施肥方式對采煤塌陷地復墾土壤微生物群落的影響

侯 穎，丁錦平，裴冬麗

（商丘師范學院生物與食品學院/河南省植物與微生物互作重點實驗室，河南 商丘 476000）

我國96%左右的的煤炭產量來自井工開采，井工開采造成的地面塌陷在我國區域廣、面積大。隨著煤炭工業的持續發展，土地塌陷面積還在逐年增加。因此，塌陷區的合理復墾是眾多學者關注的重要課題之一[1-4]。特別是在我國中東部的高潛水位平原農業區，土地資源有限且人口眾多，礦業和農業用地矛盾突出。因此，復墾后短時間內提高土壤質量，對增加農業用地，解決礦區土地利用矛盾具有重要意義。

提高土壤質量有諸多措施，包括物理技術、化學技術和生物學技術[5]，但不同的方法各有利弊。因此，近年來一些研究者開展了多種復墾措施對礦區土壤進行修復研究[6-7]，并取得了一定的成果。其中，以無機肥、有機肥和菌肥配施來提高土壤質量的研究最為廣泛。多數研究結果認為，多種肥料的合理配施能顯著改善土壤質量、提高土壤肥力和微生物的數量[8-11]。

綠肥是將植物生長過程中所產生的全部或部分綠色體，直接或異地翻壓或者經堆漚后施用到土地中作肥料的一種技術，能有效增加土壤肥力、改善土壤結構[12]。但隨著化肥工業的迅猛發展，化肥過量施用、盲目施用的問題日益突出，不僅增加了農業投入成本，還造成耕地質量不斷下降、地下水和空氣等環境污染等一系列問題。而合理施用綠肥，有助于用地養地、部分替代化肥，同時能固氮、吸碳，有利于改善生態環境、節能減耗、保障糧食安全，對我國傳統農業發展具有重要意義[13]。對于采煤塌陷復墾初期的土壤，由于土壤結構被破壞，土壤保水保肥能力差，而綠肥能有效地改良土壤結構、增加有機質和氮磷鉀等多種營養成分，因此，使用綠肥能更好地改善土壤理化性狀[14]。但有關綠肥在采煤塌陷復墾初期土壤改良中的應用，尤其是綠肥與其他肥料的配施，以及不同品種綠肥的應用效果研究相對較少。

施肥可使土壤微生物群落結構發生顯著變化，而施肥模式是影響土壤微生物群落結構的一個重要因素，不同施肥模式強烈影響土壤微生物的種群結構及數量[15]。土壤微生物是土壤質量變化的敏感指標，也是土壤質量的重要指示[16]，研究不同培肥處理對土壤微生物的影響，能夠更早、更及時地反映土壤質量的變化，可以為復墾土壤的管理和修復提供科學依據。因此，我們以河南省永城采煤塌陷復墾區為對象，研究綠肥、化肥和菌肥的配施在復墾初期土壤質量改良中的應用效果，分析綠肥與其他肥料配施對復墾土壤微生物數量和群落結構的影響，以期為平原農業區采煤塌陷地復墾土壤的修復提供科學依據。

1 材料與方法

1.1 試驗地概況

河南省永城煤礦區（115°58′～116°39′E，33°42′～34°18′N）地處豫東平原農業區，屬于大型平原礦區，也是新興的我國六大無煙煤生產基地之一。屬暖溫帶季風性半濕潤氣候區，平均海拔高33 m，年平均氣溫14.30℃，年降水量874 mm，無霜期207 d。該區老礦區土地塌陷十分嚴重，新建煤礦開采強度高、塌陷速度快，采煤沉陷已成為該區當前最突出、最緊迫的生態環境問題。

1.2 試驗材料

試驗于2015年在河南省永城市城郊煤礦塌陷復墾區進行，供試土壤為復墾1年土壤。供試綠肥為紫花苜蓿和黑麥草；化學肥料為復合肥（N-P2O5-K2O∶15-15-15）；菌肥為金寶貝微生物菌劑，由北京華夏康源科技有限公司提供，有效活菌數在4億～8億個/g。

