工作提供理論指導，也可為煤矸山復墾地土壤質量的評價提供理論依據。

1 研究區概況

研究區位于山西省霍州市曹村礦區，本區屬溫帶大陸性氣候，年均氣溫12.2℃，年均降雨量353～688 mm，降水年內分配不勻，主要集中在7，8，9月共3個月，年日照時數2 265.1 h，全年無霜期170～230 d。研究樣區位于該礦南下莊矸石山(36°30′47.9″N,111°42′10.6″E)，海拔(561±4) m，地貌為低山丘陵，土壤類型為褐土。該矸石山復墾時矸石堆存量約為200萬t，占地約1.6萬m2，垂直高度約50 m。矸石山于2008年、2010年和2012年分別對東面、南面和西面山頭進行推平覆土(覆土土壤均取自煤矸山附近，覆土厚度為100～120 cm)。覆土造地后分別栽植桃樹(Prunuspersica)、石榴樹(PunicagranatumL.)和棗樹(ZiziphusjujubaMill.)，株行距均約為2 m×3 m，由此形成3種復墾年限的果園。復墾后，果園水肥管理措施與當地普通果園一致，在每年初春施用牛、羊糞等有機肥，施肥量均約為600 kg/hm2，果園每年初春和入冬時各澆水1次，澆水量均約為5 000 m3/hm2。

2 材料與方法

2.1 土樣采集

以年限為4 a(R4a)，6 a(R6a)和8 a(R8a)的復墾地為研究樣地，以煤矸山附近原地貌普通果園為對照(CK)，采樣時間為2016年10月，采樣時為了盡量消除覆土作業時造成的土壤空間異質性，每個樣地隨機選取3 個樣方(10 m×10 m)，各樣方內用S型在距果樹基部1～2 m取5點，由此形成3個重復樣。采樣土層為0—10 cm和10—20 cm，用土鉆(直徑5 cm)取樣。樣品分3部分，一份裝入鋁盒帶回實驗室測定含水量，另外兩份裝入無菌密封袋帶回實驗室，一份新鮮土樣過2 mm篩后測定土壤微生物功能菌數量，另一份自然風干過篩后測定土壤理化性質。

2.2 土樣分析與處理

土壤有機質含量的測定采用重鉻酸鉀容量法—外加熱法；土壤含水量測定用烘干法(105℃，8 h)；土壤pH值測定采用電位法(水∶土為5∶1)；土壤堿解氮含量的測定采用NaOH—H3BO3法；有效磷采用碳酸氫納浸提—鉬銻抗比色法；速效鉀用醋酸銨—火焰光度計法；土壤微生物好氧固氮菌、氨化細菌、纖維素分解菌和有機磷細菌測定用最大或然數法(MPN)，無機磷細菌測定用稀釋涂布平板法。

利用Excel 2010對數據進行整理，用SPSS 17.0統計軟件進行單因素方差分析(Duncan多重比較)、簡單相關分析(Pearson檢驗法)和主成分分析，制圖采用Origin 8.6軟件。

3 結果與分析

3.1 3種復墾年限樣地土壤理化性質的差異

表1是R4a，R6a和R8a和CK樣地土壤理化性質差異情況。可見，在0—10 cm土層，隨復墾年限的增加，土壤pH值無差異，含水量、有機質、堿解氮、有效磷含量均明顯增加，但速效鉀含量下降。在10—20 cm土層，土壤性質變化趨勢與0—10 cm相似，也表現為土壤pH值無差異，含水量、有機質、堿解氮和有效磷含量隨復墾年限增加呈增加趨勢，速效鉀呈降低趨勢。此外，與CK相比，3種復墾年限樣地0—10 cm土層土壤含水量、有機質、堿解氮、有效磷含量均明顯偏低，在10—20 cm土層，土壤有機質和有效磷含量明顯偏低，而在兩土層中pH值均偏高。

3.2 3種復墾年限樣地土壤微生物功能菌總量的差異

圖1A是R4a，R6a，R8a和CK樣地土壤微生物功能菌總量的差異(因無機磷細菌與其他菌群計數單位不同，所以此處僅統計除無機磷細菌外的其他功能菌)。從中可見，在0—10 cm土層，與R4a相比，R6a，R8a樣地土壤微生物功能菌的總量明顯增加。在10—20 cm土層，R6a樣地與R4a樣地相比，微生物功能菌總量明顯增加，但R8a與R6a相比無明顯差異。同時3種復墾年限樣地0—10，10—20 cm土層微生物功能菌總量均低于CK樣地。