1.3 試驗方法

試驗設黑麥草（T1）、紫花苜蓿（T2）、黑麥草+化肥（T3）、紫花苜蓿+化肥（T4）、黑麥草+菌肥（T5）、紫花苜蓿+菌肥（T6）、黑麥草+化肥+菌肥（T7）、紫花苜蓿+化肥+菌肥（T8）和不施肥（CK）9個處理，每個處理5次重復，小區面積40 m2，各小區之間用塑料薄膜隔開，防止小區間串水串肥。

2015年3月初按不同的試驗處理每667 m2施用化肥（復合肥45 kg）或菌肥（2 kg）后，撒播黑麥草（每667 m2播種量1 kg）或紫花苜蓿（每667 m2播種量0.5 kg），當年6月份全部翻耕，把黑麥草或紫花苜蓿掩埋于土壤下，9月份取土壤樣品作為試驗材料。

土壤樣品采集時間為2015年9月，各試驗小區內按“S”形取樣，采集0～20 cm土層樣品，混勻，每個土樣5次重復，取回后貯存于4℃冰箱供測微生物數量之用。

土壤可培養微生物采用平板分離計數法，細菌采用牛肉膏蛋白胨培養基、放線菌采用改良高氏一號培養基、真菌采用孟加拉紅培養基分別進行分離培養。

試驗數據統計分析采用Microsoft Excel 2003軟件，方差分析采用SPSS 17.0軟件。

2 結果與分析

2.1 施肥處理對復墾土壤微生物總數的影響

由圖1可知， T1～T8處理土壤微生物總數量均比CK顯著增加，其中，T7、T8處理土壤微生物總數量最多。與CK相比， T7、T8處理微生物數量提高幅度分別為430.1%和387.9%，其次是T3、T4處理，其微生物數量提高幅度分別為342.9%和314.8%，而T1、T2、T5、T6處理增加幅度較小。因此，各種處理微生物總數量的變化為：T7、T8＞T3、T4＞T1、T2、T5、T6。

圖1 各處理微生物總數量

2.2 施肥處理對復墾土壤不同微生物類群的影響

由表1可知，與CK相比，施肥處理均顯著提高了不同微生物類群的數量，總體上，微生物類群在各施肥處理的數量變化順序為：放線菌＞細菌＞真菌，其中，各施肥處理放線菌數量比CK增加2.4～5.8倍、細菌數量比CK增加2.0～4.2倍、真菌數量比CK增加1.5～3.5倍。其中，T7處理細菌和放線菌數量增加最多，分別比對照增加4.2倍和5.8倍，而T8處理真菌數量增加最多，比CK增加3.5倍。

不同施肥處理對微生物數量影響大小總體趨勢為：綠肥+化肥+菌肥＞綠肥+化肥＞綠肥+菌肥＞綠肥。但不同施肥處理對不同微生物類群數量的影響仍有差異。其中，T7、T8處理提高了細菌、放線菌和真菌的數量，與其他各處理均有顯著差異；T1、T2處理與T3、T4處理對細菌數量影響差異顯著，但二者與T5、T6處理無顯著差異；T1、T2處理和T5、T6處理對放線菌數量影響無顯著差異，但二者均與T3、T4處理差異顯著；T3、T4、T5、T6處理真菌數量均顯著高于T1、T2處理。

表1 施肥處理對復墾土壤細菌、真菌、放線菌數量的影響

2.3 施肥處理對復墾土壤微生物群落組成的影響

土壤微生物是由多個種群組成的微生物群落，在土壤養分循環和能量轉化過程中發揮著不同作用，其數量隨地上植被、土壤養分、水分、物理性狀的變化而變化。由表2可知，不同施肥處理后，土壤微生物各類群占微生物總數的比例均發生了變化，但細菌所占比例變化不顯著，而放線菌和真菌所占比例在不同處理所占微生物總數的比例不同。其中，放線菌的比例在各處理下均比CK增加，表明施肥處理放線菌的增加幅度較大，且T1、T3、T5、T7處理放線菌的比例分別為11.5%、10.6%、10.8%和12.1%，均分別大于T2、T4、T6、T8處理，表明黑麥草處理比苜蓿更有利于放線菌的生長；相反，真菌的比例在各處理下均比CK降低，表明施肥處理真菌的增加幅度較小，且T2、T4、T6、T8處理真菌的比例分別為3.3%、3.0%、3.8%和4.0%，均分別大于T1、T3、T5、T7處理，表明苜蓿比黑麥草更有利于真菌的生長。

表2 施肥處理對復墾土壤細菌、真菌、放線菌占微生物總數比例的影響 （%）

3 結論與討論

采煤塌陷區復墾土壤由于養分貧瘠、結構性差，其土壤微生物數量少，成為制約土壤生產力提高的重要因素。大量研究表明，不同的施肥處理措施能有效改善土壤質量，提高土壤中微生物的數量和活性[8，16]。其中，綠肥作為一種養分完全的生物肥源，分解快，肥效迅速，能增加土壤中的有機質和氮、磷、鉀、鈣、鎂和各種微量元素，同時能改善土壤結構、提高土壤的保水保肥和供肥能力。本試驗結果表明，無論是單獨綠肥處理還是綠肥與化肥或菌肥配施，均能顯著提高土壤中總的微生物數量，這與其他研究結果一致，主要是因為綠肥改善了土壤結構、為土壤微生物生長提供了養分和能源[17]。但不同的施肥處理對復墾土壤微生物的影響不同。本試驗中，綠肥+菌肥對土壤總微生物數量的改善作用不如綠肥+化肥，可能的原因是菌肥作為生物肥料，是菌而不是肥，它本身并不含有植物生長發育需要的營養元素，而只是含有微生物，在土壤中通過參與土壤中物質和能量的轉化、腐殖質的形成和分解、養分的釋放等改善土壤的營養條件。因此，在短期實驗中，其為土著微生物提供營養方面不如化學肥料迅速。綠肥+化肥+菌肥處理對土壤中微生物數量影響最大，該處理微生物總數顯著高于對照和其他處理，這與胡可等[18]的研究結果一致。這可能是由于一方面化肥的施入可實現土壤氮、磷、鉀等營養元素含量的迅速提高，為土壤微生物和地上植物生長快速地提供了無機養分，另一方面，隨著地上植物（綠肥）的生長，植物地上部生物量和根系分泌物形成的有機物輸送進土壤，有利于土壤微生物的繁衍，共同促進了微生物的生長?？梢姡G肥+化肥+菌肥的培肥模式有助于改良土壤的微生物學特性，應進一步推廣和利用。

施肥處理顯著提高了微生物的數量，但不同微生物類群數量變化不同，可能是因為土壤結構、土壤營養物質含量和土壤pH值均在一定程度上決定了土壤微生物組成[19]，因此，微生物類群組成比例上的變化，可以敏感地反映土壤質量的變化[20]。本試驗結果表明，在各施肥處理下微生物類群數量變化幅度的順序為：放線菌＞細菌＞真菌，且與對照相比，放線菌占微生物總數的比例提高。不同施肥處理土壤中放線菌數量大幅度增加及比例的提高，可能是因為綠肥的施用，使植物在生長過程中向土壤輸送了有機物質，且改善了土壤結構，因而適宜于放線菌的快速繁殖[21-22]。此外，本試驗結果還表明，放線菌占微生物總數的比例在黑麥草、黑麥草+化肥、黑麥草+菌肥、黑麥草+化肥+菌肥處理中均高于苜蓿及其相應組合的處理。表明在復墾初期，黑麥草作為綠肥對土壤放線菌有更為明顯的增加作用，主要是因為禾本科植物有非常發達的地下根莖，在生長過程中會將光合物質向地下大量轉移，從而促進放線菌的生長[23]。因此，在復墾土壤的培肥模式選擇中，應根據復墾土壤的性狀而選擇不同的模式。