表1 3種復墾樣地和CK樣地土壤理化性質

注：同一土層后不同小寫字母表示差異顯著(p<0.05)。

3.3 3種復墾年限樣地各土壤功能菌數量變化特征

圖1B—1F分別是R4a，R6a，R8a和CK樣地土壤微生物好氧固氮菌、氨化細菌、纖維素分解菌、有機磷細菌、無機磷細菌數量的變化。在0—10 cm土層，5種土壤微生物功能菌變化趨勢不同。好氧固氮菌、氨化細菌、有機磷細菌和無機磷細菌含量均隨復墾年限的增加而增加。其中，好氧固氮菌和氨化細菌增幅最明顯。而纖維素分解菌數量在R6a樣地中增加，但在R8a樣地中降低。在10—20 cm土層中，土壤微生物功能菌的變化趨勢與0—10 cm土層一致，也表現為好氧固氮菌、氨化細菌、有機磷細菌和無機磷細菌含量隨復墾年限的增加而增加，但纖維素分解菌數量呈先增后減的趨勢。同時，與CK相比，3種復墾樣地除有機磷菌在0—10 cm土層無顯著差異外，其余功能菌數量在0—10，10—20 cm土層均明顯偏低。

圖13種復墾樣地和CK樣地土壤微生物功能菌群總量及各功能菌群量

3.4 3種復墾年限樣地土壤微生物功能菌數量與土壤理化性質之間的關系

3.4.1 土壤微生物功能菌與土壤理化性質的相關分析 表2是3種復墾樣地土壤微生物功能菌數量與土壤理化性質關系。從中可見，好氧固氮菌數量與土壤含水量和土壤有機質呈正相關，氨化細菌數量與土壤有機質和有效磷呈正相關，但與pH值呈負相關；纖維素分解菌數量與有機質含量呈正相關，和pH值呈負相關；有機磷細菌與有效磷含量呈正相關。無機磷細菌與土壤含水量、土壤有機質呈正相關。此外，從各功能菌受土壤理化性質影響程度的差異來看，氨化細菌和纖維素分解菌數量與土壤理化性質因子相關系數的絕對值之和(∑r)最大，表明其受土壤理化性質的影響最大。

3.4.2 土壤理化性質的主成分分析 表3是3種復墾樣地土壤理化性質主成分分析的結果。從中可見，由6個土壤理化性質指標所表征的影響因子的主成分1與主成分2的累積方差貢獻率達到87.2%，可以用來反映煤矸山土壤微生物功能菌系統內的變異情況。從貢獻率和特征值來看，各主成分評價煤矸山土壤微生物功能菌的影響力依次為主成分1(PC1)>主成分2(PC2)。由第一、二主成分的系數來看，第一主成分主要由有效磷、堿解氮、含水量、pH值、有機質決定。有效磷是影響第一主成分的主要因子。第二主成分由速效鉀決定其大小。

表2 3種復墾年限樣地土壤微生物功能菌數量與土壤性質的相關系數

注：自由度為22，*表示在p<0.05水平顯著，**表示p<0.01水平顯著，∑r為對應列相關系數絕對值之和。

表3 3種樣地土壤理化性質的主成分分析結果

4 討 論

研究表明，土壤微生物功能菌在土壤形成及養分供給中起重要作用，可用來判斷土壤的熟化程度[10]。本研究中，3種復墾年限樣地土壤微生物功能菌總量隨復墾年限增加呈增加趨勢，表明煤矸山植被復墾有效地改善了土壤微生物的生長環境，促進了功能菌數量的增加。同時，3種復墾樣地土壤理化性質的主成分分析結果表明，含水量、有機質、堿解氮和有效磷是影響微生物功能菌數量的重要因子。同時，3種樣地土壤性質的差異也顯示隨著復墾年限的增加土壤水肥狀況明顯變優，如與R4a樣地相比，R6a樣地0—10 cm土層含水量、有機質、堿解氮和有效磷分別增加76.5%，34.7%，133.6%和18.3%，R8a樣地相比R6a樣地分別增加24.1%，116.6%，0.5%和132.6%。由此可見，煤矸山植被復墾后，隨著施肥、澆水等田間管理措施的實施，復墾果園土壤氮、磷等養分含量增加，土壤貯水能力也提高，微生物生存環境有了明顯改善，使土壤微生物功能菌數量明顯增加。同時，研究發現，纖維素分解菌數量與其他功能菌數量變化不同，表現為先上升后下降，造成這種現象的原因可能在于，隨復墾年限增加，土壤熟化程度不斷提高，因而土壤中纖維素類物質在R6a樣地含量增加，但R8a樣地相對有所降低，造成纖維素分解菌數量也有所下降，這在其他研究中也有類似發現[11]。此外，研究也發現，雖然煤矸山復墾土壤功能菌數量隨復墾年限的增加明顯增加，但即使在最大復墾年限R8a樣地中，土壤微生物功能菌數量仍低于當地普通果園(CK)，這說明在最大年限8 a內，煤矸山復墾土壤質量仍未達到與當地普通果園相當的水平。

5 結 論

(1) 隨著復墾年限的增加，3種復墾年限樣地0—10 cm和10—20 cm土層均表現為土壤含水量、有機質、堿解氮、有效磷含量增加，速效鉀含量降低。與CK相比，3種復墾年限樣地0—10 cm土層土壤含水量、有機質、堿解氮、有效磷含量均明顯偏低，在10—20 cm土層，土壤有機質和有效磷含量明顯偏低。

(2) 3種復墾樣地土壤微生物功能菌總量隨復墾年限的增加呈增加趨勢，但仍低于原地貌普通果園(CK)；3種復墾年限土壤各類微生物功能菌數量的差異表現為：好氧固氮菌、氨化細菌、有機磷細菌、無機磷細菌數量隨復墾年限的增加而增加，而纖維素分解菌數量呈先增后減的趨勢。

(3) 3種復墾樣地土壤功能菌數量與土壤性質間的相關分析表明，氨化細菌和好氧纖維素分解菌受土壤理化性質的影響最大；主成分分析結果表明，有效磷、堿解氮、含水量是影響土壤微生物功能菌數量的主要因子。

參考文獻:

[1] 姚拓,龍瑞軍,師尚禮,等.高寒草地不同擾動生境土壤微生物氮素生理群數量特征研究[J].土壤學報,2007,44(1):122-129.

[2] Wu J, Huang M, Xiao H A, et al. Dynamics in microbial immobilization and transformations of phosphorus in highly weathered subtropical soil following organic amendments[J]. Plant & Soil, 2007,290(1/2):333-342.

[3] 樊文華,白中科,李慧峰,等.不同復墾模式及復墾年限對土壤微生物的影響[J].農業工程學報,2016,27(2):330-336.

[4] 胡振琪.半干旱地區煤矸石山綠化技術研究[J].煤炭學報,1995,20(3):322-327.

[5] 李智蘭.礦區復墾對土壤養分和酶活性以及微生物數量的影響[J].水土保持通報,2015,35(2):6-13.

[6] 于亞軍,任珊珊,郭李凱,等.兩種利用類型煤矸山復墾重構土壤貯水特性研究[J].水土保持研究,2016,23(2):44-48.

[7] 畢斌,任珊珊,郭李凱,等.2種利用類型煤矸山復墾重構土壤的微生物量碳、氮含量與酶活性[J].江蘇農業科學,2016,44(8):511-514.

[8] 龐碧琳,于亞軍.復墾煤矸山不同利用類型土壤微生物群落分析[J].土壤通報,2017,48(2):359-364.

[9] 王繼萍,龐碧琳,于亞軍.不同復墾年限煤矸山土壤微生物群落特征及其指示作用[J].干旱區資源與環境,2017,31(9):140-144.

[10] 牛世全,楊建文,胡磊,等.河西走廊春季不同鹽堿土壤中微生物數量、酶活性與理化因子的關系[J].微生物學通報,2012,39(3):416-427.

[11] 楊濤,周慧,張于光,等.云南高黎貢山土壤可培養降解纖維素真菌的多樣性[J].生態學報,2009,29(4):1971-1979.